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 王成芳 陳建華

(1 江蘇省揚州市氣象局，揚州 225009; 2 吳江市建設工程質量檢測中心有限公司，蘇州 215000; 3 蘇州市建筑科學研究院集團股份有限公司，蘇州 215000; 4 江西省氣象局，南昌 330046)

引言

隨著電子信息技術的發展，計算機網絡、電子監控等設備被廣泛應用，通常這些設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]。在實際應用中，需要在設備前段安裝浪涌保護器來保護設備安全。目前在低壓配電系統中，常采用多級保護方式對設備進行雷電過電壓防護。常用電涌保護器主要類型包括[5-9]：石墨間隙、氣體放電管、半導體放電管、氧化鋅壓敏電阻、瞬態抑制二極管等。作為一級保護的浪涌保護器元器件石墨間隙屬于電壓開關型器件，其優點為通流能力大、分布電容小、絕緣電阻大；但同時存在響應速度慢、動作電壓高、分散性大等問題。

針對石墨間隙在雷電防護領域的應用，國內外學者都進行了相應研究，Scheibe等提出石墨間隙的多級觸發結構能夠有效降低電壓保護水平；鄧猛等[10]提出增加高壓觸發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計分布；李三強等[12]提出石墨電極與接頭配合的關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構性能的研究，并未針對性研究間隙距離等核心要素對石墨間隙保護特性的影響。

本文根據湯遜氣體放電理論并結合石墨間隙特性，在1.2/50 μs開路電壓波和8/20 μs短路電流波沖擊試驗條件下，研究間隙距離對于石墨間隙電壓保護水平、響應時間、通流和殘壓等性能參數的影響，為低壓配電系統中一級開關型電涌保護器的設計提供有益參考。

1 石墨特性和間隙結構

石墨作為已知最耐高溫的材料之一，熔點達3652 ℃，能夠有效抵御雷電流通過保護間隙時瞬間產生的高溫熔融，是十分理想的防雷材料。同時石墨具有良好的導電導熱性，比一般非金屬高100倍。常溫下石墨化學性能穩定，能耐酸、耐堿和耐有機溶劑的腐蝕，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能經受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時，石墨的體積變化不大，不會產生裂紋，抗熱震性優異且可塑性強[13-14]。

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

圖1 石墨間隙電涌保護器實物(a)及拆分(b)結構

2 間隙擊穿原理

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

α=Ape-Bp/E

(1)

式中：α為湯遜第一電離系數，表示氣體間隙中1個電子沿電力線方向每行進1 cm時平均發生的電離碰撞數目；A為與氣體性質相關的常數；B=AUi，Ui為氣體電離電位；p為氣壓；E為電場強度。

由湯遜氣體自持放電條件，也稱為擊穿判據為：

γ(eαd-1)=1

(2)

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

根據自持放電條件導出均勻電場擊穿電壓VS的表達式為：

(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，即溫度不變時，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，與電極材料無關。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的。

3 試驗方法及結果

3.1 試驗材料及測試方法

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；白色聚乙烯絕緣環墊片：厚度0.5 mm，內徑為18 mm，外徑22 mm，每個石墨片逐級相疊中加墊絕緣環，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，首先采用LPL-1型1.2/50 μs開路電壓發生器，施加不同幅值沖擊電壓分別測得對應的電壓保護水平，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沖擊電流試驗系統，試驗回路如圖2所示[17]，該試驗回路功能產生幅值為15 kA，10 kA，15 kA，20 kA的8/20 μs短路電流波，每種沖擊電壓試驗間隔為3 min，確保石墨間隙試樣冷卻到試驗室環境溫度,沖擊過程中施加于石墨間隙上的殘壓、通流通過TEK DPO3012數字示波器實時顯示并存儲。

