氣體放電管在電流互感器二次側過電壓防護領域應用

商迎美

摘要；傳統(tǒng)的電流互感器二次側過電壓保護器采用壓敏電阻作為電壓的采樣器件，存在著泄漏電流較大和發(fā)熱問題，在實際的使用中經常會出現漏電流較大，裝置發(fā)熱燒毀等問題，而采用氣體放電管代替壓敏電阻作為電壓采樣器件，可以有效地減少泄漏電流，大大降低器件本身的發(fā)熱量。該文主要分析了氣體放電管在電流互感器二次側過電壓保護器上的應用，并且提供了過電壓采樣和保護電路。

關鍵詞：氣體放電管；壓敏電阻；電流互感器；直流擊穿電壓

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）07-0220-02

1電流互感器二次側過電壓保護器的作用和原理

電流互感器二次測過電壓保護器主要應用在電力設備安全檢測系統(tǒng)中，可以保護其后端接人的電流，電壓測量裝置安全。電流互感器在電路中起到電流變換的作用，屬于感性器件，一旦二次側出現斷路，或一次側出現短路，過載等故障時，則會在其兩端產生非常高的電壓，瞬間損壞后端接入的設備，嚴重的甚至造成人員傷亡。因此，對于此種突變電壓的防范尤其重要。目前市場上采用的電流互感器二次測過電壓保護裝置主要采用壓敏電阻作為核心的電壓采樣器件，但由于壓敏電阻長時間使用后會出現較大的漏電流，影響其后端測量裝置的準確性。所以急需要有新的電壓采樣器件來彌補壓敏電阻的不足。氣體放電管就是一種新型的電壓采樣器件，它既有壓敏電阻的電壓敏感特性，又具有很高的絕緣性能，正常工作時漏電流非常小，大約是壓敏電阻的千分之一。

電流互感器通過電磁耦合，將一次回路中的不同電流，規(guī)范到二次輸出為最大1A或最大5A兩個范圍內，從而能夠使用成型的各種保護裝置、測量器件及控制單元。它廣泛應用在測量儀表，繼電器保護等裝置中，是獲取一次側電流信息的重要載體。電流互感器將高電流按比例轉換成低電流，其一次測線圈接在一次系統(tǒng)，二次測的線圈用來接入測量儀表、繼電保護等。主要可以分為兩種應用場景，第一種：作為測量設備，作用是用來計量和測量運行設備電流的；第二種：作為保護裝置，主要與繼電裝置配合，在線路發(fā)生短路過載，斷路等故障時，向繼電裝置提供信號切斷故障電路，以保護供電系統(tǒng)的安全。

2氣體放電管的選型

2.1氣體放電管的國內外主要廠家

氣體放電管的國內廠家主要有威特科，鎮(zhèn)江電子管廠，檳城，新鉑錸等廠家，國外的主要有TDK_EPC，Littelfuse等廠家。國外廠家的價格普遍較高，且交貨周期較長，對于一些普通的應用場合（非露天，室內等工業(yè)應用場合），使用國內生產的氣體放電管也可以滿足要求，在此項目中，使用的是東莞新鉑錸電子的一款氣體放電管。在選型的時候，需要根據使用的場合，選擇合適封裝，以及電氣參數。氣體放電管主要有插件和貼片兩種封裝形式，此項目中使用的是陶瓷插件封裝，如圖1所示：

2.2氣體放電管選型時的主要參數測量

氣體放電管型號；BLSG150A-L，主要參數如（表1）

1）直流放電電壓（150±25%）的測量：氣體放電管的直流放電電壓具有分散性的特點，其直流放電電壓是一個范圍，參照DATASHEET中的參數，直流放電電壓范圍在DC150V+25%。

首先在氣體放電管的一端串聯一個限流電阻（阻值和功率根據使用的場合設定），此處選擇30Ωa/1000 W的功率電阻。通過調壓器模擬電壓上升斜率，當電壓達到直流擊穿電壓范圍內，氣體放電管開始放電，由高組狀態(tài)轉換成低阻狀態(tài)。

2）沖擊耐受電流（5 KA）測量：需要專用的8/20us的雷擊電流發(fā)射裝置，一端接在雷擊電流的發(fā)射端，另外一端接在大地。電流設置為5 KA，總共測量5次，之后再次測量其直流放電電壓和絕緣電阻，觀察數據是否有明顯變化。

3）工頻耐受電流（5 A）：采用測量直流放電電壓時使用的電路，當氣體放電管兩端的電壓達到直流放電電壓后，氣體放電管開始通過設定的5 A電流，持續(xù)時間1 min（具體的測試時間以實際的應用場景作為參考，此項目中的電流互感器二次側過電壓保護器作為防雷，過電壓保護設備使用，電路中的過電壓情況一般持續(xù)的時間較短）。測試完成之后再次測量直流放電電壓和絕緣電阻，觀察數值是否有仍在規(guī)定的范圍內。

4）絕緣電阻：外施50或100 V直流電壓時測量的氣體放電管電阻，>1 000MΩ。

5）溫度范圍：其工作溫度范圍一般在一55℃～+125℃之間，但是實際的測量條件很難達到此標準，一般會按照實際使用條件的溫度范圍測量，此項目屬于一般的工業(yè)使用環(huán)境（一20℃～+60℃），市場上常用的高低溫箱都可以達到此條件。分別在高溫和低溫條件下測量直流放電電壓，工頻耐受電流。

6）極間電容測量：放電管的寄生電容很小，極間電容一般在1pF～5pF范圍，極間電容在很寬的頻率范圍內保持近似不變，同型號放電管的極間電容值分散性很小。采用高精度的電橋可測量出極間電容。

7）其他參數說明：如下圖2，當氣體放電管兩端的電壓達到V_BK之后會出現急劇下降的過程，當其兩端的電壓降到V_GL（開始發(fā)光電壓），氣體放電管內部的惰性氣體開始出現發(fā)光現象，當其兩端的電壓下降到V_ARC（弧光電壓）后保持在V_ARC。當氣體放電管兩端的電壓源消失，其內部的弧光開始消失，電壓繼續(xù)下降到V_E熄弧電壓（extinction voltage）.

