氣體放電管簡介

1、氣體放電管簡介氣體放電管是一種間隙式的防雷保護元件，它在通信系統(tǒng)的防雷保護中已獲得了廣泛應(yīng)用。放電管常用于多級保護電路中的第一級或前兩級，起泄放雷電暫態(tài)過電流和限制過電壓作用。由于放電管的極間絕緣電阻很大，寄生電容很小，對高頻電子線路的雷電防護具有明顯的優(yōu)勢。放電管保護特性的不足之處在于其放電時延較大，動作靈敏度不夠理想，對于波頭上升陡度較大的雷電波難以有效地抑制。為了改善放電管的保護特性，先進的制造工藝正應(yīng)用于放電管新型產(chǎn)品的開發(fā)中，隨著保護特性的不斷改善，放電管在電子設(shè)備與電子系統(tǒng)防雷保護應(yīng)用中的適應(yīng)性正在增強。第一節(jié) 結(jié)構(gòu)簡介放電管的工作原理是氣體放電。當放電管兩級之間施加一定壓力時，便

2、在極間產(chǎn)生不均勻電場，在此電場作用下，管內(nèi)氣體開始游離，當外加電壓增大到使極間場強超過氣體的絕緣強度時，兩極之間間隙將放電擊穿，由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)化為導電狀態(tài)，導通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平，這種殘壓一般很低，從而使得與放電管并聯(lián)的電子設(shè)備免受過電壓的損壞。早期的放電管是以玻璃作為管子的封裝外殼，現(xiàn)已改用陶瓷作為封裝外殼，放電管內(nèi)充入電器性能穩(wěn)定的惰性氣體（如氬氣和氖氣等），放電電極一般為兩個、三個或五個，電極之間由惰性氣體隔開。按電極個數(shù)的設(shè)置來劃分，放電管可分為二極、三極和五極放電管。圖1給出了一個陶瓷二極放電管的結(jié)構(gòu)示意圖，它由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和

3、陶瓷管體等主要部件構(gòu)成。管內(nèi)放電電極上涂敷有放射性氧化物，管內(nèi)內(nèi)壁也涂敷有放射性元素，用于改善放電特性。放電電極主要有針形和杯形兩種結(jié)構(gòu)，在針形電極的放電管中，電極與管體壁之間還要加裝一個圓筒熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻，不致出現(xiàn)局部過熱而引起管斷裂。熱屏內(nèi)也涂敷放射性氧化物，以進一步減小放電分散性。在杯形電極的放電管中，杯口處裝有鉬網(wǎng)，杯內(nèi)裝有銫元素，其作用也是減小放電分散性。圖2給出了一個三極放電管的結(jié)構(gòu)示意圖，它也是由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構(gòu)成。與二極放電管不同，在三極放電管中增加了鎳鉻鈷合金圓筒，作為第三電極，即接地電極。五極放電管的主要部件與二

4、、三極放電管基本相同，它具有較好的放電對稱性，可適合于多線路的保護。1 銀銅焊帽 2金屬管帽2 接地電極 4電極引線5陶瓷管1 陶瓷管 2銀銅焊帽3金屬管帽 圖2 三級放電管結(jié)構(gòu)示意圖圖1 陶瓷二級放電管結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié) 伏安特性氣體放電管的伏安特性通常與管子的哪些電極間施加什么極性的電壓沒有關(guān)系?，F(xiàn)以一個直流放電電壓為150V的二極放電管為例，（其伏安特性如圖3所示），來說明放電管伏安特性的基本特征。圖3是按電子元件伏安特性的慣用畫法，即以電壓為自便量，畫作橫坐標；以電流為應(yīng)變量，畫作縱坐標。由于電流的范圍很大，其變化常達幾個數(shù)量級，所以電流用對數(shù)坐標表示。在圖3所示的伏安特性上，當逐漸增加

5、兩電極間的電壓時，放電管在A點放電，A點的電壓稱為放電管的直流放電電壓。在A到B之間的這段伏安特性上，其斜率（即動態(tài)電阻du/di）是負的，稱為負阻區(qū)。如果200V的直流電壓源經(jīng)1M的電阻加到放電管上，放電管即工作在此區(qū)間，這時的放電具有閃變特征。BC段為正常輝光放電區(qū)，在此區(qū)間內(nèi)電壓基本不隨電流而變，當輝光覆蓋整個陰極表面時，電流再增加，電壓也不增加。CD段稱為異常輝光放電區(qū)。直流放電電壓為90V300V放電管，其輝光放電區(qū)BD的最大電流一般在0.2A1.5A之間。當電流增加到足夠大時放電E點突然進入電弧放電區(qū)，即使是同一個放電管，放電由輝光轉(zhuǎn)入電弧時的電流值也是不能精確重復的。在電弧放電時

