基于有限元法的GDT與TVS能量配合仿真研究

牛春霞，馬子龍，楊仲江

（1.南京科技職業(yè)學(xué)院，南京 210048；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京 210044）

基于有限元法的GDT與TVS能量配合仿真研究

牛春霞1，馬子龍2，楊仲江2

（1.南京科技職業(yè)學(xué)院，南京 210048；2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京 210044）

多次過電壓沖擊會(huì)對(duì)信號(hào)電涌保護(hù)器中的氣體放電管（GDT）與瞬態(tài)抑制二極管（TVS）能量配合產(chǎn)生影響。針對(duì)這一問題分析了氣體放電管在沖擊電壓下表面電荷積聚原因；利用有限元法仿真了氣體放電管在不同沖擊次數(shù)、不同電極粗糙程度下表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布；同時(shí)對(duì)氣體放電管進(jìn)行多次過電壓沖擊試驗(yàn)，觀察啟動(dòng)電壓變化趨勢(shì)并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：多次沖擊使得電極表面粗糙度增大，影響GDT啟動(dòng)電壓，啟動(dòng)電壓的變化會(huì)導(dǎo)致氣體放電管和TVS能量配合失效。研究指出：將GDT和TVS間的退耦電阻由原來的2.2 Ω改變?yōu)? Ω能夠有效削弱多次沖擊的影響，并且在規(guī)定的通頻帶下，仍具有較好的傳輸特性。

氣體放電管；表面電荷；退耦電阻；仿真；能量配合

0 引言

隨著科技的發(fā)展，電子設(shè)備對(duì)雷電干擾的敏感度越來越高。信號(hào)電涌保護(hù)器通常采用兩級(jí)保護(hù)器件，一般為氣體放電管和TVS，兩級(jí)保護(hù)器件相互配合使用，能夠達(dá)到較好的能量匹配，從而有效降低殘壓，減少雷電對(duì)電子設(shè)備的干擾甚至損壞。李祥超、杜志航、任曉明[1-3]等人通過大量認(rèn)為兩級(jí)保護(hù)設(shè)備之間的退耦電阻取2.2 Ω時(shí)，氣體放電管和TVS動(dòng)作配合效率較高，殘壓也較低，但是這些研究忽略了氣體放電管在多次雷電壓沖擊后，啟動(dòng)電壓不穩(wěn)定的特點(diǎn)，在沖擊次數(shù)逐漸增加的情況下，2.2 Ω阻值的退耦電阻還能否使兩級(jí)電涌保護(hù)器有效配合仍有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

當(dāng)過電壓作用在第一級(jí)保護(hù)器件也即氣體放電管時(shí)形成電子雪崩。當(dāng)電離達(dá)到一定程度時(shí)，氣體放電管由非自持放電過渡到自持放電，管內(nèi)氣體被擊穿，氣體放電管導(dǎo)通[4]?？梢钥闯?，表面電場(chǎng)強(qiáng)度減小勢(shì)必會(huì)升高氣體放電管啟動(dòng)電壓，導(dǎo)致氣體放電管在二級(jí)保護(hù)電路中動(dòng)作滯后，進(jìn)而使得TVS承受所有的雷電流，最終配合失效。

