专利名称：电涌电流自控触发间隙放电的电涌防护方法
技术领域：
本发明涉及一种电涌防护技术，尤其是应用间隙放电的电涌防护方法。
人们经长期的实践，发明了各种各样的电涌防护器件，以防止电涌造成损失。如最初的空气间隙到现在的压敏电阻、气体放电管、半导体放电管以及由它们之间简单的组合而成的电涌防护器件，为防御雷电及其他电涌防护作出了巨大的贡献。
但是上述的元器件单独使用时却各有优缺点。例如一、普通空气间隙、气体放电管作为防护器件，两者的结构基本相同优点a、非常低的残压；b、非常大的通流容量；缺点a、响应时间慢(大于100ns到ms级)；b、产生有害的跟随电流；c、性能参数容易受环境的影响；d、寿命短；e、极间电容值大。f、不能应用于低压及精密、高频的电路。
二、压敏电阻优点a、通流量较大；响应时间较快(约为25ns)；b、能自动阻断跟随电流；缺点a、残压比较高；b、超过额定通流容量的使用可能引起爆炸；c、极间电容值大，不太适用于高频线路的防雷；d、有泄漏电流的存在，容易老化；三、固体放电管优点a、动作响应时间最快(1ns到5ns)；b、电容参数低；c、损坏时呈短路效应；d、可以应用于高频、低压的电路；缺点a、通流量小(几百安培)；b、损坏时呈短路效应。
随着电涌防护技术的发展，尤其是由上述各元器件所组合成的组合型电涌防护器性能更是优越。如现今流行的多个压敏电阻的芯片并联作为电涌防护器，增大了一定的电涌流量，但所增加的流量并不很理想，同时并没有能够降低它们的残压比，也并没有解决泄漏电流的问题；多个压敏电阻芯片的并联，在电涌冲击时，各个芯片的所流过的电流值是不均匀的。
又如采用压敏电阻和气体放电管的串联构成的器件，杜绝了泄漏电流，能够防止压敏电阻的老化，同时避免了气体放电管可能产生的跟随电流，但是增长了响应时间，不能增大电涌的流量。因此，上述各元件之间的组合使用虽然对电涌的防护作出了一定的贡献，但是没有达到理想的应用要求，不能完全适应对电涌要求更为严格的场合，而且，成本较高。
最近，又有一些电压触发型的电涌保护方法，采用某些触发介质，放置于放电间隙之间，当间隙两端施加的电压，如线路电压超过规定的阀值时，会在其表面产生电闪络放电，导致放电间隙动作，使电路得到保护。如中国专利申请号为02108581.1的《(过电压保护元件和过电压保护装置》公开专利文件中所描述的技术火花间隙可以通过某些介质材料制成的点火辅助件来实现触发导通。通过分析，可以知道，该技术是通过在间隙之间放置有容易产生表面闪络的材料(一般情况下，在几千伏时产生表面放电)，且火花间隙必须根据线路电压来选择间隙距离。该技术的工作过程是线路上有电涌过电压时，过电压施加在点火辅助材料上，当电压升高达到点火辅助材料的表面闪络值时，点火辅助材料的表面产生闪络，火花间隙被连接，从而放电。这实质上是一种电压触发表面闪络——火花间隙放电的工作过程。其优点能有大的通流容量；其缺点根据资料介绍可以达到100ns以上的响应时间；触发点火电压太高，且不易控制，精度低，残压值高；间隙距离小，易产生有害跟随电流；几千伏以上的点火电压，根本不能应用于精密的信号线路、天馈线线路的防护；由于触发材料限制，也很难应用于几千伏甚至几万、几十万伏以上的高压线路。
本发明的方法包括设在被保护线路或设备与地极或其他泄放线路之间的一组含有触发极的辅助放电线路和另一组含主放电间隙的主放电线路，其特征在于(1)触发极与主放电间隙之间的距离设定；(2)含触发极的辅助放电线路设定过电压阈值，当超过该设定电压阈值时，则有电涌电流流过触发极到地极或其他泄放线路；(3)流过触发极的电流设定电流阈值，当超过该设定电流阈值时，触发极两极之间产生电弧闪络，向主放电间隙放电，使主放电间隙的两极中产生繁流、流光过程，主放电间隙变成短路的导电状态，电涌的大电流从该主放电间隙通过，泄放入地极或其他泄放线路；避免了电涌电流破坏被保护的线路和设备。
上述方法，采用了以较小电涌电流的触发极辅助放电线路带动大流量主放电线路的电涌防护线路。与现有技术相比，具有下列优点1、具有更短的响应时间，响应时间与触发回路中所采用的元气件中最短响应时间的元气件的响应时间一致；2、具有更大的电涌通流容量；即拥有开关型电涌保护器的特征由于采用更新电涌电流触发放电理论，该技术能够保证电涌电流通过所产生的金属飞溅、电容值、间隙距离等的变化不会对产品性能参数有任何很大影响；火花间隙也因此在选材上仅要求一般导电材料即可，成本较低。
