气体放电管+结构与+参数

EPCOS 04/2004
25
五、典型保护原理及应用 (Conventional MDF)
a b
Interfering voltage in subscriber cable
a´
Switching System
(e.g. EWSD)
b´
Interfering voltage in system cable
•直流击穿电压：在放电管两端施加一个100V/S缓慢上升的点电压时， 致使放电管发生击穿的电压值。 亦称“直流击穿电压”， 记为:Vs。
三、气体放电管电参数特性
• 冲击击穿电压：在放电管极间施加上升速率很快的（100V/us或1KV/us） 电压时，致使放电管发生击穿时刻的电压值。记为Vss.
三、气体放电管电参数特性
辉光放电很明显分为以下几个区域： 阴极位降区：阴极与a之间，这里有很大的电场强度。 负辉区：ab之间，这里电离和激发主要由阴极位降加速下的快速电子碰撞气体原子而 引起。 法拉第暗区：bc之间，这里电子能量太低，不足以激发气体原子，在ac之间的电子 流主要是扩散电子流。 正柱区：cd之间，这里电场强度为常数。 阳极辉区：阳极附近的发光区。
这种放电现象与理论是本世纪初由科学家汤生提出的。 非自持放电是指在存在外致电源的条件下放电才能维持的现象； 自持放电是指去掉外致电离源的情况下放电仍能维持的想象。
T0区：剩余电离粒子和电子在电场的作用下定向运动，电流从零开始 逐渐增加，当极间电场足够大时，所有带电粒子都可到达电极，这时 电流到达某一最大值。由于剩余电离产生的带电粒子密度一般很弱， 所以T0区域饱和电流值仍然很小（约10^-12A量级)。
当作用在放电管两端的电压大于某一临界值Vs时，放电管的电流会突 然迅速上升，如此时移去外界电离源放电会照旧维持，气体出现某种 类型的自持放电，如辉光放电和弧光放电。这时气体产生了击穿或着 火，其临界电压值Vs就称为击穿电压。
2
一、气体放电管微观放电过程---汤生放电
汤生放电理论就是在此放电基础上引入三系数来描述由电子和正离子产生气体电离的 机理：汤生第一电离系数α，汤生第二电离系数β，以及汤生第三电离系数γ。 电子和中性粒子使之电离的α过程对放电起主要作用。 第三系数γ又称正离子的表面电离系数，表示每个正离子打在阴极上所引起的次级电 子发射数。
200A
253V I
三、气体放电管电参数特性
• 三极管冲击横向电压: 以两个放电间隙不同时击穿的时间差来衡量，该时间应
不大于200ns。
L1 48V A
L2
三极管保护
Vs=210V Vs=250V
由于三极气体放电管至少有两个放电间隙共用相同的放电 介质（堕性气体）。
当一个间隙被击穿时，由于电离的气体分子的运动而引起 另一间隙在电压未达到其击穿电压时就被击穿。
2
一、气体放电管击穿---潘宁效应（penning effect)
实验发现，在适当的良种气体组成的混合气体中，它的着火电压会低于单种气体的着 火电压，目前在氩-汞以及氖-氩混合气体中都发现了这种现象，这种效应称为潘宁效 应。可用简式表示：
实验证明，A的激发能越接近B的电离能，这种激发转移几率越大。另外，混合气体 的碰撞截面积是单质气体的10倍以上，这导致发生碰撞转移的几率也大，由此可见潘 宁效应对降低着火电压的作用。
2
一、气体放电管放电过程---弧光放电
弧光放电是一种自持放电，它的主要特点是维持电压低，通常只有30伏以内。由于弧 光电流很大，单靠正离子轰击阴极不能提供这么多电子，更多的电子应该是阴极自身 发射电子。弧光放电分为三个区域：
阴极位降区：区域很短<10^-4m，压降 10V，电流密度很大（10^10A/m2),这 个区域对于阴极发射电子及维持放电很重要。
阳极位降区：空间电荷是负的，而且不存在 阳极发射，通常位降及电流密度小于阴极。
弧光正柱：在两者之间的是弧光正柱区，也 是等离子区，气体是中性的，电场强度的大 小与气体的性质、气压、及电流有关。
