EMC調(diào)試工具（五）：氣體放電管

來源：風(fēng)陵渡口話EMC 更新時(shí)間：2024-07-20 閱讀：

氣體放電管（GDT）是雷擊浪涌防護(hù)中應(yīng)用非常廣泛的一種開關(guān)器件，是一種間隙型的防雷保護(hù)組件，無論是交直流電源的還是各種信號(hào)電路的防雷，都可以用它來將雷擊電流泄放流入大地。

圖1: 常用氣體放電管

01、氣體放電管（GDT）工作原理

氣體放電管（GDT）的工作原理是氣體間隙放電，當(dāng)在放電管的兩極間施加一定的電壓，便在極間產(chǎn)生不均勻的電場(chǎng)，在電場(chǎng)作用下，氣體開始游離，當(dāng)外電壓達(dá)到極間場(chǎng)強(qiáng)超過惰性氣體的絕緣強(qiáng)度時(shí)，兩電極之間的間隙擊穿產(chǎn)生電弧，氣體電離，產(chǎn)生"負(fù)阻特性"，從而由絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)為導(dǎo)電狀態(tài)，氣體放電管兩端電壓迅速下降，放電電流開始上升，兩電極導(dǎo)通，導(dǎo)通后氣體放電管兩極之間的電壓維持在放電電弧所決定的殘壓水平，殘壓通常很低，從而使得與放電管并聯(lián)的電子設(shè)備免受過壓損壞。

導(dǎo)通后，當(dāng)外界流過氣體放電管的電流降低到維持電弧所需的最小電流值以下，電弧中斷而熄弧，氣體放電管恢復(fù)到阻斷狀態(tài)。

02、氣體放電管（GDT）基本結(jié)構(gòu)

氣體放電管有的是以玻璃作為管子的封裝外殼，也有的用陶瓷作為封裝外殼，放電管內(nèi)充入電氣穩(wěn)定的惰性氣體（氖氣或氬氣），常用氣體放電管一般分為兩個(gè)、三個(gè)，電極之間用氣體隔開，按電極個(gè)數(shù)的設(shè)置來劃分，放電管可分為二極、三極放電管。

氣體放電管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，它主要由純鐵電極、鎳鉻鈷合金帽、銀銅焊帽和陶瓷管體等主要部件構(gòu)成。管內(nèi)放電電極上涂覆有放射性氧化物，管體內(nèi)壁也涂覆有放射性元素，用于改善放電特性。放電電極主要有桿形和杯形兩種結(jié)構(gòu)，桿形電極的放電管中，電極與管體壁之間還要加裝一個(gè)圓形熱屏，該熱屏可以使陶瓷管體受熱趨于均勻，不致出現(xiàn)局部過熱而引起管斷裂。

為保證氣體放電管能快速地將浪涌電壓限制在低電位，在陶瓷絕緣管內(nèi)表面制作導(dǎo)電帶，通過作用電場(chǎng)來加速放電區(qū)域的電離，使氣體放電管具有快速響應(yīng)特性和可恢復(fù)性。

圖2: 兩電極氣體放電管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3: 三電極氣體放電管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

03、氣體放電管（GDT）主要電氣參數(shù)

圖4: 氣體放電管特性曲線

氣體放電管主要電氣參數(shù)包含：直流擊穿電壓（VS）、沖擊擊穿電壓、響應(yīng)時(shí)間、絕緣電阻、極間電容、氣體放電續(xù)流能力(通容量)、續(xù)流遮斷時(shí)間等

直流擊穿電壓（DC Spark Over Voltage）

也稱直流火花放電電壓，是指施加緩慢升高的直流電壓時(shí)，氣體放電管火花放電時(shí)的電壓。由于放電具有分散性，圍繞著這個(gè)平均值還需要同時(shí)給出允許的偏差上限和下限值。是氣體放電管的標(biāo)稱電壓，常用的規(guī)格有90V、150V、230V、350V、470V、600V、800V等，甚至更高規(guī)格，其誤差范圍：一般為±20%，也有的為±15%。

圖5: GDT直流擊穿電壓測(cè)試電路

氣體放電管的直流擊穿電壓是在不大于100V/S的上升速率下測(cè)量的。測(cè)量GDT的直流擊穿電壓時(shí)，采用上圖所示的電路進(jìn)行測(cè)量，電壓上升率為100（1±10%）V/S。每種極性下，GDT的A極、C極之間的兩次測(cè)量都要記錄，兩次測(cè)量的時(shí)間間隔應(yīng)不小于1S，對(duì)于三極GDT的每對(duì)端子分別測(cè)量，而另外的電極懸空。

