不同脈沖電流沖擊下多級石墨間隙匹配特性研究

徐樂 曹洪亮 游志遠(yuǎn) 王成芳 陳建華

(1 江蘇省揚(yáng)州市氣象局，揚(yáng)州 225009; 2 吳江市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司，蘇州 215000; 3 蘇州市建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司，蘇州 215000; 4 江西省氣象局，南昌 330046)

引言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、電子監(jiān)控等設(shè)備被廣泛應(yīng)用，通常這些設(shè)備的耐受過電壓水平有限，極易遭受雷電過電壓和雷擊電磁脈沖的破壞[1-4]。在實(shí)際應(yīng)用中，需要在設(shè)備前段安裝浪涌保護(hù)器來保護(hù)設(shè)備安全。目前在低壓配電系統(tǒng)中，常采用多級保護(hù)方式對設(shè)備進(jìn)行雷電過電壓防護(hù)。常用電涌保護(hù)器主要類型包括[5-9]：石墨間隙、氣體放電管、半導(dǎo)體放電管、氧化鋅壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管等。作為一級保護(hù)的浪涌保護(hù)器元器件石墨間隙屬于電壓開關(guān)型器件，其優(yōu)點(diǎn)為通流能力大、分布電容小、絕緣電阻大；但同時(shí)存在響應(yīng)速度慢、動(dòng)作電壓高、分散性大等問題。

針對石墨間隙在雷電防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了相應(yīng)研究，Scheibe等提出石墨間隙的多級觸發(fā)結(jié)構(gòu)能夠有效降低電壓保護(hù)水平；鄧猛等[10]提出增加高壓觸發(fā)電容裝置提升石墨間隙的滅弧能力；李黎等[11]提出平均粒徑較小的純石墨材料制作的空氣間隙具有更狹窄的自擊穿電壓統(tǒng)計(jì)分布；李三強(qiáng)等[12]提出石墨電極與接頭配合的關(guān)系對電極加工具有重要意義。以上研究都局限于器件自身結(jié)構(gòu)性能的研究，并未針對性研究間隙距離等核心要素對石墨間隙保護(hù)特性的影響。

本文根據(jù)湯遜氣體放電理論并結(jié)合石墨間隙特性，在1.2/50 μs開路電壓波和8/20 μs短路電流波沖擊試驗(yàn)條件下，研究間隙距離對于石墨間隙電壓保護(hù)水平、響應(yīng)時(shí)間、通流和殘壓等性能參數(shù)的影響，為低壓配電系統(tǒng)中一級開關(guān)型電涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 石墨特性和間隙結(jié)構(gòu)

石墨作為已知最耐高溫的材料之一，熔點(diǎn)達(dá)3652 ℃，能夠有效抵御雷電流通過保護(hù)間隙時(shí)瞬間產(chǎn)生的高溫熔融，是十分理想的防雷材料。同時(shí)石墨具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，比一般非金屬高100倍。常溫下石墨化學(xué)性能穩(wěn)定，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕，適用于惡劣工況場地。相較于氧化鋅壓敏電阻其在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會產(chǎn)生裂紋，抗熱震性優(yōu)異且可塑性強(qiáng)[13-14]。

石墨間隙電涌保護(hù)器由多層石墨片和白色聚乙烯絕緣環(huán)組成(圖1)，主要利用多層間隙連續(xù)放電，每層放電間隙相互絕緣，該疊層技術(shù)不僅能夠減小續(xù)流而且極大地提升器件的通流能力。

圖1 石墨間隙電涌保護(hù)器實(shí)物(a)及拆分(b)結(jié)構(gòu)

2 間隙擊穿原理

根據(jù)湯遜氣體擊穿理論[15-16]，氣體放電過程是離子在電場作用向陽極方向運(yùn)動(dòng)，與氣體粒子頻繁碰撞，電離產(chǎn)生大量電子和正離子。正離子向陰極方向運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極表面而使陰極表面電離產(chǎn)生電子發(fā)射。二次發(fā)射的電子從電場中獲得足夠的動(dòng)能參與到氣體的碰撞電離，隨著帶電粒子像雪崩式的增值，最終導(dǎo)致間隙氣體擊穿。其表達(dá)式為：

α=Ape-Bp/E

(1)

式中：α為湯遜第一電離系數(shù)，表示氣體間隙中1個(gè)電子沿電力線方向每行進(jìn)1 cm時(shí)平均發(fā)生的電離碰撞數(shù)目；A為與氣體性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)；B=AUi，Ui為氣體電離電位；p為氣壓；E為電場強(qiáng)度。

由湯遜氣體自持放電條件，也稱為擊穿判據(jù)為：

γ(eαd-1)=1

(2)

式中：γ表示正離子撞擊陰極表面時(shí)平均從陰極表面逸出的次級電子數(shù)目；d為氣體間隙距離。

根據(jù)自持放電條件導(dǎo)出均勻電場擊穿電壓VS的表達(dá)式為：

(3)

