氣體放電管的浪涌沖擊特性研究

李建龍，金 光，劉永歡

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 451460；2.國家電網(wǎng)安陽供電公司，河南 安陽 455000）

氣體放電管的浪涌沖擊特性研究

李建龍1，金 光2，劉永歡2

（1.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州 451460；2.國家電網(wǎng)安陽供電公司，河南 安陽 455000）

氣體放電管是電力、電子系統(tǒng)中常用的雷電浪涌防護器件，其浪涌沖擊特性直接影響防護效果。利用EMTP軟件建立氣體放電管仿真電路模型，搭建1.2/50－8/20μs組合波發(fā)生回路進行仿真沖擊，并將結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比。此外還搭建10/700－5/320μs組合波發(fā)生回路，比較分析不同浪涌脈沖作用下氣體放電管的沖擊放電電壓和波形上升時間變化。分析結(jié)果表明：建立的氣體放電管電路模型沖擊放電電壓和通流波形均與試驗結(jié)果相接近，較好地反映了其在組合波沖擊下的響應(yīng)特性；氣體放電管的響應(yīng)受沖擊電壓變化率的影響較大，沖擊放電電壓隨著沖擊電壓變化率的增大而增加；沖擊放電電壓波形上升時間則相反。氣體放電管對不同雷電浪涌沖擊波形的響應(yīng)特性有所不同，需要在應(yīng)用中更加針對性地進行分析和防護。

氣體放電管；浪涌；組合波；沖擊特性

0 引言

雷電浪涌是電力、電子系統(tǒng)面臨的主要威脅之一[1]，氣體放電管因其具有較大通流量、較小的極間電容、較長的壽命等優(yōu)點，在浪涌防護中得到廣泛應(yīng)用，一般作為保護電路的第一級防護器件[2]。

氣體放電管的工作原理涉及到氣體放電理論[2－3]，當(dāng)外加電壓超過氣體放電管的最大耐壓值，兩級間隙間的氣體因高壓作用被電離，放電管被擊穿，由原來的高絕緣電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)化為低阻值導(dǎo)通狀態(tài)，將大電流導(dǎo)入大地，將兩極間的電壓箝位在一個預(yù)定值，從而保護了后端設(shè)備免受浪涌的破壞。

目前對氣體放電管的浪涌沖擊特性大多采用試驗手段[4-6]，國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[7-9]也給出了氣體放電管參數(shù)及性能的測試方法。但是目前缺乏對氣體放電管電路模型的研究，導(dǎo)致不能在設(shè)計階段就有效地對電路防雷性能進行分析。相關(guān)研究給出了氣體放電管和半導(dǎo)體放電管的PSPICE和Matlab仿真模型[10-13]，但是其模型較為復(fù)雜，設(shè)計參數(shù)選取較多且難以詳細獲得，適用性并不強。

筆者利用EMTP[14]建立氣體放電管仿真電路模型，同時搭建1.2/50-8/20μs組合波發(fā)生回路進行仿真沖擊，并將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證。最后搭建10/700-5/320μs組合波發(fā)生回路，分析不同浪涌脈沖作用下，氣體放電管的沖擊放電電壓和波形上升時間受沖擊電壓變化率的影響，為氣體放電管的應(yīng)用提供參考。

1 實驗波形

氣體放電管的測試采用IEEE給出的組合波波形，組合波定義為開路電壓波形呈1.2/50μs，短路電流波形呈8/20μs，開路電壓和短路電流幅值之比稱為虛擬阻抗，一般取2Ω。圖1給出了典型的組合波發(fā)生器電路圖[15]及其產(chǎn)生的組合波波形。

圖1 組合波發(fā)生電路和波形Fig.1 Circuitof combined wave generator and itswaveform

2 氣體放電管浪涌沖擊仿真

2.1 氣體放電管模型

圖2給出了EMTP仿真當(dāng)中所用的氣體放電管模型[16-17]，氣體放電管的伏安特性通過電壓控制開關(guān)（UG模塊）和非線性電阻RN來體現(xiàn)。當(dāng)UG小于氣體放電管的動作電壓時，開關(guān)未閉合，氣體放電管處于開路狀態(tài)；當(dāng)UG超過動作電壓后，開關(guān)閉合。此時氣體放電管的沖擊放電電壓主要取決于非線性電阻RN兩端電壓。L1和Rc分別為導(dǎo)線電感和接觸電阻。R1和C1分別代表氣體放電管的絕緣電阻和極間電容。氣體放電管極間電容值一般都非常小，數(shù)值在pF量級，通常不超過5 pF；絕緣電阻都非常大，一般都大于100MΩ。

圖2 氣體放電管仿真模型Fig.2 Themodel of the GDP in EMTP simulation

2.2 實驗與仿真結(jié)果

選取直流擊穿電壓90 V的氣體放電管進行實驗，經(jīng)防雷元件測試儀測得的沖擊擊穿電壓為360 V，仿真模型中氣體放電管的動作電壓即取360V，絕緣電阻R1取500 MΩ，極間電容C1取1.2 pF。L1和Rc分別取5 nH和1mΩ。圖3和圖4分別給出組合波幅值為500 V時氣體放電管試驗與仿真沖擊放電電壓和電流波形。

