如何选择并应用防雷元件（二）

　3. 主要保护元件的电气性能

　　（1） 气体放电管。将一个或一个以上的放电间隙封装在玻璃、陶瓷管或其它介质内，管内再充以一定压力的惰性气体（如氩气等），就构成了一支气体放电管（下称放电管）。常用的有二极管滑线指示灯和三极管，亦曾称有五级放电管。

　　放电管主要的电气指标有标称直流击穿电压、冲击击穿电压、耐工频电流能力和耐冲击电流能力等。

　　标称直流击穿电压是在放电管击间施加缓慢上升的指示放电管发生了击穿时刻的直流电压（如图1所示中的VA）。它反映了放电管可以使用的场合，而不导致电路工作不正常。放电管未击穿前相当于开路状态。

　　冲击击穿电压则指放电管在冲击电压作用下的击穿（动作）电压值。这个值非常重要，他代表其保护效果的扁平橡套软电缆好与坏，通常他甚至高于标称直流击穿电压值。如标称值为230V的放电管，其冲击击穿电压值（残压）约高达600~800v（1Kv/μs），如图1所示中的VA。

　　冲击击穿电压值与施加间冲击波性的波前（沿）陡度有明显的关系，即波前越陡，电压值越高，反之亦然。当陡度降得很缓慢时，即为标称直流击穿电压值。这一特性常以放电管冲击击穿电压和放电（动作）时间关系的“伏秒特性”曲线来描述（如图2所示）。图中的曲线越平直、越靠近Vdc值，则其保护效果越好。

　　（图2 冲击击穿电压和放电时间关系（伏秒特性））

　　耐电流能力可以说是寿命指标，也可以说是能力指标。表明他承受工频点六和冲击电流的水平，也是一个重要的指标。耐冲击电流的数值与所加冲击电流波形直接相关，不同的波形，其值差别很大。放电管的耐冲击电流可达20kA（8/20μs）以上。

　　对于气体放电管的指标要求，国标GB9043和I-TU-T（原CCITT）的K.12建议都有明确规定。应特别提出的是“横向电压”指标，以其3个（以上）间隙的击穿时间差来衡量，也是三级以上的放电管所*的。三（多）级放电管zui大的优点是将3个以上的间隙密封于一个空间内，当其中任一间隙击指针高压兆欧表穿放电时，由于气体的电离和光的作用等，提前引发其余间隙迅速放电，令各电极间的电位差很小，即横向电压很低。这对平衡电路的横向保护有很好的效果。

　　1个三级放电管[如土3（a）所示]其保护效果优于使用3个二级放电管[如图3（b）所示]，更优于仅使用两个纵向保护二级放电管[如图3（b）所示中没有G3的情况]。通常在a、b线上所感应的雷电压Uae（U’ae）和Ube（U’be），当线路结构、绝缘等条件相同，放电管尚未击穿前，Uae（U’ae）≈Ube（U’be），则Uab（U’ab）≈0。但当放电管一旦击穿，可能出现下列两种情况。

　　4所示的时间差ta-tb，横向电压Uab（U’ab）≠0，GB9043中规定ta-tb≤200ns，当冲击波形的上升速率规定后，实际上是限制了横向电压的值。

　　由于气体介质中的击穿放电是随机现象，故对他的击穿电压（包括直流和冲击）值不能简单的一个别样品的个别数据来判定。多年来，我们通过对大量实测击穿电压值进行研究，观察其实际分布情况，并利用亨利直线法进行检验。结果表明，放电管的击穿电压基本上符合正态分布。所以，用统计评定方法是可行的，这已在GB9043中使用，ITU-T也以此为基础修改了K.12建议。

　　其实，保护性能的优劣，主要比较保护元件在冲击电压（电流）作用下放电时，极间残压的高低，当然是越低越好。以往对残压这个概念有些人产生误解，认为击穿（放电）后的极间电压（如图1所示的VC）为残压，其实不然。因为比VC高得多的VA等早已进入设备内部，甚至损坏设备（电路）。所以，对残压的更准确理解为包括为使保护元件动作的过电压，保护元件动作前的瞬态、保护元件动作后的端电压和保护动作引起的电路顺保护元件动作后的端电压和保护动作引起的电路瞬态等。因而在进行保护设计时必须考虑上述各种过电压值，否则，该保护设计是不成功的。