3、具有更低的残压参数；具有气体放电的低残压特性；4、结构的简单可以使产品具有更小的体积；5、具有限压型和开关型的两种电涌保护器的优越特性；并能够克服这两种类型保护器的缺陷；6、主放电间隙的距离及填充气体成分对它的自感量(L)影响很小，但对它的电容值影响很大。由于主放电间隙距离大，同时主放电间隙中可以是空气、真空或某些不引起电容值增大的气体及其混合物，因此可以获得极低的电容值和电感值，因此，只要使触发辅助线路在尽可能低的电涌电流通过时能触发间隙动作，就可以将本发明应用于精密的电子电路和高频电路，使之获得很好的保护，但是却对电路正常工作性能几乎没有任何影响。
7、实际应用中，也可以充分利用已经安装于线路的电涌保护器作为整个电路的触发单元，与本发明的其余结构结合，节省和保护已有的投资及延长原有电涌保护器的寿命。
8、本方法同样可以应用于同轴结构的线缆、天馈线路的电涌防护，在获取超大通流容量、最快响应时间的电涌保护时，对线路原有参数规定的标准不产生影响。
图2所示，是本发明的电气原理示意图之二。
由
图1可知，该原理示意图的被保护线路7上并联有两组电涌保护电路，一组是带有触发极3和4及电涌保护单元5的辅助放电线路，另一组是带主放电间隙6和两电极1和2的主放电线路。
在带触发极3和4的辅助放电线路内包含有触发单元5和可生成电弧的两个触发极3、4的串联。其中，触发单元5内部可以采用固体放电管、压敏电阻、其他电涌保护元件或各种电涌保护器件的组合电路；同时也可以是串联的过载、短路保护单元或阻抗等。当被保护线路有过电压并超过规定动作电压阈值时，触发单元5的电涌保护器件将首先导通，电涌电流I3流过该触发线路，大于设定阈值以上的电涌电流在流经触发极3、4时，由于两个触发极3和4的连接是非连续性的且仅仅是触接的，将会在两触发极3和4之间产生电弧闪络放电，形成的触发电火花向主放电间隙6中运动，并在主放电间隙6中产生繁流、流光过程，当流光以极快的速度在主放电间隙6的两极1、2传播后，主间隙6的两极1、2之间就以明亮、多支、断续的火花将通道连接起来，把主放电间隙6击穿，主放电间隙6的两个极1和2之间变成近似短路的导电状态；于是主放电间隙6的线路中就有大的电涌电流I2通过，形成主放电线路，将电涌电流I2通过地极或其他泄放线路8泄放。
主放电间隙6的距离等参数的设计使得主放电间隙6被击穿通过大电流之后，主放电间隙6又立即恢复到原有的绝缘状态，直到下次受到触发辅助放电线路有电涌电流流过时重复上述过程。如此过程反复，利用触发辅助放电线路首先动作，使线路首先得以最快的响应速度动作受到保护，其次主放电间隙6的迅速动作可以使线路保持最低的残压水平，由于通过控制触发放电线路的残压比以及阻抗调节，流经触发辅助放电线路的电涌电流将很大地减少；大部分的电涌电流将通过主放电间隙6的两个极1和2泄入地极或其他泄放线路8。因此避免了触发辅助放电线路流过更大的电流。主放电间隙6的自动恢复绝缘状态更避免了续流对电路的影响，使线路得以良好的保护。
正常时，主放电间隙6两电极1和2的距离与放电电压成正比，间隙距离越大，放电电压越大，反之，越小，但是，主放电间隙6的动作由于使用辅助触发，它的放电电压实际上已经由辅助触发火花控制，因此，它的间隙距离可以比现有技术的距离大得多，但实际上的放电电压不变。因此，电极流过大电流所产生的电极烧蚀又对正常使用没有影响。
当触发极1和2有触发电弧生成时，将主放电间隙6变成短路通道，电涌电流得到泄放，当电涌电流过零时或电涌电压降到主间隙6的电弧不能维持导通时，间隙自动恢复为绝缘状态。从而自动阻断了线路不能产生有害的跟随电流。
主放电间隙6的绝缘电阻在100MΩ以上。在导通大电流时，主间隙只有几十毫欧，甚至更小，近似短路。主放电间隙6可以做成是空气间隙、密封的真空间隙或填充其气体等，人为地调节控制间隙的距离及填充材料，将可以调整主放电间隙的放电参数。
辅助触发电极3、4两个电极之间具有适当接触状态以维持导电和连接，即保证一定额的电涌电流流过时能产生电弧和尽可能有低残压的特性，又保证在电涌电流流过时，两极的材料不能够因为高温、电弧等原因而焊连在一起。实际上，辅助触发放电线路中的触发极3、4在电气可以是不相互连接，实质是一个放电间隙，其距离比主放电间隙6的要小得多。当被保护线路有电涌冲击时，辅助触发间隙将首先导通，由此引发主放电间隙6的放电过程。同时由于；辅助触发间隙的距离较小，为了阻止辅助触发线路不能自动解决续流问题，一般通过在辅助线路中串接有电涌保护元件和电阻等构成的触发单元5。
