气体放电管基础知识

2.1 气体放电管 2.1.1 简介 气体放电管是在放电间隙内充入适当的气体介质，配以高活性的电子发射材料及放电引燃机构，通过银铜焊料高温封接而制成的一种特殊的金属陶瓷结构的气体放电器件。它主要用于瞬时过电压保护，也可作为点火开关。在正常情况下，放电管因其特有的高阻抗(>1000MΩ)及低电容 (<2pF)特性，在它作为保护元件接入线路中时，对线路的正常工作几乎没有任何不利的影响。当有害的瞬时过电压窜入时，放电管首先被击穿放电，其阻抗迅速下降，几乎呈短路状态，此时，放电管将有害的电流通过地线或回路泄放，同时将电压限制在较低的水平，消除了有害的瞬时过电压和过电流，从而保护了线路及元件。当过电压消失后，放电管又迅速恢复到高阻抗状态，线路继续正常工作。 气体放电管是一种间隙式的防雷保护元件，它在通信系统的防雷保护中已获得了广泛应用。放电管常用于多级保护电路中的第一级或前两级，起泄放雷电暂态过电流和限制过电压作用。由于放电管的极间绝缘电阻很大，寄生电容很小，对高频电子线路的雷电防护具有明显的优势。 气体放电管的基本特点是：通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小。但残压高，反应时间慢(≤100ns)，动作电压精度较低，有续流现象。 Figure 1气体放电外观图 2.1.2 气体放电的伏安特性 气体放电管的伏安特性通常与管子的哪些电极间施加什么极性的电压没有关系。现以一个直流放电电压为150V的二极放电管为例，来说明放电管伏安特性的基本特征。下图是按电子元件伏安特性的惯用画法，即以电压为自便量，画作横坐标；以电流为应变量，画作纵坐标。由于电流的范围很大，其变化常达几个数量级，所以电流用对数坐标表示。 如图所示的伏安特性上，当逐渐增加两电极间的电压时，放电管在A点放电，A点的电压称为放电管的直流放电电压。在A到B之间的这段伏安特性上，其斜率（即动态电阻du/di）是负的，称为负阻区。如果200V的直流电压源经1MΩ的电阻加到放电管上，放电管即工作在此区间，这时的放电具有闪变特征。BC段为正常辉光放电区，在此区间内电压基本不随电流而变，当辉光覆盖整个阴极表面时，电流再增加，电压也不增加。CD段称为异常辉光放电区。直流放电电压为90V~300V放电管，其辉光放电区BD的最大电流一般在0.2A～1.5A之间。当电流增加到足够大时放电E点突然进入电弧放电区，即使是同一个放电管，放电由辉光转入电弧时的电流值也是不能精确重复的。在电弧放电时，处在电场中加速了的正离子轰击阴极表面，阴极材料被溅射到管壁上，阴极被烧蚀，使间隙距离增加，管壁绝缘变坏。在采用合适的材料后，放电管可以做到导通10KA、8/20μs电流数百次。在电弧区，放电管两端的电压基本上与通过的电流无关，在管内充以不同的惰性气体并具有不同的电压电弧压降常在10V～30V。管子工作在电弧区就可以将电压箝制在较低的水平，从而达到过电压保护的目的。当电流下降到比开始燃弧（E点）的数值低的电弧熄灭电流值（F点）时，放电由电弧转为辉光，电弧熄灭电流通常在0.1A～0.5A。 Figure 1气体放电管的伏安特性曲线 按照过电压保护的要求，在过电压作用下放电后，放电管应能自动恢复到非导通状态，否则在电弧区的续流可能会烧坏管子，甚至使通过续流的导线或电源也受到损坏。在辉光区，毫安级的续流长期流过，也会使放电管损坏。因此，系统中加在放电管两端的系统正常运行电压应低于维持放电的电压。在一般信号电路中，电源内阻较大，维持放电的电压是维持辉光放电的电压。在试验时，将直流电源与放电管之间串联5KΩ电阻，慢慢升压使放电管动作，然后再慢慢降低电压，测出放电管停止放电时的电压。例如，测得直流放电电压为350V的放电管维持放电电压为68V～184V。实际上，随着放电管品种的不同，其维持放电电压值的差异是比较大的。在被放电管保护的系统中，只要直流电源电压低于维护放电电压或交流电源电压的幅值低于管子的直流放电电压，过电压过去后就不会有续流，但在某些情况下可能会在电弧区产生续流，对此需要采取限流措施。 2.1.3 气体放电管结构 早期的放电管是以玻璃作为管子的封装外壳，现已改用陶瓷作为封装外壳，放电管内充入电气性能稳定的惰性气体（如氩气和氖气等），放电电极一般为两个、三个或五个，电极之间由惰性气体隔开。按电极个数的设置来划分，放电管可分为二极、三极和五极放电管。 气体放电管的内部结构如图所示。对于两极放电管来说，它由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。管内放电电极上涂敷有放射性氧化物，管内内壁也涂敷有放射性元素，用于改善放电特性。放电电极主要有针形和杯形两种结构，在针形电极的放电管中，电极与管体壁之间还要加装一个圆筒热屏，该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀，不致出现局部过热而引起管断裂。热屏内也涂敷放射性氧化物，以进一步减小放电分散性。在杯形电极的放电管中，杯口处装有钼网，杯内装有铯元素，其作用也是减小放电分散性。 