開(kāi)關(guān)型電涌保護器在低壓配電系統使用的研究

開(kāi)關(guān)型電涌保護器要能夠在低壓配電系統安全運行，首先要選擇滿(mǎn)足運行技術(shù)條件的核心元器件。目前市場(chǎng)上使用的開(kāi)關(guān)型電涌保護器主要元器件有三種：大通流陶瓷氣體放電管、金屬間隙、石墨間隙。
(1) 采用大通流陶瓷氣體放電管制作的開(kāi)關(guān)型電涌保護器，由于放電管的弧光壓降比較低，一般都無(wú)法切斷續流。盡管有人采用多個(gè)放電管串聯(lián)，提高弧光壓降，目前也只在 150V 左右，這樣，對于交流系統在電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候，是可以切斷續流的，但是，如果是直流系統，則續流還是無(wú)法切斷。圖 1 是放電管在線(xiàn)沖擊的電網(wǎng)波形圖。
從圖 1 可以看出，當放電管動(dòng)作時(shí)，由于續流無(wú)法切斷，造成空開(kāi)跳閘。
(2) 采用空氣間隙制作的開(kāi)關(guān)型電涌保護器，電極是采用特殊金屬材料制作的，將兩個(gè)電極的中間距離調整一個(gè)適當值，當電極兩端的電壓達到某個(gè)電壓值時(shí)，電極間的空氣發(fā)生擊穿，使高壓通過(guò)弧光放電把過(guò)電壓泄放到大地。電涌保護器盡管采用了磁吹的方式進(jìn)行滅弧處理，這種方式只有在電源容量比較小、電源內阻大的情況下才有能夠滅弧。但該電涌保護器一般都安裝在電源的第一級，由于電源的能量很大，電涌保護器一般都會(huì )產(chǎn)生很大的續流，有時(shí)甚至會(huì )向外噴火，易造成爆炸和燃燒事故。在線(xiàn)沖擊的電網(wǎng)波形也如圖 1 所示。
(3) 采用石墨間隙制作的開(kāi)關(guān)型電涌保護器是在絕緣殼體內嵌入多層石墨電極，在石墨電極之間隔出空氣間隙，從兩端引出金屬電極制作的間隙電涌保護器。石墨間隙電涌保護器具有通流能力較強、啟動(dòng)電壓低（≤2000V）、殘壓低、無(wú)續流等特點(diǎn)。石墨間隙電涌保護器雖然具備上述的優(yōu)點(diǎn)，但對石墨電極的加工制作的工藝要求很高，如果處理不好，當承受較大雷電流沖擊時(shí)，將會(huì )發(fā)生石墨電極斷裂和石墨層脫落的現象，造成電涌保護器炸裂或短路，發(fā)生電涌保護器失效和電源短路事故。另外，電涌保護器空氣間隙的擊穿電壓也會(huì )隨著(zhù)環(huán)境溫度的變化發(fā)生改變。在線(xiàn)沖擊的電網(wǎng)波形也如圖 1 所示。
從上面三組試驗情況來(lái)看，除了材料自身原因外，造成電網(wǎng)事故的主要原因就是電涌保護器動(dòng)作以后，由于弧光電壓比較低，致使工頻電流通過(guò)電涌保護器對地泄放，發(fā)生電涌保護器的燃燒、爆炸和電網(wǎng)跳閘等事故。因此，我們可以這樣認為：開(kāi)關(guān)型電涌保護器要想在交流電網(wǎng)上使用，就必須解決電涌保護器的續流問(wèn)題，而解決續流的關(guān)鍵，就是如何提高電涌保護器的弧光電壓。然而，提高弧光電壓的關(guān)鍵就是看所選用的元器件自身能否滿(mǎn)足技術(shù)要求。
3 開(kāi)關(guān)型電涌保護器的元器件選擇
既然確定了元器件是實(shí)現開(kāi)關(guān)型電涌保護器無(wú)續流的關(guān)鍵，我們不妨從元器件的選擇入手。與國內放電管制造商經(jīng)過(guò)近一年時(shí)間的努力，設計研發(fā)了一種新型放電管—疊層放電管，該產(chǎn)品采用特殊工藝制造，是在一個(gè)封閉磁環(huán)內同時(shí)加工成三個(gè)氣體放電管，具有通流能力強（8/20μs 波形 100kA，10/350μs 波形 50kA）、弧光低壓高（≥350V）、電氣性能穩定等特點(diǎn)。通過(guò)大量試驗和分析，我們可以看到以下結果。