氣體放電管在自身沒有漏氣且外界氣候條件(溫度、光照度)不變的情況下，電極表面積聚的電荷成為影響GDT啟動(dòng)電壓的主要因素[5]，但是目前對(duì)氣體放電管在線路中積聚表面電荷的研究并不多，汪沨采用電容探頭法，測(cè)得沖擊電壓下介質(zhì)表面電荷積聚程度可能比直流電壓作用下更嚴(yán)重[6-7]。王文瑞，Al-Bawy[8-9]通過靜電計(jì)測(cè)得沖擊電壓施加次數(shù)和加壓幅值與表面電荷密度成正相關(guān)。Srivasta?vay，王琦[10，11]提出界面介電常數(shù)、電導(dǎo)率、沖擊電壓幅值、波頭波尾陡度等能影響沖表面電荷量。鄧軍波[12]通過對(duì)同一介質(zhì)表面施加交替極性變化的過電壓得出反極性表面電荷對(duì)介質(zhì)表面電場(chǎng)的影響的一些結(jié)論。這些研究都是基于電荷測(cè)量手段實(shí)現(xiàn)的，但是這些測(cè)量手段并不適用于對(duì)氣體放電管電極表面電荷的測(cè)量。所以，通過測(cè)量氣體放電管表面電荷量來研究多次沖擊對(duì)氣體放電管啟動(dòng)電壓的影響會(huì)有不小的誤差。而利用線光效應(yīng)的普克爾斯效應(yīng)反射法[13]也被認(rèn)為只能測(cè)量一些聚合體較薄的材料。沖擊電壓下GDT表面電荷來源主要為（1）局部放電。電極表面不可避免的存在μm量級(jí)微觀毛刺，在沖擊電壓波頭上升到起暈電壓時(shí)，毛刺處開始出現(xiàn)大量電暈電荷[14]。當(dāng)氣體放電管經(jīng)過多次過電壓波沖擊，毛刺密度增加，深度量級(jí)增大，產(chǎn)生表面電荷量將會(huì)增大。（2）電導(dǎo)率不均勻[15-16]。

基于上述原因，筆者通過試驗(yàn)和maxwell 2D仿真研究氣體放電管在多次沖擊下電極表面電場(chǎng)變化機(jī)理，從中分析多次沖擊對(duì)氣體放電管啟動(dòng)電壓的影響大小及趨勢(shì)，合理找出二級(jí)電涌保護(hù)設(shè)備之間的最佳退耦電阻，使得氣體放電管與TVS管能夠有效配合工作，并最大限度降低殘壓，為今后信號(hào)電涌保護(hù)器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 氣體放電管表面電場(chǎng)仿真

1.1 仿真模型介紹

如圖1所示，氣體放電管兩端電極有凸起的部分和凹陷的部分，為了仿真研究，將這兩塊電極部分分情況討論，凸起部分稱為外電極，凹陷部分稱為內(nèi)電極，內(nèi)外電極一般都是由鐵鈷鎳合金組成，氣體放電管管體為絕緣的陶瓷材料。利用maxwell 2D軟件對(duì)不同沖擊次數(shù)下電極表面電場(chǎng)分布進(jìn)行分析，該軟件是運(yùn)用有限元方法進(jìn)行求解，是常用的電磁場(chǎng)分析軟件。模型為二級(jí)氣體放電管，由于是中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱圖形，選擇R-Z坐標(biāo)系建模。外電極直徑為80 mm，內(nèi)電極直徑為50 mm，管長(zhǎng)為52 mm，內(nèi)部惰性氣體取氬，介電常數(shù)為1.000 56，管外氣體為空氣，介電常數(shù)為1.000 585。

圖1 氣體放電管剖面圖Fig.1 Section of gas discharge tube

1.2 仿真分析

為了研究氣體放電管電極表面積聚的電荷對(duì)GDT表面電場(chǎng)的影響，對(duì)GDT施加恒壓。細(xì)化電極板面上的剖分，加入空氣域，添加電壓，上極板設(shè)置為電壓源，電壓值設(shè)為4 kV，下極板接地。如圖2，所有的模型添加4 000個(gè)初始剖分節(jié)點(diǎn)，空氣域模型給予6 000個(gè)剖分節(jié)點(diǎn)。

圖2 對(duì)仿真模型的單元細(xì)分Fig.2 Meshing of the simulation model

為了模擬不同沖擊次數(shù)，不同粗糙電極表面電場(chǎng)情況；實(shí)施三組仿真試驗(yàn)對(duì)比，對(duì)（a）單純施加恒壓，對(duì)（b）在施加恒壓前對(duì)電極表面加載11×10-9C[8]電荷量以代表30次過電壓沖擊電極表面所積累的電荷量，該仿真假設(shè)電極表面光滑，表面電荷分布均勻，所以電極表面產(chǎn)生積累電荷的機(jī)率相同；對(duì)(c)不僅在施加電壓前在電極表面處加載相同的電荷量，并且在電極上添加深度為0.2 mm，間隔為0.6 mm凹凸槽代表多次沖擊后電極表面產(chǎn)生的粗糙點(diǎn)。

