CN214590585U - 一种多通道保护的浪涌保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于防雷设备领域，公开了一种多通道保护的浪涌保护器，具有两个连接外部电路的端头，具有并联在两个端头之间的主通道和副通道，通过两个端头的电涌同时流过主通道和副通道，其中：主通道上设有第一压敏电阻，而副通道上设有相互串联的第二压敏电阻和第三压敏电阻，所述第一压敏电阻耐受浪涌能力高于第二压敏电阻和第三压敏电阻，所述第三压敏电阻的耐受电涌冲击能力高于第二压敏电阻；所述热保护结构内设有的正温度系数热敏电阻与热脱扣结构通过结构之间热耦合。通设置过主、副通道来泄放浪涌，根据电流密度分布不同来达到定点失效的目的，以降低副通道的耐受浪涌泄放能力来降低生产成本。

Description

一种多通道保护的浪涌保护器

技术领域

本实用新型属于防雷设备技术领域，具体涉及一种多通道保护的浪涌保护器。

背景技术

SPD即浪涌保护器，也叫防雷器，是一种为各种电子设备、仪器仪表、通讯线路提供安全防护的电子装置。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。

现有技术中最常用的方法，是在压敏电阻陶瓷芯片的两个端面电极上，分别焊接连接一片导电和导热性能都优异的薄铜片电极，该薄铜片电极预制有低热阻导热引出端子，薄铜片电极在起到导电电极作用的同时也与压敏电阻陶瓷芯片形成热耦合，能将压敏电阻陶瓷芯片产生的热量传导到低热阻导热引出端子上。在其中一个引出端子上用低熔点合金焊接一片弹性金属片形成过热脱离器。当压敏电阻陶瓷芯片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发热促使漏电流进一步增大，进一步的加速了压敏电阻陶瓷芯片发热，当热量达到低熔点合金熔断温度时，过热脱离器动作切断电源，使压敏电阻陶瓷芯片在击穿短路前退出电网，达到了保护的目的。

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熔化，短路事故就发生了。

专利201821459873.9提供了另一种解决方案，由于内容属于公开方案，则具体方案不进行阐述。只是该方案仍然还存在一些缺陷，在SPD应用中因暴露在露天，电涌冲击能量相对较大，一般采用有效直径相对大的压敏电阻芯片制作，两组压敏电阻组成的串联回路是吸收电涌脉冲的主通道，因此两组压敏电阻必须都满足具备较大的电涌耐受能力，又因支路的压敏电阻（该专利图中标号1）耐受电涌冲击的性能高于干路的压敏电阻（该专利图中标号2）耐受电涌冲击的性能，也就导致了其制造成本增加至少两倍以上，同时在安装体积上也有相同增长。

实用新型内容

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种多通道保护的浪涌保护器，通过多个通道同时进行泄流，并通过电路设计致使内部元器件相较于现有技术在保证具有较好分断性能的前提下同时降低规格，从而节省成本。

本实用新型所采用的技术方案为：

第一方面，本实用新型提供一种多通道保护的浪涌保护器，具有两个连接外部电路的端头，具有并联在两个端头之间的主通道和副通道，通过两个端头的电涌同时流过主通道和副通道，其中：

