一种多脉冲电涌保护电路及电涌保护器

摘要

本申请一种多脉冲电涌保护电路及电涌保护器，其中电涌保护电路包括并联工作的前端吸收电路和高频分量吸收电路，前端吸收电路包括有一个脉冲保险丝和一个氧化锌压敏电阻形成的串联支路，高频分量吸收电路包括有瞬态二极管、滤波元件和脉冲保险丝形成的串联支路，能够实现工频短路电流直接分断，无需使用铜块替代，提高了MSPD的安全性；高频分量吸收电路能够吸收雷电波中能量最高的频率分量，有效降低输出残压，提高吸收能力。

说明书

技术领域

本发明属于电涌保护领域，具体涉及一种多脉冲电涌保护电路及电涌保护器。

背景技术

风电场往往建设在海拔较高或者沿海滩涂等地，容易发生强对流和雷暴天气，而风电机组往往处于较突出位置，在雷暴环境中产生一个极不均匀的电场极，并伴有尖端放电，使得风电机组尤其是外露部分例如叶片、轮毂、塔架等成为闪电放电的主要目标。雷电沿着机组线路传导到风机的线路负载，直接损坏风机内设备。

据德国在1991—1998年的统计数据，德国风电场每年每百台风机的雷击事故率为10％左右；日本2002—2006年期间因雷电造成风电停机的比例占到10％～20％，海上风电机组因雷电停机比例达到30％；我国海南东方风电场，近年来仅风机叶片的雷击损坏率就达5.56片/(百片/年)。

目前，全球各国生产的单脉冲电涌保护器(SPD)都是按照IEC61643-11-2011《低压浪涌保护装置.第11部分：连接到低压电力系统的浪涌保护装置.要求和试验方法》的产品技术标准进行研发和生产，并经雷电高压实验室采用10/350μs或8/20μs的单脉冲冲击进行检验,不具有或不完全具有耐受雷电多脉冲冲击的能力。广州野外雷电试验基地2008年8月12日SPD自然雷击耐受力试验：负极性非单一LEMP共有8次回击(8个脉冲组合)，最大电流26.4kA。流经SPD的电流最大值为1.64KA，造成标称电流20kA的SPD损坏，反映了单脉冲SPD对雷电电涌吸收能力不足，不能应用于例如风电机组这样的易遭受多脉冲雷击的场景。

另外，利用单脉冲SPD进行多级组合防护时，开关型SPD响应时间太慢(μs级)，不能对雷电流起到抑制作用，往往出现雷电脉冲损坏了第二级SPD(Ⅱ级试验)和设备，但第一级(I级试验)开关型SPD不起作用的现象。

虽然目前市面上出现了一些多脉冲电涌保护器(MSPD)，但是并不适用于风电机组的发电系统，对电涌的吸收能力也不够。

因此，提供一种能够更适用的多脉冲电涌保护器是有必要的。

发明内容

基于此，本发明旨在提供一种多脉冲电涌保护电路及电涌保护器，以克服上述现有技术的缺陷。

本发明一种多脉冲电涌保护电路，包括：

并联工作的前端吸收电路和高频分量吸收电路；

前端吸收电路包括有一个脉冲保险丝和一个氧化锌压敏电阻形成的串联支路；

高频分量吸收电路包括有瞬态二极管、滤波元件和脉冲保险丝形成的串联支路。

进一步地，当前端吸收电路为多级时，对各级串联支路的氧化锌压敏电阻的额定电压进行离散性整定，使得各级支路按照奇偶顺序分断。

进一步地，前端吸收电路为六级。

进一步地，前端吸收电路的总分布电容为21.6～25.2nF。

进一步地，滤波元件包括串联的一个电感和一个电容。

进一步地，电感参数为8.3mH，电容参数为30.7nF。

进一步地，前端吸收电路中的脉冲保险丝的分断时间以同一支路上的氧化锌压敏电阻的热崩溃临界时间为极限。

进一步地，该多脉冲电涌保护电路还包括温度熔断器，所述温度熔断器内设于氧化锌压敏电阻。

进一步地，当前端吸收电路为多级时，各级串联支路中的温度熔断器还相互串联。

进一步地，前端吸收电路还包括发光二极管，发光二极管并联在脉冲保险丝的两端。

本发明还提供一种电涌保护器，其封装了如上所述的任一情形的多脉冲电涌保护电路。

进一步地，该电涌保护器还包括遥信插座，其输入端与温度熔断器的输出端连接。

从以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的多脉冲电涌保护电路及电涌保护器，能够适应风力发电机发电系统的工作要求，尤其适配690V的发电系统；前端吸收电路采用脉冲保险丝和氧化锌压敏电阻串联的工作方式，能够实现工频短路电流直接分断，无需使用铜块替代，提高了MSPD的安全性；高频分量吸收电路能够吸收雷电波中能量最高的频率分量，有效降低输出残压，提高吸收能力，同时有效抑制高频分量对风机塔筒内光纤环网系统微电子设备的干扰。本发明在风电机组中的应用，将有效降低雷电对风电机组的损害，同时本发明的结构可以进行模块化，适应发电机组设备内部有限空间的安装需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1本发明一种实施例提供的多脉冲电涌保护电路原理图