6、，處在電場中加速了的正離子轟擊陰極表面，陰極材料被濺射到管壁上，陰極被燒蝕，使間隙距離增加，管壁絕緣變壞。在采用合適的材料后，放電管可以做到導通10KA、8/20s電流數(shù)百次。在電弧區(qū)，放電管兩端的電壓基本上與通過的電流無關(guān)，在管內(nèi)充以不同的惰性氣體并具有不同的電壓電弧壓降常在10V30V。管子工作在電弧區(qū)就可以將電壓箝制在較低的水平，從而達到過電壓保護的目的。當電流下降到比開始燃?。‥點）的數(shù)值低的電弧熄滅電流值（F點）時，放電由電弧轉(zhuǎn)為輝光，電弧熄滅電流通常在0.1A0.5A。圖3 直流放電電壓為150V的放電管伏安特性按照過電壓保護的要求，在過電壓作用下放電后，放電管應(yīng)能自動恢復到非導通

7、狀態(tài)，否則在電弧區(qū)的續(xù)流可能會燒壞管子，甚至使通過續(xù)流的導線或電源也受到損壞。在輝光區(qū)，毫安級的續(xù)流長期流過，也會使放電管損壞。因此，系統(tǒng)中加在放電管兩端的系統(tǒng)正常運行電壓應(yīng)低于維持放電的電壓。在一般信號電路中，電源內(nèi)阻較大，維持放電的電壓是維持輝光放電的電壓。在試驗時，將直流電源與放電管之間串聯(lián)5K電阻，慢慢升壓使放電管動作，然后再慢慢降低電壓，測出放電管停止放電時的電壓。例如，測得直流放電電壓為350V的放電管維持放電電壓為68V184V。實際上，隨著放電管品種的不同，其維持放電電壓值的差異是比較大的。在被放電管保護的系統(tǒng)中，只要直流電源電壓低于維護放電電壓或交流電源電壓的幅值低于管子的直

8、流放電電壓，過電壓過去后就不會有續(xù)流，但在某些情況下可能會在電弧區(qū)產(chǎn)生續(xù)流，對此需要采取限流措施。第三節(jié) 響應(yīng)時間在具有一定波頭上升陡度（陡度du/dt在1KV/s以上）的暫態(tài)過電壓作用下，當放電管上電壓上升到其直流放電電壓值時，管子并不能立即放電，而是要等到管子上電壓上升到一個比直流放電電壓值高出很多的數(shù)值時，管子才會放電，也就是說，從暫態(tài)過電壓開始作用于放電管兩端的時刻到管子實際放電時刻之間有一個延遲時間，該時間即稱為響應(yīng)時間。響應(yīng)時間有兩部分組成：一是管子中隨機產(chǎn)生初始電子-離子對帶電粒子所需要的時間，即統(tǒng)計時延；二是初始帶電粒子形成電子崩所需要的時間，即形成時延。為了測得放電管的響應(yīng)時

9、間，常用一個具有固定波頭上升陡度du/dt的電壓源加于放電管上來測取響應(yīng)時間值，試驗表明，在陡度du/dt大于0.5KV/s時，所測出的放電管實際放電電壓明顯高于其直流放電電壓。在給定陡度du/dt下，測出放電管的實際放電電壓后，其響應(yīng)時間可按下式來推算： 上式中t為響應(yīng)時間，ufr為放電管的實際放電電壓。圖4給出了直流放電電壓分別為150V、230V、350V和470V等幾種放電管的ufr t關(guān)系曲線，由該圖可見，響應(yīng)時間t隨波頭上升陡度du/dt的增大而減小，且管子的直流放電電壓越高，它在不同陡度下的實際放電電壓也就越高。對于直流放電電壓為150V的放電管，其實際放電電壓與響應(yīng)時間之間的關(guān)

10、系可由下式來表示：4上式中t的單位為s, ufr的單位為V。 圖4 第四節(jié) 限壓電路一端口和二端口電子系統(tǒng)的放電管保護電路如圖5所示，這里的圖5（b）采用的是二極放電管，而圖5（c）采用的是三極放電管，通過設(shè)置這些放電管來抑制各端鈕處可能出現(xiàn)的共模和差模過電壓。由圖5可見，對于一端口電子系統(tǒng)的保護，采用二極放電管需要用兩只，而采用三極放電管則僅需要一只。同樣，對于二端口電子系統(tǒng)的保護，采用二極放電管需要用四只，而采用三極放電管則僅需要兩只（如果采用五極放電管則只需一只）。一般的說，在同樣的保護場合下，采用三極放電管將比采用二極放電管既能減小保護電路的體積，又能改善保護效果?，F(xiàn)就二極與三極放電管

