一种高安全的浪涌保护器的制作方法

本发明涉及电源技术领域，特别涉及一种高安全的浪涌保护器。

背景技术：

浪涌保护器(简称spd)作为一种标准的低压电器，广泛应用于低压输配电线路中，可对线路中出现的由雷电等引起的电涌进行有效的吸收和抑制，对改善电网输电质量、保证用电电器安全具有明显的作用。

spd的核心部件是浪涌抑制元件，最常用的是压敏电阻陶瓷芯片。由于输配电线路传输距离较长，又容易暴露在露天，相比室内电器设备更容易遭受高能量电涌脉冲，在spd的设计寿命期内，压敏电阻陶瓷芯片更容易遭到超过额定规格的高能量电涌的多次冲击，造成压敏电阻的劣化失效。由于压敏电阻是短路失效模式，一旦击穿失效，就会引起供电线路短路故障，击穿点会出现炸裂、冒烟、拉弧、严重时甚至会造成起火燃烧。

最常用的改善方案的原理图见附图1，在压敏电阻陶瓷芯片1的两个端面电极上，分别焊接连接一片导电和导热性能都优异的薄铜片电极2，薄铜片电极2预制有引出端子3，薄铜片电极2在起到导电电极作用的同时也与压敏电阻陶瓷芯片1形成热耦合，能将压敏电阻陶瓷芯片1产生的热量传导到引出端子3上。在其中一个引出端子3上用低熔点合金5焊接一片弹性金属片4形成过热脱离器。当压敏电阻陶瓷芯片1劣化到漏电流进入毫安级时，开始进入加速劣化区，漏电流会使压敏电阻陶瓷芯片1发热促使漏电流进一步增大，又加速了压敏电阻陶瓷芯片1发热，最终将使压敏电阻陶瓷芯片1热击穿。当热量达到低熔点合金5熔断温度时，过热脱离器动作切断电源，使压敏电阻陶瓷芯片1在击穿短路前退出电网，达到了保护的目的。该方案可将大部份压敏电阻陶瓷芯片1的失效模式从恶性的短路模式转换为影响很小的开路模式，极大地提高了spd的安全性。

但是该方案仍然还存在一些缺陷，由于过热脱离器的动作需要延迟数秒时间，而压敏电阻陶瓷芯片1漏电流进入毫安级开始加速劣化发热时，瓷体内部的缺陷已经很严重了，有部份芯片的缺陷严重到从开始发热到击穿短路的时间很短，热量还来不及传导到过热脱离器将低熔点合金5熔化，短路事故就发生了。另外一种并不少见的情况就是当压敏电阻陶瓷芯片1劣化到临近加速劣化区时，这时压敏电阻陶瓷芯片1的漏电流还小于毫安级，还能够维持热稳定，还能够在电网的工作电压下维持工作，但它此时的压敏电压值已经比刚开始投入使用时的初始值有明显的大幅度下降，这时的压敏电阻陶瓷芯片1的抗电涌冲击的能力已经很脆弱了，一个能量不算太大的电涌都可以将它击穿或接近击穿，此时它的击穿短路时间也是太快，由于过快的击穿短路时间导致过热脱离器来不及响应动作而起不到保护作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种高安全的浪涌保护器。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种高安全的浪涌保护器，包括压敏电阻元件、电压限制型元件、发热元件和低热阻导热端头，所述发热元件与所述电压限制型元件串联后再与压敏电阻元件并联，形成一个单端口组合电路，其中，所述压敏电阻元件耐受电涌冲击的性能高于所述电压限制型元件耐受电涌冲击的性能，所述压敏电阻元件的压敏电压值大于所述电压限制型元件的导通电压值；

所述单端口组合电路的两个引出端子中有一个为低热阻导热端头，所述低热阻导热端头与所述发热元件相互热耦合，或所述低热阻导热端头与所述电压限制型元件相互热耦合。

使用时，在所述低热阻导热端头连接过热脱离器，所述发热元件的居里温度点高于所述过热脱离器的动作温度。本发明所述的电压限制型元件，指的是在没有电涌时，电压限制型元件具有高阻抗，但随着电涌电压的升高，电压限制型元件的阻抗将持续性的减小。