主通道上设有第一压敏电阻，而副通道上设有相互串联的第二压敏电阻和第三压敏电阻；

其中，所述第一压敏电阻耐受浪涌能力高于第二压敏电阻和第三压敏电阻，而第三压敏电阻的耐受电涌冲击能力高于第二压敏电阻；

在副通道上还设有与第三压敏电阻并联的热保护结构，并在任一端头处设有热脱扣结构，所述热保护结构内设有的正温度系数热敏电阻与热脱扣结构通过结构之间热耦合。

值得说明的是，SPD设备由于其电气特性，则在接入电路的正常运行状态下属于断路状态，仅在接入电路中出现雷电流或其他电涌时，内部的压敏电阻会迅速降低阻值供电涌泄流。与现有技术不同的是，本实用新型的两个并联通道均为泄流通道，其中的主通道作为主要的泄流通道承受较大的电涌能量，而副通道具有较小部分的电涌能量泄放；压敏电阻的电涌泄放能力和芯片的有效直径具有直接关系，有效直径越大电涌泄放能力越强，反之亦然，因此第一压敏电阻可选择有效直径大的压敏电阻芯片，副通道内的压敏电阻可选择有效直径非常小（相较于第一压敏电阻）的压敏电阻芯片来实现，因主、副通道并联，根据副通道内的压敏电阻有效直径选择大小在吸收电涌能量性能上也会有对应的提升，同时可以极大的降低制造成本。

而相较于现有技术，通过两个泄流通道能够达到较好的成本控制，但要实现基本的脱扣保护效果，则会在副通道处单独设有热保护结构。由于副通道内的压敏电阻规格远小于第一压敏电阻，则在较大电涌或多次电涌冲击下，副通道内的压敏电阻会较早的劣化失效。则副通道内设有两个串接的压敏电阻，将其中耐受电涌冲击性能较高的定义为第三压敏电阻，较低的则为第二压敏电阻。

由于整个浪涌保护器包括两个端头，也就是用于连接外部电路的引脚或端子等结构。在其中一个端头处设有的热脱扣结构与其中的热保护结构热传递连接，一旦副通道上的第二压敏电阻（理论上最先出现劣化问题）出现劣化，则会有持续的漏电流从设有热脱扣结构的端头泄出，此时副通道上沿电流流动方向设置在第二压敏电阻之后的正温度系数热敏电阻会在出现漏电流后快速升温，并电阻也快速提升避免在形成断路保护前避免漏电流持续增大。而温度升至热脱扣结构的动作温度后，其热耦合处会熔断并由热脱扣结构快速分断。

还值得说明的是，本实用新型中所指的耐受电涌冲击能力是指压敏电阻的最大承受电压值。

结合第一方面，本实用新型提供第一方面的第一种实施方式，

将对施加任意电压在第一压敏电阻上所产生的电流值与第一压敏电阻的有效面积比值为a；

对施加相同电压在第二压敏电阻和第三压敏电阻的串联电路上所形成的电流值与第二压敏电阻的有效面积比值为b；

其中a：b的比值小于1。

结合第一方面，本实用新型提供第一方面的第二种实施方式，第一压敏电阻耐受电涌冲击能力是第三压敏电阻的3倍以上。

结合第一方面，本实用新型提供第一方面的第三种实施方式，第三压敏电阻耐受电涌冲击能力是第二压敏电阻的2倍以上。

结合第一方面的第一种实施方式，本实用新型提供第一方面的第四种实施方式，第一压敏电阻的压敏电压值为c，而第二压敏电阻和第三压敏电阻的压敏电压值和为d；

其中c：d的比值范围为1-3。

结合第一方面的第一种实施方式，本实用新型提供第一方面的第五种实施方式，所述第三压敏电阻的压敏电压值高于浪涌保护器接入的外部电路的峰值电压

结合第一方面和其第一至五种实施方式，本实用新型提供第一方面的第六种实施方式，所述热保护结构为与第三压敏电阻并联的热保护通道，所述热保护通道上设有相互串联的第四压敏电阻和正温度系数热敏电阻；

