CN104300521A - 带续流遮断功能的电源防雷装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带续流遮断功能的电源防雷装置，涉及电源防雷领域。本发明提供的电源防雷装置，通过气体放电管叠加的方式来提高气体放电管续流维持电压，最终电源防雷装置中的所有气体放电管使整管的灭弧电压高于供电电压，从而实现续流遮断，并且由于不涉及电压和电流同步过零的问题，因此，气体放电管的使用范围扩大，不仅可以应用于零线对地线的保护模式，还可以应用于相线对零线、相线对地线、以及相线之间的保护模式。

Description

带续流遮断功能的电源防雷装置

技术领域

本发明涉及电源防雷领域，特别涉及一种带续流遮断功能的电源防雷装置。

背景技术

通信电源防雷电路通常由气体放电管和压敏电阻等防雷元器件排列组合而成。

气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，其放电通流容量大，常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。

气体放电管在脉冲击穿后，器件呈低阻抗特性，此时电涌保护器（SPD）所保护的供电电源可能有电流流过SPD器件。经过脉冲电流放电后，由电源系统流过SPD器件的电流称为续流。长时间续流会引起电源系统的损坏或宕机，被保护设备不能正常工作。因此，气体放电管的续流遮断是电源防雷设计电路需要重点考虑的一个问题。

现有的交流电源防雷方案，如图1所示，两级的交流电源口防护电路，G1和G2为气体放电管，Rv1～Rv6为压敏电阻，F1和F2为空气开关，F3和F4为保险，L1和L2是退耦电感，L表示相线，N表示零线，PE表示地线。电路工作原理简述如下：第1级防雷电路为具有共模和差模保护的电路，差模保护采用的压敏电阻，共模保护采用压敏电阻和气体放电管串联。第1级防雷电路的通流能力较高，第1级防雷电路宜选用空气开关做短路过流故障的保护器件。第2级防雷电路的形式与第1级相同，合理设计第1级电路和第2级电路间的电感值，可以使大部分的雷电流通过第1级防雷电路泄放，第2级电路只泄放少部分雷电流，这样就可以通过第2级电路将防雷器的输出残压进一步降低以达到保护后级设备的目的。第2级防雷电路应选用保险做保护器件。

现有的直流电源防雷方案，如图2所示，G1和G2为气体放电管，Rv1～Rv3为压敏电阻，F1和F2为保险，L1是退耦电感，PE表示地线，T1为TVS（Transient Voltage Suppressor，瞬态电压抑制器）管，TVS管可以采用单向TVS管或防反接的双向TVS管。电路工作原理简述如下：第1级采用两个压敏电阻并联的差模保护，两个气体放电管并联进行共模保护，第2级采用压敏电阻和TVS管保护，将残压降低到后级电路能够承受的水平。两级防雷电路都应选用保险做保护器件。

气体放电管在导电状态下续流维持电压一般在20～50V，在直流电源电路中应用时，如果两线间电压超过15V，不可以在两线间直接应用放电管。在50Hz交流电源电路中使用时，虽然交流电压有过零点，可以实现气体放电管的续流遮断，但气体放电管类的器件在经过多次导电击穿后，其续流遮断能力将大大降低，长期使用后在交流电路的过零点也不能实现续流的遮断，还存在一种情况就是如果电流和电压相位不一致，交流电压和电流无法同步过零点，也可能导致续流不能遮断。按照过电压保护的要求，在过电压作用下放电后，放电管应能自动恢复到非导通状态，否则在电弧区的续流可能会烧坏管子，甚至使通过续流的导线或电源也受到损坏。在辉光区，毫安级的续流长期流过，也会使放电管损坏。因此，在交流电源电路的相线对保护地线、相线对零线以及相线之间单独使用气体放电管都不合适。

《通信局（站）低压配电系统用电涌保护器技术要求》中规定：电压开关型SPD和具有开关特性的组合型SPD因存在尚待进一步研究的续流遮断能力及试验方法问题，不宜在除N-PE（零线对地线）外的其它保护模式中推广使用。

