阅读说明：本技术 一种低压浪涌保护器 (Low-voltage surge protector ) 是由 陈影月 成先贤 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低压浪涌保护器,属于浪涌保护器领域,其包括通过并联组合成保护器的氧化锌阀片与碳化硅阀片,氧化锌阀片平均每毫米厚度电场强度为20-25V/mm,最大通流为100A,碳化硅阀片平均每毫米厚度电场强度为36-45V/mm,当电压低于100V时,碳化硅阀片的泄露电流为0.2-0.4mA,碳化硅阀片的动作电压小于氧化锌阀片的动作电压。本发明集浪涌、消磁、过电压为一体,充分利用了高能碳化硅发片低泄露以及高能氧化锌发片钳压迅速平稳的特性,提前构建释放通道,使之不产生浪涌过电压,能量过大的浪涌直接钳制吸收,从而有效弥补了传统浪涌保护器在0-100V低电压电力系统中的不足。(The invention discloses a low-voltage surge protector, which belongs to the field of surge protectors and comprises a zinc oxide valve plate and a silicon carbide valve plate which are combined into a protector in parallel, wherein the average electric field intensity per millimeter of the zinc oxide valve plate is 20-25V/mm, the maximum through-flow is 100A, the average electric field intensity per millimeter of the silicon carbide valve plate is 36-45V/mm, when the voltage is lower than 100V, the leakage current of the silicon carbide valve plate is 0.2-0.4mA, and the action voltage of the silicon carbide valve plate is smaller than the action voltage of the zinc oxide valve plate. The invention integrates surge, demagnetization and overvoltage, fully utilizes the characteristics of low leakage of the high-energy silicon carbide hair piece and rapid and stable clamping of the high-energy zinc oxide hair piece, constructs a release channel in advance, prevents the generation of surge overvoltage, and directly clamps and absorbs the surge with overlarge energy, thereby effectively making up the defects of the traditional surge protector in a 0-100V low-voltage power system.)

一种低压浪涌保护器

技术领域

本发明涉及浪涌保护器的技术领域，尤其是涉及一种低压浪涌保护器。

背景技术

现代化工业的飞速发展，在给人们带来方便、高效和巨大的经济利益的同时电网中采用了许多大容量的电力电子设备，例如城乡大量使用的变频空调、大型工厂中采用晶闸管变流装置等等，由于它的非线性、冲击性和不平衡的频繁投切的用电特性，给公用电网造成污染，并注入大量谐波，产生浪涌过电压，也给很多电子设备、仪器仪表、通讯线路正常工作带来干扰，有些严重的还会损毁精密元器件。

为了消除过电压浪涌，目前行业内通用的做法是加装浪涌保护器。传统型浪涌保护器是采用氧化锌阀片，阀片材料表现为非欧姆电导，其在正常工作电压下的泄露电流远小于1mA，而氧化锌陶瓷材料其存在阈值电压过高(最低阈值电压U_1mA能达到160V)、单片能容过小(最大通流60A)等缺陷，从而导致在0-100V的低压领域的实际应用中浪涌保护效果不明显；要取得明显的保护效果，必然要降低动作电压，而同等条件下受制于单片阀片的容量，阀片频繁动作必然会导致发热严重，危及阀片自身的安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压浪涌保护器，具有可在0-100V低压领域提高浪涌保护效果的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种低压浪涌保护器，包括通过并联组合成保护器的第一非线性电阻阀片与第二非线性电阻阀片，所述第一非线性电阻阀片为氧化锌阀片，所述第一非线性电阻阀片平均每毫米厚度电场强度为20-25V/mm，最大通流为100A，所述第二非线性电阻阀片为碳化硅阀片，所述第二非线性电阻阀片平均每毫米厚度电场强度为36-45V/mm，当电压低于100V时，所述第二非线性电阻阀片的泄露电流为0.2-0.4mA，所述第二非线性电阻阀片的动作电压小于第一非线性电阻阀片的动作电压。

通过采用上述技术方案，本申请中的碳化硅阀片不仅具备常规的高容量的特点，且在100V电压下，泄漏电流为0.2-0.4mA，几乎为零，表现为绝缘状态，由于第二非线性电阻阀片的动作电压小于第一非线性电阻阀片，保护器中先由碳化硅阀片开始工作，当电压高于某一值时再由氧化锌阀片工作，本申请的氧化锌阀片具有超低平均每毫米厚度电场强度并仍具有高容量的特点，高容量有助于提高阀片的耐受电流值，在最大通流达到100A时阀片也不易损坏。将两种不同材料所制成的阀片的优势特性组合起来再进行浪涌保护，解决了传统技术0-100V的低压领域采用单一氧化锌阀片受到限制的问题，达到了较好的浪涌保护效果。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一非线性电阻阀片的配料按照重量份计为：氧化锌粉末98～99份、导电炭黑1～1.5份、粘结剂0.3～1份。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第二非线性电阻阀片的配料按照重量份计为：碳化硅粉末98～99份、导电炭黑1～1.5份、粘结剂0.3～1份。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：还包括草木灰，所述草木灰与氧化锌粉末、碳化硅粉末均以重量比为1:13复配。

