一种防雷过压保护器件的制作方法

本实用新型涉及电源领域，特别涉及一种防雷过压保护器件。

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。

改善方案一是最常用的方法，具体原理图见附图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，此时它的击穿短路速度也是太快，过热脱离器来不及响应动作而起不到保护作用。

改善方案二是申请号为201310268111.6的中国实用新型专利，其原理图见附图2，将正温度系数陶瓷热敏电阻片12与气体放电管13并联后再与压敏电阻片11串联，并且热敏电阻片12与压敏电阻片11焊在一起形成热耦合，引出端 14和引出端15并联在被保护电源线路上，焊接引线后采用环氧树脂包封、固化，形成封装层16。其特点是当压敏电阻片11劣化到漏电流显著增大开始发热进入加速劣化区后，发热温度耦合到正温度系数陶瓷热敏电阻片12，使其受热后阻值上升，减少了流入压敏电阻片11的漏电流，起到了延长劣化时间的作用，并且压敏电阻片11的发热温度达到热敏电阻片12的居里温度点后，正温度系数陶瓷热敏电阻片12变为高阻状态，限制了漏电流的增大，强制压敏电阻片11 在居里温度点附近达到热平衡，压敏电阻片11可以带病在电网工作电压下维持工作。

但是该方案仍然存在一些严重的缺陷，首先是由于正温度系数陶瓷热敏电阻片12的限流作用，压敏电阻片11劣化得再厉害，发热温度也只维持在热敏电阻片12的居里点温度附近，不会脱离电网退出工作，直到压敏电阻片12的压敏电压值劣化降低到电网工作电压峰值的约二分之一时，当又一个电涌冲击将串联的放电管导通后，过低的压敏电压值箝不断跟随的电网电流，致使气体放电管13返回不了断开状态，就会将热敏电阻片12短路，保护电路失效，此时压敏电阻片11将立即击穿短路，造成严重的短路故障。理论上讲，如果没有其它的防护措施，大部分压敏电阻都会以这种方式失效。另外一种失效过程与方案一的情况类同，即当压敏电阻片11劣化到一定程度，即使还没有进入加速劣化区，但因其内部结构已经被严重破坏，其耐受电涌冲击的能力已经大幅度下降，此时一个电涌就可以将其击穿或接近击穿，而此时气体放电管13也处于导通状态，击穿或接近击穿的压敏电阻片11同样也丧失了箝断电网跟随电流的能力，导致热敏电阻片12保护电路失效，造成严重的短路故障。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种防雷过压保护器件。

为了实现上述发明目的，本实用新型提供了以下技术方案：

一种防雷过压保护器件，包括第一压敏电阻片、第二压敏电阻片、正温度系数热敏电阻片、气体放电管和引出端子，所述气体放电管与所述第一压敏电阻片串联后与所述正温度系数热敏电阻片并联，该串并联支路再与所述第二压敏电阻片串联，形成一个单端口组合电路，其中，所述第一压敏电阻片和气体放电管耐受电涌冲击的性能均高于所述第二压敏电阻片耐受电涌冲击的性能；

所述单端口组合电路的两个引出端子中至少有一个为低热阻导热端头，所述第二压敏电阻片与所述正温度系数热敏电阻片热耦合，所述低热阻导热端头与所述第二压敏电阻片、所述正温度系数热敏电阻片中的其中一个或两个同时相互热耦合。使用时，在所述低热阻导热端头连接过热脱离器，所述正温度系数热敏电阻片的居里温度点高于所述过热脱离器的动作温度。

本实用新型的工作原理分析如下：

由第一压敏电阻片、气体放电管、第二压敏电阻片组成的串联回路是吸收电涌脉冲的主通道，当没有电涌脉冲时压敏电阻均处于高阻状态，气体放电管处于断开状态，该支路呈开路状态。电涌到来时，压敏电阻均呈低阻状态，气体放电管呈导通状态，电涌能量由此回路泄放。此时，气体放电管上的压降非常低可忽略不计，SPD的限压保护水平可认为是第一压敏电阻片的残压值与第二压敏电阻片的残压值之和。电涌消失后，压敏电阻片均回到高阻状态，箝断了放电管的续流，使放电管回到断开状态。为了确保电涌通道中的元器件劣化要从第二压敏电阻片开始，在耐受电涌冲击能力选择上，应遵循第一压敏电阻片和气体放电管的耐受能力大于第二压敏电阻片的原则，以达到当第二压敏电阻片已经显著劣化，开始启动热保护回路时，第一压敏电阻片和放电管还基本完好的目的。

