李勤偉　陳瑜杰

摘要：針對(duì)低壓電器中的雷電防護(hù)裝置產(chǎn)生擊穿的問題，通過對(duì)雷電流作用下，雷電防護(hù)裝置擊穿時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓的理論進(jìn)行分析。通過組合波發(fā)生器模擬雷電流，對(duì)常用雷電防護(hù)器件進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，提出了利用暫態(tài)電壓原理進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方法。試驗(yàn)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(shí)，壓敏電阻的感應(yīng)電壓大于氣體放電管；測(cè)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(hù) 雷電流 暫態(tài)電壓 壓敏電阻 氣體放電管

中圖分類號(hào)：TM83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yùn)用于工業(yè)與工程的各個(gè)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(dāng)作用于設(shè)備內(nèi)部的過電壓超過耐受電壓時(shí)，會(huì)影響其正常運(yùn)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(duì)相關(guān)儀器的損壞，可以通過安裝雷電防護(hù)裝置以保障儀器設(shè)備的安全運(yùn)行。雷電防護(hù)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(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的操作過電流進(jìn)行一定程度的抑制。然而，作為安全器件，雷電防護(hù)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(yùn)行，需要對(duì)雷電防護(hù)裝置進(jìn)行嚴(yán)格的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

目前，防雷從業(yè)人員主要采用磁鋼剩磁法、羅氏線圈法對(duì)雷電防護(hù)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。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(jì)算出磁鋼棒剩磁，實(shí)現(xiàn)雷電流的監(jiān)測(cè)。羅氏線圈法則通過設(shè)計(jì)出的傳感器測(cè)量得到雷電流[5]。上述方法均為監(jiān)測(cè)防雷裝置提供了有力依據(jù)。然而，暫態(tài)電壓監(jiān)測(cè)法在上述監(jiān)測(cè)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(qiáng)、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

該文對(duì)氣體放電管、壓敏電阻進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，采用表面尺寸分為60 cm×50 cm、50 cm×40 cm、40 cm×30cm的傳感器進(jìn)行感應(yīng)測(cè)試。通過試驗(yàn)證明了利用暫態(tài)電壓原理實(shí)現(xiàn)雷電防護(hù)裝置監(jiān)測(cè)的可行性，為理論后續(xù)的實(shí)踐運(yùn)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(hù)設(shè)備內(nèi)部的ZnO壓敏電阻。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生擊穿時(shí)，放電源周圍的感應(yīng)電磁場(chǎng)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(hù)設(shè)備發(fā)生擊穿時(shí)的等效放電源，媒質(zhì)Ⅱ?yàn)閭鞲衅魍獗砻娴慕饘巽~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(chǎng)強(qiáng)度，E-為反射波電場(chǎng)強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案

沖擊試驗(yàn)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(hù)裝置。將測(cè)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(duì)氣體放電管和壓敏電阻先后進(jìn)行沖擊，測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證并比較不同尺寸的傳感器分別對(duì)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(zhǎng)為500 A。

2.2 實(shí)驗(yàn)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(cè)試器件為氣體放電管時(shí)，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(cè)試壓敏電阻時(shí)，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(yàn)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(duì)壓敏電阻、氣體放電管進(jìn)行感應(yīng)測(cè)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(shí)，壓敏電阻的感應(yīng)電壓大于氣體放電管的感應(yīng)電壓。測(cè)試壓敏電阻時(shí)，感應(yīng)電壓范圍為14.2～33.6V。測(cè)試壓敏電阻時(shí)，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(shì)較壓敏電阻相對(duì)平緩。

如圖8所示，表面尺寸為50 cm×40 cm的傳感器測(cè)試壓敏電阻時(shí)，感應(yīng)電壓由10.4 V線性增長(zhǎng)至28.5 V。測(cè)試氣體放電管時(shí)，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(cè)試器件為壓敏電阻時(shí)，感應(yīng)電壓隨沖擊電壓的變化曲線較氣體放電管時(shí)相對(duì)陡峭。

如圖9所示，表面尺寸為40 cm×30 cm的傳感器測(cè)試壓敏電阻，感應(yīng)電壓由8.8 V線性升至25.8 V。測(cè)試氣體放電管時(shí)，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(cè)試壓敏電阻時(shí)的感應(yīng)電壓大于氣體放電管。

2.2.2 不同測(cè)試器件的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

測(cè)試壓敏電阻時(shí)，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(shì)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(cè)試器件為氣體放電管時(shí)，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(shì)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(cè)兩端的感應(yīng)電壓較表面尺寸為60 cm×50 cm時(shí)和50 cm×40 cm時(shí)低，說明其響應(yīng)速率快，能夠更加及時(shí)地監(jiān)測(cè)雷電流的擊穿動(dòng)作。

3 結(jié)語

通過組合波沖擊實(shí)驗(yàn)得到了不同表面尺寸的傳感器測(cè)試不同器件時(shí)的感應(yīng)電壓隨沖擊電流的變化關(guān)系，并通過對(duì)比相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(cè)試壓敏電阻時(shí)所得感應(yīng)電壓明顯大于氣體放電管，與防護(hù)器件的殘壓特性相符。

（3）測(cè)試相同器件時(shí)，表面尺寸小的傳感器感應(yīng)電壓小。

參考文獻(xiàn)

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