通过采用上述技术方案，草木灰是植物燃烧后的残留物，回收后可以用作燃料，草木灰中主要成分为碳和金属氧化物，还含有一些微量元素，将草木灰与碳化硅粉末或氧化锌粉末复配，再经高温烧结后形成的陶瓷阀片，有利于进一步提高该阀片的能量密度；另外，草木灰还属于废物再利用，具有优良的节能、环保作用。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述粘结剂选用如下重量份的组分混合而成：阴离子粘土25～35份、乙炔炭黑10～15份、玉米淀粉5～10份和水40～50份。

通过采用上述技术方案，阴离子粘土的比表面积较大，供乙炔炭黑、玉米淀粉附着，使所制备的粘结剂既具有优异的粘结性，而且具有良好的导热性，将该粘结剂添加至氧化锌或者碳化硅粉末中后，有助于提高该阀片烧结后的致密性，还可促进该阀片散热性能。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一非线性电阻阀片的制备工艺为：(1)配料：按照第一非线性电阻阀片配方，称量相应重量份氧化锌粉末、导电炭黑和粘结剂；

(2)混料；

(3)干燥成型：将步骤(2)中混料完成的浆料进行干燥，采用冲压式压机成型，形成第一非线性电阻阀片胚体；

(4)预烧：将步骤(3)中第一非线性电阻阀片胚体置于烧结炉中，控制温度为490～510℃，保持2～3h；

(5)喷涂：对步骤(4)预烧后的烧结炉内通入氢气，升温至1400～1600℃，再保温70～75h，形成第一非线性电阻阀片半成品；然后将第一非线性电阻阀片半成品随炉降温至650～750℃时取出，同时在第一非线性电阻阀片半成品的两端面喷铝电极，继续自然冷却降温，在第一非线性电阻阀片半成品的侧表面喷涂绝缘漆。

通过采用上述技术方案，采用氧化锌粉末、导电炭黑、粘结剂和草木灰进行共混，配料为自主研发设计，将上述组分均匀混合，再经干燥烧结，将烧结后的第一非线性电阻阀片半成品随炉进行降温，当降温至650～750℃时，向阀片的两端喷铝电极，铝电极与阀片的表面温差较小，铝焊丝在点焊机吹焊作用下很快熔融，均匀涂布在阀片的端面上，使得铝电极与阀片更好地结合在一起，显著提高了以氧化锌为主材的阀片两端的密封性，防止潮气从气隙侵入，减小泄漏电流的产生量，实现制备了同时兼具有较高能量密度与较低平均每毫米厚度电场强度的阀片。

本发明在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第二非线性电阻阀片的制备工艺为：(1)配料：按照第二非线性电阻阀片配方，称量相应重量份碳化硅粉末、导电炭黑和粘结剂；

(2)混料；

(3)干燥成型：将步骤(2)中混料完成的浆料进行干燥，采用冲压式压机成型，形成第二非线性电阻阀片胚体；

(4)预烧：将步骤(3)中第二非线性电阻阀片胚体置于烧结炉中，控制温度为490～510℃，保持2～3h；

(5)喷涂：对步骤(4)预烧后的烧结炉内通入氢气，升温至1400～1600℃，再保温70～75h，形成第二非线性电阻阀片半成品；然后将第二非线性电阻阀片半成品随炉降温至650～750℃时取出，同时在第二非线性电阻阀片半成品的两端面喷铝电极，继续自然冷却降温，在第二非线性电阻阀片半成品的侧表面喷涂绝缘漆。

