基于石墨间隙技术的电涌保护器设计

作者：任华山，陆永欢，徐祝勤（菲尼克斯亚太电气（南京）有限公司）

摘要：通过对电涌保护器 （surge protective device， 简称SPD） 的概念和分类的介绍， 分析传统间隙的存在的优缺点， 依据IEC 间隙型SPD 的设计标准， 从石墨材料的特性， 石墨间隙放电机理， 防雷器结构材料的选用及不同结构方案的仿真分析等方面进行理论计算和验证优化论述， 结合SPD 场景应用的产品开发设计参数要求进行一系列电气安全及环境测试等试验， 从而确保SPD 设计产品的应用安全性及质量要求。

关键词： 电涌保护器（SPD）； 放电间隙； 石墨放电间隙； 仿真分析； SPD 设计技术

0 引言

随着经济的快速发展， 我们已经进入一个全电气社会的时代，信息化设备得到广泛应用，电子设备趋向高度小型化集成化，工作电压低、运算速度快，而耐过电压、过电流和抗雷电电磁脉冲的能力差，极易遭受雷电的危害。 因此电气设备电力设施以及通信设备免受雷电的电磁脉冲也越来越重要，同时电气系统的开关操作和静电放电所产生的瞬态电涌也对电子设备造成极大的危害。为了保护电力设备及通信设备等免受这些电涌的侵害，我们需要在电路中安装电涌保护器，又称SPD 防雷器。

1 SPD概念和分类介绍

SPD 是在规定条件下，用来保护电气系统和设备免受各种过电压（例如雷电和操作过电压）和冲击电流损坏的一种保护器，用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流的电器，它至少包含一个非线性的元件 [1] 。

SPD 按照工作原理分为电压开关型，电压限制型，复合型等。电压限制型常用非线性元器件有压敏电阻和抑制二极管；电压开关型包含放电间隙，气体放电管等元件；复合型由电压开关型和电压限制性元件组成；本文重点介绍基于电压开关型的放电间隙原理设计的叠层石墨间隙产品的设计。

2 传统开关型放电金属单间隙的原理和优缺点

放电间隙，是一种开关型的防雷器，其基本结构一般由在空气中的两根相隔一定间隙的金属电极组成，电路符号和内部结构见图1，其外部分别连接在被保护设备的电源两端，如相对相，相对地，相对中线，中线对地等。

工作原理为当线路中的出现异常过电压时 （图2 中深色波形），且该电压超过放电间隙动作电压时，放电间隙击穿导通，迅速将雷电过电压降为幅值很低的电弧电压（通常一个间隙的弧压为几伏至几十伏，图2 中浅色波形），并将雷电过电压水平限制在一个安全范围内 [4] 。

这种间隙放电间隙结构较简单， 大都采用单个金属间隙，其材料大多采用耐温高、制造精度高的特种材料，具有通流能力强，耐多次雷击能力强，防雷保护残压极低等优点。虽然残压低保护效果好，但是考虑到线路工作电压高于单间隙的弧压降， 较低的残压会导致线路电流流入防雷器造成续流风险，因此存在截断续流能力差，电弧可能外溢，电极高温熔融溅射损耗造成绝缘下降等缺点， 对用电设备造成一定的安全隐患。

3叠层石墨间隙SPD设计

3.1 石墨间隙材料特点及选择

随着市场要求的不断提高，防雷标准对防雷器技术要求和安全要求进一步提高， 如SPD 需同时满足小体积，大通流，低保护水平，无续流，耐多次雷击次数，长寿命等要求， 而传统的单金属间隙虽然能满足大通流低保护水平等要求，但由于单个间隙的弧压降远远低于线路电压，造成续流截断困难，无法满足客户要求，故开关型放电间隙防雷器需要寻找一种新的材料，新的设计思路解决以上需求。

石墨材料是一种非金属导电物质， 石墨及其制品具有如下特性 [6] ：

（1）耐高温，耐高温3000℃以及耐低温-204℃。

（2）导热性好。

（3）化学稳定性强，耐腐蚀（含酸、碱和有机溶液等）。

（4）环保，无放射性污染。

（5）导电性好。

（6）密度低使产品重量轻。

（7）存量大，原材料成本低。

（8）易机械加工。

根据石墨材料的以上优点， 选择石墨做放电间隙中的电极材料是非常理想的。

由于不同型号参数石墨的选择对于防雷器电气测试结果有不同的影响， 笔者建议选用石墨材料时应结合防雷器的结构设计，电气参数要求、使用环境情况，合理地选择石墨材料和间隙参数，对测试结果关联的因素不限于石墨的电阻率、热导率、热膨胀系数、硬度、抗折强度、弹性模量和灰分度等，表1、表2 分别是两家典型石墨厂家理化参数。

3.2 叠层石墨间隙原理及工作介绍

叠层石墨间隙采用多个石墨放电间隙的串联结构，叠层石墨间隙原理图见图3， 包括n 个放电间隙串联叠加而成，在相邻两个间隙之间并联连接n 个电容C，利用电容分压原理设计放电间隙分压远高于电容电压， 使石墨间隙逐级击穿直至全部间隙导通击穿， 导通后的石墨间隙的残压远低于过电压，但高于或等于线路电压，从而达到即降低残压又截断续流的目的。

5 结论

本文基于石墨间隙的技术 设计开发防雷器，分别从间隙放电机理，石墨材料的特征，叠层石墨间隙电路原理，机械结构及材料，注塑仿真、测试验证等产品研发的整个过程进行一系列的研究分析，综上可知，一个性能可靠、高质量、高效开发出的防雷器是离不开设计端理论分析指导、合适的器件材料选型、产品可靠的结构和测试实践相结合，利用现有仿真分析软件可以防范和规避设计缺陷风险，缩短研究开发周期具有一定的作用。经过多重论证，本款基于石墨间隙技术的防雷器产品已经获得许可上市了，同时经过该产品开发积累了理论与实践的经验，为后期系列产品和技术迭代提供了技术支持和保证。

参考文献：

[1] IEC61643-11：2011 Low-voltage surge protective devices-Part 11：Surge protective devices connected to low -voltage power systemsRequirements and test methods.

[2] DIN 43880 Supersedes 01.83 edition Built-in equipment for elec-trical installations；overall dimensions and related mounting dimen-sions.

[3] 邓猛，冯桂力，张枨，等.新型石墨间隙电涌保护器的研究[J].电瓷避雷器，2013（4）：122-126.

[4] 高煊慧，蔡卫.一种用于叠层间隙型防雷器的功能指示电路[J].电工电气，2016（8）.

[5] 孙涌，杜志航，李洪阳.均压电容对多级石墨间隙击穿特征影响的试验研究[J].电力电容器与无功补偿2021（6）：69-73.

[6] 苏占华.石墨电极材料[M].哈尔滨工业大学出版社，2020.

来源：《机电产品开发与创新》2023.7

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