对于三级放电管，它也是由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。与二极放电管不同，在三极放电管中增加了镍铬钴合金圆筒，作为第三电极，即接地电极。五极放电管的主要部件与二、三极放电管基本相同，它具有较好的放电对称性，可适合于多线路的保护。 Figure 1气体放电管的组成 Figure 1二极气体放电管的结构 Figure 1三极气体放电管的结构 2.1.4 气体放电管工作原理 下图描述了放电管的放电过程。电压上升到击穿电压Vs值期间，实际上没有电流流过，着火后电压降至辉光状态电压量级Vgl(70~150伏，电流从几百毫安至1.5安培据管型而定）。随着电流的进一步增加，跃变到弧光状态A。在这种状态下，弧光电压极低，一般为10~35伏，在很宽的范围实际与电流无关。随着过电压降低（即波形第二半周），通过放电管的电流相应降到维持弧光状态所需的最小值（此10mA至100mA，据管型而定）以下，从而，必定停止弧光放电，通过辉光状态后，放电管在电压Ve处熄灭。 Figure 1气体放电管的特性曲线 气体放电管的微观过程如图所示。 Figure 1气体放电管的微观过程 1) 汤生放电 气体放电分为两大类：非自持放电和自持放电。 A. 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； B. 自持放电是指去掉外致电离源的情况下放电仍能维持的现象 放电从非自持过渡到自持的现象称为气体击穿。这种放电现象与理论是本世纪初由科学家汤生提出的。 Figure 1汤生放电的伏安特性 A. 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)。 B. 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。 C. 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。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) 帕邢定律和潘宁效应 试验证明，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(帕邢定律)。 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。 3) 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。 辉光放电很明显分为以下几个区域： A. 阴极位降区：阴极与a之间，这里有很大的电场强度。 B. 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。 C. 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。 D. 正柱区：cd之间，这里电场强度为常数。 E. 阳极辉区：阳极附近的发光区。 Figure 1辉光放电的区域 4) 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。 A. 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。 B. 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。 C. 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。 Figure 1弧光放电中电位的轴向分布 5) 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。 Figure 1氮气放电的辉光-弧光过渡 2.1.5 气体放电管参数特性 1) 直流击穿电压（Vs） 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。由于放电具有分散性，围绕着这个平均值还需要同时给出允许的偏差上限和下限值。 Figure 1气体放电管直流击穿电压 2) 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。 由于放电管的响应时间或动作时延与电压脉冲的上升陡度有关，对于不同的上升陡度，放电管的冲击放电电压是不相同的。一些制造厂通常是给出在上升陡度为1KV/μs的冲击放电电压值，实际上，出于一般应用的考虑，还应给出放电管在100V/μs、500V/μs、1KV/μs、5KV/μs和10KV/μs等不同上升陡度下的冲击放电电压，以尽量包括在各种保护应用环境中可能遇到的暂态过电压上升陡度范围 Figure 1气体放电管的冲击击穿电压 Figure 1气体放电管的典型反应模式 3) 响应时间 在具有一定波头上升陡度（陡度du/dt在1KV/μs以上）的暂态过电压作用下，当放电管上电压上升到其直流放电电压值时，管子并不能立即放电，而是要等到管子上电压上升到一个比直流放电电压值高出很多的数值时，管子才会放电，也就是说，从暂态过电压开始作用于放电管两端的时刻到管子实际放电时刻之间有一个延迟时间，该时间即称为响应时间。