由圖3、圖4內(nèi)外電極表面電場(chǎng)仿真可以看出，氣體放電管經(jīng)過30次沖擊后，若電極表面依然保持光滑，電極表面電場(chǎng)畸變不是很明顯；若電極表面粗糙度由于多次沖擊而改變，對(duì)表面電場(chǎng)影響較明顯。首先粗糙程度的加深，表面毛刺點(diǎn)引起局部電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)致場(chǎng)致發(fā)射，影響GDT啟動(dòng)電壓，其次電極表面氣體放電管微觀毛刺處更容易積累電荷[14]，使得電極表面電場(chǎng)畸變，影響氣體放電管的放電狀態(tài)。

圖3 外電極不同沖擊次數(shù)表面電場(chǎng)分布對(duì)比Fig.3 Comparison of electric field distribution on the outer electrode surfaces with different impulse times

圖4 內(nèi)電極粗細(xì)表面電場(chǎng)對(duì)比Fig.4 Comparison of electric field distribution on the inner electrode surfaces with different impulse times

圖5為氣體放電管在不同沖擊次數(shù)下電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比，紅色線條表示未被沖擊電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度變化，綠色線條表示沖擊30次產(chǎn)生粗糙點(diǎn)后電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度變化?？擅黠@看出，未被沖擊電極表面電場(chǎng)強(qiáng)度均勻，而在粗糙處，電場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)，有些部位增強(qiáng)至2倍甚至更多，嚴(yán)重影響氣體放電管電極表面電場(chǎng)，當(dāng)多次沖擊加大電極表面的粗糙程度時(shí)，對(duì)表面電場(chǎng)的影響將會(huì)加大，從而影響氣體放電管的啟動(dòng)電壓，最終導(dǎo)致氣體放電管和TVS管動(dòng)作響應(yīng)失效。

2 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

2.1 GDT電極表面不同粗糙程度下沖擊放電電壓值影響

使用不同目數(shù)的砂紙對(duì)同一廠家擊穿電壓為230 V的氣體放電管A、B、C、D進(jìn)行整體打磨，取放電管E，進(jìn)行圖局部打磨。利用1 kV/μs電壓波作為氣體放電管啟動(dòng)電壓測(cè)試電壓波，并測(cè)試5次取平均值作為GDT啟動(dòng)電壓值。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為氣體放電管在20次沖擊下，電極表面粗糙程度變化不明顯，所以選擇將打磨好的氣體放電管進(jìn)行20次4 kV，1.2/50 μs組合電壓波沖擊，觀察沖擊放電電壓值得變化。打磨實(shí)驗(yàn)表明，砂紙目數(shù)越小，電極表面粗糙度越大，GDT啟動(dòng)電壓越小，然而GDT經(jīng)過20次沖擊啟動(dòng)電壓基本保持穩(wěn)定，說明在20次沖擊次數(shù)下，GDT表面積累的電荷來對(duì)氣體放電管啟動(dòng)電壓影響效果不明顯，這也和上面仿真所得結(jié)論一致。氣體放電管E電極表面經(jīng)過局部打磨，電極表面電場(chǎng)畸變更加明顯，致使GDT沖擊放電電壓會(huì)有較大的突變。

圖6 不同粗糙程度對(duì)GDT沖擊放電電壓影響Fig.6 Effect of different roughness on the impulse discharge voltage of GDT

2.2 GDT經(jīng)多次沖擊在交流中啟動(dòng)電壓變化

對(duì)某公司生產(chǎn)的直流擊穿電壓值為230V，正負(fù)初始啟動(dòng)電壓值如表1的氣體放電管試品B、C、D，分別用GXG沖擊控制系統(tǒng)經(jīng)過0、30、70次4 kV，5 kA，1.2/50μs組合電壓波沖擊，再經(jīng)過有效值為150 V的交流電壓作用1、2、3、4、5 h，觀察正負(fù)向啟動(dòng)電壓變化情況，每次施加完后等到氣體放電管完全冷卻，后再進(jìn)行試驗(yàn)。