图2本发明另一实施例提供的多脉冲电涌保护电路原理图

图3本发明另一实施例提供的填充石英砂的多脉冲电涌保护电路示意图

图4本发明实施例提供的多脉冲电涌保护电路分级分断电压波形图

图5本发明实施例提供的多脉冲电涌保护电路十脉冲冲击测试电压波形图

图6本发明实施例提供的多脉冲电涌保护电路残压测试波形图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种多脉冲电涌保护电路，包括：

并联工作的前端吸收电路和高频分量吸收电路；

前端吸收电路包括有一个脉冲保险丝和一个氧化锌压敏电阻形成的串联支路；

高频分量吸收电路包括有瞬态二极管、滤波元件和脉冲保险丝形成的串联支路。

本实施例示出了一种优化方案，前端吸收电路共有六级，即脉冲保险丝MB1-MB6，氧化锌压敏电阻TMOV1-TMOV6。

在进一步的实施例中，为了实现直接分断，前端吸收电路中采用的脉冲保险丝需兼顾工频过电压和雷电过电压，因此设计时选择满足分断时间(1s≤t≤2s)以TMOV的热崩溃临界时间为极限的脉冲保险丝。

当雷电过电压超过TMOV的工作电压时，TMOV导通，电流流过TMOV的时间超过2秒TMOV就发生热崩溃而着火，采用脉冲保险丝，其在流过额定电流100A，持续时间(1s≤t≤2s)就断开，也就是在TMOV着火前就断开，避免了TMOV着火。当雷电过电压或工频过电压的持续时间超过第一级的工作时间时，第一级电路断开，由第二级TMOV电路重复第一级的工作，直到过程结束。根据IEC61643-2011/2PFG，多脉冲的冲击过电压的时间为850ms。

为了实现分级分断，还可以对各级支路中的TMOV的额定电压进行离散性参数控制，使得每级的脉冲保险丝都能在工频短路时(1s≤t≤2s)快速断开，断开多少级取决于工频过电压的持续时间，使得低压配电线路不受MSPD短路影响，起到后备保护装置的作用。

在进一步的实施例中，还可以通过对TMOV的参数配置，使得各级前端吸收支路按照奇偶的顺序分断，即奇偶配对。TMOV的参数分散性大，可达10％。奇偶配对的目的，是为了在TMOV之间实现热辐射隔离，提高TMOV的热耐受能力。由于第一级支路工作时产生的热量将辐射到第二级，使第二级支路不工作的TMOV本体温度上升，影响其工作状态。为了避免第一级支路工作时对第二级(相邻)支路的影响，可以把第二次分断的支路安排在第三级，即按照1、3、5、2、4、6级的分断顺序逐级分断，这样的配置可以提高MSPD的热耐受力，提高产品质量。

在进一步的实施例中，对各级支路TMOV额定动作电压的选择可以如下：TMOV1为567～573V，TMOV2为579～585V，TMOV3为591～597V，TMOV4为603～609V，TMOV5为615～621V，TMOV6为627～633V。

六级支路并联后，前端吸收电路的总分布电容可达到21.6～25.2nF。

这里需要明确的是，前端吸收电路中不可通过串联多个氧化锌压敏电阻来提高电涌的吸收能力，多个氧化锌压敏电阻串联将导致动作电圧不必要的升高，多个电阻都导通才完成雷电波的泄流，支路泄流速度明显变慢且吸收电路的总分布电容变大。

在进一步的实施例中，高频分量吸收电路中的滤波元件可以包括一个滤波电感和电容。如图1示出的情形，瞬态二极管TVS、滤波电感L7、电容C7和脉冲保险丝MB7串联而成的高频分量吸收电路，形成串联谐振电路，谐振时支路两端电压最低，流过的电流最大，且TVS的响应速度为10