其中,在氣體種類和陰極材料確定的前提下，A、B和γ都是可知的常數(shù)，即溫度不變時(shí)，氣體間隙的擊穿電壓VS是氣壓p和間隙距離d乘積的函數(shù)，與電極材料無關(guān)。這就說明本文選擇石墨間隙的間距作為研究對象是有理論依據(jù)的。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)材料及測試方法

選用同一廠家同一批次圓形石墨片若干：直徑20 mm，厚度2 mm；白色聚乙烯絕緣環(huán)墊片：厚度0.5 mm，內(nèi)徑為18 mm，外徑22 mm，每個(gè)石墨片逐級相疊中加墊絕緣環(huán)，使得石墨片與石墨片之間形成0.5 mm間隙。分別用石墨片逐級疊加不同間隙距離的石墨型SPD來做試驗(yàn)，首先采用LPL-1型1.2/50 μs開路電壓發(fā)生器，施加不同幅值沖擊電壓分別測得對應(yīng)的電壓保護(hù)水平，由于石墨間隙SPD分散性大，每種間隙的開啟電壓測試10次，取平均值。采用上海交大SJTU-ICG-150沖擊電流試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)回路如圖2所示[17]，該試驗(yàn)回路功能產(chǎn)生幅值為15 kA，10 kA，15 kA，20 kA的8/20 μs短路電流波，每種沖擊電壓試驗(yàn)間隔為3 min，確保石墨間隙試樣冷卻到試驗(yàn)室環(huán)境溫度,沖擊過程中施加于石墨間隙上的殘壓、通流通過TEK DPO3012數(shù)字示波器實(shí)時(shí)顯示并存儲。

圖2 試驗(yàn)回路

3.2 石墨間隙電壓保護(hù)水平

電壓保護(hù)水平UP是衡量SPD性能的重要參數(shù)之一[18-19]，表征石墨間隙對雷電過電壓的鉗位保護(hù)能力，即當(dāng)線路中出現(xiàn)雷電過電壓時(shí)，石墨間隙能夠迅速截?cái)嗬纂姴ǎ⒀杆賹⒗纂娔芰啃狗湃氲?，使得SPD的電壓保護(hù)水平限制在一個(gè)安全范圍內(nèi)。根據(jù)IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，間隙型SPD的UP定義為：對SPD施加1.2/50 μs開路電壓波，當(dāng)間隙型SPD發(fā)生擊穿時(shí)對應(yīng)的電壓值即為SPD的電壓保護(hù)水平。UP能夠有效反映間隙型SPD的箝壓性能，UP值越低，雷電過電壓保護(hù)水平越高。

表1是在不同幅值開路電壓沖擊下不同級數(shù)石墨間隙SPD電壓保護(hù)水平。表明：UP值隨著沖擊電壓的增加而增加，且隨著石墨級數(shù)的增加，出現(xiàn)了未擊穿現(xiàn)象。當(dāng)石墨級數(shù)疊加超過4片且沖擊電壓為3 kV以上時(shí)，UP值已經(jīng)大于2.5 kV，根據(jù)GB50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，低壓配電系統(tǒng)中第一類防雷建筑所安裝的電涌保護(hù)器應(yīng)選用I級試驗(yàn)產(chǎn)品，其電壓保護(hù)水平應(yīng)小于或等于2.5 kV。所以石墨型SPD的石墨級數(shù)不建議超過4片，但石墨級數(shù)過少又會影響滅弧切斷續(xù)流能力，故需進(jìn)一步探究具體的石墨間距對于石墨型SPD性能的影響，而不僅僅是取決于單純的級數(shù)疊加。

表1 石墨間隙在1.2/50 μs沖擊下電壓保護(hù)水平UP kV

已知兩片石墨片之間的間隙距離為0.5 mm，以此類推，以5 kV沖擊幅值為例，圖3為不同間距下石墨間隙SPD電壓保護(hù)水平變化曲線。

圖3 5 kV沖擊幅值不同間隙下石墨型SPD電壓保護(hù)水平

從圖3中可知，UP值隨著間隙距離的增加而增加，且間隙距離大于2.0 mm后，UP值的增加呈放緩趨勢。當(dāng)間隙距離為0.5 mm時(shí)即2片石墨片疊加，UP值為1.93 kV，當(dāng)間隙距離為2.0 mm時(shí)即5片石墨片疊加，UP值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.5 kV?？梢娛蚐PD的間隙距離應(yīng)控制在2.0 mm以下。