本发明的工作原理分析如下：

压敏电阻元件是吸收电涌脉冲的主通道。当没有电涌脉冲时，压敏电阻元件处于高阻状态，当电涌到来时，压敏电阻元件呈低阻状态，大部分电涌能量由此回路泄放，此时，spd的限压保护水平可认为是压敏电阻元件的残压值；电涌消失后，压敏电阻元件返回到高阻状态。

另一条回路是由电压限制型元件与发热元件串联而成的吸收电涌脉冲的次通道兼热保护回路，并通过导热端头连接到过热脱离器。当元件完好无电涌时，由于电压限制型元件处于高阻状态，热保护回路只有极小的漏电流流过。当电涌来临时，由于电压限制型元件的导通电压值低于压敏电阻元件的压敏电压值，它们之间的残压差施加在发热元件两端，通过调整电压限制型元件的导通电压值与压敏电阻元件的压敏电压值的差值，以及发热元件在常温下的电阻值，就可以设定吸收电涌脉冲的次通道从主通道的分流比例，使大部分浪涌电流从压敏电阻元件通过，流过热保护回路的小部分浪涌电流则要调整到既要小于不使热保护功能误动作的上限值，又要大于足以影响电压限制型元件的脉冲寿命的下限值。浪涌脉冲消失后，电压限制型元件也将返回到高阻状态。设定电压限制型元件的导通电压值与压敏电阻元件的压敏电压值之间的差值，以及发热元件在常温下的电阻值，使得在电压限制型元件失效前，发热元件不触发热脱离。

本发明的失效机理分析如下：

本发明的浪涌保护器在实际应用时，同一个电涌将会同时施加在电涌吸收的主回路和次回路上，并按预先设定的比例分流。随着工作时间的积累，承受的各种波形的电涌冲击的次数将叠加，主回路中的压敏电阻元件和次回路中的电压限制型元件都将会逐步劣化。由于压敏电阻元件耐受电涌冲击的性能高于电压限制型元件耐受电涌冲击的性能，只要这种性能的差距足够大，能够保证当次回路中的电压限制型元件率先严重劣化或短路失效时，主回路中的压敏电阻元件劣化还不严重，还可以在热保护功能启动时，维持主回路呈高阻状态。这时热保护回路中将有持续的电网电流流过，使回路中的元件发热，并最终使发热元件在居里温度点上方达到热平衡，把电流箝制在较小数值，热量可以从容地从导热端头传导到过热脱离器，温度可以达到居里温度附近，过热脱离器的动作温度设定在低于居里温度处，可以可靠地脱离动作，从而使损坏了的spd脱离电网线路。本技术方案可以使损坏后的spd以这种安全的方式退出电网。由于过热脱离器一般都设置有状态指示器或者电、声、光报警装置，很快就会被发现，维修人员可以方便地进行更换，达到了安全使用的目的，从而大大提高了spd的安全性和可靠性，线路上连接的用电设备失效率也将大幅度减小。

由于主回路中的压敏电阻元件也归类在电压限制型元件中，因此它与次回路中的电压限制型元件具有相同或相近的性能特征，其中也包括相同或相近的脉冲寿命特性图形，比较容易进行选择和匹配。

使用时，所述电压限制型元件的最大连续工作电压值要大于电网电压值，才能确保在没有电涌脉冲时，电压限制型元件处于高阻不导通状态并能够长期工作。由于所述压敏电阻元件的压敏电压值比电压限制型元件的导通电压值还要高，所以，压敏电阻元件的最大连续工作电压值也比电压限制型元件的最大连续工作电压值高，在没有电涌脉冲时，也处于高阻不导通状态。

