專(zhuān)利名稱(chēng)：電涌電流自控觸發(fā)間隙放電的電涌防護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電涌防護(hù)技術(shù)，尤其是應(yīng)用間隙放電的電涌防護(hù)方法。
人們經(jīng)長(zhǎng)期的實(shí)踐，發(fā)明了各種各樣的電涌防護(hù)器件，以防止電涌造成損失。如最初的空氣間隙到現(xiàn)在的壓敏電阻、氣體放電管、半導(dǎo)體放電管以及由它們之間簡(jiǎn)單的組合而成的電涌防護(hù)器件，為防御雷電及其他電涌防護(hù)作出了巨大的貢獻(xiàn)。
但是上述的元器件單獨(dú)使用時(shí)卻各有優(yōu)缺點(diǎn)。例如一、普通空氣間隙、氣體放電管作為防護(hù)器件，兩者的結(jié)構(gòu)基本相同優(yōu)點(diǎn)a、非常低的殘壓；b、非常大的通流容量；缺點(diǎn)a、響應(yīng)時(shí)間慢(大于100ns到ms級(jí))；b、產(chǎn)生有害的跟隨電流；c、性能參數(shù)容易受環(huán)境的影響；d、壽命短；e、極間電容值大。f、不能應(yīng)用于低壓及精密、高頻的電路。
二、壓敏電阻優(yōu)點(diǎn)a、通流量較大；響應(yīng)時(shí)間較快(約為25ns)；b、能自動(dòng)阻斷跟隨電流；缺點(diǎn)a、殘壓比較高；b、超過(guò)額定通流容量的使用可能引起爆炸；c、極間電容值大，不太適用于高頻線(xiàn)路的防雷；d、有泄漏電流的存在，容易老化；三、固體放電管優(yōu)點(diǎn)a、動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間最快(1ns到5ns)；b、電容參數(shù)低；c、損壞時(shí)呈短路效應(yīng)；d、可以應(yīng)用于高頻、低壓的電路；缺點(diǎn)a、通流量小(幾百安培)；b、損壞時(shí)呈短路效應(yīng)。
隨著電涌防護(hù)技術(shù)的發(fā)展，尤其是由上述各元器件所組合成的組合型電涌防護(hù)器性能更是優(yōu)越。如現(xiàn)今流行的多個(gè)壓敏電阻的芯片并聯(lián)作為電涌防護(hù)器，增大了一定的電涌流量，但所增加的流量并不很理想，同時(shí)并沒(méi)有能夠降低它們的殘壓比，也并沒(méi)有解決泄漏電流的問(wèn)題；多個(gè)壓敏電阻芯片的并聯(lián)，在電涌沖擊時(shí)，各個(gè)芯片的所流過(guò)的電流值是不均勻的。
又如采用壓敏電阻和氣體放電管的串聯(lián)構(gòu)成的器件，杜絕了泄漏電流，能夠防止壓敏電阻的老化，同時(shí)避免了氣體放電管可能產(chǎn)生的跟隨電流，但是增長(zhǎng)了響應(yīng)時(shí)間，不能增大電涌的流量。因此，上述各元件之間的組合使用雖然對(duì)電涌的防護(hù)作出了一定的貢獻(xiàn)，但是沒(méi)有達(dá)到理想的應(yīng)用要求，不能完全適應(yīng)對(duì)電涌要求更為嚴(yán)格的場(chǎng)合，而且，成本較高。
最近，又有一些電壓觸發(fā)型的電涌保護(hù)方法，采用某些觸發(fā)介質(zhì)，放置于放電間隙之間，當(dāng)間隙兩端施加的電壓，如線(xiàn)路電壓超過(guò)規(guī)定的閥值時(shí)，會(huì)在其表面產(chǎn)生電閃絡(luò)放電，導(dǎo)致放電間隙動(dòng)作，使電路得到保護(hù)。