3. 主要保護(hù)元件的電氣性能

　　（1） 氣體放電管。將一個(gè)或一個(gè)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(chēng)放電管）。常用的有二極管滑線指示燈和三極管，亦曾稱(chēng)有五級(jí)放電管。

　　放電管主要的電氣指標(biāo)有標(biāo)稱(chēng)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(chēng)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(shí)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(chǎng)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(kāi)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(dòng)作）電壓值。這個(gè)值非常重要，他代表其保護(hù)效果的扁平橡套軟電纜好與壞，通常他甚至高于標(biāo)稱(chēng)直流擊穿電壓值。如標(biāo)稱(chēng)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(shí)，即為標(biāo)稱(chēng)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(dòng)作）時(shí)間關(guān)系的“伏秒特性”曲線來(lái)描述（如圖2所示）。圖中的曲線越平直、越靠近Vdc值，則其保護(hù)效果越好。

　　（圖2 沖擊擊穿電壓和放電時(shí)間關(guān)系（伏秒特性））

　　耐電流能力可以說(shuō)是壽命指標(biāo)，也可以說(shuō)是能力指標(biāo)。表明他承受工頻點(diǎn)六和沖擊電流的水平，也是一個(gè)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(duì)于氣體放電管的指標(biāo)要求，國(guó)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(gè)（以上）間隙的擊穿時(shí)間差來(lái)衡量，也是三級(jí)以上的放電管所*的。三（多）級(jí)放電管zui大的優(yōu)點(diǎn)是將3個(gè)以上的間隙密封于一個(gè)空間內(nèi)，當(dāng)其中任一間隙擊指針高壓兆歐表穿放電時(shí)，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(duì)平衡電路的橫向保護(hù)有很好的效果。

　　1個(gè)三級(jí)放電管[如土3（a）所示]其保護(hù)效果優(yōu)于使用3個(gè)二級(jí)放電管[如圖3（b）所示]，更優(yōu)于僅使用兩個(gè)縱向保護(hù)二級(jí)放電管[如圖3（b）所示中沒(méi)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(shí)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(shí)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(jī)現(xiàn)象，故對(duì)他的擊穿電壓（包括直流和沖擊）值不能簡(jiǎn)單的一個(gè)別樣品的個(gè)別數(shù)據(jù)來(lái)判定。多年來(lái)，我們通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)擊穿電壓值進(jìn)行研究，觀察其實(shí)際分布情況，并利用亨利直線法進(jìn)行檢驗(yàn)。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(jì)評(píng)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(shí)，保護(hù)性能的優(yōu)劣，主要比較保護(hù)元件在沖擊電壓（電流）作用下放電時(shí)，極間殘壓的高低，當(dāng)然是越低越好。以往對(duì)殘壓這個(gè)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(shí)不然。因?yàn)楸萔C高得多的VA等早已進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部，甚至損壞設(shè)備（電路）。所以，對(duì)殘壓的更準(zhǔn)確理解為包括為使保護(hù)元件動(dòng)作的過(guò)電壓，保護(hù)元件動(dòng)作前的瞬態(tài)、保護(hù)元件動(dòng)作后的端電壓和保護(hù)動(dòng)作引起的電路順保護(hù)元件動(dòng)作后的端電壓和保護(hù)動(dòng)作引起的電路瞬態(tài)等。因而在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮上述各種過(guò)電壓值，否則，該保護(hù)設(shè)計(jì)是不成功的。

　?。?） 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(guò)電壓抑制器件，典型的限幅型過(guò)電壓保護(hù)器件。實(shí)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(duì)沖擊電壓的相應(yīng)更快，可達(dá)納妙級(jí)。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(guò)壓敏電阻的電流I不同時(shí)，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(guò)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(chēng)值。而被保護(hù)點(diǎn)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(guò)某一量級(jí)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(bào)警器電阻統(tǒng)一相同的沖擊電流（如10kA）時(shí)，殘壓低的保護(hù)效果較好。若已通過(guò)不同的沖擊電流而評(píng)定其殘壓高低或保護(hù)效果的優(yōu)劣是不準(zhǔn)確的。因?yàn)椴煌a(chǎn)品、規(guī)格的壓民電阻其伏安特性會(huì)有較大差異。壓敏電阻有一個(gè)衡量其吸收能量能力的指標(biāo)，稱(chēng)為非線性系數(shù)α，其定義為：

　　（……）

　　從保護(hù)觀點(diǎn)來(lái)看，顯然α值越小越好，α值越小，說(shuō)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(shuō)，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(guò)電流的大小無(wú)關(guān)，近乎常數(shù)，這是了的。

　　優(yōu)勢(shì)，相關(guān)的資料上沒(méi)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(guò)某一量級(jí)沖擊電流時(shí)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(jí)的沖擊電流下），給保戶設(shè)計(jì)帶來(lái)方便。目前的殘壓比約為1.5~3.0。選用壓敏電阻時(shí)，多以標(biāo)稱(chēng)值即壓敏電壓值為依據(jù)，在進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)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(qiáng)弱以耐流能力（通流容量）來(lái)衡量。理論上耐流能力越強(qiáng)越好，這樣可以承受較強(qiáng)電流的沖擊。但實(shí)際使用時(shí)則有具體情況酌情選用。常用的壓敏點(diǎn)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(dòng)作時(shí)）并非無(wú)限大，工作與有恒定電壓的情況下，會(huì)存在一定的漏電流，若產(chǎn)品質(zhì)量不好，漏電流會(huì)逐漸增大甚至自行損壞。況且，長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)這些微弱電流也會(huì)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。

　?。?） 瞬態(tài)二極管。瞬態(tài)二極管（臨時(shí)稱(chēng)謂）是由兩個(gè)背靠背的PN結(jié)組成的開(kāi)關(guān)型半導(dǎo)體元件。亦有稱(chēng)半導(dǎo)體浪涌抑制器，相對(duì)氣體放電管而言，亦有稱(chēng)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(lèi)似之故，但其機(jī)理卻截然不同，這樣稱(chēng)呼是不恰當(dāng)?shù)?。它具有響?yīng)速度快（納妙級(jí)）、擊穿電壓一致性好、殘壓低等優(yōu)點(diǎn)，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(dòng)作電壓、zui高限制電壓、耐流能力、極間電容及源電流等。

　　不動(dòng)作電壓或稱(chēng)zui低限制電壓，它指該管保持高阻狀態(tài)時(shí)所能承受的zui高電壓值（如圖6所示的UA）。此值因與流過(guò)的電流有關(guān)，因而規(guī)定電流為1mA時(shí)的電壓即為不動(dòng)作電壓。從某種意義上講，不動(dòng)作電壓可以認(rèn)為是生產(chǎn)廠家給出的標(biāo)稱(chēng)值，反映它在不影響正常工作情況下所能應(yīng)用的場(chǎng)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(shí)，必須在此值以下動(dòng)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(cè)試導(dǎo)線的值，反映管子在碰見(jiàn)瞬態(tài)電壓（如雷電壓）時(shí)，兩端可能出現(xiàn)的zui高電壓值，該值越低，則保護(hù)效果越好，類(lèi)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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