圖2 試驗回路

3.2 石墨間隙電壓保護水平

電壓保護水平UP是衡量SPD性能的重要參數之一[18-19]，表征石墨間隙對雷電過電壓的鉗位保護能力，即當線路中出現雷電過電壓時，石墨間隙能夠迅速截斷雷電波，并迅速將雷電能量泄放入地，使得SPD的電壓保護水平限制在一個安全范圍內。根據IEC相關標準規定，間隙型SPD的UP定義為：對SPD施加1.2/50 μs開路電壓波，當間隙型SPD發生擊穿時對應的電壓值即為SPD的電壓保護水平。UP能夠有效反映間隙型SPD的箝壓性能，UP值越低，雷電過電壓保護水平越高。

表1是在不同幅值開路電壓沖擊下不同級數石墨間隙SPD電壓保護水平。表明：UP值隨著沖擊電壓的增加而增加，且隨著石墨級數的增加，出現了未擊穿現象。當石墨級數疊加超過4片且沖擊電壓為3 kV以上時，UP值已經大于2.5 kV，根據GB50057—2010《建筑物防雷設計規范》，低壓配電系統中第一類防雷建筑所安裝的電涌保護器應選用I級試驗產品，其電壓保護水平應小于或等于2.5 kV。所以石墨型SPD的石墨級數不建議超過4片，但石墨級數過少又會影響滅弧切斷續流能力，故需進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疊加。

表1 石墨間隙在1.2/50 μs沖擊下電壓保護水平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。當間隙距離為0.5 mm時即2片石墨片疊加，UP值為1.93 kV，當間隙距離為2.0 mm時即5片石墨片疊加，UP值遠遠大于2.5 kV。可見石墨型SPD的間隙距離應控制在2.0 mm以下。

3.3 多級石墨間隙動作響應時間特性

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

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，響應時間為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鋸齒狀波動，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，相應的整體響應時間延緩到3.6 μs。由此可見，多片石墨間隙較單片石墨間隙響應時間要長，即石墨間隙距離越長，相應的響應時間越長。通常來說，浪涌保護器的動作時間是越快越好，但基于多級石墨間隙是逐級擊穿，此處響應時間為整體的累加時間，本質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，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) 的響應時間

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的石墨型SPD進行沖擊得到圖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的增加而增加，這是因為隨著石墨級數的增加，間隙距離越大，石墨間隙響應時間越長，所需要施加的沖擊電壓越大，相應的殘壓也就越大。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，就更容易實現多層間隙連續放電，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。但當級數為4時，殘壓和通流增長開始放緩，尤其是當沖擊電流為15 kA和20 kA時，石墨間隙的殘壓和通流變得越來越有限，這是因為當雷電流侵入石墨型SPD時，內部高壓電容短路，將雷電流能量瞬間傳導到與之連接的石墨電極上，此時靠近侵入端的第一級間隙的陰陽極之間會產生電位差將間隙擊穿，同時將一部分雷電泄放入地，然后從上往下間隙依次啟動逐級導通，但隨著雷電流的進一步釋放，后級間隙需要釋放的雷電流能量變得有限，也就出現以上石墨間隙后期殘壓通流增長滯緩的現象，側面說明了合理的石墨級數即有效的石墨間隙距離能夠更好的發揮石墨型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性能的一項重要指標[21-22]，殘壓比=Ures/U1mA即殘壓與壓敏電壓(通過電流為1 mA時的電壓)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與殘壓比呈負相關，即間隙距離越大，殘壓比越小，但當石墨級數超過4片以后，殘壓比值呈現放緩現象，再次說明石墨型SPD的性能最優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間隙距離的設計，在p、d一定的條件下，應當設置合理的間隙距離區間，以期達到最優的箝壓泄流效果。

圖7 10 kV電壓沖擊下石墨間隙殘壓比變化

4 結論

針對低壓配電系統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水平、動作響應時間、殘壓、通流等特性參數的變化規律，得出以下結論：

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

(2)在8/20 μs短路電流波試驗中，石墨間隙的殘壓、通流和動作響應時間都隨著石墨級數的增加而增加，且間隙距離與殘壓比呈負相關關系。

(3)在設計研發多級石墨型SPD時，應結合石墨間隙距離等核心因素綜合考慮，從控制成本，性能最優的角度出發，建議生產廠家將石墨型SPD的間隙距離控制在2.0 mm以下。