另一条回路是由第二压敏电阻片与正温度系数热敏电阻片串联而成的热保护支路，并通过导热端头连接到过热脱离器。当元件完好无电涌时，由于处于高阻不导通状态，流过第二压敏电阻片的漏电流极小(微安级)，保护支路不发热。即使当电涌来临时，由于正温度系数热敏电阻片在常温下仍有几十到几百欧姆的阻值，而与其并联的第一压敏电阻片与气体放电管的串联支路在吸收电涌导通状态下其动态电阻可低至零点几欧姆，绝大部份浪涌电流从这个支路通过。并且正温度系数热敏电阻片两端的电压还被限制在第一压敏电阻片的残压值，流过热敏电阻的浪涌电流在此条件下最多也就是安倍级，在很短的时间内热敏电阻产生的热量极小而电涌就消失了，保护支路会因发热微弱而不动作。

本实用新型的失效机理分析如下：

当第二压敏电阻片劣化到漏电流达到毫安级进入加速劣化区后，由耦合到的第二压敏电阻片产生的热量和增大的漏电流引起的发热，促使正温度系数热敏电阻片的阻值上升，并最终在居里温度点上方达到热平衡，把漏电流箝制在较小数值，使得第二压敏电阻片的劣化进程得以拉长。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低于居里温度处，可以可靠地脱离动作，从而使劣化了的SPD脱离电网线路。本技术方案可以使大部份劣化后的SPD以这种安全的方式退出电网。

对于那些并不少见的特殊情况，即当第二压敏电阻片劣化到一定程度或者已经处于加速劣化区时，此时它的抗电涌冲击能力已经大幅下降，一个能量较强的电涌就可以把它直接击穿或者接近击穿。当电涌消失后，由于耐电涌冲击能力比它强而基本完好的第一压敏电阻片仍然能够箝断放电管的跟随电流，气体放电管仍可以返回断开状态，此时电网工作电压仍然将施加在正温度系数热敏电阻片两端，它仍然能发热到居里温度点并使过热脱离器动作，过热脱离器就会动作切断电源，使损坏的SPD安全地退出电网。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。

需要说明的是，在热保护支路中，所述第二压敏电阻片与所述正温度系数热敏电阻片并不一定要形成热耦合，在选取合适的元件参数后，所述第二压敏电阻片或所述正温度系数热敏电阻片单独产生的热量以及增大的漏电流引起的发热，同样可促使过热脱离器动作，也可以达到本实用新型的发明目的。

进一步地，所述正温度系数热敏电阻片能够替换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支路中也可以起到以下作用：一是限流作用，当所述第二压敏电阻片加速劣化甚至击穿短路后，呈线性特征的电阻可以将热保护支路中的电流限制在安全值以内，不会造成所述防雷过压保护器件短路烧毁；二是发热作用，安全值以内的电流持续通过所述第二压敏电阻片和呈线性特征的电阻将会使它们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，热保护支路的电流值在最不利的情况下(第二压敏电阻片击穿短路)为几十毫安至几安培为宜，对应的呈线性特征的电阻的电阻值为几千欧姆至几十欧姆。

在本实用新型中，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，所述第一压敏电阻片的第一压敏电阻片电极面面积大于所述第二压敏电阻片的第二压敏电阻片电极面面积。衡量压敏电阻片耐受电涌冲击能力有多项技术指标，最主要有：冲击电流Iimp，电流波形为10/350μs；最大放电电流Imax，电流波形为8/20μs；能量耐量，电流波形为2ms方波；电流冲击稳定性，就是以8/20μs波形标称放电电流In重复冲击所能耐受的次数等。相同几何尺寸下，通过调整瓷料配方或工艺参数可以优化其中一项或多项参数指标，但要全面提升还是比较困难。但是这些技术指标都是与压敏电阻片电极的面积成正比，因此，相同工艺条件下只要加大第一压敏电阻片电极的面积，就可以确保耐受电涌冲击能力全面超过第二压敏电阻片。

