气体放电管在电流互感器二次侧过电压防护领域应用

摘要；传统的电流互感器二次侧过电压保护器采用压敏电阻作为电压的采样器件，存在着泄漏电流较大和发热问题，在实际的使用中经常会出现漏电流较大，装置发热烧毁等问题，而采用气体放电管代替压敏电阻作为电压采样器件，可以有效地减少泄漏电流，大大降低器件本身的发热量。该文主要分析了气体放电管在电流互感器二次侧过电压保护器上的应用，并且提供了过电压采样和保护电路。

关键词：气体放电管；压敏电阻；电流互感器；直流击穿电压

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）07-0220-02

1电流互感器二次侧过电压保护器的作用和原理

电流互感器二次测过电压保护器主要应用在电力设备安全检测系统中，可以保护其后端接人的电流，电压测量装置安全。电流互感器在电路中起到电流变换的作用，属于感性器件，一旦二次侧出现断路，或一次侧出现短路，过载等故障时，则会在其两端产生非常高的电压，瞬间损坏后端接入的设备，严重的甚至造成人员伤亡。因此，对于此种突变电压的防范尤其重要。目前市场上采用的电流互感器二次测过电压保护装置主要采用压敏电阻作为核心的电压采样器件，但由于压敏电阻长时间使用后会出现较大的漏电流，影响其后端测量装置的准确性。所以急需要有新的电压采样器件来弥补压敏电阻的不足。气体放电管就是一种新型的电压采样器件，它既有压敏电阻的电压敏感特性，又具有很高的绝缘性能，正常工作时漏电流非常小，大约是压敏电阻的千分之一。

电流互感器通过电磁耦合，将一次回路中的不同电流，规范到二次输出为最大1A或最大5A两个范围内，从而能够使用成型的各种保护装置、测量器件及控制单元。它广泛应用在测量仪表，继电器保护等装置中，是获取一次侧电流信息的重要载体。电流互感器将高电流按比例转换成低电流，其一次测线圈接在一次系统，二次测的线圈用来接入测量仪表、继电保护等。主要可以分为两种应用场景，第一种：作为测量设备，作用是用来计量和测量运行设备电流的；第二种：作为保护装置，主要与继电装置配合，在线路发生短路过载，断路等故障时，向继电装置提供信号切断故障电路，以保护供电系统的安全。

2气体放电管的选型

2.1气体放电管的国内外主要厂家

气体放电管的国内厂家主要有威特科，镇江电子管厂，槟城，新铂铼等厂家，国外的主要有TDK_EPC，Littelfuse等厂家。国外厂家的价格普遍较高，且交货周期较长，对于一些普通的应用场合（非露天，室内等工业应用场合），使用国内生产的气体放电管也可以满足要求，在此项目中，使用的是东莞新铂铼电子的一款气体放电管。在选型的时候，需要根据使用的场合，选择合适封装，以及电气参数。气体放电管主要有插件和贴片两种封装形式，此项目中使用的是陶瓷插件封装，如图1所示：

2.2气体放电管选型时的主要参数测量

气体放电管型号；BLSG150A-L，主要参数如（表1）

1）直流放电电压（150±25%）的测量：气体放电管的直流放电电压具有分散性的特点，其直流放电电压是一个范围，参照DATASHEET中的参数，直流放电电压范围在DC150V+25%。

首先在气体放电管的一端串联一个限流电阻（阻值和功率根据使用的场合设定），此处选择30Ωa/1000 W的功率电阻。通过调压器模拟电压上升斜率，当电压达到直流击穿电压范围内，气体放电管开始放电，由高M状态转换成低阻状态。

2）冲击耐受电流（5 KA）测量：需要专用的8/20us的雷击电流发射装置，一端接在雷击电流的发射端，另外一端接在大地。电流设置为5 KA，总共测量5次，之后再次测量其直流放电电压和绝缘电阻，观察数据是否有明显变化。

3）工频耐受电流（5 A）：采用测量直流放电电压时使用的电路，当气体放电管两端的电压达到直流放电电压后，气体放电管开始通过设定的5 A电流，持续时间1 min（具体的测试时间以实际的应用场景作为参考，此项目中的电流互感器二次侧过电压保护器作为防雷，过电压保护设备使用，电路中的过电压情况一般持续的时间较短）。测试完成之后再次测量直流放电电压和绝缘电阻，观察数值是否有仍在规定的范围内。

4）绝缘电阻：外施50或100 V直流电压时测量的气体放电管电阻，>1 000MΩ。

5）温度范围：其工作温度范围一般在一55℃～+125℃之间，但是实际的测量条件很难达到此标准，一般会按照实际使用条件的温度范围测量，此项目属于一般的工业使用环境（一20℃～+60℃），市场上常用的高低温箱都可以达到此条件。分别在高温和低温条件下测量直流放电电压，工频耐受电流。

6）极间电容测量：放电管的寄生电容很小，极间电容一般在1pF～5pF范围，极间电容在很宽的频率范围内保持近似不变，同型号放电管的极间电容值分散性很小。采用高精度的电桥可测量出极间电容。

7）其他参数说明：如下图2，当气体放电管两端的电压达到VBK之后会出现急剧下降的过程，当其两端的电压降到VGL（开始发光电压），气体放电管内部的惰性气体开始出现发光现象，当其两端的电压下降到VARC（弧光电压）后保持在VARC。当气体放电管两端的电压源消失，其内部的弧光开始消失，电压继续下降到VE熄弧电压（extinction voltage）.

