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二极放电管 更新时间:2011-05-28 23:20

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二极放电管是气体放电管的一种,放电管内充入电器性能稳定的惰性气体(如氩气和氖气等),放电电极为两个,电极之间由惰性气体隔开。二极放电管在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应用。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级,起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。

二极放电管的原理

  • 二极放电管是由两个一定距离的电极和外壳组成, 管内充有一定压力的气体(惰性气体或氢气)。当接有放电管的通信路受到雷击或其它强电干扰“过电压”作用时, 由于感应电压极高, 也就是说放电管两电极间出现的过电压超过放电管本身的击穿电压时, 管内的气体在电场作用下, 迅即发生电离而形成导体, 破坏原先的绝缘状态。于是大量的电流在放电管电压的大量电荷被立即接地, 强行切断了冲击波, 使雷击能量不能通过保护设备, 从而对设备和人身安全起到了保护作用。此时, 能够进入被保护物的电压, 仅为雷电流通过放电管及其引线和接地装置产生的所谓“残压”。当雷电流通以后, 即当过电压消失后, 管内的气体又很快恢复到原来的绝缘状态, 电路又一切恢复正常。

二极放电管的结构

  • 下面为一个二极放电管的结构示意图,它由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。管内放电电极上涂敷有放射性氧化物,管内内壁也涂敷有放射性元素,用于改善放电特性。放电电极主要有针形和杯形两种结构,在针形电极的放电管中,电极与管体壁之间还要加装一个圆筒热屏,该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀,不致出现局部过热而引起管断裂。热屏内也涂敷放射性氧化物,以进一步减小放电分散性。在杯形电极的放电管中,杯口处装有钼网,杯内装有铯元素,其作用也是减小放电分散性。

    1—陶瓷管  2-银铜焊帽

    3-金属管帽

二极放电管的主要参数

  • 1.直流放电电压:在上升陡度低于100V/s的电压作用下,放电管开始放电的电压值称为其直流放电电压。由于放电具有分散性,围绕着这个平均值还需要同时给出允许的偏差上限和下限值。

    2.冲击放电电压:在具有规定上升陡度的暂态电压脉冲作用下,放电管开始放电的电压值称为其冲击放电电压。由于放电管的响应时间或动作时延与电压脉冲的上升陡度有关,对于不同的上升陡度,放电管的冲击放电电压是不相同的。一些制造厂通常是给出在上升陡度为1KV/μs的冲击放电电压值,实际上,出于一般应用的考虑,还应给出放电管在100V/μs、500V/μs、1KV/μs、5KV/μs和10KV/μs等不同上升陡度下的冲击放电电压,以尽量包括在各种保护应用环境中可能遇到的暂态过电压上升陡度范围。

    3.工频耐受电流:放电管通过工频电流5次,使管子的直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大电流称为其工频耐受电流。当应用于一些交流供电线路或易于受到供电线路感应作用的通讯线路时,应注意放电管的工频耐受问题。经验表明,感应工频电流较小,一般不大于5A,但其持续时间却很长;供电线路上的过电流很大,可高达数百安培,但由于继电保护装置的动作,其持续时间却很短,一般不超过5s。

    4.冲击耐受电流:将放电管通过规定波形和规定次数的脉冲电流,使其直流放电电压和绝缘电阻不会发生明显变化的最大值电流峰值称为管子的冲击耐受电流。这一参数总是在一定波形和一定通流次数下给出的,制造厂常给出在8/20μs波形下通流10次的冲击耐受电流,也有给出在10/1000μs波形下通流300次的冲击耐受电流。

    5.绝缘电阻和极间电容:放电管的绝缘电阻很大,制造厂给出的该参数值一般为绝缘电阻的初始值,约为数千兆欧,在放电管的不断使用过程中,绝缘电阻值将会降低。阻值的降低会造成在被保护系统正常运行时管子中泄漏电流的增大,也有可能产生噪音干扰。放电管的极间寄生电容很小,两极放电管的极间电容一般在1pF~5pF范围,极间电容值可以在很宽的频率范围内保持近似不变,且同型号放电管的极间电容值分散性很小。

二极放电管的选型参考

  • 在设计防雷保护电路时,放电管的选用常采用经验作法,经验作法就是先根据放电管在被保护系统中的工作状况来选择管子的直流放电电压。

    对于设置在普通交流线路上的放电管,要求它在线路正常运行电压及其允许的波动范围内不能动作,则它的直流放电电压应满足:

       3-3

    上式中的ufdc为直流放电电压,min(ufdc)表示取直流放电电压的下限值,Up为线路正常运行电压的峰值,1.15系数是考虑系统运行电压可能出现的最大允许波动为15%,1.25系数是在线路运行电压波动的基础上再追加25%的安全裕度。取放电管直流放电电压的允许偏差为0.2,则有:

    min(ufdc)=(1-0.2)ufdc=0.8ufdc          3-4

    将式(3-4)代入式(3-3),可得放电管的直流放电电压:

    对于设置在直流线路上的放电管,要求其直流放电电压应满足下式:

    ufdc≥1.8Uw

    上式中Uw为线路正常工作直流电压。

    从不影响被保护系统正常运行的要求出发,希望将放电管的直流放电电压选得高一些。但直流放电电压高的管子,其冲击放电电压也相应提高,有可能超过被保护设备的耐受水平,而使设备受到损害。从被保护电子设备的可耐受性来看,又希望管子的直流放电电压应尽量选得低一些。因此,放电管直流放电电压应在这两种相互制约的要求之间进行折衷选择。

    在初步选定了放电管的直流放电电压后,最好应根据被保护系统所在的具体雷电暂态环境及系统的电路网络,预计放电管可能会遇到的苛刻过电压与过电流条件,估算放电管的冲击放电电压,并使该电压低于被保护电子设备的耐受水平,另外还要大致地校核一下管子的冲击耐受能力,必要时还需校核管子的工频耐受能力。

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