作者：任華山，陸永歡，徐祝勤（菲尼克斯亞太電氣（南京）有限公司）
摘要：通過對電涌保護(hù)器 （surge protective device， 簡稱SPD） 的概念和分類的介紹， 分析傳統(tǒng)間隙的存在的優(yōu)缺點(diǎn)， 依據(jù)IEC 間隙型SPD 的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)， 從石墨材料的特性， 石墨間隙放電機(jī)理， 防雷器結(jié)構(gòu)材料的選用及不同結(jié)構(gòu)方案的仿真分析等方面進(jìn)行理論計算和驗(yàn)證優(yōu)化論述， 結(jié)合SPD 場景應(yīng)用的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計參數(shù)要求進(jìn)行一系列電氣安全及環(huán)境測試等試驗(yàn)， 從而確保SPD 設(shè)計產(chǎn)品的應(yīng)用安全性及質(zhì)量要求。
關(guān)鍵詞： 電涌保護(hù)器（SPD）； 放電間隙； 石墨放電間隙； 仿真分析； SPD 設(shè)計技術(shù)
0 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展， 我們已經(jīng)進(jìn)入一個全電氣社會的時代，信息化設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，電子設(shè)備趨向高度小型化集成化，工作電壓低、運(yùn)算速度快，而耐過電壓、過電流和抗雷電電磁脈沖的能力差，極易遭受雷電的危害。 因此電氣設(shè)備電力設(shè)施以及通信設(shè)備免受雷電的電磁脈沖也越來越重要，同時電氣系統(tǒng)的開關(guān)操作和靜電放電所產(chǎn)生的瞬態(tài)電涌也對電子設(shè)備造成極大的危害。為了保護(hù)電力設(shè)備及通信設(shè)備等免受這些電涌的侵害，我們需要在電路中安裝電涌保護(hù)器，又稱SPD 防雷器。
1 SPD 概念和分類介紹
SPD 是在規(guī)定條件下，用來保護(hù)電氣系統(tǒng)和設(shè)備免受各種過電壓（例如雷電和操作過電壓）和沖擊電流損壞的一種保護(hù)器，用于限制瞬態(tài)過電壓和泄放電涌電流的電器，它至少包含一個非線性的元件[1]。SPD 按照工作原理分為電壓開關(guān)型，電壓限制型，復(fù)合型等。電壓限制型常用非線性元器件有壓敏電阻和抑制二極管；電壓開關(guān)型包含放電間隙，氣體放電管等元件；復(fù)合型由電壓開關(guān)型和電壓限制性元件組成；本文重點(diǎn)介紹基于電壓開關(guān)型的放電間隙原理設(shè)計的疊層石墨間隙產(chǎn)品的設(shè)計。
2 傳統(tǒng)開關(guān)型放電金屬單間隙的原理和優(yōu)缺點(diǎn)
放電間隙，是一種開關(guān)型的防雷器，其基本結(jié)構(gòu)一般由在空氣中的兩根相隔一定間隙的金屬電極組成，電路符號和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1，其外部分別連接在被保護(hù)設(shè)備的電源兩端，如相對相，相對地，相對中線，中線對地等。
工作原理為當(dāng)線路中的出現(xiàn)異常過電壓時 （圖2 中深色波形），且該電壓超過放電間隙動作電壓時，放電間隙擊穿導(dǎo)通，迅速將雷電過電壓降為幅值很低的電弧電壓（通常一個間隙的弧壓為幾伏至幾十伏，圖2 中淺色波形），并將雷電過電壓水平限制在一個安全范圍內(nèi)[4]。
這種間隙放電間隙結(jié)構(gòu)較簡單， 大都采用單個金屬間隙，其材料大多采用耐溫高、制造精度高的特種材料，具有通流能力強(qiáng)，耐多次雷擊能力強(qiáng)，防雷保護(hù)殘壓極低等優(yōu)點(diǎn)。雖然殘壓低保護(hù)*好，但是考慮到線路工作電壓高于單間隙的弧壓降， 較低的殘壓會導(dǎo)致線路電流流入防雷器造成續(xù)流風(fēng)險，因此存在截斷續(xù)流能力差，電弧可能外溢，電極高溫熔融濺射損耗造成絕緣下降等缺點(diǎn)， 對用電設(shè)備造成一定的安全隱患。
3 疊層石墨間隙SPD 設(shè)計
3.1 石墨間隙材料特點(diǎn)及選擇
隨著市場要求的不斷提高，防雷標(biāo)準(zhǔn)對防雷器技術(shù)要求和安全要求進(jìn)一步提高， 如SPD 需同時滿足小體積，大通流，低保護(hù)水平，無續(xù)流，耐多次雷擊次數(shù)，長壽命等要求， 而傳統(tǒng)的單金屬間隙雖然能滿足大通流低保護(hù)水平等要求，但由于單個間隙的弧壓降遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于線路電壓，造成續(xù)流截斷困難，無法滿足客戶要求，故開關(guān)型放電間隙防雷器需要尋找一種新的材料，新的設(shè)計思路解決以上需求。石墨材料是一種非金屬導(dǎo)電物質(zhì)， 石墨及其制品具有如下特性[6]：