3气体放电管在电流互感器二次侧过电压保护器中的应用

采用气体放电管作为电压采样器件的电流互感器二次侧过电压保护器，正常运行时气体放电管两侧的电压小于20 V，此时的气体放电管处于高阻状态，阻抗大于1 G，通过它的泄漏电流小于1uA，对该回路的动作值和表计准确度的影响可以忽略不计。当二次回路开路或一次绕组出现异常电流过时，在二次绕组中产生的电压远远高于正常运行电压（数值取决于CT本身参数和运行情况），此时内部的电压采样器件一气体放电管瞬间导通，迅速地将过电压信号通过光耦传递到后方的信号采集系统，并由后方的采集系统发出相应的数字信号，控制继电器的触点闭合，从而使电流互感器二次侧进入稳定的短路状态，彻底避免了过电压危害。

如图3所示，气体放电管GDT2接在整流桥后端，接收来自前方的过电压信号，当其接收的过电压信号超过气体放电管的导通阀值，气体放电管则处于导通状态，其后端的电解电容c1，TVS管1）3，相继接收到来自前方的过电压信号。点解电容C1将过电压信号的杂波滤除，TVS管D3将过电压型号的能量对地释放，对其后端的元器件起到保护的作用。当继电器K1接收到来自控制系统的闭合信号，瞬间将U1a和U1b短路，也就是将电流互感器二次测短路。通过改变GDT2的阀值电压，可以形成不同型号的产品，满足不同场合的使用。

4气体放电管作为电压采样器件的优点

与传统的压敏电阻相比较，气体放电管作为电压采样器件具有以下优点：

1）泄漏电流小

在实际的使用中，泄漏电流的大小严重影响电流互感器二次侧其他测量仪器精度，和自身的使用寿命。传统的电流互感器二次侧过电压保护器采用压敏电阻作为电压采样器件，具有一定的泄漏电流（压敏电阻的伏安特性如图4所示），当加在压敏电阻两端的电压没有达到Uc（俗称标称电压或阀值电压）时，会有一定的泄露电流I流过压敏电阻，一般在1 mA左右。如果长期使用其泄露电流由于温度和湿度的影响还会进一步增大，如果将其应用在实际的电路当中，很有可能会影响后端设备的使用和引发漏电空开跳闸。气体放电管作榭关型器件，当加在其两端的电压没有达到导通阀值，就没有泄露电流流过，因为其内部充满了惰性气体（氩气或氖气），能有效的隔离高电压端和低电压端。如果加在气体放电管两端的电压达到或超过其阀值电压，那么其内部的惰性气体将被击穿，气体放电管由高阻变为低阻状态。

2）寄生电容小

放电管的寄生电容很小，极间电容一般在1 pF～5 pF范围，极间电容在很宽的频率范围内保持近似不变，同型号放电管的极间电容值分散性很小。

3）响应时间较长

采用气体放电管作为电流互感器二次侧过电压保护器电压采样器件，放电延时（既相应时间）较大，一般在几百纳秒，动作灵敏度不如压敏电阻。但在电流互感器二次侧过电压保护器领域，对于电压采样器件的相应时间参数要求不高，因为在电流互感器二次侧经常会出现一些干扰电波，以及启动时产生的尖峰电压，所以一般会在过电压信号传送过程中增加延时电路（如下图5所示），其电阻R4和C2组成了一个RC充电延时电路，充电时间T一般在100 ms左右。也就是说当前端的过电压信号持续发生时间达到100ms时，才能够通过延时电路将信号传递到后方。气体放电管的这种特性（放电延时较大，响应时间慢），对于电流互感器二次侧过电压保护器来说，并不影响其后端的反应速度。所以选择气体放电管代替压敏电阻作为电压采样器件即可以发挥气体放电管的优点又可以规避其缺点。

5结束语

总之，采用气体放电管作为电流互感器二次侧过电压保护器的电压采样器件，其优越性在实际的应用中已经得到验证。在实际的应用中，使用了气体放电管的电流互感器二次侧过电压保护器能够有效地减少漏电空开跳闸和产品自身发热烧毁现象，对于电流互感器一次侧经常会出现的一些瞬态的电压尖峰现象，也能够有效的滤除，不会出现经常误动作的现象。另外气体放电管可以反复使用，在其使用寿命的周期内会一直对后端的设备起到保护的作用。当一次故障排除后，气体放电管两端的电压重新回到VBK以下，不再能够激发其内部的惰性气体放光导通。此时气体放电管重新回到高阻的状态。