3.3 多級石墨間隙動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間特性

石墨間隙的響應(yīng)時(shí)間主要取決于放電電壓兩端的跌落時(shí)間[20]，即放電電壓從波尾峰值的90%降至波尾10%之間的時(shí)間。

利用1.2/50 μs開路電壓波對不同間隙距離的石墨間隙進(jìn)行多次不同脈沖電壓沖擊(圖4)。圖4a為單片石墨間隙在5 kV電壓沖擊下的波形，響應(yīng)時(shí)間為1.8 μs，圖4b為5片石墨間隙在5 kV電壓沖擊下的波形圖，從圖上可以看到在波前電壓段有幾個(gè)鋸齒狀波動(dòng)，這是由于多片間隙逐級擊穿造成的，每級間隙逐級釋放雷電流能量，即能減輕雷擊對器件本身的損害，又能提升器件整體的通流能力，相應(yīng)的整體響應(yīng)時(shí)間延緩到3.6 μs。由此可見，多片石墨間隙較單片石墨間隙響應(yīng)時(shí)間要長，即石墨間隙距離越長，相應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間越長。通常來說，浪涌保護(hù)器的動(dòng)作時(shí)間是越快越好，但基于多級石墨間隙是逐級擊穿，此處響應(yīng)時(shí)間為整體的累加時(shí)間，本質(zhì)上并沒有拉低器件整體性能，相反，疊加后的石墨型SPD耐受更強(qiáng)，通流更大。

圖4 5 kV沖擊電壓不同間距下單片間隙(a)及5片間隙(b) 的響應(yīng)時(shí)間

3.4 多級石墨間隙箝壓通流特性

利用不同幅值的8/20 μs短路電流波對不同級數(shù)的石墨型SPD進(jìn)行沖擊得到圖5和圖6。

圖5 不同幅值的8/20 μs短路電流波沖擊下殘壓變化

圖6 不同幅值的8/20 μs短路電流波沖擊下通流變化

由圖5和圖6可知，在8/20 μs短路電流波不同幅值沖擊下，石墨間隙的殘壓和通流都隨著石墨級數(shù)的增加而增加，這是因?yàn)殡S著石墨級數(shù)的增加，間隙距離越大，石墨間隙響應(yīng)時(shí)間越長，所需要施加的沖擊電壓越大，相應(yīng)的殘壓也就越大。這與巴申定律u=f(pd)所描述的放電間隙由小變大，直流放電電壓也隨之增大，相一致。間隙越大，就更容易實(shí)現(xiàn)多層間隙連續(xù)放電，所以間隙大的釋放的能量要大于間隙小的石墨間隙所釋放的能量。但當(dāng)級數(shù)為4時(shí)，殘壓和通流增長開始放緩，尤其是當(dāng)沖擊電流為15 kA和20 kA時(shí)，石墨間隙的殘壓和通流變得越來越有限，這是因?yàn)楫?dāng)雷電流侵入石墨型SPD時(shí)，內(nèi)部高壓電容短路，將雷電流能量瞬間傳導(dǎo)到與之連接的石墨電極上，此時(shí)靠近侵入端的第一級間隙的陰陽極之間會產(chǎn)生電位差將間隙擊穿，同時(shí)將一部分雷電泄放入地，然后從上往下間隙依次啟動(dòng)逐級導(dǎo)通，但隨著雷電流的進(jìn)一步釋放，后級間隙需要釋放的雷電流能量變得有限，也就出現(xiàn)以上石墨間隙后期殘壓通流增長滯緩的現(xiàn)象，側(cè)面說明了合理的石墨級數(shù)即有效的石墨間隙距離能夠更好的發(fā)揮石墨型SPD的箝壓通流水平。

3.5 多級石墨間隙殘壓比特性

殘壓比是衡量SPD性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)[21-22]，殘壓比=Ures/U1mA即殘壓與壓敏電壓(通過電流為1 mA時(shí)的電壓)之比值。殘壓比越小，則表征SPD的性能愈好。

圖7所示，以10 kV電壓沖擊為例，石墨間隙的石墨級數(shù)與殘壓比呈負(fù)相關(guān)，即間隙距離越大，殘壓比越小，但當(dāng)石墨級數(shù)超過4片以后，殘壓比值呈現(xiàn)放緩現(xiàn)象，再次說明石墨型SPD的性能最優(yōu)化不是簡單的石墨片疊加，更不是越多越好。因此，對于多級石墨型SPD間隙距離的設(shè)計(jì)，在p、d一定的條件下，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合理的間隙距離區(qū)間，以期達(dá)到最優(yōu)的箝壓泄流效果。

圖7 10 kV電壓沖擊下石墨間隙殘壓比變化

4 結(jié)論

針對低壓配電系統(tǒng)中石墨間隙不同間距配合使用問題，通過不同脈沖電流沖擊下石墨間隙電壓保護(hù)水平、動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間、殘壓、通流等特性參數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1)在1.2/50 μs開路電壓波試驗(yàn)中，石墨間隙電壓保護(hù)水平UP隨著間隙距離的增加而增加，但在間隙距離超過2 mm時(shí)，UP值遠(yuǎn)大于IEC規(guī)定的2.5 kV。

(2)在8/20 μs短路電流波試驗(yàn)中，石墨間隙的殘壓、通流和動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間都隨著石墨級數(shù)的增加而增加，且間隙距離與殘壓比呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)在設(shè)計(jì)研發(fā)多級石墨型SPD時(shí)，應(yīng)結(jié)合石墨間隙距離等核心因素綜合考慮，從控制成本，性能最優(yōu)的角度出發(fā)，建議生產(chǎn)廠家將石墨型SPD的間隙距離控制在2.0 mm以下。