可见，现有的电源防雷电路的共同缺点是气体放电管不能用于除N-PE外的电源防雷保护，使用范围受到很大的限制。

发明内容

本发明实施例所要解决的一个技术问题是：提出一种新型的电源防雷装置，以解决气体放电管使用范围受限的问题。

根据本发明实施例的一个方面，提出一种带续流遮断功能的电源防雷装置，包括：第一端子和第二端子；第一气体放电管；以及N个防雷单元，N为自然数，每个防雷单元包括相互连接的一个电容和一个气体放电管以及三个端子，三个端子分别为：电容侧的端子、气体放电管侧的端子、电容和气体放电管的公共端子；其中，第一气体放电管的一端连接第一端子，第一气体放电管的另一端连接第一个防雷单元中的公共端子；位于中间的任一防雷单元中的电容侧的端子与其前一防雷单元中的电容侧的端子连接，该任一防雷单元中的公共端子与其前一防雷单元中的气体放电管侧的端子连接，该任一防雷单元中的气体放电管侧的端子与其后一防雷单元中的公共端子连接；最后一个防雷单元中的电容侧的端子和气体放电管侧的端子均连接第二端子。

N的取值为：第一气体放电管以及N个防雷单元中的N个气体放电管的灭弧电压之和大于电源的供电电压时N的值。

对于48伏的电源供电电压，当每个气体放电管的灭弧电压为12伏时，N的取值为4。

该电源防雷装置还包括：压敏电阻；压敏电阻分别连接第一个防雷单元中的公共端子以及第二端子。

第一端子和第二端子可以分别连接相线和零线。

第一端子和第二端子可以分别连接相线和地线。

第一端子和第二端子可以分别连接一个相线。

第一端子和第二端子可以分别连接零线和地线。

当来自第一端子的雷击脉冲电压上升至第一气体放电管的击穿电压时，第一气体放电管导通，且其极间电压下降至其灭弧电压，同时第一防雷单元中的电容充电并作用到第一防雷单元中的气体放电管；雷击脉冲电压继续上升，当第一防雷单元中的气体放电管的极间电压上升至其击穿电压时，第一防雷单元中的气体放电管导通，且其极间电压下降至其灭弧电压，同时第二防雷单元中的电容充电并作用到第二防雷单元中的气体放电管；雷击脉冲电压继续上升，其他防雷单元中的气体放电管依次导通。

本发明提供的电源防雷装置，通过气体放电管叠加的方式来提高气体放电管续流维持电压，从而实现续流遮断，并且由于不涉及电压和电流同步过零的问题，因此，气体放电管的使用范围扩大，不仅可以应用于零线对地线的保护模式，还可以应用于相线对零线、相线对地线、以及相线之间的保护模式。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的交流电源防雷电路示意图。

图2为现有的直流电源防雷电路示意图。

图3为本发明带续流遮断功能的电源防雷装置一个实施例的示意图。

图4为本发明带续流遮断功能的电源防雷装置再一实施例的示意图。

图5为本发明4个防雷单元的电源防雷装置的示意图。

图6为图5所示电源防雷装置工作过程各气体导电管的电压状态示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决气体放电管（简称GDT）使用范围受限的问题，本发明提出一种不同构思的新型的电源防雷装置，通过提高气体放电管续流维持电压（能够维持气体放电管短路的电压叫续流维持电压）来实现续流遮断，不再涉及电压和电流同步过零问题，因此，气体放电管的使用范围扩大，不仅可以应用于零线对地线的保护模式，还可以应用于相线对零线、相线对地线、以及相线之间的保护模式。