响应时间有两部分组成：一是管子中随机产生初始电子-离子对带电粒子所需要的时间，即统计时延；二是初始带电粒子形成电子崩所需要的时间，即形成时延。 为了测得放电管的响应时间，常用一个具有固定波头上升陡度du/dt的电压源加于放电管上来测取响应时间值，试验表明，在陡度du/dt大于0.5KV/μs时，所测出的放电管实际放电电压明显高于其直流放电电压。在给定陡度du/dt下，测出放电管的实际放电电压后，其响应时间可按下式来推算： 上式中Δt为响应时间，ufr为放电管的实际放电电压。 下图给出了直流放电电压分别为150V、230V、350V和470V等几种放电管的ufr –Δt关系曲线，由该图可见，响应时间Δt随波头上升陡度du/dt的增大而减小，且管子的直流放电电压越高，它在不同陡度下的实际放电电压也就越高。 Figure 1气体放电管的相应时间 4) 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。 在放电管的不断使用过程中，绝缘电阻值将会降低。阻值的降低会造成在被保护系统正常运行时管子中泄漏电流的增大，也有可能产生噪音干扰。 5) 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。 6) 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。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 7) 工频耐受电流 放电管通过工频电流5次，使管子的直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大电流称为其工频耐受电流。当应用于一些交流供电线路或易于受到供电线路感应作用的通讯线路时，应注意放电管的工频耐受问题。经验表明，感应工频电流较小，一般不大于5A，但其持续时间却很长；供电线路上的过电流很大，可高达数百安培，但由于继电保护装置的动作，其持续时间却很短，一般不超过5s。 8) 冲击耐受电流 将放电管通过规定波形和规定次数的脉冲电流，使其直流放电电压和绝缘电阻不会发生明显变化的最大值电流峰值称为管子的冲击耐受电流。这一参数总是在一定波形和一定通流次数下给出的，制造厂常给出在8/20μs波形下通流10次的冲击耐受电流，也有给出在10/1000μs波形下通流300次的冲击耐受电流。 9) 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。 Figure 1气体放电管的续流能力 10) 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。 Figure 1三极气体放电管的连接示意图 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）。 三极管保护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。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，即: 1000V/us*200ns=200V.也就是说横向电压要小于200V。 2.1.6 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。 1) 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。 2) 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。 Figure 1二极管以及三极管耐交流电流能力试验图 2.1.7 限压防护 一端口和二端口电子系统的放电管保护电路如图5所示，这里的图5（b）采用的是二极放电管，而图5（c）采用的是三极放电管，通过设置这些放电管来抑制各端钮处可能出现的共模和差模过电压。由图5可见，对于一端口电子系统的保护，采用二极放电管需要用两只，而采用三极放电管则仅需要一只。同样，对于二端口电子系统的保护，采用二极放电管需要用四只，而采用三极放电管则仅需要两只（如果采用五极放电管则只需一只）。一般的说，在同样的保护场合下，采用三极放电管将比采用二极放电管既能减小保护电路的体积，又能改善保护效果。现就二极与三极放电管的保护性能加以比较，考察图6所示的典型二极放电管保护接线。在共模过电压u作用下，两个放电管G1和G2的动作特性不能保证完全一样，两者之间必然存在着一定的放电分散性，这就使得G1和G2不能保持在同一时刻放电。假设G1在t1时刻放电，G2在t2时刻放电，如图7中阴影面积I所示。同样，G1在G2的灭弧时刻也不尽相同，假设G1在t3时刻灭弧，而G2要到t4时刻才灭弧，这样在t3~t4时间间隔内，A、B两线端之间将再次出现差模过电压，见图7中的阴影面积Ⅱ。这些差模过电压作用于被保护的电子系统，将会干扰系统的正常运行，严重时将危及系统的安全。