11、的保護性能加以比較，考察圖6所示的典型二極放電管保護接線。在共模過電壓u作用下，兩個放電管G1和G2的動作特性不能保證完全一樣，兩者之間必然存在著一定的放電分散性，這就使得G1和G2不能保持在同一時刻放電。假設(shè)G1在t1時刻放電，G2在t2時刻放電，如圖7中陰影面積I所示。同樣，G1在G2的滅弧時刻也不盡相同，假設(shè)G1在t3時刻滅弧，而G2要到t4時刻才滅弧，這樣在t3t4時間間隔內(nèi)，A、B兩線端之間將再次出現(xiàn)差模過電壓，見圖7中的陰影面積。這些差模過電壓作用于被保護的電子系統(tǒng)，將會干擾系統(tǒng)的正常運行，嚴重時將危及系統(tǒng)的安全。產(chǎn)生這種差模過電壓的根本原因在于這兩只二極放電管的特性不一致性，為了

12、克服這一缺陷，可采用一只三極放電管來取代原先的兩只二極放電管，其保護接線如圖8所示。從結(jié)構(gòu)上看，三極放電管實際上可以看作是由一雙二極放電管組成，當暫態(tài)過電壓同時作用于A、B兩線 時，如果A-G極間首先放電，則此時在管子內(nèi)部由氣體游離所產(chǎn)生的自由電子會迅速在B-G極間引起碰撞游離，使B-G很快放電，這就大大減小了兩對極間的放電分散性。另外，當其中一對電極間（如A-G）截止放電后，由于大量帶電粒子（電子和離子）的復合作用，使管內(nèi)的電子數(shù)量將大大減小，從而會迅速地抑制另一對電極（如B-G）間的碰撞游離，使該對極間的放電過程很快截止下來，這也就大大減小了兩對極間的截斷分散性?？傊龢O放電管在結(jié)構(gòu)上將

13、兩對電極同置于一個管體內(nèi)，使得兩對極間具有良好的對稱特性，能大幅度地減小管子的放電通導和截斷放電的時間差，因此它能夠有效地抑制共模過電壓向差模過電壓的轉(zhuǎn)換，從而能較為顯著地改善保護效果。圖5 放電管保護電路如果應(yīng)用于差模暫態(tài)過電壓保護場合，在圖6中，當兩只放電管G1和G2在差模過電壓作用下動作放電后，被保護電子設(shè)備上將承受G1和G2兩只管子的殘壓之和，對于一些脆弱的電子設(shè)備來說，常難以耐受這一殘壓和，因此需要在AB之間再接一只放電管，以專用于抑制差模過電壓。實際上，在圖8中，共模過電壓向差模過電壓的轉(zhuǎn)化雖能得到有效限制，但該保護接線對于直接抑制差模過電壓也無明顯優(yōu)勢，因為三極放電管在差模過電壓

14、作用下放電后，被保護電子系統(tǒng)承受的仍是兩電極對地之間的殘壓之和，這一電壓有可能使被保護電子設(shè)備耐受不了而造成設(shè)備損壞。另外，在圖6和8中，接地連線的長短對限壓效果也有一定的影響。如果接地連線較長，則連線的電阻和寄生電感值也就比較可觀，當放電管放電導通后，暫態(tài)大電流流過連線時將在連線上產(chǎn)生較大的暫態(tài)壓降。例如一段長為5.5m的接地連線，其電阻約為0.05，其寄生電感約為7H，當幅值為200A，陡度為150A/s的暫態(tài)電流流過該段連線時，能夠在連線上產(chǎn)生1060V的壓降。這一暫態(tài)壓降將引起局部地（G）的暫態(tài)電位抬高，造成被保護電子設(shè)備與鄰近的那些不與該接地相連的電子設(shè)備之間出現(xiàn)高電位差，容易導致反