图3为本发明带续流遮断功能的电源防雷装置一个实施例的示意图。

如图3所示，本发明的电源防雷装置包括：

第一端子D1和第二端子D2；

第一气体放电管G0；

以及N个防雷单元，N为自然数，每个防雷单元i包括相互连接的一个电容Ci和一个气体放电管Gi以及三个端子，三个端子分别为：电容侧的端子、气体放电管侧的端子、电容和气体放电管的公共端子。

其中，第一气体放电管G0的一端连接第一端子D1，第一气体放电管G0的另一端连接第一个防雷单元中的公共端子；位于中间的任一防雷单元中的电容侧的端子与其前一防雷单元中的电容侧的端子连接，该任一防雷单元中的公共端子与其前一防雷单元中的气体放电管侧的端子连接，该任一防雷单元中的气体放电管侧的端子与其后一防雷单元中的公共端子连接；最后一个防雷单元中的电容侧的端子和气体放电管侧的端子均连接第二端子D2。

本发明提供的电源防雷装置，通过气体放电管叠加的方式来提高气体放电管续流维持电压，最终电源防雷装置中的所有气体放电管使整管的灭弧电压（灭弧电压:是指保证避雷器能够在工频续流第一次过零值时灭弧的条件下，允许加在避雷器上的最高工频电压）高于供电电压，从而实现续流遮断，并且由于不涉及电压和电流同步过零的问题，因此，气体放电管的使用范围扩大，不仅可以应用于零线对地线的保护模式，还可以应用于相线对零线、相线对地线、以及相线之间的保护模式。

因此，本发明的电源防雷装置的两个外接端子可以应用于以下列举的场景：

第一端子和第二端子可以分别连接相线和零线，即相线对零线保护模式（L-N）。

第一端子和第二端子可以分别连接相线和地线，即相线对地线保护模式（L-PE）。

第一端子和第二端子可以分别连接一个相线，即相线之间的保护模式（L-L）。

第一端子和第二端子可以分别连接零线和地线，即零线对地线的保护模式（N-PE）。

其中，由于第一气体放电管G0的直流击穿电压大于第一端子D1和第二端子D2分别连接相线（L）和零线（N）时的工作电压，因此，第一气体放电管G0能够能使器件在交流电源L-N工作电压下不动作。

其中，防雷单元的数量N的取值为：第一气体放电管以及N个防雷单元中的N个气体放电管的灭弧电压之和大于电源的供电电压时N的值。一般来讲，N值越大，防雷效果越好。

以48伏的电源供电电压为例，当每个气体放电管的灭弧电压为12伏时，N的取值最小可以为4，当然依据防雷等级，N还可以取比4更大的一个自然数，以达到更好地防雷效果。

图4为本发明带续流遮断功能的电源防雷装置再一个实施例的示意图。

如图4所示，本发明的电源防雷装置在图3基础上还包括：压敏电阻Rv；压敏电阻Rv分别连接第一个防雷单元中的公共端子以及第二端子D2。

压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的失效模式主要是短路，当通过的过电流太大时，可能造成阀片被炸裂而开路。

本发明的压敏电阻Rv可以辅助降低整管的脉冲击穿电压。并且，由于防雷单元中的气体放电管击穿后的灭弧电压之和低于压敏电阻的阀值电压，因此压敏电阻只动作很短时间，可以保护压敏电阻，延长压敏电阻使用寿命。

本发明的电源防雷装置的工作原理如下：

当来自第一端子的雷击脉冲电压上升至第一气体放电管的击穿电压时，第一气体放电管导通，且其极间电压下降至其灭弧电压，同时第一防雷单元中的电容充电并作用到第一防雷单元中的气体放电管；雷击脉冲电压继续上升，当第一防雷单元中的气体放电管的极间电压上升至其击穿电压时，第一防雷单元中的气体放电管导通，且其极间电压下降至其灭弧电压，同时第二防雷单元中的电容充电并作用到第二防雷单元中的气体放电管；雷击脉冲电压继续上升，其他防雷单元中的气体放电管依次导通。