所述导热结构为低热阻导热结构，所述热脱扣结构通过低热阻导热结构与第四压敏电阻和正温度系数热敏电阻中的其中一个或两个热耦合。

结合第一方面的第四种实施方式，本实用新型提供第一方面的第七种实施方式，所述第四压敏电阻和正温度系数热敏电阻的两端的电压被限制在第三压敏电阻的残压值内。

结合第一方面的第四种实施方式，本实用新型提供第一方面的第八种实施方式，所述热脱扣结构的动作温度低于正温度系数热敏电阻的居里温度。

结合第一方面的第四种实施方式，本实用新型提供第一方面的第九种实施方式，所述第二压敏电阻的压敏电压值低于浪涌保护器接入的外部电路的峰值电压的90%。

保护原理：

当外部电路中没有电涌脉冲时，压敏电阻均处于高阻状态，当元件完好无电涌时，由于处于高阻不导通状态，流过热保护支路的漏电流极小（微安级），保护支路不发热。

电涌到来时，压敏电阻均呈低阻状态，电涌能量由两个通道同时泄放。此时，SPD的电涌能量泄放水平可认为是主通道与副通道之和。

而电涌消失后，压敏电阻均回到高阻状态。当第三压敏电阻已经显著劣化并开始启动热保护回路时，第一压敏电阻和第二压敏电阻还基本完好。

本实用新型的有益效果为：

（1）本实用新型通设置过主、副通道来泄放浪涌，根据电流密度不同来达到定点失效的目的，并通过降低副通道的浪涌泄放能力来降低生产成本。

（2）本实用新型同时在副通道中采用不同抗浪涌能力的压敏电阻串联的方式来达到，失效后仍具有一定的耐电压能力，使电路任然处于高电阻状态；而热保护通道中采用正温度系数热敏电阻来限制电流和温度，同时起到脱离电网的目的。

附图说明

图1是本实用新型中实施例2和实施例3部分的结构框架图。

图中：1-第一压敏电阻，2-第二压敏电阻，3-第三压敏电阻，4-第四压敏电阻，5-正温度系数热敏电阻，6-低热阻导热结构。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步阐释。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

本实施例中公开一种多通道保护的浪涌保护器，旨在改进现有技术中采用多器件串并连接形成的SPD设备成本较高的问题，通过对电路连接方式的优化，从而可在材料选型时选用较低规格的材料，并保证其具有较为稳定的分断能力。

具体来说，该浪涌保护器连接在外部电路中，具有两个端头，在两个端头之间设有并联的主通道和副通道，主通道作为为吸收电涌脉冲的主通道，设有耐受电涌冲击性能较好的第一压敏电阻1，使其较大部分的电涌能量由此回路泄放。而副通道是由第二压敏电阻2、第三压敏电阻3组成的串联支路，作为吸收电涌的副通道，具有较小部分的电涌能量泄放。

其中，所有压敏电阻均为片体，具有两个引脚。

本实施例中，在SPD中的第一压敏电阻1可选择有效直径大的压敏电阻芯片，第二压敏电阻2、第三压敏电阻3可选择有效直径非常小的压敏电阻芯片来实现，可以在原有的基础上降低制造成本50%以上，又因主、副通道并联，在吸收电涌能量性能上也有所提升。

同时，为了保证该SPD设备具有常规的分断效果，则在任一端头处设有热脱扣机构，且该端头与设有的热保护通道热耦合连接。

进一步地，本实施例中的第二压敏电阻2的耐电涌冲击性能低于第三压敏电阻3，则热保护通道是与第三压敏电阻3并联，用于对第二压敏电阻2劣化后出现漏电流情况进行动作保护。

该热保护通道主要包括有正温度系数热敏电阻5，正温度系数热敏电阻5通过设有的低热阻导热结构6与设有热脱扣结构的端头热耦合连接，从而在快速升温后能够使热耦合的低温锡焊结构熔断并由热脱扣结构分断。

由于在没有电涌脉冲时压敏电阻均处于高阻状态，电涌到来时，压敏电阻均呈低阻状态，电涌能量由两个通道同时泄放。此时，SPD的电涌能量泄放水平可认为是主通道与副通道之和。电涌消失后，压敏电阻片均回到高阻状态。为了确保电涌通道中的元器件劣化要从副通道开始，在限压保护水平选择上，本实施例中的材料选型应遵循以下条件：