3.1疊層放電管的大通流沖擊試驗結果
通過(guò)對疊層放電管實(shí)施 8/20μs 波形 50-100kA，10/350μs 波形 25-50kA（國家檢測中心）沖擊試驗。在科通實(shí)驗室用 8/20μs 波形試驗臺進(jìn)行 50kA、100kA 沖擊，經(jīng)過(guò) 5 次 25kA、2 次 50kA 沖擊后；國家防雷產(chǎn)品檢測中心用 10/350μs 波形試驗臺進(jìn)行 25kA、50kA 沖擊，經(jīng)過(guò) 5 次 25kA、2 次 50kA 沖擊后，疊層放電管沒(méi)有發(fā)生炸裂和短路的現象。由此可見(jiàn)，疊層放電管在通流能力方面是可以滿(mǎn)足設計要求的。圖 2、圖 3 是沖擊試驗的波形圖。
3.2 疊層放電管的在線(xiàn)沖擊試驗結果
疊層放電管的在線(xiàn)沖擊試驗是在國家防雷產(chǎn)品檢測中心進(jìn)行的，采用的是 8/20μs 波形 25kA 沖擊加工頻電流 1500A，經(jīng)過(guò)連續變換相位從 0~360 度施加沖擊電壓，疊層放電管始終沒(méi)有續流產(chǎn)生，圖 4、圖 5 是疊層放電管的在線(xiàn)沖擊試驗波形：
從圖 4、圖 5 的波形圖上我們可以清楚的看到，當疊層放電管受到雷電流沖擊時(shí)，在交流電網(wǎng)正弦波上明顯變化的波形，但是只在一瞬間電網(wǎng)就恢復了正常。這說(shuō)明當疊層放電管動(dòng)作時(shí)，對電網(wǎng)完全沒(méi)有產(chǎn)生影響。
3.3 疊層放電管在實(shí)際應用中的問(wèn)題
疊層放電管盡管在耐沖擊能力和無(wú)續流方面滿(mǎn)足了產(chǎn)品的應用要求，但是，在實(shí)際使用時(shí)，由于疊層放電管的沖擊點(diǎn)火電壓比較高，如果單獨使用可能會(huì )出現發(fā)生雷擊時(shí)不動(dòng)作。以 220V 電源系統使用的疊層放電管為例：該放電管的直流擊穿電壓在 2500V 左右，采用 1.2/50μs 波形 6kV 沖擊時(shí)，沖擊點(diǎn)火電壓為 4600V 左右；采用 8/20μs 波形 10kA 沖擊時(shí)，沖擊點(diǎn)火電壓為 2700V 左右。圖 6、圖 7 為試驗波形圖。
從以上分析來(lái)看，單獨采用疊層放電管制作開(kāi)關(guān)型電涌保護器是存在問(wèn)題的，如何使用疊層放電管制造出性能優(yōu)良的開(kāi)關(guān)型電涌保護器，在下面做簡(jiǎn)單的介紹。
4 新型開(kāi)關(guān)型電涌保護器的制作
既然單獨采用疊層放電管制作開(kāi)關(guān)型電涌保護器存在點(diǎn)火電源過(guò)高的問(wèn)題，就從疊層放電管的點(diǎn)火電路入手，解決疊層放電管的點(diǎn)火問(wèn)題。以下是兩種通過(guò)試驗證明可行的點(diǎn)火電路：
4.1 采用電子點(diǎn)火電路
在疊層放電管的中間引出點(diǎn)火電極，然后將點(diǎn)火電路的三個(gè)接點(diǎn)分別連接到疊層放電管的上下電極和點(diǎn)火電極上，具體電路如圖 8 所示。