圖3 試驗沖擊放電電壓和電流圖Fig.3 Currentand voltage waveform of GDT in experiment

將圖3和圖4波形對比可以看出，忽略試驗接線等因素產(chǎn)生的局部振蕩，仿真模型較好體現(xiàn)出了氣體放電管的雷電浪涌沖擊特性，沖擊放電電壓和通流波形都與實驗結(jié)果較為接近。表1具體給出了不同沖擊電壓幅值下，沖擊放電電壓與波形上升時間的實測與仿真值。

表1中可以看出，仿真結(jié)果數(shù)值與實測結(jié)果較為接近，沖擊放電電壓最大誤差為4.6%，波形上升時間最大誤差為7.8%。隨著沖擊電壓幅值的不斷增加，氣體放電管的沖擊放電電壓越來越大，但對高壓的抑制作用越來越明顯。同時，沖擊放電電壓波頭上升時間隨沖擊電壓的增加而迅速縮短，這主要是受沖擊電壓變化率的影響，電壓變化率越大，氣體放電管響應(yīng)特性越好[18-19]。

圖4 仿真沖擊放電電壓和電流圖Fig.4 Currentand voltagewaveform of GDT in simulation

表1 實測與仿真結(jié)果對比Table 1 Comparison between simulation and experiment results

3 不同波形作用下氣體放電管相應(yīng)特性

為了進一步研究氣體放電管在不同浪涌波形作用下的沖擊特性，利用EMTP搭建10/700~5/320μs組合波對氣體放電管進行沖擊。圖5給出了幅值為500 V的組合波沖擊下的氣體放電管沖擊放電電壓波形。

對比圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，10/700~5/320μs組合波沖擊后的氣體放電管沖擊放電電壓幅值更低，波形上升時間也越短，但脈沖寬度大于1.2/50~8/20μs組合波沖擊。

圖5 10/700μs~5/320μs沖擊放電電壓波形Fig.5 Voltagewaveform of GDT under 10/700μs~5/320μs impulse

為作進一步分析，圖6和圖7分別給出了氣體放電管沖擊放電電壓和波頭上升時間與沖擊電壓變化率的關(guān)系曲線。

圖6 沖擊放電電壓與沖擊電壓變化率關(guān)系圖Fig.6 Voltage vs impulse voltage regulation

圖7 上升時間與沖擊電壓變化率關(guān)系圖Fig.7 Rising time vs impulse voltage regulation

由圖6和圖7可以看出，氣體放電管的沖擊放電電壓隨著沖擊電壓變化率的增大而增加；波頭上升時間隨著沖擊電壓變化率的增大而降低。無論是1.2/50~8/20μs還是10/700~5/320μs組合波，氣體放電管的響應(yīng)波形上升時間在幾十到幾百納秒量級。相同沖擊電壓變化率情況下，10/700~5/320μs波形作用下沖擊放電電壓高于1.2/50~8/20μs波形，波頭上升時間小于1.2/50~8/20μs波形。

4 結(jié)論

利用EMTP建立氣體放電管電路模型，搭建組合波發(fā)生電路，進行仿真沖擊并于試驗結(jié)果進行對比，得到如下結(jié)論：

1）文中搭建的氣體放電管模型能夠較好反映其雷電浪涌沖擊特性，沖擊放電電壓和通流波形均與實驗結(jié)果較為接近。

2）氣體放電管的沖擊放電電壓隨著沖擊電壓變化率的增大而增加；電壓波形上升時間則相反。

3）不同雷電浪涌波形沖擊下氣體放電管的響應(yīng)特性有所不同，在具體應(yīng)用中需要具有針對性。

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Study on Surge Im pact Characteristic of Gas Discharge Tube

LI Jianlong1， JIN Guang2， LIU Yonghuan2
（1.Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou 451460,China;2.Grid Anyang Power Supply Company,Anyang 455000,China）

Gas discharge tube(GDT)is commonly used to suppress lightning surge in electric power system and electronic system,lightning surge characteristic of GDT will directly affect its transient suppression performance.Simulation Model of GDT is established by EMTPSoftware.A 1.2/50－8/20 μs combined wave generation loop is used to simulate the impact,and the results are compared with the experimental data.In addition,a 10/700－5/320 μs combined wave generation loop is built to compare the impulse discharge voltage and waveform rise time of the gas discharge tube under different surge pulses.The results show that the impact discharge voltage and the flow waveform of the gas discharge tube circuit model are close to the experimental results,which reflect the response characteristics under the impact of the combined wave.The response of the gas discharge tube is affected by the impact voltage change rate.The impact discharge voltage increases with the increase of the impact voltage change rate;the impulse discharge voltage waveform rise time is the opposite.The response characteristics of the gas discharge tube to different lightning surge shock waveforms are differentand need to be analyzed and protectedmore in the application.

gas discharge tube;surge;combined wave;impact characteristic

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.017

2017－02－24

李建龍 （1982—），男，講師，主要研究方向：傳動系統(tǒng)及電力系統(tǒng)。