高频分量吸收电路的谐振频率经过巴塞瓦尔能量等式计算后确定为1kHZ-10kHZ，本实施例的选择为10kHZ，电感L＝8.3mH，电容C＝30.7nF。

容易理解的是，其余谐振频率满足1kHZ-10kHZ的电感电容组合也可，本发明不对此做更多的限定。

在进一步的实施例中，本发明的电涌保护电路还包括内设于TMOV内部的温度熔断器，以图1示出的六级前端吸收电路为例，六个温度熔断器FU1～FU6相互串联，最后一级的FU输出连接至遥信插座。这里选择FU的熔断温度为60℃，任一支路上的TMOV流过的电流产生的热量温度超过60℃时，熔断器断开，向遥信插座发出开关信号，实现远程遥信监测线路工作状态。

出于对安全性的考虑，对瞬态二极管TVS的选择需确保其击穿电压大于线路电压。

在进一步的实施例中，本发明的电涌保护电路还包括发光二极管，如图2所示，发光二极管VD1～VD6并联在脉冲保险丝MB1～MB6的两端。当六级前端吸收电路任一支路故障断开时，将点亮对应支路的二极管，以示告警。

将本发明的多脉冲电涌保护电路应用在风电机组内时，其可安装与机舱控制柜或塔基控制柜内，前端吸收电路和高频分量吸收电路并联工作在690V线路上。因其安装空间有限，还考虑了电路工作时的散热问题，如图3所示(高频分量吸收电路未示出)，利用石英砂的温度负反馈进行散热，石英砂充填在TMOV和模块外壳之间的空隙中，因每块TMOV受雷击后的热中心位置不同，石英砂良好的导热性可以保证不同部位的热量迅速从高到低传导。

以图1示出的七级电路为例，下面对电路的各项性能进行测试。

图4示出了图1所示例的七级多脉冲电涌保护电路分级分断时的电压波形，横轴的时间刻度每格为600ms，测试过程中电压保持在U1(约800V)。

T1时工频短路电流开始通过(约100ms处)，T2时第一级吸收支路路首先导通(约700ms处)，电流值增大至I1(98.79A≈100A)，经过约1400ms后(即图中T3＝2100ms处)，第一级脉冲保险丝MB1熔断，电流值减小至I2(约40A)，MB1的分断时间维持在1s≤t≤2s，满足工频过电压分断要求。

经过300ms后，T4时第二级吸收支路开始导通，电流值增大至I1，经过约1400ms后(即图中T5＝3800ms处)，第二级脉冲保险丝MB2熔断，电流值减小至I2，MB2的分断时间维持在1s≤t≤2s，满足工频过电压分断要求。

同样地，再经过300ms后，T6时第三级吸收支路开始导通，之后的吸收支路逐级断开，实现了保护电路在工频短路电流情况下及时分断。

若对TMOV进行参数配置，可以使得各级前端吸收支路按照奇偶的顺序分断，能够使得保护电路能量和时间的配合满足抑制雷电放电脉冲，支路断开的顺序不影响电压波形变化，这里不再赘述。

图5示出的是图1所示例的七级多脉冲电涌保护电路在接受十脉冲冲击时的脉冲波形变化。反映了保护电路对多脉冲的承受能力，该十脉冲组合波的测试参数如下表1所示。

表1

T1时产生第一个脉冲，峰值为I1(57.75kA≈60kA)；间隔60ms后T2时产生第二个脉冲，峰值为I2(≈30kA)；间隔60ms后T3时产生第三个脉冲，峰值为I2；间隔60ms后T4时产生第四个脉冲，峰值为I2；间隔60ms后T5时产生第五个脉冲，峰值为I2；间隔60ms后T6时产生第六个脉冲，峰值为I2；间隔60ms后T7时产生第七个脉冲，峰值为I2；间隔60ms后T8时产生第八个脉冲，峰值为I2；间隔60ms后T9时产生第九个脉冲，峰值为I2；间隔400ms后T10时产生第十个脉冲，峰值为I1，十脉冲冲击结束。

七级多脉冲电涌保护电路接受十脉冲冲击测试后仍能正常工作，佐证了其对雷电多脉冲放电的承受能力。

图6示出的是保护电路输出残压的电压波形变化，输出残压Up值的大小是衡量保护电路电涌吸收能力的重要指标，经测试，采用10/350μs波形，冲击电流12.5kA，输出残压Up≤1.08kV，η＝91.36％，相比国家电涌保护器I级试验合格标准(冲击电流I

本发明另一实施例还提供了一种电涌保护器，封装有如上述任一实施例所述的多脉冲电涌保护电路。

具体的连接关系及工作原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

在本申请的描述中，需要说明的是，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，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。

除非另有明确的规定和限定，术语“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。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。