如中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?2108581.1的《(過(guò)電壓保護(hù)元件和過(guò)電壓保護(hù)裝置》公開(kāi)專(zhuān)利文件中所描述的技術(shù)火花間隙可以通過(guò)某些介質(zhì)材料制成的點(diǎn)火輔助件來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)導(dǎo)通。通過(guò)分析，可以知道，該技術(shù)是通過(guò)在間隙之間放置有容易產(chǎn)生表面閃絡(luò)的材料(一般情況下，在幾千伏時(shí)產(chǎn)生表面放電)，且火花間隙必須根據(jù)線(xiàn)路電壓來(lái)選擇間隙距離。該技術(shù)的工作過(guò)程是線(xiàn)路上有電涌過(guò)電壓時(shí)，過(guò)電壓施加在點(diǎn)火輔助材料上，當(dāng)電壓升高達(dá)到點(diǎn)火輔助材料的表面閃絡(luò)值時(shí)，點(diǎn)火輔助材料的表面產(chǎn)生閃絡(luò)，火花間隙被連接，從而放電。這實(shí)質(zhì)上是一種電壓觸發(fā)表面閃絡(luò)——火花間隙放電的工作過(guò)程。其優(yōu)點(diǎn)能有大的通流容量；其缺點(diǎn)根據(jù)資料介紹可以達(dá)到100ns以上的響應(yīng)時(shí)間；觸發(fā)點(diǎn)火電壓太高，且不易控制，精度低，殘壓值高；間隙距離小，易產(chǎn)生有害跟隨電流；幾千伏以上的點(diǎn)火電壓，根本不能應(yīng)用于精密的信號(hào)線(xiàn)路、天饋線(xiàn)線(xiàn)路的防護(hù)；由于觸發(fā)材料限制，也很難應(yīng)用于幾千伏甚至幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)伏以上的高壓線(xiàn)路。
本發(fā)明的方法包括設(shè)在被保護(hù)線(xiàn)路或設(shè)備與地極或其他泄放線(xiàn)路之間的一組含有觸發(fā)極的輔助放電線(xiàn)路和另一組含主放電間隙的主放電線(xiàn)路，其特征在于(1)觸發(fā)極與主放電間隙之間的距離設(shè)定；(2)含觸發(fā)極的輔助放電線(xiàn)路設(shè)定過(guò)電壓閾值，當(dāng)超過(guò)該設(shè)定電壓閾值時(shí)，則有電涌電流流過(guò)觸發(fā)極到地極或其他泄放線(xiàn)路；(3)流過(guò)觸發(fā)極的電流設(shè)定電流閾值，當(dāng)超過(guò)該設(shè)定電流閾值時(shí)，觸發(fā)極兩極之間產(chǎn)生電弧閃絡(luò)，向主放電間隙放電，使主放電間隙的兩極中產(chǎn)生繁流、流光過(guò)程，主放電間隙變成短路的導(dǎo)電狀態(tài)，電涌的大電流從該主放電間隙通過(guò)，泄放入地極或其他泄放線(xiàn)路；避免了電涌電流破壞被保護(hù)的線(xiàn)路和設(shè)備。
上述方法，采用了以較小電涌電流的觸發(fā)極輔助放電線(xiàn)路帶動(dòng)大流量主放電線(xiàn)路的電涌防護(hù)線(xiàn)路。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有下列優(yōu)點(diǎn)1、具有更短的響應(yīng)時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間與觸發(fā)回路中所采用的元?dú)饧凶疃添憫?yīng)時(shí)間的元?dú)饧捻憫?yīng)時(shí)間一致；2、具有更大的電涌通流容量；即擁有開(kāi)關(guān)型電涌保護(hù)器的特征由于采用更新電涌電流觸發(fā)放電理論，該技術(shù)能夠保證電涌電流通過(guò)所產(chǎn)生的金屬飛濺、電容值、間隙距離等的變化不會(huì)對(duì)產(chǎn)品性能參數(shù)有任何很大影響；火花間隙也因此在選材上僅要求一般導(dǎo)電材料即可，成本較低。
