气体放电管的浪涌冲击特性研究

李建龙，金 光，刘永欢

（1.郑州铁路职业技术学院，郑州 451460；2.国家电网安阳供电公司，河南 安阳 455000）

气体放电管的浪涌冲击特性研究

李建龙1，金 光2，刘永欢2

（1.郑州铁路职业技术学院，郑州 451460；2.国家电网安阳供电公司，河南 安阳 455000）

气体放电管是电力、电子系统中常用的雷电浪涌防护器件，其浪涌冲击特性直接影响防护效果。利用EMTP软件建立气体放电管仿真电路模型，搭建1.2/50－8/20μs组合波发生回路进行仿真冲击，并将结果与试验数据进行对比。此外还搭建10/700－5/320μs组合波发生回路，比较分析不同浪涌脉冲作用下气体放电管的冲击放电电压和波形上升时间变化。分析结果表明：建立的气体放电管电路模型冲击放电电压和通流波形均与试验结果相接近，较好地反映了其在组合波冲击下的响应特性；气体放电管的响应受冲击电压变化率的影响较大，冲击放电电压随着冲击电压变化率的增大而增加；冲击放电电压波形上升时间则相反。气体放电管对不同雷电浪涌冲击波形的响应特性有所不同，需要在应用中更加针对性地进行分析和防护。

气体放电管；浪涌；组合波；冲击特性

0 引言

雷电浪涌是电力、电子系统面临的主要威胁之一[1]，气体放电管因其具有较大通流量、较小的极间电容、较长的寿命等优点，在浪涌防护中得到广泛应用，一般作为保护电路的第一级防护器件[2]。

气体放电管的工作原理涉及到气体放电理论[2－3]，当外加电压超过气体放电管的最大耐压值，两级间隙间的气体因高压作用被电离，放电管被击穿，由原来的高绝缘电阻状态转化为低阻值导通状态，将大电流导入大地，将两极间的电压箝位在一个预定值，从而保护了后端设备免受浪涌的破坏。

目前对气体放电管的浪涌冲击特性大多采用试验手段[4-6]，国内外相关标准[7-9]也给出了气体放电管参数及性能的测试方法。但是目前缺乏对气体放电管电路模型的研究，导致不能在设计阶段就有效地对电路防雷性能进行分析。相关研究给出了气体放电管和半导体放电管的PSPICE和Matlab仿真模型[10-13]，但是其模型较为复杂，设计参数选取较多且难以详细获得，适用性并不强。

笔者利用EMTP[14]建立气体放电管仿真电路模型，同时搭建1.2/50-8/20μs组合波发生回路进行仿真冲击，并将仿真结果与试验数据进行对比验证。最后搭建10/700-5/320μs组合波发生回路，分析不同浪涌脉冲作用下，气体放电管的冲击放电电压和波形上升时间受冲击电压变化率的影响，为气体放电管的应用提供参考。

1 实验波形

气体放电管的测试采用IEEE给出的组合波波形，组合波定义为开路电压波形呈1.2/50μs，短路电流波形呈8/20μs，开路电压和短路电流幅值之比称为虚拟阻抗，一般取2Ω。图1给出了典型的组合波发生器电路图[15]及其产生的组合波波形。

图1 组合波发生电路和波形Fig.1 Circuitof combined wave generator and itswaveform

2 气体放电管浪涌冲击仿真

2.1 气体放电管模型

图2给出了EMTP仿真当中所用的气体放电管模型[16-17]，气体放电管的伏安特性通过电压控制开关（UG模块）和非线性电阻RN来体现。当UG小于气体放电管的动作电压时，开关未闭合，气体放电管处于开路状态；当UG超过动作电压后，开关闭合。此时气体放电管的冲击放电电压主要取决于非线性电阻RN两端电压。L1和Rc分别为导线电感和接触电阻。R1和C1分别代表气体放电管的绝缘电阻和极间电容。气体放电管极间电容值一般都非常小，数值在pF量级，通常不超过5 pF；绝缘电阻都非常大，一般都大于100MΩ。

图2 气体放电管仿真模型Fig.2 Themodel of the GDP in EMTP simulation

2.2 实验与仿真结果

选取直流击穿电压90 V的气体放电管进行实验，经防雷元件测试仪测得的冲击击穿电压为360 V，仿真模型中气体放电管的动作电压即取360V，绝缘电阻R1取500 MΩ，极间电容C1取1.2 pF。L1和Rc分别取5 nH和1mΩ。图3和图4分别给出组合波幅值为500 V时气体放电管试验与仿真冲击放电电压和电流波形。

