CN100530868C

CN100530868C - 高效层叠式石墨放电隙装置

Info

Publication number: CN100530868C
Application number: CNB2007100490049A
Authority: CN
Inventors: 王德言; 阮建中; 雷成勇; 易代献; 朱成; 杨国华
Original assignee: SICHUAN ZHONGGUANG LIGHTNING PROTECTION TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Sichuan Zhongguang Lightning Protection Technologies Co., Ltd.
Priority date: 2007-04-29
Filing date: 2007-04-29
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2027-04-29
Also published as: CN101090197A

Abstract

高效层叠式石墨放电隙装置，包括N+1个放电隙、N个电容值相同的电容构成的π形连接电容组，各放电隙串联连接，第一个放电隙F₁与火线连接，最末一个放电隙F_N+1接地，π形连接电容组中各电容的一端与两放电隙之间的导电件连接，另一端接地，放电隙为石墨放电隙，其石墨电极之间放置绝缘环状垫片，各石墨放电隙层叠式组装，π形连接电容组中各电容的参数按照式C＝In/2πfVK选择，式中：In为π形连接电容组中电容上的感应放电电流，In＝I/N，I为π形连接电容组总电流，N为π形连接电容组电容个数，f为雷电波频率，V为π形连接电容组中电容上的额定电压，K为≥1的安全系数。该装置还可设置电流保险器与指示电路。

Description

高效层叠式石墨放电隙装置

技术领域

本发明涉及一种承载雷电流的放电隙装置，主要用于电源系统第一级防雷，使各类通讯基站、变电站、电力电子设备免遭直击雷或雷电感应的破坏。

背景技术

目前应用的防雷击放电隙装置，有多种结构。采用单极金属(羊角)隙的防雷击放电隙装置是其中的一类。由于安全距离标准的要求，此类放电隙装置的金属隙间隙不能随意的减小与加大，因为安全距离与雷电起动的放电电压之间存在不可调和的矛盾；另一个问题是此类装置工作时，飞弧严重危害周围设备。

公开号为CN 1368770A的中国专利申请公开了一种放电隙装置，介绍了在印制板上制作平面式尖状金属电极片，各尖状电极片之间间距不同，单个电容必须2倍电极距离跨接在相邻电极上。该装置虽然可在一定程度调和间距与起动电压矛盾，但同样存在飞弧和雷电通流量小问题。

专利号为ZL02107856.4的中国专利公开了一种承载雷电流的火花间隙装置，该装置包括n个串联连接的分火花间隙装置，通过电容构成的阻抗连接分火花间隙装置，其中第二和全部另外的分火花间隙装置通过所述阻抗直接连接到公共的参考电位即地电位，并且使用相同的阻抗，基于在对比1.2/50μs雷电波形冲击下给出均压电容器的参数选择公式：(n-1)×CE＝K×CL×U/Us，其中，n表示分火花间隙装置的数量，CL是从火花间隙装置到过电压源的线路的线路电容，U是过电压的峰值，Us是火花间隙装置的安全电平，K是≥1的安全系数。此种火花间隙装置存在以下不足：1、由于上述公式中的CL存在不确定性，因此，带来均压电容的定值或取值范围的不确定性；2、上述公式是基于在1.2/50μs雷电波形冲击下的参考改进取值，而其它两种雷电测试波形(8/20μs、10/350μs)冲击下的情况未予以说明；3、该装置描述中没有说明关于火花飞弧抑制问题，也没有确定放电电极材料。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效石墨层叠式放电隙装置，该装置不仅冲击放电电流大、限制电压低、无电弧外泄、无漏流和续流，而且雷电测试波形适用范围更广。本发明的又一目的是使此种装置具有保护和指示功能。

本发明的技术方案：1、选用石墨作为放电电极材料，石墨放电隙的石墨电极之间放置绝缘环状垫片，各石墨放电隙层叠式组装。2、对确定电容值的公式进行改进。

本发明所述高效层叠式石墨放电隙装置，包括N+1个放电隙、N个电容值相同的电容构成的π形连接电容组，所述N≥1，各放电隙串联连接，其中，第一个放电隙F₁与火线连接，最末一个放电隙F_N+1接地，π形连接电容组中各电容的一端与两放电隙之间的导电件连接，另一端接地；放电隙为石墨放电隙，石墨放电隙的石墨电极之间放置绝缘环状垫片，各石墨放电隙层叠式组装；π形连接电容组中各电容的电容值均按照下式选择：C＝In/2πfVK