优选的，所述第一压敏电阻片的标称直径至少大于所述第二压敏电阻片的标称直径一个序列号。由于相邻序列号的直径比约为1.25倍，它们耐受电涌冲击能力的参数差别约为1.5倍，只要将第二压敏电阻片设计成与应用环境相匹配，那么第一压敏电阻片就属于冗余设计，其失效率将比第二压敏电阻片呈数量级减少，就可以保证让第二压敏电阻片先劣化。

优选的，所述第一压敏电阻片的压敏电压值是所接入的电网工作电压峰值的0.5至1倍。可以保证在第二压敏电阻片彻底击穿短路的情况下，仅靠第一压敏电阻片也可以将放电管的跟随电流箝断，使放电管返回断开状态，提高单端口组合电路的安全性。当第一压敏电阻片的压敏电压值选得过低时，不能保证在此情况下可靠地箝断放电管的跟随电流；选得过高时，会提高单端口过压保护器件的限制电压指标，影响保护水平。

具体的，当接入220V电网时，所述第一压敏电阻片的压敏电压值为 156V-311V；当接入110V电网时，所述第一压敏电阻片的压敏电压值为78V-156V；当接入380V电网时，所述第一压敏电阻片的压敏电压值为269V-537V。

优选的，所述第二压敏电阻片的一个第二压敏电阻片电极面上焊接连接有正温度系数热敏电阻片和气体放电管，所述正温度系数热敏电阻片和气体放电管的另一个电极上分别连接有所述第一压敏电阻片的两个电极面，所述第二压敏电阻片和/或所述正温度系数热敏电阻片上还焊接有低热阻导热端头，以实现元件的热耦合。元件的连接优先选择电极面之间直接焊接，尽量少用内部连接引线或导电支架。

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(压敏电阻片或正温度系数热敏电阻片上)，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。

优选的，所述第二压敏电阻片、正温度系数热敏电阻片、气体放电管、第一压敏电阻片封装为一体。

优选的，所述第一压敏电阻片由两片同尺寸压敏瓷片并联形成。

优选的，所述第一压敏电阻片和气体放电管的耐冲击电流额定值均高于所述第二压敏电阻片的耐冲击电流额定值。

本实用新型还公开了一种防雷过压保护器件，包括第一压敏电阻片、第二压敏电阻片、正温度系数热敏电阻片、气体放电管和引出端子，所述气体放电管与所述第一压敏电阻片串联后与所述正温度系数热敏电阻片并联，该串并联支路再与所述第二压敏电阻片串联，形成一个单端口组合电路，其中，所述第一压敏电阻片和气体放电管耐受电涌冲击的性能均高于所述第二压敏电阻片耐受电涌冲击的性能；

所述单端口组合电路的两个引出端子中至少有一个为低热阻导热端头，所述低热阻导热端头与所述第二压敏电阻片、所述正温度系数热敏电阻片中的其中一个或两个同时相互热耦合。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型同时设有由第一压敏电阻片、气体放电管、第二压敏电阻片串联组成的吸收电涌脉冲的主通道，以及由第二压敏电阻片与正温度系数热敏电阻片串联而成的热保护支路，且两条支路并联。在常规失效情况和特殊失效情况下，SPD的过热脱离器均会动作切断电源，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一的原理示意图。

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是背景技术所述的改善方案二的原理示意图。

图2中标记：11-压敏电阻片，12-热敏电阻片，13-气体放电管，14-引出端，15-引出端，16-封装层。

图3是本实用新型所述的一种防雷过压保护器件的原理示意图。

图4是本实用新型实施例1所述的一种防雷过压保护器件的零件图。

图5是本实用新型实施例1所述的一种防雷过压保护器件的组装图。

图6是本实用新型实施例2所述的一种防雷过压保护器件的零件图。

图7是本实用新型实施例2所述的一种防雷过压保护器件的组装图。

图3-图7中标记：1-第二压敏电阻片，11-第二压敏电阻片电极面，2-正温度系数热敏电阻片，3-气体放电管，4-第一压敏电阻片，41-第一压敏电阻片电极面，5-引出端子，6-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实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

