3. 主要保護(hù)元件的電氣性能
(1) 氣體放電管。將一個(gè)或一個(gè)以上的放電間隙封裝在玻璃、陶瓷管或其它介質(zhì)內(nèi),管內(nèi)再充以一定壓力的惰性氣體(如氬氣等),就構(gòu)成了一支氣體放電管(下稱放電管)。常用的有二極管滑線指示燈和三極管,亦曾稱有五級(jí)放電管。
放電管主要的電氣指標(biāo)有標(biāo)稱直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、耐工頻電流能力和耐沖擊電流能力等。
標(biāo)稱直流擊穿電壓是在放電管擊間施加緩慢上升的指示放電管發(fā)生了擊穿時(shí)刻的直流電壓(如圖1所示中的VA)。它反映了放電管可以使用的場(chǎng)合,而不導(dǎo)致電路工作不正常。放電管未擊穿前相當(dāng)于開路狀態(tài)。
沖擊擊穿電壓則指放電管在沖擊電壓作用下的擊穿(動(dòng)作)電壓值。這個(gè)值非常重要,他代表其保護(hù)效果的扁平橡套軟電纜好與壞,通常他甚至高于標(biāo)稱直流擊穿電壓值。如標(biāo)稱值為230V的放電管,其沖擊擊穿電壓值(殘壓)約高達(dá)600~800v(1Kv/μs),如圖1所示中的VA。
沖擊擊穿電壓值與施加間沖擊波性的波前(沿)陡度有明顯的關(guān)系,即波前越陡,電壓值越高,反之亦然。當(dāng)陡度降得很緩慢時(shí),即為標(biāo)稱直流擊穿電壓值。這一特性常以放電管沖擊擊穿電壓和放電(動(dòng)作)時(shí)間關(guān)系的“伏秒特性”曲線來描述(如圖2所示)。圖中的曲線越平直、越靠近Vdc值,則其保護(hù)效果越好。
?。▓D2 沖擊擊穿電壓和放電時(shí)間關(guān)系(伏秒特性))
耐電流能力可以說是壽命指標(biāo),也可以說是能力指標(biāo)。表明他承受工頻點(diǎn)六和沖擊電流的水平,也是一個(gè)重要的指標(biāo)。耐沖擊電流的數(shù)值與所加沖擊電流波形直接相關(guān),不同的波形,其值差別很大。放電管的耐沖擊電流可達(dá)20kA(8/20μs)以上。
對(duì)于氣體放電管的指標(biāo)要求,國(guó)標(biāo)GB9043和I-TU-T(原CCITT)的K.12建議都有明確規(guī)定。應(yīng)特別提出的是“橫向電壓”指標(biāo),以其3個(gè)(以上)間隙的擊穿時(shí)間差來衡量,也是三級(jí)以上的放電管所*的。三(多)級(jí)放電管zui大的優(yōu)點(diǎn)是將3個(gè)以上的間隙密封于一個(gè)空間內(nèi),當(dāng)其中任一間隙擊指針高壓兆歐表穿放電時(shí),由于氣體的電離和光的作用等,提前引發(fā)其余間隙迅速放電,令各電極間的電位差很小,即橫向電壓很低。這對(duì)平衡電路的橫向保護(hù)有很好的效果。
1個(gè)三級(jí)放電管[如土3(a)所示]其保護(hù)效果優(yōu)于使用3個(gè)二級(jí)放電管[如圖3(b)所示],更優(yōu)于僅使用兩個(gè)縱向保護(hù)二級(jí)放電管[如圖3(b)所示中沒有G3的情況]。通常在a、b線上所感應(yīng)的雷電壓Uae(U’ae)和Ube(U’be),當(dāng)線路結(jié)構(gòu)、絕緣等條件相同,放電管尚未擊穿前,Uae(U’ae)≈Ube(U’be),則Uab(U’ab)≈0。但當(dāng)放電管一旦擊穿,可能出現(xiàn)下列兩種情況。
4所示的時(shí)間差ta-tb,橫向電壓Uab(U’ab)≠0,GB9043中規(guī)定ta-tb≤200ns,當(dāng)沖擊波形的上升速率規(guī)定后,實(shí)際上是限制了橫向電壓的值。