通过采用上述技术方案，碳化硅是由硅和碳组成的化合物材料，在热、化学和机械方面非常稳定，SiC具有较高的载流子迁移率和较高的能量密度，而且SiC功率器件拥有高耐压、低损耗、高效率等特性，属于较理想的功率器件；采用碳化硅粉末、导电炭黑、粘结剂和草木灰进行共混，配料为自主研发设计，将上述组分均匀混合，再经干燥烧结，将烧结后的第二非线性电阻阀片半成品随炉进行降温，当降温至650～750℃时，向阀片的两端喷铝电极，铝电极与陶瓷阀片的表面温差较小，铝焊丝在点焊机吹焊作用下很快熔融，均匀涂布在阀片的端面上，使得铝电极与阀片更好地结合在一起，显著提高了以碳化硅为主材的陶瓷阀片两端的密封性，防止潮气从气隙侵入，减小泄漏电流的产生量，实现制备了同时兼具有较高能量密度与较小泄漏电流的阀片。

综上所述，本发明的有益技术效果为：

正常运行时，保护器不工作，其泄漏电流为0，丝毫不影响被保护路正常工作；当电路中出现浪涌时，此时电压只要略高于正常工作电压，保护器开始工作，此时由碳化硅材料制成的第二非线性阀片给浪涌过电压提供一个泄放通道，泄露电流流过，使电磁能量及时通过该阀片转化为热能消耗，起到消耗能量、消磁的目的，且由于第二非线性电阻阀片的能量密度较大，此区间保护器可以长时间工作，当过大的浪涌冲击以及过电压冲击来时，保护器由第二非线性电阻阀片开始转换为由氧化锌材料制成的第一非线性电阻阀片工作，达到迅速钳制过电压，吸收浪涌的作用。由于实际运行切换当中已经构成能量泄放通道，故不会产生浪涌过电压。

附图说明

图1是实施例五中用于体现保护器工作电路的示意图。

图2是实施例五中用于体现低压浪涌保护器工作时的伏安特性原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

乙炔炭黑购自天津亿博瑞化工有限公司生产的乙炔炭黑，CAS：1333-86-4；玉米淀粉购自苏州蓝翔化工科技有限公司，CAS：9005-25-8；草木灰购自兴化三农草木灰有限公司；阴离子粘土按照华南理工大学李斌发表的《阴离子粘土的制备与表征及其对DNA的吸附性能研究》中的方法进行制备。

实施例一：

第一非线性电阻阀片的制备工艺，包括如下步骤：

(1)配料：预先配制粘结剂，选用如下重量份的组分混合形成：称量阴离子粘土25份、乙炔炭黑10份、玉米淀粉5份和水40份；再按照重量份计，称量氧化锌粉末98份、导电炭黑1份、以及上述已制备的粘结剂0.3份。

(2)混料：将步骤(1)中称取的氧化锌粉末优先放入立式球磨机内，并通入气流，再将步骤(1)中称取的阴离子黏土、导电炭黑、粘结剂均匀添加在立式球磨机内，立式球磨机的转速为180r/min，球磨10h。

(3)干燥成型：将混料完成的浆料在120℃下进行干燥，经喷雾干燥机干燥成粉粒，采用冲压式压机成型出第一非线性电阻阀片胚件，成型压力控制在8Mpa/cm²，保持压力2.5分钟。压力太小时胚件的干燥强度太低，太大则由于压力传递不均，容易在胚件内形成应力，造成后续的烧结缺陷。

由于在步骤(2)中的氧化锌粉末先进行添加，其受气流作用打散会形成分散载体，利于多种粉末以无规则态高速撞击在一起，粉末之间进行高速摩擦，可提高各组分之间的静电吸附性，有利于提高胚体成型时的结合性。

(4)磨片：采用行星式研磨机对步骤(3)中的第一非线性电阻阀片胚体进行表面磨平。

(5)预烧：将步骤(4)中研磨后的第一非线性电阻阀片胚体置于烧结炉中，控制温度为500℃，保持2.5h。

(6)烧结：预烧后通入氢气，升温至1500℃，再保温70h。

(7)喷铝：将步骤(6)中经预烧后的第一非线性电阻阀片胚体随炉降温至650℃时取出，在第一非线性电阻阀片胚体的两端面喷铝电极，继续自然冷却降温，再在其侧表面喷涂绝缘漆。

对实施例一所制得的同一批次中的第一非线性电阻阀片进行性能检测，检测样品数量为三个，分别为样品一至样品三：

实施例二：第一非线性电阻阀片的制备工艺，与实施例一的不同之处在于，步骤(1)中原料复配中还添加有按重量份计的草木灰98/13份。

对实施例二所制得的同一批次中的第一非线性电阻阀片进行性能检测，检测样品数量为三个，分别为样品四至样品六。

购买合肥运通压敏电阻器厂所生产的MYN型氧化锌阀片进行性能检测，检测样品数量为三个，分别为样品七至样品九。

取上述九个样品进行检测，样品规格均为直径φ＝30mm、高度h＝4mm的圆柱。

检测手段为：

(1)采用万用表与各个样品串联，测量样品在经过1mA电流时其两端的直流电压：(2)增加流经样品的电流，测出电流最大增加至何值使阀片烧坏；(3)能量密度：采用方波测试仪，测试2ms方波耐受的能量密度。