产生这种差模过电压的根本原因在于这两只二极放电管的特性不一致性，为了克服这一缺陷，可采用一只三极放电管来取代原先的两只二极放电管，其保护接线如图8所示。 从结构上看，三极放电管实际上可以看作是由一双二极放电管组成，当暂态过电压同时作用于A、B两线 时，如果A-G极间首先放电，则此时在管子内部由气体游离所产生的自由电子会迅速在B-G极间引起碰撞游离，使B-G很快放电，这就大大减小了两对极间的放电分散性。另外，当其中一对电极间（如A-G）截止放电后，由于大量带电粒子（电子和离子）的复合作用，使管内的电子数量将大大减小，从而会迅速地抑制另一对电极（如B-G）间的碰撞游离，使该对极间的放电过程很快截止下来，这也就大大减小了两对极间的截断分散性。 如果应用于差模暂态过电压保护场合，在图6中，当两只放电管G1和G2在差模过电压作用下动作放电后，被保护电子设备上将承受G1和G2两只管子的残压之和，对于一些脆弱的电子设备来说，常难以耐受这一残压和，因此需要在AB之间再接一只放电管，以专用于抑制差模过电压。实际上，在图8中，共模过电压向差模过电压的转化虽能得到有效限制，但该保护接线对于直接抑制差模过电压也无明显优势，因为三极放电管在差模过电压作用下放电后，被保护电子系统承受的仍是两电极对地之间的残压之和，这一电压有可能使被保护电子设备耐受不了而造成设备损坏。另外，在图6和8中，接地连线的长短对限压效果也有一定的影响。如果接地连线较长，则连线的电阻和寄生电感值也就比较可观，当放电管放电导通后，暂态大电流流过连线时将在连线上产生较大的暂态压降。例如一段长为5.5m的接地连线，其电阻约为0.05Ω，其寄生电感约为7μH，当幅值为200A，陡度为150A/μs的暂态电流流过该段连线时，能够在连线上产生1060V的压降。这一暂态压降将引起局部地（G）的暂态电位抬高，造成被保护电子设备与邻近的那些不与该接地相连的电子设备之间出现高电位差，容易导致反击。因此，接地连线应尽量具有较短长度，以减小连接线上的暂态压降，同时接地连线应具有足够大的通流容量，即具有足够大的导线截面，以泄放暂态大电流。 在应用放电管抑制雷电暂态过电压的保护设计中，常需要估计应用环境中的暂态过电压上升陡度，如果这种估计难以进行，可选用经验数值。对于无屏蔽通信或信号线路保护，可取陡度为500V/μs；对于屏蔽通信或信号线路保护，可取陡度为100V/μs。 Figure 1气体放电管限压保护 工作于保护电路中的放电管在受到机械碰撞、超耐受的暂态过电压多次冲击以及其内部出现锈蚀后，将会发生故障，故障模式常有两种：第一种故障模式对暂态过电压虽不失保护作用，但它将严重影响被保护电子系统的正常运行，由于这种故障模式接近于短路，它很容易被发现或探测出来。第二种是呈现出高放电电压状态，这种故障模式虽不会影响到被保护电子系统的正常运行，但会使系统完全失去保护。因此，从安全角度来看，这第二种故障模式要比第一种更具有危害性。 2.1.8 气体放电管的使用选择 在设计防雷保护电路时，放电管的选用常采用经验作法，经验作法就是先根据放电管在被保护系统中的工作状况来选择管子的直流放电电压。 对于设置在普通交流线路上的放电管，要求它在线路正常运行电压及其允许的波动范围内不能动作，则它的直流放电电压应满足： 上式中的ufdc为直流放电电压，min(ufdc)表示取直流放电电压的下限值，Up为线路正常运行电压的峰值，1.15系数是考虑系统运行电压可能出现的最大允许波动为15％，1.25系数是在线路运行电压波动的基础上再追加25％的安全裕度。取放电管直流放电电压的允许偏差为0.2，则有： min(ufdc)＝（1-0.2）ufdc＝0.8ufdc 由上述两个式子可得放电管的直流放电电压： ufdc≥ Up ≈1.8 Up 对于设置在直流线路上的放电管，要求其直流放电电压应满足下式：Ufdc≥1.8Uw。 上式中Uw为线路正常工作直流电压。 从不影响被保护系统正常运行的要求出发，希望将放电管的直流放电电压选得高一些。但直流放电电压高的管子其冲击放电电压也相应提高，有可能超过被保护电子设备的耐受水平，而使设备受到损害。从被保护电子设备的可耐受性来看，又希望管子的直流放电电压应尽量选得低一些。因此，放电管直流放电电压应在这两种相互制约的要求之间进行折衷选择。 在初步选定了放电管的直流放电电压后，最好应根据被保护系统所在的具体雷电暂态环境及系统的电路网络，预计放电管可能会遇到的苛刻过电压与过电流条件，估算放电管的冲击放电电压，并使该电压低于被保护电子设备的耐受水平，另外还要大致地校核一下管子的冲击耐受能力，必要时还需校核管子的工频耐受能力。 2.1.9 典型保护原理与应用 产生过电压和浪涌电流的因素主要包括： A. 大气层放电（雷电） B. 电源线的通断所感应 C. 通信线路与电源线的直接接触 D. 静电放电 Figure 1产生过电压和浪涌电流的因素 气体放电管的典型应用场景如图所示。 Figure 1气体放电管的典型连接方式 Figure 1气体放电管的典型应用场景 2.1.10 参考资料 A. 百度文库：《气体放电管结构与参数》 B. 百度文库：《陶瓷气体放电管特性及应用》 C. 百度文库：《气体放电管简介》