脈沖擊穿電壓（Impulse Spark Over Voltage）

也稱最大沖擊火花放電電壓，是指施加規(guī)定上升率和極性的沖擊電壓后，在放電電流流過GDT之前，其兩端子間的電壓最大值。由于陶瓷氣體放電管的反應(yīng)速度較慢，脈沖擊穿電壓要比直流擊穿電壓高得多。

圖6: GDT脈沖擊穿電壓測(cè)試電路

脈沖擊穿電壓一般在1000(1±10%)V/us的電壓上升率下測(cè)量該電壓值，測(cè)量GDT的脈沖擊穿電壓時(shí)，采用上圖所示的電路進(jìn)行測(cè)量，電壓上升率為1000（1±10%）V/us。每種極性下，GDT的A極、C極之間的兩次測(cè)量都要記錄，兩次測(cè)量的時(shí)間間隔應(yīng)不小于1S，對(duì)于三極GDT的每對(duì)端子分別測(cè)量，而另外的電極懸空。

標(biāo)稱沖擊放電電流（Nominal Impulse Discharge Current）

標(biāo)稱沖擊放電電流是指給定波形的沖擊電流峰值，一般為8/20us的脈沖電流波形，為GDT的額定值。標(biāo)稱沖擊放電電流是衡量GDT脈沖電流耐受能力的一個(gè)參數(shù)，分為8/20us波和10/1000us波沖擊放電電流兩種，常用的是8/20us。

沖擊放電電流又分為單次沖擊放電電流（8/20us波沖擊1次）和標(biāo)稱沖擊放電電流（10/1000us波沖擊10次），一般后者約為前者的一半左右。其測(cè)量采用下圖所示電路。

圖7: GDT沖擊放電電流測(cè)量電路

測(cè)量時(shí)，施加的沖擊電流數(shù)值大小根據(jù)GDT規(guī)格書確定，對(duì)于兩極的GDT，產(chǎn)生8/20us波形的試驗(yàn)電路如上圖左圖所示，沖擊電流測(cè)量應(yīng)有足夠長(zhǎng)時(shí)間間隔不至于GDT內(nèi)部發(fā)熱。對(duì)于三極GDT，每個(gè)電極應(yīng)同時(shí)向公共電極放電如上圖左圖所示，各自標(biāo)稱沖擊電流的規(guī)定值如規(guī)格書，完成規(guī)定的電流次數(shù)后，測(cè)量GDT直流擊穿電壓、脈沖擊穿電壓及絕緣阻抗應(yīng)符合規(guī)格書所規(guī)定的值。

耐沖擊電流壽命（Impulse Life）

耐沖擊電流壽命是在指定電壓脈沖波形和指定（8/20us，200A或者10/1000us 100A）情況下，GDT耐沖擊的次數(shù)。該參數(shù)是衡量GDT耐受多次沖擊電流的能力，在一定程度上反映了GDT的穩(wěn)定性及可靠性。

測(cè)量GDT的沖擊電流壽命試驗(yàn)時(shí)，施加的沖擊電流大小按照GDT規(guī)格書所規(guī)定的值，規(guī)定試驗(yàn)次數(shù)的一半用一種極性，另一半用相反的極性，沖擊的重復(fù)頻度應(yīng)適當(dāng)以防止GDT內(nèi)部熱積累。電源的電壓應(yīng)超過GDT的最大沖擊火花放電電壓至少50%以上，規(guī)定的沖擊電流及波形應(yīng)采用短路來代替GDT測(cè)量，具體測(cè)試電路參考下圖：

圖8: GDT沖擊電流壽命試驗(yàn)回路

絕緣電阻

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，在氣體放電管極間施加一特定的直流電壓時(shí)測(cè)得的電阻值，通常要求氣體放電管的絕緣電阻達(dá)到GΩ級(jí)別。氣體放電管的不斷使用過程中，絕緣電阻值將會(huì)降低。阻值的降低會(huì)造成被保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)管子中泄漏電流的增大，也有可能產(chǎn)生噪音干擾。