优选的，所述电压限制型元件的最大交流连续工作电压值大于220v，其能够应用于接入220v工频电网；

或者，所述电压限制型元件的最大交流连续工作电压值大于110v，其能够应用于接入110v工频电网；

或者，所述电压限制型元件的最大交流连续工作电压值大于380v，其能够应用于接入380v工频电网。

优选的，所述发热元件与所述电压限制型元件相互热耦合。

优选的，所述电压限制型元件为压敏电阻器，所述的导通电压值是压敏电阻器的压敏电压值。

优选的，所述电压限制型元件为瞬态抑制二极管，所述的导通电压值是瞬态抑制二极管的击穿电压值。

优选的，所述电压限制型元件为齐纳二极管，所述的导通电压值是齐纳二极管的稳压电压值。

优选的，所述发热元件为正温度系数热敏电阻元件。正温度系数热敏电阻元件是一种典型具有温度敏感性的半导体电阻，超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。

优选的，所述发热元件为呈线性特征的电阻元件，呈线性特征的电阻元件的电流跟电压基本成正比，即其特性方程主要是齐次线性的，并且遵从欧姆定律。呈线性特征的电阻在热保护回路中也可以起到以下作用：一是限流作用，当所述电压限制型元件击穿短路后，呈线性特征的电阻可以将热保护回路中的电流限制在安全值以内，不会造成所述浪涌保护电路短路烧毁；二是发热作用，安全值以内的电流持续通过所述呈线性特征的电阻将会使它升温到使过热脱离器动作，同样可以达到热保护的目的。为达到上述效果，热保护回路的电流值在电压限制型元件短路失效的情况下为几十毫安至几十安培为宜，对应的呈线性特征的电阻元件的电阻值为几千欧姆至几欧姆。

在本发明中，呈线性特征的电阻既包括线性电阻，也允许含有一些非线性成分(该非线性成分要较小，其主要还是体现出欧姆定律特征)，但要求功率要足够大，耐压要足够高，至少要坚持到过热脱离器动作前不能损坏失效。

优选的，所述压敏电阻元件的一个电极面上连接有所述电压限制型元件的一个电极和一个引出端子，所述电压限制型元件的另一个电极面上连接有所述发热元件的一个电极，所述发热元件的另一个电极面上连接有低热阻导热端头和所述压敏电阻元件的另一个电极。

优选的，连接后的所述压敏电阻元件、所述电压限制型元件、所述发热元件除两个引出端子外的其余表面通过绝缘材料封装为一体。

优选的，将连接有所述低热阻导热端头的所述电压限制型元件、所述发热元件的串联支路单独用绝缘材料封装，所述压敏电阻元件也单独用绝缘材料封装，再用连接导线将它们露出绝缘封装层的电极端子并联。这样可以将两个部分分别安装，甚至还可以隔开一小段距离。

优选的，具有导热功能的低热阻导热端头采用铜等导热性能优良的材料，具有足够大的横截面积，并采用焊接等热耦合方式连接在发热源(电压限制型元件或发热元件上)，并且导热端头距发热源的距离要尽量的短，以获得最低的热阻，保证有足够的热量传导到过热脱离器。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明同时设有由压敏电阻元件吸收电涌脉冲的主通道，以及由电压限制型元件、发热元件串联而成的吸收电涌脉冲的次通道兼热保护回路，且两条回路并联，在spd的有效工作期间，两条回路将经受相同次数、相同强度、相同形状的电涌冲击，由于压敏电阻元件和电压限制型元件具有相同或相近的脉冲寿命曲线图形，又可以预先设定它们分别承受电涌能量的比例，可以通过设计确保电压限制型元件先于压敏电阻元件短路失效。在失效情况下，spd的过热脱离器会动作切断电源，使得spd最终以开路模式退出电路，相对于传统的短路模式，极大地提高了spd的安全性，防止了短路击穿时产生的冒烟、拉弧、甚至起火燃烧的恶性事故。同时，过热脱离器上设有的状态指示器或者电、声、光报警装置，使得损坏的spd很快就会被发现，维修人员可以方便地进行更换，达到了安全使用的目的，从而大大提高了spd的安全性和可靠性，线路上连接的用电设备失效率也将大幅度减小。