3、具有更低的殘壓參數(shù)；具有氣體放電的低殘壓特性；4、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單可以使產(chǎn)品具有更小的體積；5、具有限壓型和開(kāi)關(guān)型的兩種電涌保護(hù)器的優(yōu)越特性；并能夠克服這兩種類(lèi)型保護(hù)器的缺陷；6、主放電間隙的距離及填充氣體成分對(duì)它的自感量(L)影響很小，但對(duì)它的電容值影響很大。由于主放電間隙距離大，同時(shí)主放電間隙中可以是空氣、真空或某些不引起電容值增大的氣體及其混合物，因此可以獲得極低的電容值和電感值，因此，只要使觸發(fā)輔助線(xiàn)路在盡可能低的電涌電流通過(guò)時(shí)能觸發(fā)間隙動(dòng)作，就可以將本發(fā)明應(yīng)用于精密的電子電路和高頻電路，使之獲得很好的保護(hù)，但是卻對(duì)電路正常工作性能幾乎沒(méi)有任何影響。
7、實(shí)際應(yīng)用中，也可以充分利用已經(jīng)安裝于線(xiàn)路的電涌保護(hù)器作為整個(gè)電路的觸發(fā)單元，與本發(fā)明的其余結(jié)構(gòu)結(jié)合，節(jié)省和保護(hù)已有的投資及延長(zhǎng)原有電涌保護(hù)器的壽命。
8、本方法同樣可以應(yīng)用于同軸結(jié)構(gòu)的線(xiàn)纜、天饋線(xiàn)路的電涌防護(hù)，在獲取超大通流容量、最快響應(yīng)時(shí)間的電涌保護(hù)時(shí)，對(duì)線(xiàn)路原有參數(shù)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)不產(chǎn)生影響。
圖2所示，是本發(fā)明的電氣原理示意圖之二。
由

圖1可知，該原理示意圖的被保護(hù)線(xiàn)路7上并聯(lián)有兩組電涌保護(hù)電路，一組是帶有觸發(fā)極3和4及電涌保護(hù)單元5的輔助放電線(xiàn)路，另一組是帶主放電間隙6和兩電極1和2的主放電線(xiàn)路。
在帶觸發(fā)極3和4的輔助放電線(xiàn)路內(nèi)包含有觸發(fā)單元5和可生成電弧的兩個(gè)觸發(fā)極3、4的串聯(lián)。其中，觸發(fā)單元5內(nèi)部可以采用固體放電管、壓敏電阻、其他電涌保護(hù)元件或各種電涌保護(hù)器件的組合電路；同時(shí)也可以是串聯(lián)的過(guò)載、短路保護(hù)單元或阻抗等。當(dāng)被保護(hù)線(xiàn)路有過(guò)電壓并超過(guò)規(guī)定動(dòng)作電壓閾值時(shí)，觸發(fā)單元5的電涌保護(hù)器件將首先導(dǎo)通，電涌電流I3流過(guò)該觸發(fā)線(xiàn)路，大于設(shè)定閾值以上的電涌電流在流經(jīng)觸發(fā)極3、4時(shí)，由于兩個(gè)觸發(fā)極3和4的連接是非連續(xù)性的且僅僅是觸接的，將會(huì)在兩觸發(fā)極3和4之間產(chǎn)生電弧閃絡(luò)放電，形成的觸發(fā)電火花向主放電間隙6中運(yùn)動(dòng)，并在主放電間隙6中產(chǎn)生繁流、流光過(guò)程，當(dāng)流光以極快的速度在主放電間隙6的兩極1、2傳播后，主間隙6的兩極1、2之間就以明亮、多支、斷續(xù)的火花將通道連接起來(lái)，把主放電間隙6擊穿，主放電間隙6的兩個(gè)極1和2之間變成近似短路的導(dǎo)電狀態(tài)；于是主放電間隙6的線(xiàn)路中就有大的電涌電流I2通過(guò)，形成主放電線(xiàn)路，將電涌電流I2通過(guò)地極或其他泄放線(xiàn)路8泄放。