式中：In为π形连接电容组中电容上的感应放电电流，In＝I/N，

I为π形连接电容组总电流，也是确定的安全电流，

N为π形连接电容组电容个数，

f为雷电波频率，根据雷电测试波形估算，

V为π形连接电容组中电容上的额定电压，该电压即是设定的间隙装置的最大限制电压，

K为安全系数，K≥1。

上述装置中，石墨放电隙的两石墨电极片之间的间距为0.22毫米～0.70毫米，且各石墨放电隙是间距相同的等放电隙，两石墨电极片之间放置的绝缘环状垫片的厚度与两石墨电极片之间的间距相匹配；石墨放电隙的石墨电极片为正方形或圆形或腰形或椭圆形，以及其它适于使用的形状；石墨放电隙的石墨电极片之间放置的绝缘环状垫片与石墨电极片的形状匹配，同样为正方形环或圆环或腰形环或椭圆形环，以及其它适于使用的环形。

上述装置中，石墨放电隙的石墨电极片与π形连接电容组中的电容之间的连接件呈针状或弧状。

为了保证π形连接电容组安全稳定的工作，便于C值的计算，本发明所述高效层叠式石墨放电隙装置在π形连接电容组电路末端连接有电流保险器。

为了显示高效层叠式石墨放电隙装置的工作状态，设置了指示电路，所述指示电路的一端接在第一个石墨放电隙F₁与火线间的连接件上，其另一端接地。

本发明所述高效层叠式石墨放电隙装置的工作原理：

1、在没有雷击时，由于各石墨放电隙串联连接，其击穿电压和放电电容击穿电压值远大于工频电压，因此石墨间隙不工作(F₁～F_N+1)，指示电路正常指示。

2、雷电来时(8/20μs、10/350μs、1.2/50μs雷电波形测试冲击参考)，由于石墨放电隙的间隙很小，因此第1级石墨放电隙F₁很容易击穿，又因π形电容组中第1级感应电容C₁平稳放电的作用，使其第1级放电电压不是太高，但也足以击穿第2级石墨放电隙F₂，同理第2级感应电容C₂平稳放电作用，使第3级石墨放电隙F₃放电电压也能被钳位到不是太高。以此类推，雷电瞬间依次击穿以后石墨放电隙，则间隙总的限制电压被控制在比较低的数值。

由于石墨放电隙被击穿后形成短路，π形连接电容组无论是间距，还是击穿压都远大于石墨放电隙每一级击穿时雷电残压。因此，雷电流绝大部分从石墨放电隙中通过。

3、当层叠式石墨放电隙装置出现故障(如石墨电极片破裂或感应电容有损坏)，这样必定造成某一级石墨放电隙残压升高，有大的雷电流流经π形连接电容组电路，则保险装置起作用(烧断)，指示灯板断路，指示灯熄灭告警。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明选用石墨作为放电电极材料，由于石墨的导电性高、熔点高、电蚀性较小，各层叠电极之间有绝缘环状垫片隔离形成多极间隙，因而可实现无漏流、无电弧外泄和大通流能力，满足装置在8/20μs、10/350μs、1.2/50μs雷电波形冲击下的限制电压和漏流、续流的控制指标。

2、按照本发明所提供的电容值选择公式，一旦确定装置的V(可选择较低的限制电压)，选择比较小(安全)电容放电电流In，根据雷电测试波形估算出频率f，即可计算出π形连接电容组中各电容的值，因而，该公式的操作性强，并适用于在8/20μs、10/350μs、1.2/50μs等雷电波形冲击下使用。