3氣體放電管在電流互感器二次側過電壓保護器中的應用

采用氣體放電管作為電壓采樣器件的電流互感器二次側過電壓保護器，正常運行時氣體放電管兩側的電壓小于20 V，此時的氣體放電管處于高阻狀態(tài)，阻抗大于1 G，通過它的泄漏電流小于1uA，對該回路的動作值和表計準確度的影響可以忽略不計。當二次回路開路或一次繞組出現異常電流過時，在二次繞組中產生的電壓遠遠高于正常運行電壓（數值取決于CT本身參數和運行情況），此時內部的電壓采樣器件一氣體放電管瞬間導通，迅速地將過電壓信號通過光耦傳遞到后方的信號采集系統(tǒng)，并由后方的采集系統(tǒng)發(fā)出相應的數字信號，控制繼電器的觸點閉合，從而使電流互感器二次側進入穩(wěn)定的短路狀態(tài)，徹底避免了過電壓危害。

如圖3所示，氣體放電管GDT2接在整流橋后端，接收來自前方的過電壓信號，當其接收的過電壓信號超過氣體放電管的導通閥值，氣體放電管則處于導通狀態(tài)，其后端的電解電容c1，TVS管1）3，相繼接收到來自前方的過電壓信號。點解電容C1將過電壓信號的雜波濾除，TVS管D3將過電壓型號的能量對地釋放，對其后端的元器件起到保護的作用。當繼電器K1接收到來自控制系統(tǒng)的閉合信號，瞬間將U1a和U1b短路，也就是將電流互感器二次測短路。通過改變GDT2的閥值電壓，可以形成不同型號的產品，滿足不同場合的使用。

4氣體放電管作為電壓采樣器件的優(yōu)點

與傳統(tǒng)的壓敏電阻相比較，氣體放電管作為電壓采樣器件具有以下優(yōu)點：

1）泄漏電流小

在實際的使用中，泄漏電流的大小嚴重影響電流互感器二次側其他測量儀器精度，和自身的使用壽命。傳統(tǒng)的電流互感器二次側過電壓保護器采用壓敏電阻作為電壓采樣器件，具有一定的泄漏電流（壓敏電阻的伏安特性如圖4所示），當加在壓敏電阻兩端的電壓沒有達到Uc（俗稱標稱電壓或閥值電壓）時，會有一定的泄露電流I流過壓敏電阻，一般在1 mA左右。如果長期使用其泄露電流由于溫度和濕度的影響還會進一步增大，如果將其應用在實際的電路當中，很有可能會影響后端設備的使用和引發(fā)漏電空開跳閘。氣體放電管作為開關型器件，當加在其兩端的電壓沒有達到導通閥值，就沒有泄露電流流過，因為其內部充滿了惰性氣體（氬氣或氖氣），能有效的隔離高電壓端和低電壓端。如果加在氣體放電管兩端的電壓達到或超過其閥值電壓，那么其內部的惰性氣體將被擊穿，氣體放電管由高阻變?yōu)榈妥锠顟B(tài)。

2）寄生電容小

放電管的寄生電容很小，極間電容一般在1 pF～5 pF范圍，極間電容在很寬的頻率范圍內保持近似不變，同型號放電管的極間電容值分散性很小。

3）響應時間較長

采用氣體放電管作為電流互感器二次側過電壓保護器電壓采樣器件，放電延時（既相應時間）較大，一般在幾百納秒，動作靈敏度不如壓敏電阻。但在電流互感器二次側過電壓保護器領域，對于電壓采樣器件的相應時間參數要求不高，因為在電流互感器二次側經常會出現一些干擾電波，以及啟動時產生的尖峰電壓，所以一般會在過電壓信號傳送過程中增加延時電路（如下圖5所示），其電阻R4和C2組成了一個RC充電延時電路，充電時間T一般在100 ms左右。也就是說當前端的過電壓信號持續(xù)發(fā)生時間達到100ms時，才能夠通過延時電路將信號傳遞到后方。氣體放電管的這種特性（放電延時較大，響應時間慢），對于電流互感器二次側過電壓保護器來說，并不影響其后端的反應速度。所以選擇氣體放電管代替壓敏電阻作為電壓采樣器件即可以發(fā)揮氣體放電管的優(yōu)點又可以規(guī)避其缺點。

5結束語

總之，采用氣體放電管作為電流互感器二次側過電壓保護器的電壓采樣器件，其優(yōu)越性在實際的應用中已經得到驗證。在實際的應用中，使用了氣體放電管的電流互感器二次側過電壓保護器能夠有效地減少漏電空開跳閘和產品自身發(fā)熱燒毀現象，對于電流互感器一次側經常會出現的一些瞬態(tài)的電壓尖峰現象，也能夠有效的濾除，不會出現經常誤動作的現象。另外氣體放電管可以反復使用，在其使用壽命的周期內會一直對后端的設備起到保護的作用。當一次故障排除后，氣體放電管兩端的電壓重新回到V_BK以下，不再能夠激發(fā)其內部的惰性氣體放光導通。此時氣體放電管重新回到高阻的狀態(tài)。