當雷擊高電壓從接點(diǎn) 1 侵入進(jìn)來(lái)以后，在 G1 兩端的電感上產(chǎn)生了較高的感應電勢，然后在互感器的高壓端產(chǎn)生一個(gè)更高的感應電壓將疊層放電管的其中 2-3 層擊穿，在利用 Rv1 上的殘壓將疊層放電管其他未擊穿的層次擊穿，從而使得整個(gè)疊層放電管導通，對地瀉放雷電電流。當工頻電流從接點(diǎn) 1 引入進(jìn)來(lái)時(shí)，由 Rv1 進(jìn)行阻斷，避免點(diǎn)火電路被燒壞。
使用電子點(diǎn)火裝置以后，可以準確地控制和調整疊層放電管的啟動(dòng)電壓，可靠地保護后續設備。點(diǎn)火電路需要根據在不同電壓等級的電網(wǎng)使用進(jìn)行不同的設計，并且需要精選元件進(jìn)行制作，確保點(diǎn)火電路在遭受雷擊時(shí)不被損壞。圖 9 和圖 10 是疊層放電管沒(méi)有采用點(diǎn)火電路和采用點(diǎn)火電路在 1.2/50 μs、6kV 沖擊下的試驗波形。
圖 11 和圖 12 是疊層放電管沒(méi)有采用點(diǎn)火電路和采用點(diǎn)火電路在 8/20μs 20kA 沖擊下的試驗波形。
根據以上試驗進(jìn)行分析，不帶點(diǎn)火電路的疊層放電管的沖擊點(diǎn)火電壓比帶點(diǎn)火電路的疊層放電管的沖擊點(diǎn)火電壓高出 2 倍以上。由此可見(jiàn)，采用點(diǎn)火電路以后，可以大大降低疊層放電管的點(diǎn)火電壓，從而滿(mǎn)足實(shí)際使用的條件。
4.2 采用 MOV 直接點(diǎn)火
選用合適電壓等級和通流能力的 MOV，根據不同電網(wǎng)的實(shí)際要求與疊層放電管進(jìn)行并接也同樣可以實(shí)現疊層放電管的低點(diǎn)火電壓?jiǎn)?dòng)。由于采用 MOV 直接點(diǎn)火的方式比較簡(jiǎn)單，在這里就不做詳細介紹。只是在 MOV 的選型上，特別要注意啟動(dòng)電壓、通流容量與實(shí)際使用的電路需要良好的配合，否則，將會(huì )導致開(kāi)關(guān)型電涌保護器的故障和失效。
5? 新型開(kāi)關(guān)型電涌保護器與 MOV 的配合使用
目前，開(kāi)關(guān)型電涌保護器主要應用在配電系統的前端進(jìn)行保護，盡管開(kāi)關(guān)型電涌保護器具有通流能力強、殘壓低等優(yōu)點(diǎn)，但是，開(kāi)關(guān)型電涌保護器的響應時(shí)間比限壓型電涌保護器慢很多，所以，許多國外品牌的開(kāi)關(guān)型電涌保護器都采用了與 MOV 配合使用的模式，通稱(chēng)為 B+C 型電涌保護器。我們通過(guò)試驗對此進(jìn)行了驗證。圖 13 和圖 14 示出試驗波形圖。
以上試驗波形圖來(lái)看，用 8/20μs 20kA 單獨沖擊開(kāi)關(guān)型電涌保護器時(shí)（見(jiàn)圖 13），在波頭前沿大約有 100~200ns 的響應時(shí)間間隔，這就是陶瓷氣體放電管的響應特性。當開(kāi)關(guān)型電涌保護器與 MOV 配合使用時(shí)，就可以把兩者的優(yōu)點(diǎn)充分體現出來(lái)（如圖 14 所示）。沖擊的波頭由 MOV 響應，后續的電流能量由開(kāi)關(guān)型電涌保護器充分進(jìn)行釋放，得到良好的保護效果。
6 結論
通過(guò)以上的試驗分析，認為只要徹底解決開(kāi)關(guān)型電涌保護器的續流問(wèn)題，就可以使其在低壓系統防雷中起到良好的保護作用。因為產(chǎn)品目前還缺乏實(shí)際應用的案例，單靠試驗數據還可能會(huì )出現一些問(wèn)題，所以特地編寫(xiě)此文章供大家分析討論，希望能夠得到專(zhuān)家們的寶貴意見(jiàn)。