下面以4个防雷单元的电源防雷装置为例，见图5所示，对本发明电源防雷装置的工作过程进行说明。

1、气体放电管的参数为：直流击穿电压350V，灭弧电压范围为12～70V（下面以12V为例进行说明）；电容C1～C4均为500pF等值电容。

2、模拟雷击（雷电流波形10/1000μs，雷电流幅值100A）。其中，雷电流波形10/1000是表示冲击脉冲电流时间变化的数据，10微秒表示冲击脉冲到达90%电流峰值的时间，而1000表示从电流峰值到半峰值的时间。

当雷击脉冲电压上升至350V时，第一气体导电管G0放电导通，G0极间电压下降至灭弧电压12V；同时第一防雷单元中的电容C1充电到350V-12V=338V，该338V电压作用到第一防雷单元中的气体导电管G1。

3、雷击脉冲电压继续上升，当G1极间电压由338V上升到350V时，G1导通，G1极间电压下降至灭弧电压12V；同时下一防雷单元中的电容C2充电到338V并作用到该防雷单元中的气体导电管G2;

按照相同的原理，随着雷击脉冲电压继续上升，其他防雷单元中的气体导电管G3,G4次序导通，均保持12V灭弧电压的导通状态。

4、G1～G4全部导通时，该电路的直流击穿电压范围为：350V+4*12=398V；灭弧电压上升到12V*5=60V，高于48V直流供电电压。

5、当整管的灭弧电压＞供电电压时，流经气体导电管的续流能有效遮断。

图6示出上述电源防雷装置（图5）工作过程各气体导电管的电压状态示意图。其中，图6上部顶点处所示电压为气体导电管的击穿电压，图6右下角处横线所示电压为气体导电管的续流维持电压。从图6可以看出，本发明电源防雷装置中的电容组成的网络，在脉冲电压下使各个气体导电管的分压不平均，从而依次击穿，降低整体的击穿电压和反应时间。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种带续流遮断功能的电源防雷装置，包括：

第一端子和第二端子；

第一气体放电管；以及

N个防雷单元，N为自然数，每个防雷单元包括相互连接的一个电容和一个气体放电管以及三个端子，三个端子分别为：电容侧的端子、气体放电管侧的端子、电容和气体放电管的公共端子；

其中，

第一气体放电管的一端连接第一端子，第一气体放电管的另一端连接第一个防雷单元中的公共端子；

位于中间的任一防雷单元中的电容侧的端子与其前一防雷单元中的电容侧的端子连接，该任一防雷单元中的公共端子与其前一防雷单元中的气体放电管侧的端子连接，该任一防雷单元中的气体放电管侧的端子与其后一防雷单元中的公共端子连接；

最后一个防雷单元中的电容侧的端子和气体放电管侧的端子均连接第二端子。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，N的取值为：

第一气体放电管以及N个防雷单元中的N个气体放电管的灭弧电压之和大于电源的供电电压时N的值。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，对于48伏的电源供电电压，当每个气体放电管的灭弧电压为12伏时，N的取值为4。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该电源防雷装置还包括：压敏电阻；压敏电阻分别连接第一个防雷单元中的公共端子以及第二端子。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一端子和第二端子分别连接相线和零线。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一端子和第二端子分别连接相线和地线。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一端子和第二端子分别连接一个相线。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一端子和第二端子分别连接零线和地线。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

当来自第一端子的雷击脉冲电压上升至第一气体放电管的击穿电压时，第一气体放电管导通，且其极间电压下降至其灭弧电压，同时第一防雷单元中的电容充电并作用到第一防雷单元中的气体放电管；

雷击脉冲电压继续上升，当第一防雷单元中的气体放电管的极间电压上升至其击穿电压时，第一防雷单元中的气体放电管导通，且其极间电压下降至其灭弧电压，同时第二防雷单元中的电容充电并作用到第二防雷单元中的气体放电管；

雷击脉冲电压继续上升，其他防雷单元中的气体放电管依次导通。