由圖7（b）放電管啟動(dòng)電壓變化趨勢(shì)可以看出在沒有經(jīng)受多次高電壓沖擊的情況下，氣體放電管在5 h的交流電壓作用下，啟動(dòng)電壓維持穩(wěn)定。不穩(wěn)定持續(xù)電壓作用，使得固體介質(zhì)內(nèi)部電導(dǎo)率及介電常數(shù)不均勻產(chǎn)生的電荷可以忽略不計(jì)。從圖7正負(fù)向沖擊測(cè)試中可以看到GDT啟動(dòng)電壓隨著沖擊次數(shù)的增加顯示出一定的極性差異；在圖7(b)負(fù)向沖擊測(cè)試中，C管啟動(dòng)電壓由678 V增加到749 V，上升幅值10.4%；而D管由678 V上升到791 V，上升幅值達(dá)16.6%，可以看出氣體放電管經(jīng)過多次過電壓沖擊使，電極毛刺處電暈放電積累的異種表面電荷所產(chǎn)生的電場(chǎng)削弱了氣體放電管表面電場(chǎng)，使得給予初始電子的能量減少，減緩放電強(qiáng)度，抬高了GDT啟動(dòng)電壓。圖7(a)正向啟動(dòng)電壓下降不明顯的原因是多次沖擊和交流耐受使得GDT電子粉受損，影響二次電離，抑制啟動(dòng)電壓的降低。試驗(yàn)表明當(dāng)粗糙程度過大時(shí)，GDT經(jīng)過多次沖擊產(chǎn)生的表面積累電荷也能夠一定量的影響GDT啟動(dòng)電壓。

表1 種放電管的初始正啟動(dòng)電壓值Table 1 Initial positive start voltage of 3 kinds of discharge tube

圖7 B，C，D試管隨著交流時(shí)間啟動(dòng)電壓的變化Fig.7 The starting voltage variation of discharge tube B，C and D with alternating-current voltage duration

2.3 二級(jí)保護(hù)信號(hào)電涌保護(hù)器退耦電阻選擇

二級(jí)保護(hù)信號(hào)電涌保護(hù)器電路基本原理（UGDT=UR+UTVS）?？梢钥闯鲞x取正確的退耦電阻可以有效避免由于多次沖擊帶來的氣體放電管啟動(dòng)電壓的不穩(wěn)定。當(dāng)雷電電荷極性與GDT表面積聚電荷的極性相反時(shí)，表面電荷產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)會(huì)削弱電極場(chǎng)強(qiáng)，導(dǎo)致氣體放電啟動(dòng)電壓升高，此時(shí)退耦電阻需要比原來分得更多電壓，才能加快氣體放電管的啟動(dòng)，使得所有雷電流不會(huì)全部加在TVS管兩端。

用浪涌發(fā)生器對(duì)二級(jí)保護(hù)電路進(jìn)行0、10、20、30、40、50、60 次的4 kV，1.2/50μs正向開路電壓波沖擊，并用負(fù)向測(cè)出殘壓值變化。選取14種阻值范圍從2.2 Ω到10 Ω的退耦電阻，氣體放電管直流擊穿電壓為90 V，TVS管取1.5KE30CA。每次沖擊后等到放電管完全冷卻后再進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)圖8，當(dāng)退耦阻值選擇傳統(tǒng)的2.2 Ω時(shí)，經(jīng)多次過電壓沖擊后二級(jí)保護(hù)電路殘壓從原來的47.59 V上升到52.55 V，上升了9.4%，上升幅度明顯。當(dāng)換取退耦阻值越大時(shí)，殘壓升高趨于平緩，當(dāng)退耦電阻選取在4 Ω時(shí)，殘壓基本穩(wěn)定在47 V。