一、气体放电管放电过程---辉弧转换过程
从辉光放电相对低的电流密度、高的电压过渡到弧光放电高的电流密度、低的放电电 压需要阴极电子发射机构本质的改变才行。 在反辉光区，电流密度增加，阴极位降增加，这使得撞击阴极的正离子能量增加，并 提高了阴极的温度，反常辉光放电较高电流那部分对应阴极温度将变得足够高，从而 使阴极发射出足够多的电子，这样最后只用较低的电压就能维持放电。
二、气体放电管组成及其结构
二极放电管组成
1
2
3
三极放电管组成
1 – 电极 2 – 金属化瓷管 3 – 焊料片（丝） 4 – 电子粉发射物 6 – 惰性气体 7 – 镀锡引线 8 – 失效保护装置
2
1
二、气体放电管组成及其结构
导电带 引线
少量惰性气体
电子发射物
涂复电极
瓷管
焊料
（二电极放电管结构）
引线
四、气体放电管耐流特性
1. 二极管以及三极管耐交流电流能力试验图：
（来自国标GB9043-2008）
五、典型保护原理及应用
• Atmospheric discharges (Lightnings)
• Induction from power lines (Electro-magnetic influence)
也就是说在L1与L2之间的电压差不取决于每个间隙的击穿电压，而只取决于三极 放电管中的放电介质的特性，如气体分子的运动速度,电离度等。
横向电压就是用来衡量三极放电管两个放电间隙之间的电压差，及L1与L2之间的 电压差。GB9043中规定了在1KV/us波形下这种电压差存在的时间不得长于 200ns，
G: 辉光放电区 (Glow mode range) A: 弧光放电区 (Arc mode range)
一、气体放电微观过 程
EPCOS 04/2004
1
一、气体放电微观过程
EPCOS 04/2004
1
一、气体放电管微观放电过程---汤生放电
气体放电分为两大类：非自持放电和自持放电，放电从非自持过渡到自持的现象称为气体击穿。
230V 放电管的典型反应模式
三、气体放电管电参数特性
• 绝缘电阻： 标准大气压下，在放电管极间施加一特定的直流电压时测得的电阻。通
常要求气体放电管的绝缘电阻>10^9欧姆.
• 电容: 放电管极间测得的电容值.气体放电管各极间电容应不大于10PF, 通常
在3PF以下. • 直流过保持电压:
在特定条件下，放电管经冲击放电后，在规定的时间内从低阻抗导状态 恢复到高阻抗绝缘状态时允许负荷的最高直流电压，通常以其续流遮断时 间来衡量。任何规格的放电管续流遮断时间都应小于150ms，标称直流击 穿电压值为70V和90V的管子不考核此项指标。
二、气体放电管组成及其结构
导电带
少量气体 中电极
瓷管
焊料 涂复电极
电子放射物 （三电极放电管结构）
二、气体放电管组成及其结构
20
I~/Iac
10
3e Arrester + Fail Safe
Solder Pill
a
0 0
1s 3s 5s 7s
t Sec. (自带失效保护三极放电管)
T
T
e
三、气体放电管电参数特性
Phone, Fax, Modem, LAN, NetworkTerminals
Amplifier
Arrester Application
Cellular Phone Network
(Base Stations, Mobile Exchanges, Multiplexer Units)
Fibre Optic Copper
耐交流放电电流：又称耐工频电流；在规定的放电次数内，流经放电管放 电间隙的近似交流电流的有效值(48~52Hz) ，电流大小从2.5A到 300A.
耐冲击放电电流：在规定的放电次数内，流经放电管放电间隙的冲击电流 峰值。亦称“脉冲放电电流”或浪涌放电电流“。通常包含种波形 10/1000us和8/20us,10/350us 电流大小从100A 到150KA.
