基于暫態(tài)電壓原理監(jiān)測雷電防護裝置

李勤偉　陳瑜杰

摘要：針對低壓電器中的雷電防護裝置產(chǎn)生擊穿的問題，通過對雷電流作用下，雷電防護裝置擊穿時內(nèi)部產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓的理論進行分析。通過組合波發(fā)生器模擬雷電流，對常用雷電防護器件進行沖擊試驗，提出了利用暫態(tài)電壓原理進行監(jiān)測的方法。試驗結(jié)果得出：傳感器感應(yīng)電壓隨沖擊電流的增大而線性增加；沖擊電壓相同時，壓敏電阻的感應(yīng)電壓大于氣體放電管；測試器件相同的情況下，表面尺寸小的傳感器響應(yīng)速率快，感應(yīng)電壓范圍廣。

關(guān)鍵詞：雷電防護 雷電流 暫態(tài)電壓 壓敏電阻 氣體放電管

中圖分類號：TM83 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0159-04

伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷延伸與發(fā)展，電子電氣設(shè)備已經(jīng)被廣泛運用于工業(yè)與工程的各個領(lǐng)域。由于集成化密度的不斷增加及大量微電子元件的使用，儀器設(shè)備承受過電壓的能力相應(yīng)大幅降低。當作用于設(shè)備內(nèi)部的過電壓超過耐受電壓時，會影響其正常運行甚至造成一定程度的損壞。為了最大程度地限制雷電過電壓及靜電感應(yīng)對相關(guān)儀器的損壞，可以通過安裝雷電防護裝置以保障儀器設(shè)備的安全運行。雷電防護裝置不僅能夠有效地降低過電流損壞儀器設(shè)備的可能性，還可以針對設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的操作過電流進行一定程度的抑制。然而，作為安全器件，雷電防護設(shè)備的損耗及毀壞難以避免。為了保證儀器設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定的運行，需要對雷電防護裝置進行嚴格的狀態(tài)監(jiān)測。

目前，防雷從業(yè)人員主要采用磁鋼剩磁法、羅氏線圈法對雷電防護設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測。磁鋼式剩磁法采用具有較好剩磁特性的新型材料制作成磁鋼棒，再通過高斯算法計算出磁鋼棒剩磁，實現(xiàn)雷電流的監(jiān)測。羅氏線圈法則通過設(shè)計出的傳感器測量得到雷電流[5]。上述方法均為監(jiān)測防雷裝置提供了有力依據(jù)。然而，暫態(tài)電壓監(jiān)測法在上述監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上還具有安全系數(shù)高、響應(yīng)速率快、操作靈活性強、適用范圍廣等優(yōu)點。

該文對氣體放電管、壓敏電阻進行沖擊試驗，采用表面尺寸分為60 cm×50 cm、50 cm×40 cm、40 cm×30cm的傳感器進行感應(yīng)測試。通過試驗證明了利用暫態(tài)電壓原理實現(xiàn)雷電防護裝置監(jiān)測的可行性，為理論后續(xù)的實踐運用提供了可行性依據(jù)。

1 暫態(tài)電壓的理論分析

如圖1所示，R為雷電防護設(shè)備內(nèi)部的ZnO壓敏電阻。當設(shè)備內(nèi)部發(fā)生擊穿時，放電源周圍的感應(yīng)電磁場使傳感器產(chǎn)生暫態(tài)電壓。

如圖2所示，媒質(zhì)Ⅰ為雷電防護設(shè)備發(fā)生擊穿時的等效放電源，媒質(zhì)Ⅱ為傳感器外表面的金屬銅皮，中間為分界層。

H+為入射電磁波，H-為反射電磁波，E+為入射波電場強度，E-為反射波電場強度。

2 試驗方案及結(jié)果分析

2.1 試驗方案

沖擊試驗原理如圖5所示，采用組合波發(fā)生器（、）模擬雷電流侵入雷電防護裝置。將測試器件與組合波發(fā)生器連接后放置在傳感器表面，再通過示波器得到相應(yīng)的感應(yīng)電壓波形。通過對氣體放電管和壓敏電阻先后進行沖擊，測量出不同尺寸傳感器所得感應(yīng)電壓。研究傳感器兩端的感應(yīng)電壓隨沖擊電流的變化關(guān)系，對監(jiān)測方法進行驗證并比較不同尺寸的傳感器分別對氣體放電管和壓敏電阻的感應(yīng)效果。傳感器表面尺寸為60 cm×50 cm、50 cm×40 cm、40 cm×30 cm。所用最大沖擊電流為5 kA，步長為500 A。