主放電間隙6的距離等參數(shù)的設(shè)計(jì)使得主放電間隙6被擊穿通過(guò)大電流之后，主放電間隙6又立即恢復(fù)到原有的絕緣狀態(tài)，直到下次受到觸發(fā)輔助放電線(xiàn)路有電涌電流流過(guò)時(shí)重復(fù)上述過(guò)程。如此過(guò)程反復(fù)，利用觸發(fā)輔助放電線(xiàn)路首先動(dòng)作，使線(xiàn)路首先得以最快的響應(yīng)速度動(dòng)作受到保護(hù)，其次主放電間隙6的迅速動(dòng)作可以使線(xiàn)路保持最低的殘壓水平，由于通過(guò)控制觸發(fā)放電線(xiàn)路的殘壓比以及阻抗調(diào)節(jié)，流經(jīng)觸發(fā)輔助放電線(xiàn)路的電涌電流將很大地減少；大部分的電涌電流將通過(guò)主放電間隙6的兩個(gè)極1和2泄入地極或其他泄放線(xiàn)路8。因此避免了觸發(fā)輔助放電線(xiàn)路流過(guò)更大的電流。主放電間隙6的自動(dòng)恢復(fù)絕緣狀態(tài)更避免了續(xù)流對(duì)電路的影響，使線(xiàn)路得以良好的保護(hù)。
正常時(shí)，主放電間隙6兩電極1和2的距離與放電電壓成正比，間隙距離越大，放電電壓越大，反之，越小，但是，主放電間隙6的動(dòng)作由于使用輔助觸發(fā)，它的放電電壓實(shí)際上已經(jīng)由輔助觸發(fā)火花控制，因此，它的間隙距離可以比現(xiàn)有技術(shù)的距離大得多，但實(shí)際上的放電電壓不變。因此，電極流過(guò)大電流所產(chǎn)生的電極燒蝕又對(duì)正常使用沒(méi)有影響。
當(dāng)觸發(fā)極1和2有觸發(fā)電弧生成時(shí)，將主放電間隙6變成短路通道，電涌電流得到泄放，當(dāng)電涌電流過(guò)零時(shí)或電涌電壓降到主間隙6的電弧不能維持導(dǎo)通時(shí)，間隙自動(dòng)恢復(fù)為絕緣狀態(tài)。從而自動(dòng)阻斷了線(xiàn)路不能產(chǎn)生有害的跟隨電流。
主放電間隙6的絕緣電阻在100MΩ以上。在導(dǎo)通大電流時(shí)，主間隙只有幾十毫歐，甚至更小，近似短路。主放電間隙6可以做成是空氣間隙、密封的真空間隙或填充其氣體等，人為地調(diào)節(jié)控制間隙的距離及填充材料，將可以調(diào)整主放電間隙的放電參數(shù)。
輔助觸發(fā)電極3、4兩個(gè)電極之間具有適當(dāng)接觸狀態(tài)以維持導(dǎo)電和連接，即保證一定額的電涌電流流過(guò)時(shí)能產(chǎn)生電弧和盡可能有低殘壓的特性，又保證在電涌電流流過(guò)時(shí)，兩極的材料不能夠因?yàn)楦邷?、電弧等原因而焊連在一起。實(shí)際上，輔助觸發(fā)放電線(xiàn)路中的觸發(fā)極3、4在電氣可以是不相互連接，實(shí)質(zhì)是一個(gè)放電間隙，其距離比主放電間隙6的要小得多。當(dāng)被保護(hù)線(xiàn)路有電涌沖擊時(shí)，輔助觸發(fā)間隙將首先導(dǎo)通，由此引發(fā)主放電間隙6的放電過(guò)程。同時(shí)由于；輔助觸發(fā)間隙的距離較小，為了阻止輔助觸發(fā)線(xiàn)路不能自動(dòng)解決續(xù)流問(wèn)題，一般通過(guò)在輔助線(xiàn)路中串接有電涌保護(hù)元件和電阻等構(gòu)成的觸發(fā)單元5。