施加任意一个电压在第一压敏电阻1片所产生的电流值与其电阻片有效面积的比值a，施加相同的电压在第二压敏电阻2片与第三压敏电阻3片串联电路上所产生的电流值与第二压敏电阻2片的有效面积的比值b，它们的比值（a/b）小于1。

实施例2：

本实施例同样公开一种多通道保护的浪涌保护器，如图1所示，同样具有两个连接外部电路的端头，在两个端头之间设有相互并联主通道和副通道，通过两个端头的电涌同时流过主通道和副通道，其中主通道上设有第一压敏电阻1，而副通道上设有相互串联的第二压敏电阻2和第三压敏电阻3，所述第三压敏电阻3的耐受电涌冲击性能高于第二压敏电阻2的耐受电涌冲击性能。

在副通道上还设有与第三压敏电阻3并联的热保护结构，并在任一端头处设有热脱扣结构，所述热保护结构内设有的正温度系数热敏电阻5与热脱扣结构通过结构之间热耦合。

热保护结构为与第三压敏电阻3并联的热保护通道，所述热保护通道上设有相互串联的第四压敏电阻4和正温度系数热敏电阻5；导热结构为低热阻导热结构6，所述热脱扣结构通过低热阻导热结构6与第四压敏电阻4和正温度系数热敏电阻5中的其中一个或两个热耦合。

电涌冲击时，SPD的电涌能量泄放水平可认为是主通道与副通道之和，电涌消失后，压敏电阻片均回到高阻状态。为了确保电涌通道中的元器件劣化要从副通道开始，在限压保护水平选择上，本实施例中的材料选型应遵循以下条件：

将对施加任意电压在第一压敏电阻1上所产生的电流值与第一压敏电阻1的有效面积比值为a；对施加相同电压在第二压敏电阻2和第三压敏电阻3的串联电路上所形成的电流值与第二压敏电阻2的有效面积比值为b；其中a：b的比值小于1。

其中主、副通道的泄流方式如上述实施例1所述，本实施例对热保护通道和材料选型条件进行优化改进。针对热保护通道，其中的第四压敏电阻4片、正温度系数热敏电阻5片与第二压敏电阻2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结构。

当元件完好无电涌时，由于处于高阻不导通状态，流过热保护支路的漏电流极小（微安级），保护支路不发热。即使当电涌来临时，由于串接在支路中的正温度系数热敏电阻5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1片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浪涌主通道和副通道通过，并且第四压敏电阻4片和正温度系数热敏电阻5片串联支路两端的电压还被限制在第三压敏电阻3片的残压值，流过热保护支路的浪涌电流在此条件下至多为安培级，在电涌持续时间内产生的热量极小，保护支路会因发热量微弱而不动作。

当第二压敏电阻2片显著劣化、压敏电压值大幅下降甚至直接击穿时，第二压敏电阻2片的压敏电阻值与第四压敏电阻4片的压敏电压值叠加后，仍低于接入电路的电网工作电压峰值的90％以下时，热保护通道的漏电流进入毫安区并开始加速发热后，由耦合到的第四压敏电阻4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5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，使得第四压敏电阻4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，设定过热脱离器的动作温度低于正温度系数热敏电阻5片的居里温度，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。由于过热脱扣结构一般都设置有状态指示器或者电、声、光报警装置，很快会被发现，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。

实验测试：

对依据上述限定条件进行测试，总共分为三组材料选型。

第一组选型，其中：

第一压敏电阻1采用有效面积为30*30mm的压敏电阻片

第二压敏电阻2采用有效直径为12.0mm的压敏电阻片

第三压敏电阻3采用有效直径为15.0mm的压敏电阻片

第四压敏电阻4采用有效直径15.0mm且压敏电压为200VDC的压敏电阻片

正温度系数热敏电阻5采用15.0mm直径且220摄氏度居里温度的电阻片，第一压敏电阻1的压敏电压与第二压敏电阻2和第三压敏电阻压敏3电压的总和的比值A，A符合1<A<3。