3、石墨放电隙的两石墨电极之间的间距的合理选择，可保证石墨放电隙与π形连接电容组电路工作协调，控制点火击穿电压，有效保护电力电子设备的安全。

4、石墨放电隙的石墨电极片与π形连接电容组中的电容之间的连接方式，保证了它们之间的有效连接，以及放电电容及引脚与石墨放电隙电极之间的安全距离。

5、石墨电极片形状的选择，可使石墨放电隙满足不同形状、体积的外壳和雷电通流量的要求。

6、石墨电极之间放置的绝缘环状垫片可保证石墨电极的间距一致，防止石墨电极间放电电弧的外泄。

7、π形连接电容组电路末端连接了电流保险器，可保证π形连接电容组安全稳定的工作，便于C值的计算。

8、指示电路的设置，可显示石墨放电隙装置的工作状态，便于及时发现问题。

附图说明

图1是本发明所述高效石墨层叠式放电隙装置的第一种电路结构图；

图2是本发明所述高效石墨层叠式放电隙装置的第二种电路结构图；

图3是本发明所述高效石墨层叠式放电隙装置的第三种电路结构图；

图4是本发明所述高效石墨层叠式放电隙装置的第四种电路结构图；

图5是本发明所述高效石墨层叠式放电隙装置中的各电子元件在盒体内的一种组装结构图；

图6是与图5中的盒体配套的盒盖的形状、构造图；

图7是图5的俯视图；

图8是石墨放电隙的石墨电极片与π形连接电容组中的电容的一种连接方式图，连接件呈针状；

图9是石墨放电隙的石墨电极片与π形连接电容组中的电容的另一种连接方式图，连接件呈弧状，连接处为大圆弧；

图10是石墨放电隙的石墨电极片与π形连接电容组中的电容的又一种连接方式图，连接件呈弧状，连接处为小圆弧；

图11是石墨电极片的一种外形图；

图12是图11的A-A剖面图；

图13是石墨电极片的另一种外形图；

图14是图13的A-A剖面图；

图15是石墨电极片的又一种外形图；

图16是图15的A-A剖面图；

图17是绝缘环状垫片的一种外形图；

图18是图17的B-B剖面图；

图19是绝缘环状垫片的另一种外形图；

图20是图19的B-B剖面图；

图21是绝缘环状垫片的又一种外形图；

图22是图21的B-B剖面图。

图中，1-π形连接电容组、2-电流保险器、3-指示电路、4-指示电路板、5-π形连接电容组板、6-石墨电极片、7-压卡、8-导电连接条、9-绝缘环状垫片、10-垫片、11-衬套、12-滑块、13-盒体、14-支架I、15-支架II、16-上盖、17-小盖、18-石墨电极片与电容的连接件。

具体实施方式

实施例1

本实施例中的高效石墨层叠式放电隙装置的电路结构如图4所示，包括八个石墨放电隙、七个电容值相同的电容构成的π形连接电容组1、电流保险器2和指示电路3。各石墨放电隙串联连接，其中，第一个石墨放电隙F₁与火线连接，最末一个放电隙F₈接地，π形连接电容组中各电容C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆、C₇的一端与两石墨放电隙之间的导电件连接，另一端接地；π形连接电容组电路末端连接电流保险器2；指示电路的一端接在第一个石墨放电隙F₁与火线L间的连接件上，其另一端接地。指示电路3的结构如图4所示，由保险器FU1、电感L、电容CI、电阻R1、电阻R2、二极管VD1、二极管VD2、发光二极管HL1构成。

上述电路中，π形连接电容组各电容的值按照C＝In/2πfVK确定，式中，In＝I/N＝2.1/7 A，f≈18×10³Hz，V＝3000V，K＝2，带入上式计算，C≈440pF。

上述电路中的电子元器件组装在图5所示的盒体13内，盒体的外形尺寸约为：长×宽×高＝90mm×18mm×67mm，组装方式如下：各石墨放电隙的石墨电极片6层叠式组装，两端由绝缘材料制作的支架I 14、支架II 15支撑，石墨放电隙F₁通过与其连接的导电连接条8接火线，石墨放电隙F₈通过与其连接的导电连接条8接地，导电连接条8用压卡7及螺钉固定；各石墨放电隙的两石墨电极片为圆形，其厚度为2.4mm，如图11、图12所示，两石墨电极片之间的间距为0.55毫米，放置在各石墨放电隙的石墨电极片之间的聚四氟乙烯制作的绝缘环状垫片9为圆环形，其厚度为0.55毫米，如图17、图18所示。π形连接电容组1中的各电容安装在绝缘电容组板5上，绝缘电容组板5紧靠支架I 14组装，其上的电容通过针状连接件18与石墨电极片6连接，连接方式如图8所示。指示电路3的各电子元器件安装在绝缘指示电路板4上，绝缘指示电路板4组装在绝缘电容组板5外侧；电流保险器2安装在绝缘电容组板5上。

