3. 主要保護元件的電氣性能

　　（1） 氣體放電管。將一個或一個以上的放電間隙封裝在玻璃、陶瓷管或其它介質(zhì)內(nèi)，管內(nèi)再充以一定壓力的惰性氣體（如氬氣等），就構(gòu)成了一支氣體放電管（下稱放電管）。常用的有二極管滑線指示燈和三極管，亦曾稱有五級放電管。

　　放電管主要的電氣指標(biāo)有標(biāo)稱直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、耐工頻電流能力和耐沖擊電流能力等。

　　標(biāo)稱直流擊穿電壓是在放電管擊間施加緩慢上升的指示放電管發(fā)生了擊穿時刻的直流電壓（如圖1所示中的VA）。它反映了放電管可以使用的場合，而不導(dǎo)致電路工作不正常。放電管未擊穿前相當(dāng)于開路狀態(tài)。

　　沖擊擊穿電壓則指放電管在沖擊電壓作用下的擊穿（動作）電壓值。這個值非常重要，他代表其保護效果的扁平橡套軟電纜好與壞，通常他甚至高于標(biāo)稱直流擊穿電壓值。如標(biāo)稱值為230V的放電管，其沖擊擊穿電壓值（殘壓）約高達(dá)600~800v（1Kv/μs），如圖1所示中的VA。

　　沖擊擊穿電壓值與施加間沖擊波性的波前（沿）陡度有明顯的關(guān)系，即波前越陡，電壓值越高，反之亦然。當(dāng)陡度降得很緩慢時，即為標(biāo)稱直流擊穿電壓值。這一特性常以放電管沖擊擊穿電壓和放電（動作）時間關(guān)系的“伏秒特性”曲線來描述（如圖2所示）。圖中的曲線越平直、越靠近Vdc值，則其保護效果越好。

　　（圖2 沖擊擊穿電壓和放電時間關(guān)系（伏秒特性））

　　耐電流能力可以說是壽命指標(biāo)，也可以說是能力指標(biāo)。表明他承受工頻點六和沖擊電流的水平，也是一個重要的指標(biāo)。耐沖擊電流的數(shù)值與所加沖擊電流波形直接相關(guān)，不同的波形，其值差別很大。放電管的耐沖擊電流可達(dá)20kA（8/20μs）以上。

　　對于氣體放電管的指標(biāo)要求，國標(biāo)GB9043和I-TU-T（原CCITT）的K.12建議都有明確規(guī)定。應(yīng)特別提出的是“橫向電壓”指標(biāo)，以其3個（以上）間隙的擊穿時間差來衡量，也是三級以上的放電管所*的。三（多）級放電管zui大的優(yōu)點是將3個以上的間隙密封于一個空間內(nèi)，當(dāng)其中任一間隙擊指針高壓兆歐表穿放電時，由于氣體的電離和光的作用等，提前引發(fā)其余間隙迅速放電，令各電極間的電位差很小，即橫向電壓很低。這對平衡電路的橫向保護有很好的效果。

　　1個三級放電管[如土3（a）所示]其保護效果優(yōu)于使用3個二級放電管[如圖3（b）所示]，更優(yōu)于僅使用兩個縱向保護二級放電管[如圖3（b）所示中沒有G3的情況]。通常在a、b線上所感應(yīng)的雷電壓Uae（U’ae）和Ube（U’be），當(dāng)線路結(jié)構(gòu)、絕緣等條件相同，放電管尚未擊穿前，Uae（U’ae）≈Ube（U’be），則Uab（U’ab）≈0。但當(dāng)放電管一旦擊穿，可能出現(xiàn)下列兩種情況。

　　4所示的時間差ta-tb，橫向電壓Uab（U’ab）≠0，GB9043中規(guī)定ta-tb≤200ns，當(dāng)沖擊波形的上升速率規(guī)定后，實際上是限制了橫向電壓的值。

　　由于氣體介質(zhì)中的擊穿放電是隨機現(xiàn)象，故對他的擊穿電壓（包括直流和沖擊）值不能簡單的一個別樣品的個別數(shù)據(jù)來判定。多年來，我們通過對大量實測擊穿電壓值進行研究，觀察其實際分布情況，并利用亨利直線法進行檢驗。結(jié)果表明，放電管的擊穿電壓基本上符合正態(tài)分布。所以，用統(tǒng)計評定方法是可行的，這已在GB9043中使用，ITU-T也以此為基礎(chǔ)修改了K.12建議。

　　其實，保護性能的優(yōu)劣，主要比較保護元件在沖擊電壓（電流）作用下放電時，極間殘壓的高低，當(dāng)然是越低越好。以往對殘壓這個概念有些人產(chǎn)生誤解，認(rèn)為擊穿（放電）后的極間電壓（如圖1所示的VC）為殘壓，其實不然。因為比VC高得多的VA等早已進入設(shè)備內(nèi)部，甚至損壞設(shè)備（電路）。所以，對殘壓的更準(zhǔn)確理解為包括為使保護元件動作的過電壓，保護元件動作前的瞬態(tài)、保護元件動作后的端電壓和保護動作引起的電路順保護元件動作后的端電壓和保護動作引起的電路瞬態(tài)等。因而在進行保護設(shè)計時必須考慮上述各種過電壓值，否則，該保護設(shè)計是不成功的。

　　（2） 壓敏電阻。壓敏電阻是一種由氧化鋅（或碳化硅）晶體微粒組成的多晶半導(dǎo)體過電壓抑制器件，典型的限幅型過電壓保護器件。實際上是一種電阻值隨外加電壓變化的非線性元件（如突5所示）與放電管相比，他對沖擊電壓的相應(yīng)更快，可達(dá)納妙級。壓敏電阻的主要技術(shù)指標(biāo)有壓敏電壓、殘壓或殘壓比、耐流能力和極間電容等。