2.2 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

圖6為傳感器在1 kA的沖擊電流作用下，兩端感應(yīng)電壓波形圖。測試器件為氣體放電管時，傳感器在3μs內(nèi)將瞬態(tài)感應(yīng)電壓箝位在3.2 V以內(nèi)，隨后逐漸遞減。測試壓敏電阻時，感應(yīng)電壓峰值為4.7 V。根據(jù)U2，能夠判斷SPD的擊穿情況。

2.2.1 不同表面尺寸的傳感器的試驗數(shù)據(jù)

如圖7所示，表面尺寸為60 cm×50 cm的傳感器先后對壓敏電阻、氣體放電管進行感應(yīng)測試，所得感應(yīng)電壓隨沖擊電流呈正相關(guān)均勻線性分布。沖擊電流相同時，壓敏電阻的感應(yīng)電壓大于氣體放電管的感應(yīng)電壓。測試壓敏電阻時，感應(yīng)電壓范圍為14.2～33.6V。測試壓敏電阻時，感應(yīng)電壓由8.4 V線性增至23.1 V。氣體放電管的感應(yīng)電壓隨沖擊電壓的變化趨勢較壓敏電阻相對平緩。

如圖8所示，表面尺寸為50 cm×40 cm的傳感器測試壓敏電阻時，感應(yīng)電壓由10.4 V線性增長至28.5 V。測試氣體放電管時，感應(yīng)電壓由7.2 V逐漸升至20.6 V。在相同的沖擊電壓下作用下，氣體放電管的感應(yīng)電壓小于壓敏電阻，測試器件為壓敏電阻時，感應(yīng)電壓隨沖擊電壓的變化曲線較氣體放電管時相對陡峭。

如圖9所示，表面尺寸為40 cm×30 cm的傳感器測試壓敏電阻，感應(yīng)電壓由8.8 V線性升至25.8 V。測試氣體放電管時，感應(yīng)電壓范圍為6.6～18.4V。沖擊電壓相同的情況下，傳感器測試壓敏電阻時的感應(yīng)電壓大于氣體放電管。

2.2.2 不同測試器件的實驗數(shù)據(jù)分析

測試壓敏電阻時，不同表面尺寸的傳感器兩端的感應(yīng)電壓隨沖擊電壓的變化趨勢相同。在沖擊電壓相同的情況下，表面尺寸為40 cm×30 cm的傳感器兩端的感應(yīng)明顯大于表面尺寸為60 cm×50 cm和50 cm×40 cm。

測試器件為氣體放電管時，不同表面尺寸的傳感器兩端的感應(yīng)電壓隨沖擊電壓的變化趨勢相同。在沖擊電壓相同的情況下，表面尺寸為40 cm×30 cm的傳感器測兩端的感應(yīng)電壓較表面尺寸為60 cm×50 cm時和50 cm×40 cm時低，說明其響應(yīng)速率快，能夠更加及時地監(jiān)測雷電流的擊穿動作。

3 結(jié)語

通過組合波沖擊實驗得到了不同表面尺寸的傳感器測試不同器件時的感應(yīng)電壓隨沖擊電流的變化關(guān)系，并通過對比相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

（1）在0～5 kA的沖擊電流作用下，傳感器兩端的感應(yīng)電壓隨著沖擊電流的增大而線性增加。

（2）相同沖擊電流下作用下，測試壓敏電阻時所得感應(yīng)電壓明顯大于氣體放電管，與防護器件的殘壓特性相符。

（3）測試相同器件時，表面尺寸小的傳感器感應(yīng)電壓小。

參考文獻

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