極間電容（Maximum Capacitance)

在一定的頻率條件下（通常為1MHz），放電管極間測(cè)得的電容值，通常電容值為幾個(gè)pF級(jí)別，也稱為最大結(jié)電容。

工頻耐受電流

放電管通過工頻電流5次，使管子的直流放電電壓及絕緣電阻無明顯變化的最大電流稱為其工頻耐受電流，當(dāng)應(yīng)用于一些交流供電線路或易于受到供電線路感應(yīng)作用的通訊線路時(shí)，應(yīng)注意氣體放電管的工頻耐受問題。

經(jīng)驗(yàn)表明，感應(yīng)工頻電流較小，一般不大于5A，但其持續(xù)時(shí)間卻很長(zhǎng)；供電線路上的過電流很大，可高達(dá)數(shù)百安培，但由于繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作，其持續(xù)時(shí)間卻很短。

響應(yīng)時(shí)間

在具有一定波頭上升陡度的暫態(tài)過電壓作用下，當(dāng)放電管上電壓上升到其直流放電電壓值時(shí)，管子并不能立即放電，而是要等到管子上電壓上升到一個(gè)比直流放電電壓值高出很多的數(shù)值時(shí)，管子才會(huì)放電，也就是說，從暫態(tài)過電壓開始作用于放電管兩端的時(shí)刻到管子實(shí)際放電時(shí)刻之間有一個(gè)延遲時(shí)間，該時(shí)間稱為響應(yīng)時(shí)間。

響應(yīng)時(shí)間有兩部分組成：一是管子中隨機(jī)產(chǎn)生初始電子-離子對(duì)帶電粒子所需要的時(shí)間，即統(tǒng)計(jì)時(shí)延；二是初始帶電粒子形成電子崩所需要的時(shí)間，即形成時(shí)延。

氣體放電琮續(xù)流能力（Follow On Current）

在特定條件下，放電管經(jīng)沖擊放電后，在半個(gè)波長(zhǎng)內(nèi)從低阻抗導(dǎo)通狀態(tài)恢復(fù)到高阻抗絕緣狀態(tài)時(shí)允許負(fù)荷的最大電流，通常以放電管兩端施加的電壓及流經(jīng)放電管的交流電流大小來衡量。

圖9: GDT規(guī)格書參數(shù)描述

04、氣體放電管（GDT）典型應(yīng)用

AC220V電源線雷擊浪涌防護(hù)

圖10: AC220V電源線防護(hù)

RS485接口雷擊浪涌防護(hù)

圖11: RS485接口防護(hù)

BNC接口雷擊浪涌防護(hù)

圖12: BNC接口防護(hù)

RJ45接口雷擊浪涌防護(hù)

圖13: RJ45接口防護(hù)

三相AC線電源防護(hù)

圖14: 三相AC線電源雷擊浪涌防護(hù)

05、氣體放電管（GDT）選型注意事項(xiàng)

氣體放電管選型時(shí)應(yīng)關(guān)注如下注意事項(xiàng)：

直流擊穿電壓的選取

直流電壓的選取應(yīng)參考電路的工作電壓，直流擊穿電壓應(yīng)大于被保護(hù)線路的最大工作電壓，否則會(huì)影響線路的正常工作。

脈沖擊穿電壓的選取

要確保氣體放電管脈沖擊穿電壓，低于后級(jí)被保護(hù)線路所能承受的最高瞬時(shí)電壓值。以確保當(dāng)瞬時(shí)過壓來臨時(shí)，氣體放電管反映速度快于線路反映速度，將過壓限制在安全值，這是氣體放電管的重要指標(biāo)。

脈沖擊穿電壓的選取要考慮浪涌測(cè)試等級(jí)，一般浪涌測(cè)試波形的上升時(shí)間為微秒級(jí)的脈沖波形，如8/20us電流波和10/700us電壓波，與GDT脈沖擊穿電壓測(cè)量電壓上升速率1000V/us為一個(gè)數(shù)量級(jí)，例如采用10/700us的波形測(cè)試4000V，GDT的脈沖擊穿電壓要小于4000V，這樣在測(cè)試時(shí)GDT才能導(dǎo)通。下圖為GDT在不同電壓上升速率下的導(dǎo)通狀態(tài)示意圖，從圖中可以看出電壓上升速率越高，GDT的擊穿電壓也越高。