　　（圖5 氧化鋅壓敏電阻伏安特性曲線）

　　從圖5可看出通過壓敏電阻的電流I不同時，兩端的電壓是不同的（非線性），為了便于統(tǒng)一、比較和使用，規(guī)定通過的電流為1mA是兩端的電壓成為“壓敏電壓”（也有成起始電壓），記作U1mA，也是標(biāo)稱值。而被保護點的工作電壓值應(yīng)低于此值，越僅為U1mA值得0.75倍或更低。 殘壓含義如前所述，他指壓敏電阻上通過某一量級的沖擊（浪涌）電流是兩端的電壓值。當(dāng)不同的壓敏手表式近電報警器電阻統(tǒng)一相同的沖擊電流（如10kA）時，殘壓低的保護效果較好。若已通過不同的沖擊電流而評定其殘壓高低或保護效果的優(yōu)劣是不準(zhǔn)確的。因為不同產(chǎn)品、規(guī)格的壓民電阻其伏安特性會有較大差異。壓敏電阻有一個衡量其吸收能量能力的指標(biāo)，稱為非線性系數(shù)α，其定義為：

　　（……）

　　從保護觀點來看，顯然α值越小越好，α值越小，說明流經(jīng)壓敏電阻的電流變化很大，而端電壓變化很小。也就是說，增加的電流部分，幾乎全部都被非線性電阻吸收。若α值接近于零，表示端電壓與其上流過電流的大小無關(guān)，近乎常數(shù)，這是了的。

　　優(yōu)勢，相關(guān)的資料上沒有提供殘壓指標(biāo)，卻給出“殘壓比”的數(shù)值，作用都是一樣的。“殘壓比”意指通過某一量級沖擊電流時的殘壓（如突5所示的U1）值與壓敏電壓（U1mA）值之比，即：

　　殘壓比=U1/U1mA

　　所以，當(dāng)知道殘壓比后，從上式可很容易算的殘壓值U1（某量級的沖擊電流下），給保戶設(shè)計帶來方便。目前的殘壓比約為1.5~3.0。選用壓敏電阻時，多以標(biāo)稱值即壓敏電壓值為依據(jù)，在進行保護設(shè)計時更關(guān)鍵的滑線變阻器是知道其殘壓值。

　　壓敏電阻能力的強弱以耐流能力（通流容量）來衡量。理論上耐流能力越強越好，這樣可以承受較強電流的沖擊。但實際使用時則有具體情況酌情選用。常用的壓敏點阻耐沖擊電流能力亦高達(dá)10kA（8/20μs）以上，只是體積和電容量隨通流容量的增大而增大。

　　還需要考慮的是壓敏電阻的阻值（非動作時）并非無限大，工作與有恒定電壓的情況下，會存在一定的漏電流，若產(chǎn)品質(zhì)量不好，漏電流會逐漸增大甚至自行損壞。況且，長時間流過這些微弱電流也會超低頻高壓發(fā)生器形成溫升，只是慢慢老化而縮短壽命或發(fā)生爆炸。隨著技術(shù)水平的提高，上述情況已有所改善。

　　（3） 瞬態(tài)二極管。瞬態(tài)二極管（臨時稱謂）是由兩個背靠背的PN結(jié)組成的開關(guān)型半導(dǎo)體元件。亦有稱半導(dǎo)體浪涌抑制器，相對氣體放電管而言，亦有稱固體放電管或半導(dǎo)體放電管，皆因其伏安特性（如圖6所示）與氣體放電管類似之故，但其機理卻截然不同，這樣稱呼是不恰當(dāng)?shù)摹Ｋ哂许憫?yīng)速度快（納妙級）、擊穿電壓一致性好、殘壓低等優(yōu)點，但耐流能力卻不如氣體放電管及壓敏電阻。

　　瞬態(tài)二極管的主要技術(shù)指標(biāo)有不動作電壓、zui高限制電壓、耐流能力、極間電容及源電流等。

　　不動作電壓或稱zui低限制電壓，它指該管保持高阻狀態(tài)時所能承受的zui高電壓值（如圖6所示的UA）。此值因與流過的電流有關(guān)，因而規(guī)定電流為1mA時的電壓即為不動作電壓。從某種意義上講，不動作電壓可以認(rèn)為是生產(chǎn)廠家給出的標(biāo)稱值，反映它在不影響正常工作情況下所能應(yīng)用的場合。

　　zui高限制電壓（如圖6所示的UB）是在規(guī)定電壓上升速率的條件下，管子兩端允許出現(xiàn)的zui高電壓值。電壓上升速率有兩種規(guī)定：其一是100kV/s的速率下得出的值，表明電壓上升速率較緩慢時，必須在此值以下動作（導(dǎo)通），反映的是“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”性能；其二是1kV/μs的速率下得出電力測試導(dǎo)線的值，反映管子在碰見瞬態(tài)電壓（如雷電壓）時，兩端可能出現(xiàn)的zui高電壓值，該值越低，則保護效果越好，類似于“殘壓”的概念。目前規(guī)定此值小于400V，約為氣體放電管的一半。

　　耐流能力的含義與前述相同。瞬態(tài)二極管這種能力低于氣體放電管和壓敏電阻。此外，極間電容與漏電流是靜態(tài)指標(biāo)，只要不影響正常工作即可。極間電容值較大則限制了它在高頻段上的使用。

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