由于氣體介質(zhì)中的擊穿放電是隨機(jī)現(xiàn)象,故對(duì)他的擊穿電壓(包括直流和沖擊)值不能簡(jiǎn)單的一個(gè)別樣品的個(gè)別數(shù)據(jù)來判定。多年來,我們通過對(duì)大量實(shí)測(cè)擊穿電壓值進(jìn)行研究,觀察其實(shí)際分布情況,并利用亨利直線法進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明,放電管的擊穿電壓基本上符合正態(tài)分布。所以,用統(tǒng)計(jì)評(píng)定方法是可行的,這已在GB9043中使用,ITU-T也以此為基礎(chǔ)修改了K.12建議。
其實(shí),保護(hù)性能的優(yōu)劣,主要比較保護(hù)元件在沖擊電壓(電流)作用下放電時(shí),極間殘壓的高低,當(dāng)然是越低越好。以往對(duì)殘壓這個(gè)概念有些人產(chǎn)生誤解,認(rèn)為擊穿(放電)后的極間電壓(如圖1所示的VC)為殘壓,其實(shí)不然。因?yàn)楸萔C高得多的VA等早已進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部,甚至損壞設(shè)備(電路)。所以,對(duì)殘壓的更準(zhǔn)確理解為包括為使保護(hù)元件動(dòng)作的過電壓,保護(hù)元件動(dòng)作前的瞬態(tài)、保護(hù)元件動(dòng)作后的端電壓和保護(hù)動(dòng)作引起的電路順保護(hù)元件動(dòng)作后的端電壓和保護(hù)動(dòng)作引起的電路瞬態(tài)等。因而在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮上述各種過電壓值,否則,該保護(hù)設(shè)計(jì)是不成功的。
(2) 壓敏電阻。壓敏電阻是一種由氧化鋅(或碳化硅)晶體微粒組成的多晶半導(dǎo)體過電壓抑制器件,典型的限幅型過電壓保護(hù)器件。實(shí)際上是一種電阻值隨外加電壓變化的非線性元件(如突5所示)與放電管相比,他對(duì)沖擊電壓的相應(yīng)更快,可達(dá)納妙級(jí)。壓敏電阻的主要技術(shù)指標(biāo)有壓敏電壓、殘壓或殘壓比、耐流能力和極間電容等。
?。▓D5 氧化鋅壓敏電阻伏安特性曲線)
從圖5可看出通過壓敏電阻的電流I不同時(shí),兩端的電壓是不同的(非線性),為了便于統(tǒng)一、比較和使用,規(guī)定通過的電流為1mA是兩端的電壓成為“壓敏電壓”(也有成起始電壓),記作U1mA,也是標(biāo)稱值。而被保護(hù)點(diǎn)的工作電壓值應(yīng)低于此值,越僅為U1mA值得0.75倍或更低。 殘壓含義如前所述,他指壓敏電阻上通過某一量級(jí)的沖擊(浪涌)電流是兩端的電壓值。當(dāng)不同的壓敏手表式近電報(bào)警器電阻統(tǒng)一相同的沖擊電流(如10kA)時(shí),殘壓低的保護(hù)效果較好。若已通過不同的沖擊電流而評(píng)定其殘壓高低或保護(hù)效果的優(yōu)劣是不準(zhǔn)確的。因?yàn)椴煌a(chǎn)品、規(guī)格的壓民電阻其伏安特性會(huì)有較大差異。壓敏電阻有一個(gè)衡量其吸收能量能力的指標(biāo),稱為非線性系數(shù)α,其定義為:
?。?hellip;…)
從保護(hù)觀點(diǎn)來看,顯然α值越小越好,α值越小,說明流經(jīng)壓敏電阻的電流變化很大,而端電壓變化很小。也就是說,增加的電流部分,幾乎全部都被非線性電阻吸收。若α值接近于零,表示端電壓與其上流過電流的大小無(wú)關(guān),近乎常數(shù),這是了的。
優(yōu)勢(shì),相關(guān)的資料上沒有提供殘壓指標(biāo),卻給出“殘壓比”的數(shù)值,作用都是一樣的。“殘壓比”意指通過某一量級(jí)沖擊電流時(shí)的殘壓(如突5所示的U1)值與壓敏電壓(U1mA)值之比,即:
殘壓比=U1/U1mA
所以,當(dāng)知道殘壓比后,從上式可很容易算的殘壓值U1(某量級(jí)的沖擊電流下),給保戶設(shè)計(jì)帶來方便。目前的殘壓比約為1.5~3.0。選用壓敏電阻時(shí),多以標(biāo)稱值即壓敏電壓值為依據(jù),在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)更關(guān)鍵的滑線變阻器是知道其殘壓值。
壓敏電阻能力的強(qiáng)弱以耐流能力(通流容量)來衡量。理論上耐流能力越強(qiáng)越好,這樣可以承受較強(qiáng)電流的沖擊。但實(shí)際使用時(shí)則有具體情況酌情選用。常用的壓敏點(diǎn)阻耐沖擊電流能力亦高達(dá)10kA(8/20μs)以上,只是體積和電容量隨通流容量的增大而增大。
還需要考慮的是壓敏電阻的阻值(非動(dòng)作時(shí))并非無(wú)限大,工作與有恒定電壓的情況下,會(huì)存在一定的漏電流,若產(chǎn)品質(zhì)量不好,漏電流會(huì)逐漸增大甚至自行損壞。況且,長(zhǎng)時(shí)間流過這些微弱電流也會(huì)超低頻高壓發(fā)生器形成溫升,只是慢慢老化而縮短壽命或發(fā)生爆炸。隨著技術(shù)水平的提高,上述情況已有所改善。
?。?) 瞬態(tài)二極管。瞬態(tài)二極管(臨時(shí)稱謂)是由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)組成的開關(guān)型半導(dǎo)體元件。亦有稱半導(dǎo)體浪涌抑制器,相對(duì)氣體放電管而言,亦有稱固體放電管或半導(dǎo)體放電管,皆因其伏安特性(如圖6所示)與氣體放電管類似之故,但其機(jī)理卻截然不同,這樣稱呼是不恰當(dāng)?shù)?。它具有響?yīng)速度快(納妙級(jí))、擊穿電壓一致性好、殘壓低等優(yōu)點(diǎn),但耐流能力卻不如氣體放電管及壓敏電阻。
瞬態(tài)二極管的主要技術(shù)指標(biāo)有不動(dòng)作電壓、zui高限制電壓、耐流能力、極間電容及源電流等。
不動(dòng)作電壓或稱zui低限制電壓,它指該管保持高阻狀態(tài)時(shí)所能承受的zui高電壓值(如圖6所示的UA)。此值因與流過的電流有關(guān),因而規(guī)定電流為1mA時(shí)的電壓即為不動(dòng)作電壓。從某種意義上講,不動(dòng)作電壓可以認(rèn)為是生產(chǎn)廠家給出的標(biāo)稱值,反映它在不影響正常工作情況下所能應(yīng)用的場(chǎng)合。
zui高限制電壓(如圖6所示的UB)是在規(guī)定電壓上升速率的條件下,管子兩端允許出現(xiàn)的zui高電壓值。電壓上升速率有兩種規(guī)定:其一是100kV/s的速率下得出的值,表明電壓上升速率較緩慢時(shí),必須在此值以下動(dòng)作(導(dǎo)通),反映的是“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”性能;其二是1kV/μs的速率下得出電力測(cè)試導(dǎo)線的值,反映管子在碰見瞬態(tài)電壓(如雷電壓)時(shí),兩端可能出現(xiàn)的zui高電壓值,該值越低,則保護(hù)效果越好,類似于“殘壓”的概念。目前規(guī)定此值小于400V,約為氣體放電管的一半。
耐流能力的含義與前述相同。瞬態(tài)二極管這種能力低于氣體放電管和壓敏電阻。此外,極間電容與漏電流是靜態(tài)指標(biāo),只要不影響正常工作即可。極間電容值較大則限制了它在高頻段上的使用。
, ,, ,, ,