　　（2） 压敏电阻。压敏电阻是一种由氧化锌（或碳化硅）晶体微粒组成的多晶半导体过电压抑制器件，典型的限幅型过电压保护器件。实际上是一种电阻值随外加电压变化的非线性元件（如突5所示）与放电管相比，他对冲击电压的相应更快，可达纳妙级。压敏电阻的主要技术指标有压敏电压、残压或残压比、耐流能力和极间电容等。

　　（图5 氧化锌压敏电阻伏安特性曲线）

　　从图5可看出通过压敏电阻的电流I不同时，两端的电压是不同的（非线性），为了便于统一、比较和使用，规定通过的电流为1mA是两端的电压成为“压敏电压”（也有成起始电压），记作U1mA，也是标称值。而被保护点的工作电压值应低于此值，越仅为U1mA值得0.75倍或更低。 残压含义如前所述，他指压敏电阻上通过某一量级的冲击（浪涌）电流是两端的电压值。当不同的压敏手表式近电报警器电阻统一相同的冲击电流（如10kA）时，残压低的保护效果较好。若已通过不同的冲击电流而评定其残压高低或保护效果的优劣是不准确的。因为不同产品、规格的压民电阻其伏安特性会有较大差异。压敏电阻有一个衡量其吸收能量能力的指标，称为非线性系数α，其定义为：

　　（……）

　　从保护观点来看，显然α值越小越好，α值越小，说明流经压敏电阻的电流变化很大，而端电压变化很小。也就是说，增加的电流部分，几乎全部都被非线性电阻吸收。若α值接近于零，表示端电压与其上流过电流的大小无关，近乎常数，这是了的。

　　优势，相关的资料上没有提供残压指标，却给出“残压比”的数值，作用都是一样的。“残压比”意指通过某一量级冲击电流时的残压（如突5所示的U1）值与压敏电压（U1mA）值之比，即：

　　残压比=U1/U1mA

　　所以，当知道残压比后，从上式可很容易算的残压值U1（某量级的冲击电流下），给保户设计带来方便。目前的残压比约为1.5~3.0。选用压敏电阻时，多以标称值即压敏电压值为依据，在进行保护设计时更关键的滑线变阻器是知道其残压值。

　　压敏电阻能力的强弱以耐流能力（通流容量）来衡量。理论上耐流能力越强越好，这样可以承受较强电流的冲击。但实际使用时则有具体情况酌情选用。常用的压敏点阻耐冲击电流能力亦高达10kA（8/20μs）以上，只是体积和电容量随通流容量的增大而增大。

　　还需要考虑的是压敏电阻的阻值（非动作时）并非无限大，工作与有恒定电压的情况下，会存在一定的漏电流，若产品质量不好，漏电流会逐渐增大甚至自行损坏。况且，长时间流过这些微弱电流也会超低频高压发生器形成温升，只是慢慢老化而缩短寿命或发生爆炸。随着技术水平的提高，上述情况已有所改善。

　　（3） 瞬态二极管。瞬态二极管（临时称谓）是由两个背靠背的PN结组成的开关型半导体元件。亦有称半导体浪涌抑制器，相对气体放电管而言，亦有称固体放电管或半导体放电管，皆因其伏安特性（如图6所示）与气体放电管类似之故，但其机理却截然不同，这样称呼是不恰当的。它具有响应速度快（纳妙级）、击穿电压一致性好、残压低等优点，但耐流能力却不如气体放电管及压敏电阻。

　　瞬态二极管的主要技术指标有不动作电压、zui高限制电压、耐流能力、极间电容及源电流等。

　　不动作电压或称zui低限制电压，它指该管保持高阻状态时所能承受的zui高电压值（如图6所示的UA）。此值因与流过的电流有关，因而规定电流为1mA时的电压即为不动作电压。从某种意义上讲，不动作电压可以认为是生产厂家给出的标称值，反映它在不影响正常工作情况下所能应用的场合。

　　zui高限制电压（如图6所示的UB）是在规定电压上升速率的条件下，管子两端允许出现的zui高电压值。电压上升速率有两种规定：其一是100kV/s的速率下得出的值，表明电压上升速率较缓慢时，必须在此值以下动作（导通），反映的是“准稳态”性能；其二是1kV/μs的速率下得出电力测试导线的值，反映管子在碰见瞬态电压（如雷电压）时，两端可能出现的zui高电压值，该值越低，则保护效果越好，类似于“残压”的概念。目前规定此值小于400V，约为气体放电管的一半。

　　耐流能力的含义与前述相同。瞬态二极管这种能力低于气体放电管和压敏电阻。此外，极间电容与漏电流是静态指标，只要不影响正常工作即可。极间电容值较大则限制了它在高频段上的使用。

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