由图2可知，是本发明的另一个实施应用。它将辅助触发极3和4串接于被保护线路7上，主放电间隙极2处于触发极3和4之间的相应处，并与地极或其他泄放线路8连接。触发极3和4，以及间隙极2之间构成主放电间隙9；触发单元5设在被保护线路7与地极或其他泄放线路8之间。当被保护线路7有电涌并超过所规定的动作电压阈值时，触发辅助线路的电涌保护单元5动作，有电涌电流I3流过，同时在被保护线路7上有电涌电流I1流过相互接触的电极3和电极4，当电涌电流大于设定阈值时，相互接触的电极3和电极4之间产生火花，从而引发叁电极2、3、4之间的火花放电，产生电弧，将大部分电涌泄放入地8，线路7得以保护。
整个组合电路的动作特性有四种状况1、当电涌电压U小于辅助触发线路的电涌保护元件规定的动作电压阈值时，上述组合的保护元件不动作。
2、当电涌电压U大于辅助触发线路的电涌保护元件动作电压阈值时，而且流过触发线路的电涌电流I1小于设定阈值时，限制过电压由触发线路的电涌保护单元5完成；触发线路中的火花生成触点3、4不产生火花，主放电间隙1、2不动作。
3、当电涌电压U大于辅助触发线路的电涌保护元件动作电压阈值时，而且流过触发线路的电涌电流I1大于设定阈值时，辅助触发放电线路的电涌元件动作，同时导致辅助触发线路的火花生成触点3、4发生电弧闪络和产生电火花，紧接着主放电间隙6动作，使辅助触发线路减轻流过的电涌电流，而不使其损坏。最后当被保护线路7的电涌电压低于设定的电压阈值时，主放电间隙6不能维持电弧导通断开，形成开路并阻断了可能产生的跟随电流，此时，辅助触发线路继续保持导通，泄放剩余的已经很弱的电涌电流。
上述发明的电涌防护方法，可用于常规的电气线路和设备的电涌防护，也可以用要求高的电子线路及设施，以及电磁脉冲武器及相关设备的电涌防护。不管用于何线路、设备、设施的电涌防护，只要采用了上述电涌防护方法的均为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种电涌电流自控触发间隙放电的电涌防护方法，它包括设在被保护线路或设备(7)与地极或其他泄放线路(8)之间的一组含有触发极(3和4)的辅助放电线路和另一组含主放电间隙(6)的主放电线路，其特征在于(1)触发极(3和4)与主放电间隙(6)之间的距离设定；(2)含触发极(3和4)的辅助放电线路设定过电压阈值，当超过该设定电压阈值时，有电涌电流流过触发极(3和4)到地极或其他泄放线路(8)；(3)流过触发极(3和4)的电涌电流设定电流阈值，当超过该设定电流阈值时，触发极两极(3和4)之间产生电弧闪络，向主放电间隙(6)放电，使主放电间隙(6)的两极(1和2)中产生繁流、流光过程，主放电间隙(6)变成短路的导电状态，电涌的大电流从该主放电间隙(6)的两极(1和2)通过，泄放入地极或其他泄放线路(8)；避免电涌损坏所流经的被保护线路或设备。
2.根据权利要求1所述的电涌电流自控触发间隙放电的电涌防护方法，其特征在于主放电间隙(6)的放电极(1和2)与辅助触发电极(3和4)设置在同一腔体内。
3.根据权利要求1或2所述的电涌电流自控触发间隙放电的电涌防护方法，其特征在于主放电间隙(6)及其放电极(1和2)可设置一个或多个。
4.根据权利要求1所述的电涌电流自控触发间隙放电的电涌防护方法，其特征在于辅助放电线路可设置一条或多条。
5.根据权利要求1或4所述的电涌电流自控触发间隙放电的电涌防护方法，其特征在于辅助放电线路中的触发极(3和4)可设置一个或多个。
全文摘要
本发明公开了一种电涌电流自控触发间隙放电的电涌防护方法，它包括设在被保护线路或设备与地极之间的一组含有触发极的辅助放电线路和另一组含主放电间隙的主放电线路，其特征在于触发极与主放电间隙之间的距离设定；含触发极的辅助放电线路设定过电压阈值，当超过该设定电压阈值时，有电涌电流流过触发极到地极；流过触发极的电流设定电流阈值，当超过该设定电流阈值时，触发极两极之间产生电弧闪络，向主放电间隙放电，使主放电间隙的两极中产生繁流、流光过程，主放电间隙变成短路的导电状态，电涌的大电流从该主放电间隙通过，泄放入地极，保护线路和设备。该方法适用于电子、电气线路及其设备设施，以及电磁脉冲武器及相关设备的电涌防护。
文档编号H02H9/06GK1457126SQ0311848
公开日2003年11月19日 申请日期2003年1月16日 优先权日2003年1月16日
发明者黄兴英 申请人:黄兴英