15、擊。因此，接地連線應(yīng)盡量具有較短長度，以減小連接線上的暫態(tài)壓降，同時接地連線應(yīng)具有足夠大的通流容量，即具有足夠大的導線截面，以泄放暫態(tài)大電流。圖6 典型二級放電管的保護電路圖7 放電與滅弧不同步造成的差模過電壓圖8 三級放電管保護接線在應(yīng)用放電管抑制雷電暫態(tài)過電壓的保護設(shè)計中，常需要估計應(yīng)用環(huán)境中的暫態(tài)過電壓上升陡度，如果這種估計難以進行，可選用經(jīng)驗數(shù)值。對于無屏蔽通信或信號線路保護，可取陡度為500V/s；對于屏蔽通信或信號線路保護，可取陡度為100V/s。工作于保護電路中的放電管在受到機械碰撞、超耐受的暫態(tài)過電壓多次沖擊以及其內(nèi)部出現(xiàn)銹蝕后，將會發(fā)生故障，故障模式常有兩種：第一種故障模式對

16、暫態(tài)過電壓雖不失保護作用，但它將嚴重影響被保護電子系統(tǒng)的正常運行，由于這種故障模式接近于短路，它很容易被發(fā)現(xiàn)或探測出來。第二種是呈現(xiàn)出高放電電壓狀態(tài)，這種故障模式雖不會影響到被保護電子系統(tǒng)的正常運行，但會使系統(tǒng)完全失去保護。因此，從安全角度來看，這第二種故障模式要比第一種更具有危害性。第五節(jié) 主要技術(shù)參數(shù)及使用選擇在保護設(shè)計中，放電管的技術(shù)參數(shù)是選用放電管的依據(jù)，實際上，描述放電管電氣特性的技術(shù)參數(shù)有許多項，且由于保護對象的不同，選用放電管的方法也不盡相同，這里僅從一般應(yīng)用出發(fā)，介紹放電管的常用技術(shù)參數(shù)和經(jīng)驗選用方法。一、 常用技術(shù)參數(shù)1 直流放電電壓：在上升陡度低于100V/s的電壓作用下，

17、放電管開始放電的電壓值稱為其直流放電電壓。由于放電具有分散性，圍繞著這個平均值還需要同時給出允許的偏差上限和下限值。2 沖擊放電電壓：在具有規(guī)定上升陡度的暫態(tài)電壓脈沖作用下，放電管開始放電的電壓值稱為其沖擊放電電壓。由于放電管的響應(yīng)時間或動作時延與電壓脈沖的上升陡度有關(guān)，對于不同的上升陡度，放電管的沖擊放電電壓是不相同的。一些制造廠通常是給出在上升陡度為1KV/s的沖擊放電電壓值，實際上，出于一般應(yīng)用的考慮，還應(yīng)給出放電管在100V/s、500V/s、1KV/s、5KV/s和10KV/s等不同上升陡度下的沖擊放電電壓，以盡量包括在各種保護應(yīng)用環(huán)境中可能遇到的暫態(tài)過電壓上升陡度范圍。3 工頻耐受

18、電流：放電管通過工頻電流5次，使管子的直流放電電壓及絕緣電阻無明顯變化的最大電流稱為其工頻耐受電流。當應(yīng)用于一些交流供電線路或易于受到供電線路感應(yīng)作用的通訊線路時，應(yīng)注意放電管的工頻耐受問題。經(jīng)驗表明，感應(yīng)工頻電流較小，一般不大于5A，但其持續(xù)時間卻很長；供電線路上的過電流很大，可高達數(shù)百安培，但由于繼電保護裝置的動作，其持續(xù)時間卻很短，一般不超過5s。4 沖擊耐受電流：將放電管通過規(guī)定波形和規(guī)定次數(shù)的脈沖電流，使其直流放電電壓和絕緣電阻不會發(fā)生明顯變化的最大值電流峰值稱為管子的沖擊耐受電流。這一參數(shù)總是在一定波形和一定通流次數(shù)下給出的，制造廠常給出在8/20s波形下通流10次的沖擊耐受電流，也有給出在10/1000s波形下通流300次的沖擊耐受電流。5 絕緣電阻和極間電容：放電管的絕緣電阻很大，制造廠給出的該參數(shù)值一般為絕緣電阻的初始值，約為數(shù)千兆歐，在放電管的不斷使用過程中，絕緣電阻值將會降低。阻值的降低會造成在被保護系統(tǒng)正常運行時管子中泄漏電流的增大，也有可能產(chǎn)生噪音干擾。放電管的極間寄生電容很小，兩極放電管的極間電容一般在1pF5pF范圍，極間電容值可以在很寬的頻率范圍內(nèi)保持近似不變，且同型號放電管的極間電容值分散性很小。二、 使用選擇在設(shè)計防雷保護電路時，放電管的選用常采用經(jīng)驗作法，經(jīng)驗作法就是先根據(jù)放電管在被保護系統(tǒng)中的工作狀況來選擇管子的直流放電電壓。對于設(shè)置在