由上表可知：

样品一至六的氧化锌阀片厚度均为4mm，在U_1mA下平均每毫米厚度电场强度均位于20-25V/mm之间，且平均每毫米厚度电场强度值越低，则其能量密度值越大该；样品一至六的最大通流均大于样品七至九，且最高可达到100A，且平均每毫米厚度电场强度值均小于样品七至九。

实施例二中原料添加了草木灰，所制出的阀片平均每毫米厚度电场强度均小于实施例一种的阀片，最大通流与能量密度均大于实施例一中的阀片。

实施例三：

第二非线性电阻阀片的制备工艺，与实施例一的不同之处在于，将氧化锌粉末替换为碳化硅粉末。

实施例四：

第二非线性电阻阀片的制备工艺，与实施例二的不同之处在于，将氧化锌粉末替换为碳化硅粉末。

对实施例三所制得的同一批次中的第二非线性电阻阀片进行性能检测，检测样品数量为三个，分别为样品一至样品三：

对实施例四所制得的同一批次中的第二非线性电阻阀片进行性能检测，检测样品数量为三个，分别为样品四至样品六。

取上述六个样品进行检测，样品规格均为直径φ＝30mm、高度h＝4mm的圆柱。

检测手段：

(1)采用万用表与各个样品串联，测量样品在经过1mA电流时其两端的直流电压；(2)泄漏电流：采用泄漏电流测试仪对各上述样品进行泄漏电流的测试，实验电压为100V；(3)能量密度：采用方波测试仪，测试2ms方波耐受的能量密度。

由上表可知：实施例三与实施例四所制出的碳化硅阀片平均每毫米厚度电场强度均位于36-45V/mm之间，在与氧化锌阀片其他条件均相同的情况下，能量密度均要高于氧化锌阀片，泄露电流均位于0.2-0.4mA，近似表现为绝缘状态。且实施例四中原料添加了草木灰，所制出的阀片的泄露电流均小于实施三中的碳化硅阀片，能量密度均大于实施例三中的碳化硅阀片。

实施例五：

一种低压浪涌保护器，如图1所示，其由实施例二与实施例四所制得的氧化锌阀片与碳化硅阀片并联获得，其可通过三相星型接线或两相接线等方式根据实际应用场景中的保护对象进行使用。

如图2所示，氧化锌阀片与碳化硅阀片在低压时工作电流均远小于1mA，由于氧化锌阀片与碳化硅阀片的平均每毫米厚度电场强度均已知，两个阀片的动作电压可由各自的厚度进行选择决定，且始终保证碳化硅阀片的动作电压小于氧化锌阀片的动作电压，同时两个阀片的动作电压均应大于被保护对象的正常工作电压，且低于被保护对象绝缘水平的电压。

当保护电路正常运行时，该保护器不工作，泄漏电流均近乎为0，丝毫不影响被保护电路正常工作；

当电路中出现浪涌时，此时电压只要略高于正常工作电压，保护器中的碳化硅阀片开始工作，即运行在H2-G区间，此时碳化硅阀片给浪涌过电压提供一个泄放通道，泄露电流流过，使电磁能量及时通过碳化硅阀片转化为热能消耗，起到消耗能量消磁的目的，且由于碳化硅的能量密度相比一般阀片大，此区间保护器可以长时间工作，相比现有技术中此阶段仅使用氧化锌阀片而降低动作电压这一方案更为有效可靠；

当过大的浪涌冲击以及过电压冲击来时，保护器由原来碳化硅阀片工作经由G点开始转换为氧化锌阀片工作，从而达到迅速钳制过电压、吸收浪涌的作用。保护器实际运行当中，由于H2-G区间已经构成能量泄放通道，故不会产生浪涌过电压。

目前国内在浪涌保护行业，均是采用单一材料。该设计思路巧妙地把两种材料的优势特性组合起来，即利用了由特殊工艺以及配方所制出的高能碳化硅阀片低泄露和高能低场氧化锌阀片钳压迅速平稳的特性。这一新的理念，相较传统保护器有质的飞跃，产生浪涌再来消，消不尽。而本实施例中的浪涌保护器是提前构建释放通道，使之不产生浪涌过电压，能量过大的浪涌直接钳制吸收，从而有效弥补了传统浪涌保护器在0-100V低电压电力系统中的不足。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。