附图说明：

图1是背景技术所述的改善方案的原理示意图。

图1中标记：1-压敏电阻陶瓷芯片，2-薄铜片电极，3-引出端子，4-弹性金属片，5-低熔点合金。

图2是本发明所述的一种高安全的浪涌保护器的电路示意图。

图3是本发明所述的一种高安全的浪涌保护器的结构示意图。

图4是压敏电阻元件的脉冲寿命图。

图5是电压限制型元件的脉冲寿命图。

图2-图5中标记：1-压敏电阻元件，2-电压限制型元件，3-发热元件，4-低热阻导热端头，5-内部连接线。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图2所示，一种高安全的浪涌保护器，包括压敏电阻元件1、电压限制型元件2、发热元件3和低热阻导热端头4，所述发热元件3与所述电压限制型元件2串联后与压敏电阻元件1并联，形成一个单端口组合电路，其中，所述压敏电阻元件1耐受电涌冲击的性能高于所述电压限制型元件2耐受电涌冲击的性能，所述压敏电阻元件1的压敏电压值大于所述电压限制型元件2的导通电压值；所述单端口组合电路的两个引出端子中有一个为低热阻导热端头4，所述低热阻导热端头4与所述发热元件3相互热耦合。

电压限制型元件2的选择范围较宽，所述电压限制型元件2可以是压敏电阻器，所述的导通电压值是压敏电阻器的压敏电压值；所述电压限制型元件2可以是瞬态抑制二极管，所述的导通电压值是瞬态抑制二极管的击穿电压值；所述电压限制型元件2可以是齐纳二极管，所述的导通电压值是齐纳二极管的稳压电压值。

具体的组装形式可以如图3所示，所述压敏电阻元件1的一个电极面上连接有所述电压限制型元件2的一个电极和一个引出端子，所述电压限制型元件2的另一个电极面上连接有所述发热元件3的一个电极，所述发热元件3的另一个电极面上连接有低热阻导热端头4和所述压敏电阻元件1的另一个电极。

压敏电阻元件1选择两片标称直径40mm的正方形压敏瓷片并联(40k681×2)，该并联方式是本行业为减小安装面积的常用方式，其压敏电压值为680伏，最大放电电流imax为80ka；电压限制型元件2选择标称直径5mm的圆片压敏电阻05k391，压敏电压值为390伏；发热元件3选择正温度系数热敏电阻元件，其为居里温度点180℃，常温阻值3欧姆的瓷片，与其配套的过热脱离器的动作温度为120℃。

元件的选型应遵循这样的思路：

首先参考压敏电阻元件1和电压限制型元件2的脉冲寿命图4和图5，选择实验的脉冲波形，一般选择8/20微秒的波形，也就是脉冲宽度为20微秒的波形，因为它最类似于雷电波形。从图中可以看到，对于电流值较低的中小能量电涌，压敏电阻元件1可以耐受成千上万次冲击，也就是说这种强度的电涌对压敏电阻元件1的脉冲寿命影响有限。对于电流值更高的中大能量电涌，压敏电阻元件1只能耐受几十到几百次，对压敏电阻元件1脉冲寿命的影响就很显著了。而那些极限电涌的冲击，只需要一两次就可以将压敏电阻元件1损坏了。选型时，先要选定电涌脉冲主通道的压敏电阻元件1的耐受能力，以spd有效工作期内可能遭遇的中大能量电涌次数与脉冲寿命图的预期大致相当为宜，例如在担任二级保护的环境中，累计遭受几十上百次20ka左右中大能量电涌冲击的概率就只有少数处于恶劣环境条件下的spd才可能遇到，而遭受40ka以上的极限电涌冲击的可能，就是极小概率的事件了，选择本例中的两片标称直径40mm的压敏瓷片并联，从图4中可以查到，其在20ka电流冲击时的预期寿命为100次以上，就可以使大多数spd在预期寿命内不失效。而作为热保护回路中电压限制型元件2从主回路20ka电流中的分流值，应该对该电压限制型元件的预期寿命影响更大，更少的冲击次数就可以使其率先劣化。查图5可知05k系列压敏电阻可耐受200-300a电流冲击10次以上，因此，选择05k系列压敏电阻器作为电压限制型元件2，当主回路通过20ka电流时次回路相应通过200-300a的电流，就可以预期电压限制型元件2的工作寿命短于压敏电阻元件1的工作寿命。由于压敏电阻的脉冲寿命图是在极限工作环境下的必须达标值，制造商还需要设计参数余量，在实际应用中，优质的产品可能比图表规定的耐受次数多许多倍，但是这并不影响本专利的选择思路。