由圖2可知，是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施應(yīng)用。它將輔助觸發(fā)極3和4串接于被保護(hù)線(xiàn)路7上，主放電間隙極2處于觸發(fā)極3和4之間的相應(yīng)處，并與地極或其他泄放線(xiàn)路8連接。觸發(fā)極3和4，以及間隙極2之間構(gòu)成主放電間隙9；觸發(fā)單元5設(shè)在被保護(hù)線(xiàn)路7與地極或其他泄放線(xiàn)路8之間。當(dāng)被保護(hù)線(xiàn)路7有電涌并超過(guò)所規(guī)定的動(dòng)作電壓閾值時(shí)，觸發(fā)輔助線(xiàn)路的電涌保護(hù)單元5動(dòng)作，有電涌電流I3流過(guò)，同時(shí)在被保護(hù)線(xiàn)路7上有電涌電流I1流過(guò)相互接觸的電極3和電極4，當(dāng)電涌電流大于設(shè)定閾值時(shí)，相互接觸的電極3和電極4之間產(chǎn)生火花，從而引發(fā)叁電極2、3、4之間的火花放電，產(chǎn)生電弧，將大部分電涌泄放入地8，線(xiàn)路7得以保護(hù)。
整個(gè)組合電路的動(dòng)作特性有四種狀況1、當(dāng)電涌電壓U小于輔助觸發(fā)線(xiàn)路的電涌保護(hù)元件規(guī)定的動(dòng)作電壓閾值時(shí)，上述組合的保護(hù)元件不動(dòng)作。
2、當(dāng)電涌電壓U大于輔助觸發(fā)線(xiàn)路的電涌保護(hù)元件動(dòng)作電壓閾值時(shí)，而且流過(guò)觸發(fā)線(xiàn)路的電涌電流I1小于設(shè)定閾值時(shí)，限制過(guò)電壓由觸發(fā)線(xiàn)路的電涌保護(hù)單元5完成；觸發(fā)線(xiàn)路中的火花生成觸點(diǎn)3、4不產(chǎn)生火花，主放電間隙1、2不動(dòng)作。
3、當(dāng)電涌電壓U大于輔助觸發(fā)線(xiàn)路的電涌保護(hù)元件動(dòng)作電壓閾值時(shí)，而且流過(guò)觸發(fā)線(xiàn)路的電涌電流I1大于設(shè)定閾值時(shí)，輔助觸發(fā)放電線(xiàn)路的電涌元件動(dòng)作，同時(shí)導(dǎo)致輔助觸發(fā)線(xiàn)路的火花生成觸點(diǎn)3、4發(fā)生電弧閃絡(luò)和產(chǎn)生電火花，緊接著主放電間隙6動(dòng)作，使輔助觸發(fā)線(xiàn)路減輕流過(guò)的電涌電流，而不使其損壞。最后當(dāng)被保護(hù)線(xiàn)路7的電涌電壓低于設(shè)定的電壓閾值時(shí)，主放電間隙6不能維持電弧導(dǎo)通斷開(kāi)，形成開(kāi)路并阻斷了可能產(chǎn)生的跟隨電流，此時(shí)，輔助觸發(fā)線(xiàn)路繼續(xù)保持導(dǎo)通，泄放剩余的已經(jīng)很弱的電涌電流。
上述發(fā)明的電涌防護(hù)方法，可用于常規(guī)的電氣線(xiàn)路和設(shè)備的電涌防護(hù)，也可以用要求高的電子線(xiàn)路及設(shè)施，以及電磁脈沖武器及相關(guān)設(shè)備的電涌防護(hù)。不管用于何線(xiàn)路、設(shè)備、設(shè)施的電涌防護(hù)，只要采用了上述電涌防護(hù)方法的均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種電涌電流自控觸發(fā)間隙放電的電涌防護(hù)方法，它包括設(shè)在被保護(hù)線(xiàn)路或設(shè)備(7)與地極或其他泄放線(xiàn)路(8)之間的一組含有觸發(fā)極(3和4)的輔助放電線(xiàn)路和另一組含主放電間隙(6)的主放電線(xiàn)路，其特征在于(1)