（1）耐高溫，耐高溫3000℃以及耐低溫-204℃。
（2）導(dǎo)熱性好。
（3）化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，耐腐蝕（含酸、堿和有機(jī)溶液等）。
（4）環(huán)保，無放射性污染。
（5）導(dǎo)電性好。
（6）密度低使產(chǎn)品重量輕。
（7）存量大，原材料成本低。
根據(jù)石墨材料的以上優(yōu)點(diǎn)， 選擇石墨做放電間隙中的電極材料是非常理想的。由于不同型號參數(shù)石墨的選擇對于防雷器電氣測試結(jié)果有不同的影響， 筆者建議選用石墨材料時應(yīng)結(jié)合防雷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，電氣參數(shù)要求、使用環(huán)境情況，合理地選擇石墨材料和間隙參數(shù)，對測試結(jié)果關(guān)聯(lián)的因素不限于石墨的電阻率、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、硬度、抗折強(qiáng)度、彈性模量和灰分度等，表1、表2 分別是兩家典型石墨廠家理化參數(shù)。
3.2 疊層石墨間隙原理及工作介紹
疊層石墨間隙采用多個石墨放電間隙的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，疊層石墨間隙原理圖見圖3， 包括n 個放電間隙串聯(lián)疊加而成，在相鄰兩個間隙之間并聯(lián)連接n 個電容C，利用電容分壓原理設(shè)計放電間隙分壓遠(yuǎn)高于電容電壓， 使石墨間隙逐級擊穿直至全部間隙導(dǎo)通擊穿， 導(dǎo)通后的石墨間隙的殘壓遠(yuǎn)低于過電壓，但高于或等于線路電壓，從而達(dá)到即降低殘壓又截斷續(xù)流的目的。
5 結(jié)論
本文基于石墨間隙的技術(shù)設(shè)計開發(fā)防雷器，分別從間隙放電機(jī)理，石墨材料的特征，疊層石墨間隙電路原理，機(jī)械結(jié)構(gòu)及材料，注塑仿真、測試驗(yàn)證等產(chǎn)品研發(fā)的整個過程進(jìn)行一系列的研究分析，綜上可知，一個性能可靠、高質(zhì)量、*開發(fā)出的防雷器是離不開設(shè)計端理論分析指導(dǎo)、合適的器件材料選型、產(chǎn)品可靠的結(jié)構(gòu)和測試實(shí)踐相結(jié)合，利用現(xiàn)有仿真分析軟件可以防范和規(guī)避設(shè)計缺陷風(fēng)險，縮短研究開發(fā)周期具有一定的作用。經(jīng)過多重論證，本款基于石墨間隙技術(shù)的防雷器產(chǎn)品已經(jīng)獲得許可上市了，同時經(jīng)過該產(chǎn)品開發(fā)積累了理論與實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，為后期系列產(chǎn)品和技術(shù)迭代提供了技術(shù)支持和保證。
參考文獻(xiàn)：
[1] IEC61643-11：2011 Low-voltage surge protective devices-Part 11：Surge protective devices connected to low -voltage power systemsRequirements and test methods.[2] DIN 43880 Supersedes 01.83 edition Built-in equipment for elec-trical installations；overall dimensions and related mounting dimen-sions.[3] 鄧猛，馮桂力，張棖，等.新型石墨間隙電涌保護(hù)器的研究[J].電瓷避雷器，2013（4）：122-126.[4] 高煊慧，蔡衛(wèi).一種用于疊層間隙型防雷器的功能指示電路[J].電工電氣，2016（8）.[5] 孫涌，杜志航，李洪陽.均壓電容對多級石墨間隙擊穿特征影響的試驗(yàn)研究[J].電力電容器與無功補(bǔ)償2021（6）：69-73.[6] 蘇占華.石墨電極材料[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2020.
來源：《機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新》2023.7
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