实施例1

如图3-图5所示，一种防雷过压保护器件，包括第一压敏电阻片4、第二压敏电阻片1、正温度系数热敏电阻片2、气体放电管3和引出端子5，所述气体放电管3与所述第一压敏电阻片4串联后与所述正温度系数热敏电阻片2并联，该串并联支路再与所述第二压敏电阻片1串联，形成一个单端口组合电路，其中，所述第一压敏电阻片4和气体放电管3耐受电涌冲击的性能均高于所述第二压敏电阻片1耐受电涌冲击的性能。

所述单端口组合电路的两个引出端子5中至少有一个为低热阻导热端头，所述第二压敏电阻片1与所述正温度系数热敏电阻片2热耦合，所述低热阻导热端头与所述第二压敏电阻片1热耦合，且所述低热阻导热端头与所述正温度系数热敏电阻片2热耦合。使用时，在所述低热阻导热端头连接过热脱离器，所述正温度系数热敏电阻片2的居里温度点高于所述过热脱离器的动作温度。

所述第一压敏电阻片4的第一压敏电阻片电极面41面积大于所述第二压敏电阻片1的第二压敏电阻片电极面11面积，所述第一压敏电阻片4的标称直径至少大于所述第二压敏电阻片1的标称直径一个序列号，所述第一压敏电阻片4 的压敏电压值是所接入的电网工作电压峰值的0.5至1倍。

具体的组装方式为：

第一压敏电阻片4选择标称直径50mm的长方形压敏瓷片50k201、压敏电压为200伏，最大放电电流Imax为60KA。第二压敏电阻片1选择标称直径40mm 的正方形压敏瓷片40k391，压敏电压为390伏，最大放电电流Imax为40KA。气体放电管3的最大放电电流Imax为50KA，脉冲击穿电压450伏。正温度系数热敏电阻2选择居里温度点160℃，常温阻值150欧姆，直径12mm的圆片。该参数选择适合在220伏工频电网中工作，与其配套的过热脱离器的动作温度为 120℃。

所述第二压敏电阻片1的一个第二压敏电阻片电极面11上焊接连接有正温度系数热敏电阻片2和气体放电管3，所述正温度系数热敏电阻片2的另一个电极通过内部连接线6连接有所述第一压敏电阻片4的一个第一压敏电阻片电极面41，所述气体放电管3的另一个电极焊接连接有所述第一压敏电阻片4的另一个第一压敏电阻片电极面41。所述第二压敏电阻片1和/或所述正温度系数热敏电阻片2上还焊接有低热阻导热端头，所述低热阻导热端头上用低熔点合金焊接一片弹性金属片形成过热脱离器。所述第二压敏电阻片1、正温度系数热敏电阻片2、气体放电管3、第一压敏电阻片4封装为一体。

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86次冲击后过热脱离器动作，冷却到常温后测试第二压敏电阻片1的压敏电压值已经劣化到224伏，而第一压敏电阻片4仍为195伏，基本维持不变。

实施例2

如图6-图7所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述第一压敏电阻片4由两片标称直径40mm的正方形压敏瓷片(40K201x2)并联形成，并联后等效替代以减小安装面积，该并联方式为本行业为减小安装面积而采用的常规方式，第一压敏电阻片4电压为200伏，最大放电电流Imax为80KA。第二压敏电阻片1选择标称直径40mm的正方形压敏瓷片40K391，压敏电压为390伏，最大放电电流Imax为40KA。气体放电管3的最大放电电流Imax为50KA，脉冲击穿电压450伏。正温度系数热敏电阻2选择居里温度点160℃，常温阻值150欧姆，直径12mm的圆片。该参考选择适合在220伏工频电网中工作，与其配套的过热脱离器的动作温度为120℃。

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101次冲击后过热脱离器动作，冷却到常温后测试第二压敏电阻片1的压敏电压值已经劣化到256伏，而第一压电阻片4仍为200伏，维持不变。

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