1 前言
目前，防雷市场使用在第一级的电源防雷器，有相当一部分是开关型防雷器。尽管开关型防雷器有通流能力大、残压低和使用寿命长等优点，但是由于开关型防雷器存在后续电流和点火电压过高等问题，使得开关型防雷器易出现燃烧、爆炸和不动作等事故和问题，特别是在通信行业造成了不良影响。由于开关型防雷器存在续流问题，所以许多行业（特别是通信行业）对开关型防雷器都采取了一些限制使用措施。但是，我们通过近一年的时间，对开关型防雷器的元器件、关键电路进行研究和改进，发现通过对元器件的更新和对防雷器电路的改进，可以使开关型防雷器做到在低压电源系统使用，当发生雷击响应时无续流产生，并且通过试验进行了验证。下面将通过相关的技术要点和试验数据对开关型防雷器在低压电源系统使用的问题进行探讨。
2 满足开关型防雷器在低压电源系统使用的必备条件
开关型防雷器要能够在低压电源系统安全运行，首先要选择满足运行技术条件的核心元器件。目前市场上使用的开关型防雷器主要元器件有3种：大通流陶瓷气体放电管、金属间隙、石墨间隙。采用大通流陶瓷气体放电管制作的开关型防雷器，由于放电管的弧光压降比较低，一般都无法切断续流。尽管有人采用多个放电管串联，提高弧光压降，目前也只在150V左右，这样，对于交流系统在电压过零点的时候，是可以切断续流的。但是，如果是直流系统，则续流还是无法切断。图1是放电管在线冲击的电网波形图。
图1 开关型防雷器在线冲击有续流的波形图
从图1可以看出，当放电管动作时，由于续流无法切断，造成空开跳闸。
采用空气间隙制作的开关型防雷器，电极是采用特殊金属材料制作的，将两个电极的中间距离调整一个适当值。当电极两端的电压达到某个电压值时，电极间的空气发生击穿，使高压通过弧光放电把过电压泄放到大地。防雷器尽管采用了磁吹的方式进行灭弧处理，这种方式只有在电源容量比较小、电源内阻大的情况下才有能够灭弧。但该防雷器一般都安装在电源的第一级，由于电源的能量很大，防雷器一般都会产生很大的续流，有时甚至会向外喷火，易造成爆炸和燃烧事故。在线冲击的电网波形也如图1所示。
采用石墨间隙制作的开关型防雷器，是在绝缘壳体内嵌入多层石墨电极，在石墨电极之间隔出空气间隙，从两端引出金属电极。石墨间隙防雷器具有通流能力较强、启动电压低（≤2000V）、残压低、无续流等特点。石墨间隙防雷器虽然具备上述优点，但对石墨电极的加工制作工艺要求很高。如果处理不好，当承受较大雷电流冲击时，将会发生石墨电极断裂和石墨层脱落的现象，造成防雷器炸裂或短路，发生防雷器失效和电源短路事故。另外，防雷器空气间隙的击穿电压也会随着环境温度的变化发生改变。在线冲击的电网波形也如图1所示。
从上面3组试验情况来看，除了材料自身原因外，造成电网事故的主要原因就是防雷器动作以后，由于弧光电压比较低，致使工频电流通过防雷器对地泄放，发生防雷器的燃烧、爆炸和电网跳闸等事故。因此，可以这样认为：开关型防雷器要想在交流电网上使用，就必须解决防雷器的续流问题，而解决续流的关键，就是如何提高防雷器的弧光电压。然而，提高弧光电压的关键就是看所选用的元器件自身能否满足技术要求。
3 开关型防雷器的元器件选择
既然确定了元器件是实现开关型防雷器无续流的关键，不妨从元器件的选择入手。目前我们与国内放电管制造商经过近一年时间的工作，设计研发了一种新型放电管——叠层放电管。该产品采用特殊工艺制造，是在1个封闭磁环内同时加工成3个气体放电管，具有通流能力强（8/20μS波形 100kA；10/350μS波形 50kA）、弧光低压高（≥350V）、电气性能稳定等特点。通过大量试验和分析，可以得到以下结果。
⑴ 叠层放电管的大通流冲击试验结果
通过对叠层放电管实施8/20μS波形50kA -100kA，10/350μS波形 25kA -50kA（国家检测中心）冲击试验。在科通实验室用8/20μS波形试验台进行50kA、100kA冲击，经过5次25kA、2次50kA冲击后；国家防雷产品检测中心用10/350波形试验台进行25kA、50kA冲击，经过5次25kA、2次50kA冲击后，叠层放电管没有发生炸裂和短路的现象。由此可见，叠层放电管在通流能力方面是可以满足设计要求的。图2和图3是冲击试验的波形图。
图2 8/20μS波形100kA冲击波形图 图3 10/350μS波形50kA冲击波形图
⑵ 叠层放电管在线冲击试验结果
叠层放电管的在线冲击试验，是在国家防雷产品检测中心进行的，采用的是8/20μS波形25kA冲击加工频电流1500A，经过连续变换相位，从0~360°施加冲击电压，叠层放电管始终没有续流产生，图4是叠层放电管在线冲击试验波形.