第二步要选择电压限制型元件2的压敏电压值，考虑到本实施例是应用于220伏交流电网，电压限制型元件2的压敏电压值选择390伏，其最大交流连续工作电压为250伏，大于电网的电压值。其在200-300a时的残压值约为800伏。

第三步要选择压敏电阻元件1的压敏电压值，一般作为二级保护时压敏电阻元件的压敏电压选值为680伏，其在20ka时的残压值约为1500伏。

第四步要选择发热元件3的常温阻值，当施加20ka的实验电流时，发热元件两端的电压差为压敏电阻元件1与电压限制型元件2的残压差，即1500-800＝700v，将发热元件3的常温阻值选为3欧姆，就可以设定此时电涌脉冲次通道的电流值约为230a。通常根据使用环境的情况，用正温度系数热敏电阻作为发热元件3的常温阻值可在零点几欧姆到上百欧姆之间选择。

第五步要验算评估电涌脉冲通过次回路时会不会误触发热脱离，由于电涌脉冲的宽度非常窄，电涌电流230a时发热元件3吸收的能量还不到一焦耳，即使假设次回路的电涌电流可以达到电压限制型元件2的极限耐受值800a，发热元件3吸收的能量也才几个焦耳，这点能量不会使元件明显地发热，更不要说能熔化过热脱离器的低熔点合金了。

由于压敏电阻元件1和电压限制型元件2都选择的是压敏电阻器，从它们的脉冲寿命图可以看出，除了电流耐受值不一样外，它们的图形具有高度的相似性，因此，虽然只是选择了20微秒脉冲宽度和20ka电流强度的电涌脉冲来计算分配比例，其他任意脉冲宽度和能量强度的电涌脉冲也都具有类似的能量分配关系，可以保证在实际应用中电压限制型元件2率先劣化失效并启动热脱离保护功能。

将整套装置连接在220伏工频线路上，并施加in＝20ka的电涌重复冲击，第98次冲击后过热脱离器动作，冷却到常温后测试电压限制型元件2已经击穿短路，而压敏电阻元件1压敏电压值为670伏，变化不大。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，所述发热元件3为呈线性特征的电阻，呈线性特征的电阻的电流跟电压基本成正比，即其特性方程主要是齐次线性的，并且遵从欧姆定律。呈线性特征的电阻在热保护回路中也可以起到以下作用：一是限流作用，当所述电压限制型元件2击穿短路后，呈线性特征的电阻可以将热保护回路中的电流限制在安全值以内，不会造成所述浪涌保护电路短路烧毁；二是发热作用，安全值以内的电流持续通过所述呈线性特征的电阻将会使它升温到使过热脱离器动作，同样可以达到热保护的目的。为达到上述效果，热保护回路的电流值在电压限制型元件2短路失效的情况下为几十毫安至几十安培为宜，对应的呈线性特征的电阻的电阻值为几千欧姆至几欧姆。

在本发明中，呈线性特征的电阻既包括线性电阻，也允许含有一些非线性成分(该非线性成分要较小，其主要还是体现出欧姆定律特征)，但要求功率要足够大，耐压要足够高，至少要坚持到过热脱离器动作前不能损坏失效。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。