放电管过保持电压的直流试验电压分为52V、80V和135V三挡，若 过保持电压值超出上述范围，则按需要决定。
三、气体放电管电参数特性
• 气体放电管续流能力（Follow on current): 在特定条件下，放电管经冲击放电后，在半个波长内从低阻抗导状态恢
复到高阻抗绝缘状态时允许负荷的最大电流。通常以放电管两端施加的电 压及流经放电管的交流电大小来衡量。
气体放电管结构与参数及其测试方法
•气体放电原理 •气体放电管的结构及其组成 •气体放电管的电气参数特性 •气体放电管耐流特性 •气体放电管典型保护原理及应用
一、气体放电管交流放电过程
a. 电压电流随时间关系图
b. 放电管伏安特性图
Vs: 击穿电压 (Spark-over voltage)
Vgl: 辉光电压 (Glow voltage) Va: 弧光电压 (Arc voltage) Ve: 息弧电压 (Extinction voltage)
即:1000V/us*200ns=200V.也就是说横向电压要小于200V。
但在GB9043中横向电压是用200ns这一时间考核的。其测试方法可能参考 GB9043中的第6.7条。
四、气体放电管耐流特性
气体放电管除了上述七大最基本电参数外，还有耐流能力标准,亦称 寿命试验,管子的性能通常由耐流等级的高低决定.
• 气体放电管的内部结构如图所示。它主要由电极及绝缘瓷管所组成， 在电极的有效电子发射表面上涂有激活化合物(电子粉) ，电极间的距 离一般小于1mm 以提高电子的发射能力，为了保证气体放电管能快 速地将浪涌电压限制在低电位，在陶瓷绝缘管内表面制作有一导电 带，通过其作用电场来加速放电区域的电离， 使放电管具有快速响应 特性和可恢复性。
四、气体放电管耐流特性
2. 冲击电流试验 对试样施加波形为10/1000μs的冲击电流波,电流峰值按表4相应
的电流等级选取, 冲击电流源的充电电压峰值应不小于试样最大冲击击 穿电压的1.5倍。试验可以是正或者正、反两极性交替冲击，冲击次数 通常为300次。 3. 冲击电流试验 2
对试样施加波形为8/20μs的冲击电流波，电流峰值按表4相应的 电流等级选取，正、反向极性各冲击5次，其它要求同冲击电流1。
2
二、气体放电管定义
• 它是一种陶瓷或玻璃封装的、内充低压惰性气体的短路型保护器件， 一般分两电极和三电极两种结构。其基本的工作原理是气体放电。当 极间的电场强度超过气体的击穿强度时，就引起间隙放电，从而限制 了极间的电压，使与气体放电管并联的其它器件得到保护。
• 优点：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小；
2
一、气体放电管击穿---帕邢定律
气体击穿后的放电形式与电极形状、极间距离、气压以及外电路的特性有关，在气体
种类和阴极材料都确定的情况下，式中A,B, γ都是常数，可见Vs仅是pd乘积的 函数，实验已经充分的证明了这一点，Vs随pd的变化规律关系称为帕邢定 律。即在放电空间里，气体的击穿电压只是气压和极距乘积的函数。
• Power cross
典型保护原理及应用（Typical Telecom Applications)
五、
Subscriber
Distributor
Overhead Lines
Amplifier
Branch Exchange
MDF
Private Automatic Branch Exchange ( PABX )
2
一、气体放电管放电过程---辉光放电
辉光放电是一种重要的放电形式，是汤生放电的进一步发展，主要区别在于辉光放电 有较大的电流。因放电管出现特有的光辉而得名，辉光放电可分为亚辉光、正常辉光 及反常辉光放电三种类型。 辉光放电是一种自持放电，放电电流大小为毫安级，它是靠正离子轰击阴极所产生的 二次电子发射来维持的。
T1区：阴极发射的电子在电场的作用下获得足够的能量，它们与气体 分子碰撞并产生电离，导致带电粒子增加，放电电流随之上升。
T2区：电子与气体分子碰撞产生正离子，电流进一步增大。 这里从阴极发射的最原始的电子是由某种光电效应产生的，如果这种 光电效应突然消失，那么汤生放电区域的电流会立即中断，所以这种 属于非自持放电。
典型保护原理及应用 (MDF Protection Modules)
五、
2-point Protection
3-point Protection