(a) (b)
图4 8/20μS波形25kA冲击加工频电流1500A , (a)75°试验波形；(b) 245°试验波形
从图4的波形图可以清楚的看到，当叠层放电管受到雷电流冲击时，在交流电网正弦波上明显变化的波形，但是只在一瞬间电网就恢复了正常。这说明当叠层放电管动作时，对电网完全没有产生影响。
⑶ 叠层放电管在实际应用中的问题
叠层放电管尽管在耐冲击能力和无续流方面满足了产品的应用要求，但是，在实际使用时，由于叠层放电管的冲击点火电压比较高，如果单独使用可能会出现发生雷击时不动作的现象。就拿220V电源系统使用的叠层放电管为例，该放电管的直流击穿电压在2500V左右，采用1.2/50μS波形6kV冲击时，冲击点火电压为4600V左右；采用8/20μS波形10kA冲击时，冲击点火电压为2700V左右。图5和图6为试验波形图。
图5 1.2/50μS波形6kV冲击时的波形图 图6 8/20μS波形10kA冲击时的波形图
从以上分析来看，单独采用叠层放电管制作开关型防雷器是存在问题的，如何使用叠层放电管制造出性能优良的开关型防雷器，下面做简单的介绍。
4 新型开关型防雷器的制作
既然单独采用叠层放电管制作开关型防雷器存在点火电源过高的问题，就从叠层放电管的点火电路入手，解决叠层放电管的点火问题。以下是两种通过试验证明可行的点火电路。
⑴ 采用电子点火电路
在叠层放电管的中间引出点火电极，然后将点火电路的3个接点分别连接到叠层放电管的上下电极和点火电极上，具体电路如图7所示。
图7 叠层放电管的点火电路
当雷击高电压从接点1侵入进来以后，在G1两端的电感上产生了较高的感应电势，然后在互感器的高压端产生一个更高的感应电压，将叠层放电管中（2-3）层击穿，再利用Rv1上的残压将叠层放电管其他未击穿的层次击穿，从而使得整个叠层放电管导通，对地泻放雷电电流。当工频电流从接点1引入进来时，由Rv1进行阻断，避免点火电路被烧坏。
使用电子点火装置以后，可以准确地控制和调整叠层放电管的启动电压，可靠地保护后续设备。点火电路需要根据在不同电压等级的电网使用进行不同的设计，并且需要精选元件进行制作，确保点火电路在遭受雷击时不被损坏。图8是叠层放电管没有采用点火电路的试验波形，图9是采用点火电路的试验波形，试验都1.2/50μs、6kV冲击下进行。在8/20μs 20kA冲击下的试验波形见图10和图11。
图8 不带点火电路正向点火电压值：4.469kV 图9 带点火电路正向点火电压值：1.268 kV
图10 不带点火电路正向点火电压值：6.01kV 图11 带点火电路正向点火电压值：1.46kV
根据以上试验可知，不带点火电路的叠层放电管的冲击点火电压比带点火电路的叠层放电管的冲击点火电压高出2倍以上。由此可见，采用点火电路以后，可以大大降低叠层放电管的点火电压，从而满足实际使用的条件。
⑵ 采用MOV直接点火
选用合适电压等级和通流能力的MOV，根据不同电网的实际要求与叠层放电管进行并接，也同样可以实现叠层放电管的低点火电压启动。由于采用MOV直接点火的方式比较简单，在这里就不做详细介绍。只是在MOV的选型上，特别要注意启动电压、通流容量与实际使用的电路需要良好的配合，否则，将会导致开关型防雷器的故障和失效。
5 新型开关型防雷器与MOV的配合使用
目前，开关型防雷器主要应用在电源系统的前端进行保护。尽管开关型防雷器具有通流能力强、残压低等优点，但是，开关型防雷器的响应时间比限压型防雷器慢很多，所以，许多国外品牌的开关型防雷器都采用了与MOV配合使用的模式，通称为B+C型防雷器。我们通过试验对此进行了验证。试验波形图如图12和图13所示。
图12 开关型防雷器8/20μs20kA单独冲击波形 图13 加MOV后8/20μs20kA冲击波形
从以上试验波形图来看，用8/20μs20kA单独冲击开关型防雷器时（见图12），在波头前沿大约有100nS~200nS的响应时间间隔，这就是陶瓷气体放电管的响应特性。当开关型防雷器与MOV配合使用时，就可以把两者的优点充分体现出来（如图13所示）。冲击的波头由MOV响应，后续的电流能量由开关型防雷器充分进行释放，得到良好的保护效果。
5 结语
通过以上的试验分析认为，只要彻底解决开关型防雷器的续流问题，就可以使其在低压系统防雷中起到良好的保护作用。因为产品目前还缺乏实际应用的案例，单靠试验数据还可能会出现一些问题，撰写此文供大家分析参考。 |