2.4 傳輸特性測(cè)試

氣體放電管（GDT）和瞬態(tài)抑制二極管（TVS）組成的二級(jí)電涌保護(hù)器多運(yùn)用于對(duì)信號(hào)設(shè)備的保護(hù)，所以防雷器件之間動(dòng)作的有效配合不能完全表明退耦電阻選取的合理性，因?yàn)楫?dāng)退耦阻值選取過大時(shí)不僅會(huì)影響電路的正常運(yùn)行，同時(shí)會(huì)加大對(duì)傳輸信號(hào)的衰減。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分析儀分別對(duì)退耦電阻阻值為2.2 Ω，4 Ω的二級(jí)保護(hù)信號(hào)電涌保護(hù)器電路進(jìn)行插入損耗測(cè)試。SPD插入損耗應(yīng)位于系統(tǒng)設(shè)計(jì)總插入損耗允許值的預(yù)留范圍，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，接入SPD對(duì)信號(hào)的衰減一般要求在0.3～0.5 dB。測(cè)試表明：通頻帶30 MHz范圍內(nèi)，氣體放電管和TVS瞬態(tài)抑制二極管間的配合電阻取4 Ω時(shí)，插入損耗小于0.5 dB，滿足傳輸特性要求，不會(huì)干擾信號(hào)。

圖8 不同退耦電阻二級(jí)保護(hù)電路多次沖擊次數(shù)下殘壓值變化Fig.8 The residual voltage changes of secondary protection circuit with different decoupling resistance levels under multiple impulse times

3 結(jié)論

通過探討多次沖擊對(duì)氣體放電管啟動(dòng)電壓穩(wěn)定性影響機(jī)理，結(jié)合maxwell2D仿真以及交流、沖擊試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）氣體放電管經(jīng)過多次過電壓沖擊，電極表面粗燥度增大，這些表面毛刺點(diǎn)引起局部電場(chǎng)增強(qiáng)，導(dǎo)致場(chǎng)致發(fā)射，影響GDT啟動(dòng)電壓；當(dāng)沖擊到達(dá)一定次數(shù)，電極表面非常粗糙時(shí)，由多次沖擊產(chǎn)生的表面電荷也會(huì)對(duì)GDT啟動(dòng)電壓產(chǎn)生影響。

2）多次沖擊對(duì)氣體放電管啟動(dòng)電壓的影響使得二級(jí)保護(hù)信號(hào)電涌保護(hù)器氣體放電管和TVS管響應(yīng)配合失效，殘壓變大。將傳統(tǒng)最優(yōu)退耦電阻2.2Ω為4Ω，能夠有效的避免多次沖擊帶來的兩級(jí)保護(hù)電路殘壓值上升，形成最佳能量配合，并且在規(guī)定的通頻帶下殘壓較低，傳輸特性也較好。

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Simulation Analysis for GDT And TVS Energy Coordination Based on the Finite Element Method

NIU Chunxia1,MA Zilong2,YANG Zhongjiang2
（1.Nanjing Polytechnic Institute,Nanjing 210044,China;2.School of Atmospheric Sciences,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China）

Repeated overvoltage-impulses on two-stage signal Surge Protection Devices(SPD)will influence energy matching between Gas Discharge Tube(GDT)and Transient Voltage Suppressor(TVS).Aimed at this matching problem,the author analyzes the reason of charges accumulation on the surface of various kinds of GDTs,when these GDTs are impacted by overvoltage;by using Finite Element Method(FEM),different patterns of electric field around the surface of GDTs due to different impacts times and various GDTs surface coarseness are simulated.In the meantime,overvoltage impulses were repeatedly carried on these GDTs,and the variation trend of trigger voltage are observed and compared with simula?tion results.Both the simulation and experimental results suggest:repeated impulses can deepen the roughness of GDTs’electrode surface and will cause the trigger voltage change.As a result,energy match?ing between GDT and TVS will lose efficacy.According to this research,if decoupling resistance between GDT and TVS is changed from 2.2 Ω to 4 Ω,influences from repeated impulses can be effectively weak?ened,and if also within the limits of formulary transmission bands,transmission property will remain pref?erable.

gas-discharge tube；surface charge;decoupling resistance；simulation；energy matching

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.018

2016-06-19

牛春霞（1963—），女，副教授，主要從事數(shù)值模擬仿真研究。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41175003）。