EMC调试工具（五）：气体放电管

来源：风陵渡口话EMC 更新时间：2024-07-20 阅读：

气体放电管（GDT）是雷击浪涌防护中应用非常广泛的一种开关器件，是一种间隙型的防雷保护组件，无论是交直流电源的还是各种信号电路的防雷，都可以用它来将雷击电流泄放流入大地。

图1: 常用气体放电管

01、气体放电管（GDT）工作原理

气体放电管（GDT）的工作原理是气体间隙放电，当在放电管的两极间施加一定的电压，便在极间产生不均匀的电场，在电场作用下，气体开始游离，当外电压达到极间场强超过惰性气体的绝缘强度时，两电极之间的间隙击穿产生电弧，气体电离，产生"负阻特性"，从而由绝缘状态转为导电状态，气体放电管两端电压迅速下降，放电电流开始上升，两电极导通，导通后气体放电管两极之间的电压维持在放电电弧所决定的残压水平，残压通常很低，从而使得与放电管并联的电子设备免受过压损坏。

导通后，当外界流过气体放电管的电流降低到维持电弧所需的最小电流值以下，电弧中断而熄弧，气体放电管恢复到阻断状态。

02、气体放电管（GDT）基本结构

气体放电管有的是以玻璃作为管子的封装外壳，也有的用陶瓷作为封装外壳，放电管内充入电气稳定的惰性气体（氖气或氩气），常用气体放电管一般分为两个、三个，电极之间用气体隔开，按电极个数的设置来划分，放电管可分为二极、三极放电管。

气体放电管的内部结构如下图所示，它主要由纯铁电极、镍铬钴合金帽、银铜焊帽和陶瓷管体等主要部件构成。管内放电电极上涂覆有放射性氧化物，管体内壁也涂覆有放射性元素，用于改善放电特性。放电电极主要有杆形和杯形两种结构，杆形电极的放电管中，电极与管体壁之间还要加装一个圆形热屏，该热屏可以使陶瓷管体受热趋于均匀，不致出现局部过热而引起管断裂。

为保证气体放电管能快速地将浪涌电压限制在低电位，在陶瓷绝缘管内表面制作导电带，通过作用电场来加速放电区域的电离，使气体放电管具有快速响应特性和可恢复性。

图2: 两电极气体放电管内部结构

图3: 三电极气体放电管内部结构

03、气体放电管（GDT）主要电气参数

图4: 气体放电管特性曲线

气体放电管主要电气参数包含：直流击穿电压（VS）、冲击击穿电压、响应时间、绝缘电阻、极间电容、气体放电续流能力(通容量)、续流遮断时间等

直流击穿电压（DC Spark Over Voltage）

也称直流火花放电电压，是指施加缓慢升高的直流电压时，气体放电管火花放电时的电压。由于放电具有分散性，围绕着这个平均值还需要同时给出允许的偏差上限和下限值。是气体放电管的标称电压，常用的规格有90V、150V、230V、350V、470V、600V、800V等，甚至更高规格，其误差范围：一般为±20%，也有的为±15%。

图5: GDT直流击穿电压测试电路

气体放电管的直流击穿电压是在不大于100V/S的上升速率下测量的。测量GDT的直流击穿电压时，采用上图所示的电路进行测量，电压上升率为100（1±10%）V/S。每种极性下，GDT的A极、C极之间的两次测量都要记录，两次测量的时间间隔应不小于1S，对于三极GDT的每对端子分别测量，而另外的电极悬空。

脉冲击穿电压（Impulse Spark Over Voltage）

也称最大冲击火花放电电压，是指施加规定上升率和极性的冲击电压后，在放电电流流过GDT之前，其两端子间的电压最大值。由于陶瓷气体放电管的反应速度较慢，脉冲击穿电压要比直流击穿电压高得多。

图6: GDT脉冲击穿电压测试电路

脉冲击穿电压一般在1000(1±10%)V/us的电压上升率下测量该电压值，测量GDT的脉冲击穿电压时，采用上图所示的电路进行测量，电压上升率为1000（1±10%）V/us。每种极性下，GDT的A极、C极之间的两次测量都要记录，两次测量的时间间隔应不小于1S，对于三极GDT的每对端子分别测量，而另外的电极悬空。

标称冲击放电电流（Nominal Impulse Discharge Current）

标称冲击放电电流是指给定波形的冲击电流峰值，一般为8/20us的脉冲电流波形，为GDT的额定值。标称冲击放电电流是衡量GDT脉冲电流耐受能力的一个参数，分为8/20us波和10/1000us波冲击放电电流两种，常用的是8/20us。

冲击放电电流又分为单次冲击放电电流（8/20us波冲击1次）和标称冲击放电电流（10/1000us波冲击10次），一般后者约为前者的一半左右。其测量采用下图所示电路。