觸發(fā)極(3和4)與主放電間隙(6)之間的距離設(shè)定；(2)含觸發(fā)極(3和4)的輔助放電線(xiàn)路設(shè)定過(guò)電壓閾值，當(dāng)超過(guò)該設(shè)定電壓閾值時(shí)，有電涌電流流過(guò)觸發(fā)極(3和4)到地極或其他泄放線(xiàn)路(8)；(3)流過(guò)觸發(fā)極(3和4)的電涌電流設(shè)定電流閾值，當(dāng)超過(guò)該設(shè)定電流閾值時(shí)，觸發(fā)極兩極(3和4)之間產(chǎn)生電弧閃絡(luò)，向主放電間隙(6)放電，使主放電間隙(6)的兩極(1和2)中產(chǎn)生繁流、流光過(guò)程，主放電間隙(6)變成短路的導(dǎo)電狀態(tài)，電涌的大電流從該主放電間隙(6)的兩極(1和2)通過(guò)，泄放入地極或其他泄放線(xiàn)路(8)；避免電涌損壞所流經(jīng)的被保護(hù)線(xiàn)路或設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電涌電流自控觸發(fā)間隙放電的電涌防護(hù)方法，其特征在于主放電間隙(6)的放電極(1和2)與輔助觸發(fā)電極(3和4)設(shè)置在同一腔體內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電涌電流自控觸發(fā)間隙放電的電涌防護(hù)方法，其特征在于主放電間隙(6)及其放電極(1和2)可設(shè)置一個(gè)或多個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電涌電流自控觸發(fā)間隙放電的電涌防護(hù)方法，其特征在于輔助放電線(xiàn)路可設(shè)置一條或多條。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的電涌電流自控觸發(fā)間隙放電的電涌防護(hù)方法，其特征在于輔助放電線(xiàn)路中的觸發(fā)極(3和4)可設(shè)置一個(gè)或多個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電涌電流自控觸發(fā)間隙放電的電涌防護(hù)方法，它包括設(shè)在被保護(hù)線(xiàn)路或設(shè)備與地極之間的一組含有觸發(fā)極的輔助放電線(xiàn)路和另一組含主放電間隙的主放電線(xiàn)路，其特征在于觸發(fā)極與主放電間隙之間的距離設(shè)定；含觸發(fā)極的輔助放電線(xiàn)路設(shè)定過(guò)電壓閾值，當(dāng)超過(guò)該設(shè)定電壓閾值時(shí)，有電涌電流流過(guò)觸發(fā)極到地極；流過(guò)觸發(fā)極的電流設(shè)定電流閾值，當(dāng)超過(guò)該設(shè)定電流閾值時(shí)，觸發(fā)極兩極之間產(chǎn)生電弧閃絡(luò)，向主放電間隙放電，使主放電間隙的兩極中產(chǎn)生繁流、流光過(guò)程，主放電間隙變成短路的導(dǎo)電狀態(tài)，電涌的大電流從該主放電間隙通過(guò)，泄放入地極，保護(hù)線(xiàn)路和設(shè)備。該方法適用于電子、電氣線(xiàn)路及其設(shè)備設(shè)施，以及電磁脈沖武器及相關(guān)設(shè)備的電涌防護(hù)。
文檔編號(hào)H02H9/06GK1457126SQ0311848
公開(kāi)日2003年11月19日 申請(qǐng)日期2003年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月16日
發(fā)明者黃興英 申請(qǐng)人:黃興英