图3 试验冲击放电电压和电流图Fig.3 Currentand voltage waveform of GDT in experiment

将图3和图4波形对比可以看出，忽略试验接线等因素产生的局部振荡，仿真模型较好体现出了气体放电管的雷电浪涌冲击特性，冲击放电电压和通流波形都与实验结果较为接近。表1具体给出了不同冲击电压幅值下，冲击放电电压与波形上升时间的实测与仿真值。

表1中可以看出，仿真结果数值与实测结果较为接近，冲击放电电压最大误差为4.6%，波形上升时间最大误差为7.8%。随着冲击电压幅值的不断增加，气体放电管的冲击放电电压越来越大，但对高压的抑制作用越来越明显。同时，冲击放电电压波头上升时间随冲击电压的增加而迅速缩短，这主要是受冲击电压变化率的影响，电压变化率越大，气体放电管响应特性越好[18-19]。

图4 仿真冲击放电电压和电流图Fig.4 Currentand voltagewaveform of GDT in simulation

表1 实测与仿真结果对比Table 1 Comparison between simulation and experiment results

3 不同波形作用下气体放电管相应特性

为了进一步研究气体放电管在不同浪涌波形作用下的冲击特性，利用EMTP搭建10/700~5/320μs组合波对气体放电管进行冲击。图5给出了幅值为500 V的组合波冲击下的气体放电管冲击放电电压波形。

对比图4和图5发现，10/700~5/320μs组合波冲击后的气体放电管冲击放电电压幅值更低，波形上升时间也越短，但脉冲宽度大于1.2/50~8/20μs组合波冲击。

图5 10/700μs~5/320μs冲击放电电压波形Fig.5 Voltagewaveform of GDT under 10/700μs~5/320μs impulse

为作进一步分析，图6和图7分别给出了气体放电管冲击放电电压和波头上升时间与冲击电压变化率的关系曲线。

图6 冲击放电电压与冲击电压变化率关系图Fig.6 Voltage vs impulse voltage regulation

图7 上升时间与冲击电压变化率关系图Fig.7 Rising time vs impulse voltage regulation

由图6和图7可以看出，气体放电管的冲击放电电压随着冲击电压变化率的增大而增加；波头上升时间随着冲击电压变化率的增大而降低。无论是1.2/50~8/20μs还是10/700~5/320μs组合波，气体放电管的响应波形上升时间在几十到几百纳秒量级。相同冲击电压变化率情况下，10/700~5/320μs波形作用下冲击放电电压高于1.2/50~8/20μs波形，波头上升时间小于1.2/50~8/20μs波形。

4 结论

利用EMTP建立气体放电管电路模型，搭建组合波发生电路，进行仿真冲击并于试验结果进行对比，得到如下结论：

1）文中搭建的气体放电管模型能够较好反映其雷电浪涌冲击特性，冲击放电电压和通流波形均与实验结果较为接近。

2）气体放电管的冲击放电电压随着冲击电压变化率的增大而增加；电压波形上升时间则相反。

3）不同雷电浪涌波形冲击下气体放电管的响应特性有所不同，在具体应用中需要具有针对性。

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Study on Surge Im pact Characteristic of Gas Discharge Tube

LI Jianlong1， JIN Guang2， LIU Yonghuan2
（1.Zhengzhou Railway Vocational&Technical College,Zhengzhou 451460,China;2.Grid Anyang Power Supply Company,Anyang 455000,China）

Gas discharge tube(GDT)is commonly used to suppress lightning surge in electric power system and electronic system,lightning surge characteristic of GDT will directly affect its transient suppression performance.Simulation Model of GDT is established by EMTPSoftware.A 1.2/50－8/20 μs combined wave generation loop is used to simulate the impact,and the results are compared with the experimental data.In addition,a 10/700－5/320 μs combined wave generation loop is built to compare the impulse discharge voltage and waveform rise time of the gas discharge tube under different surge pulses.The results show that the impact discharge voltage and the flow waveform of the gas discharge tube circuit model are close to the experimental results,which reflect the response characteristics under the impact of the combined wave.The response of the gas discharge tube is affected by the impact voltage change rate.The impact discharge voltage increases with the increase of the impact voltage change rate;the impulse discharge voltage waveform rise time is the opposite.The response characteristics of the gas discharge tube to different lightning surge shock waveforms are differentand need to be analyzed and protectedmore in the application.

gas discharge tube;surge;combined wave;impact characteristic

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.04.017

2017－02－24

李建龙 （1982—），男，讲师，主要研究方向：传动系统及电力系统。