图7: GDT冲击放电电流测量电路

测量时，施加的冲击电流数值大小根据GDT规格书确定，对于两极的GDT，产生8/20us波形的试验电路如上图左图所示，冲击电流测量应有足够长时间间隔不至于GDT内部发热。对于三极GDT，每个电极应同时向公共电极放电如上图左图所示，各自标称冲击电流的规定值如规格书，完成规定的电流次数后，测量GDT直流击穿电压、脉冲击穿电压及绝缘阻抗应符合规格书所规定的值。

耐冲击电流寿命（Impulse Life）

耐冲击电流寿命是在指定电压脉冲波形和指定（8/20us，200A或者10/1000us 100A）情况下，GDT耐冲击的次数。该参数是衡量GDT耐受多次冲击电流的能力，在一定程度上反映了GDT的稳定性及可靠性。

测量GDT的冲击电流寿命试验时，施加的冲击电流大小按照GDT规格书所规定的值，规定试验次数的一半用一种极性，另一半用相反的极性，冲击的重复频度应适当以防止GDT内部热积累。电源的电压应超过GDT的最大冲击火花放电电压至少50%以上，规定的冲击电流及波形应采用短路来代替GDT测量，具体测试电路参考下图：

图8: GDT冲击电流寿命试验回路

绝缘电阻

标准大气压下，在气体放电管极间施加一特定的直流电压时测得的电阻值，通常要求气体放电管的绝缘电阻达到GΩ级别。气体放电管的不断使用过程中，绝缘电阻值将会降低。阻值的降低会造成被保护系统正常运行时管子中泄漏电流的增大，也有可能产生噪音干扰。

极间电容（Maximum Capacitance)

在一定的频率条件下（通常为1MHz），放电管极间测得的电容值，通常电容值为几个pF级别，也称为最大结电容。

工频耐受电流

放电管通过工频电流5次，使管子的直流放电电压及绝缘电阻无明显变化的最大电流称为其工频耐受电流，当应用于一些交流供电线路或易于受到供电线路感应作用的通讯线路时，应注意气体放电管的工频耐受问题。

经验表明，感应工频电流较小，一般不大于5A，但其持续时间却很长；供电线路上的过电流很大，可高达数百安培，但由于继电保护装置的动作，其持续时间却很短。

响应时间

在具有一定波头上升陡度的暂态过电压作用下，当放电管上电压上升到其直流放电电压值时，管子并不能立即放电，而是要等到管子上电压上升到一个比直流放电电压值高出很多的数值时，管子才会放电，也就是说，从暂态过电压开始作用于放电管两端的时刻到管子实际放电时刻之间有一个延迟时间，该时间称为响应时间。

响应时间有两部分组成：一是管子中随机产生初始电子-离子对带电粒子所需要的时间，即统计时延；二是初始带电粒子形成电子崩所需要的时间，即形成时延。

气体放电琮续流能力（Follow On Current）

在特定条件下，放电管经冲击放电后，在半个波长内从低阻抗导通状态恢复到高阻抗绝缘状态时允许负荷的最大电流，通常以放电管两端施加的电压及流经放电管的交流电流大小来衡量。

图9: GDT规格书参数描述

04、气体放电管（GDT）典型应用

AC220V电源线雷击浪涌防护

图10: AC220V电源线防护

RS485接口雷击浪涌防护

图11: RS485接口防护

BNC接口雷击浪涌防护

图12: BNC接口防护

RJ45接口雷击浪涌防护

图13: RJ45接口防护

三相AC线电源防护

图14: 三相AC线电源雷击浪涌防护

05、气体放电管（GDT）选型注意事项

气体放电管选型时应关注如下注意事项：

直流击穿电压的选取

直流电压的选取应参考电路的工作电压，直流击穿电压应大于被保护线路的最大工作电压，否则会影响线路的正常工作。

脉冲击穿电压的选取

要确保气体放电管脉冲击穿电压，低于后级被保护线路所能承受的最高瞬时电压值。以确保当瞬时过压来临时，气体放电管反映速度快于线路反映速度，将过压限制在安全值，这是气体放电管的重要指标。

脉冲击穿电压的选取要考虑浪涌测试等级，一般浪涌测试波形的上升时间为微秒级的脉冲波形，如8/20us电流波和10/700us电压波，与GDT脉冲击穿电压测量电压上升速率1000V/us为一个数量级，例如采用10/700us的波形测试4000V，GDT的脉冲击穿电压要小于4000V，这样在测试时GDT才能导通。下图为GDT在不同电压上升速率下的导通状态示意图，从图中可以看出电压上升速率越高，GDT的击穿电压也越高。