对上述选型的SPD设备进行测试，具体测试数据如下表所示：

表1 第一组测试结果

第二组选型，其中：

第一压敏电阻1采用有效面积为30*30mm的压敏电阻片

第二压敏电阻2采用有效直径为15.0mm的压敏电阻片

第三压敏电阻3采用有效直径为12.0mm的压敏电阻片

第四压敏电阻4采用有效直径15.0mm且标称电压为200VDC的压敏电阻片

正温度系数热敏电阻5采用15.0mm直径且220摄氏度居里温度的电阻片

其中第一压敏电阻1的压敏电压等于第二压敏电阻2和第三压敏电阻3压敏电压的总和。

表2 第二组测试结果

第三组选型，其中：

第一压敏电阻1采用有效面积为30*30mm的压敏电阻片

第二压敏电阻2采用有效直径为15.0mm的压敏电阻片

第三压敏电阻3采用有效直径为12.0mm的压敏电阻片

第四压敏电阻4采用有效直径15.0mm且标称电压为200VDC的压敏电阻片

正温度系数热敏电阻5采用15.0mm直径且220摄氏度居里温度的电阻片

其中第一压敏电阻1的压敏电压小于第二压敏电阻2和第三压敏电阻3压敏电压的总和。

本实用新型不局限于不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。

Claims (10)

1.一种多通道保护的浪涌保护器，具有两个连接外部电路的端头，其特征在于：具有并联在两个端头之间的主通道和副通道，通过两个端头的电涌同时流过主通道和副通道，其中：

主通道上设有第一压敏电阻（1），而副通道上设有相互串联的第二压敏电阻（2）和第三压敏电阻（3）；

其中，所述第一压敏电阻耐受浪涌能力高于第二压敏电阻和第三压敏电阻，而第三压敏电阻（3）的耐受电涌冲击能力高于第二压敏电阻（2）；

在副通道上还设有与第三压敏电阻（3）并联的热保护结构，并在任一端头处设有热脱扣结构，所述热保护结构内设有的正温度系数热敏电阻（5）与热脱扣结构通过结构之间热耦合。

2.根据权利要求1所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：

将对施加任意电压在第一压敏电阻（1）上所产生的电流值与第一压敏电阻（1）的有效面积比值为a；

对施加相同电压在第二压敏电阻（2）和第三压敏电阻（3）的串联电路上所形成的电流值与第二压敏电阻（2）的有效面积比值为b；

其中a：b的比值小于1。

3.根据权利要求1所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：第一压敏电阻（1）耐受电涌冲击能力是第三压敏电阻（3）的3倍以上。

4.根据权利要求1所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：第三压敏电阻（3）耐受电涌冲击能力是第二压敏电阻（2）的2倍以上。

5.根据权利要求2所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：第一压敏电阻（1）的压敏电压值为c，而第二压敏电阻（2）和第三压敏电阻（3）的压敏电压值和为d；

其中c：d的比值范围为1-3。

6.根据权利要求2所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：所述第三压敏电阻（3）的压敏电压值高于浪涌保护器接入的外部电路的峰值电压。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：所述热保护结构为与第三压敏电阻（3）并联的热保护通道，所述热保护通道上设有相互串联的第四压敏电阻（4）和正温度系数热敏电阻（5）；

所述热脱扣结构通过低热阻导热结构（6）与第四压敏电阻（4）和正温度系数热敏电阻（5）中的其中一个或两个热耦合。

8.根据权利要求7所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：所述第四压敏电阻（4）和正温度系数热敏电阻（5）的两端的电压被限制在第三压敏电阻（3）的残压值内。

9.根据权利要求7所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：所述热脱扣结构的动作温度低于正温度系数热敏电阻（5）的居里温度。

10.根据权利要求7所述的一种多通道保护的浪涌保护器，其特征在于：所述第四压敏电阻（4）的压敏电压值低于浪涌保护器接入的外部电路的峰值电压的90%。

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