实施例2

本实施例中的高效石墨层叠式放电隙装置的电路结构如图1所示，包括九个石墨放电隙、八个电容值相同的电容构成的π形连接电容组1，各石墨放电隙串联连接，其中，第一个石墨放电隙F₁与火线连接，最末一个放电隙F₉接地，π形连接电容组中各电容的一端与两石墨放电隙之间的导电件连接，另一端接地。

上述电路中，π形连接电容组各电容的值按照C＝In/2πfVK确定，式中，In＝I/N＝3.2/8A，f≈18×10³Hz，V＝3000V，K＝3，带入上式计算，C≈390pF。

上述电路中的电子元器件组装在图5所示的盒体13内，盒体的尺寸、各石墨放电隙的石墨电极片6的组装方式、π形连接电容组1中的各电容在绝缘电容组板5上的安装方式、绝缘电容组板5在盒体13内的组装方式与实施例1相同。

各石墨放电隙的两石墨电极片为正方形，如图13、图14所示，其厚度为2.0mm，两石墨电极片之间的间距为0.48毫米，放置在各石墨放电隙的石墨电极片之间的陶瓷制作的绝缘环状垫片9为正方形环，其厚度为0.48毫米，如图19、图20所示。绝缘电容组板5上的电容通过弧状连接件18与石墨电极片6连接，连接方式如图9所示，连接处为大圆弧。

实施例3

本实施例中的高效石墨层叠式放电隙装置的电路结构如图2所示，包括十个石墨放电隙、九个电容值相同的电容构成的π形连接电容组1、电流保险器2。各石墨放电隙串联连接，其中，第一个石墨放电隙F₁与火线连接，最末一个放电隙F₁₀接地，π形连接电容组中各电容的一端与两石墨放电隙之间的导电件连接，另一端接地，π形连接电容组电路末端连接电流保险器2。

上述电路中，π形连接电容组各电容的值按照C＝In/2πfVK确定，式中，In＝I/N＝4.5/9 A，f≈18×10³Hz，V＝3000V，K＝2，带入上式计算，C≈737pF。

上述电路中的电子元器件组装在图5所示的盒体13内，盒体的尺寸、各石墨放电隙的石墨电极片6的组装方式、π形连接电容组1中的各电容在绝缘电容组板5上的安装方式、绝缘电容组板5在盒体13内的组装方式、电流保险器2的安装方式与实施例1相同。

各石墨放电隙的两石墨电极片为腰形，如图15、图16所示，其厚度为1.8mm，两石墨电极片之间的间距为0.3毫米，放置在各石墨放电隙的石墨电极片之间的聚四氟乙烯制作的绝缘环状垫片9为腰形环，其厚度为0.3毫米，如图21、图22所示。绝缘电容组板5上的电容通过弧状连接件18与石墨电极片6连接，连接方式如图10所示，连接处为小圆弧。

实施例4

本实施例中的高效石墨层叠式放电隙装置的电路结构如图3所示，包括七个石墨放电隙、六个电容值相同的电容构成的π形连接电容组1、指示电路3。各石墨放电隙串联连接，其中，第一个石墨放电隙F₁与火线连接，最末一个放电隙F₇接地，π形连接电容组中各电容的一端与两石墨放电隙之间的导电件连接，另一端接地，指示电路3的一端接在第一个石墨放电隙F₁与火线L间的连接件上，其另一端接地。指示电路3的结构如图3所示，由保险器FU1、电感L、电容CI、电阻R1、电阻R2、二极管VD1、二极管VD2、发光二极管HL1构成。

上述电路中，π形连接电容组各电容的值按照C＝In/2πfVK确定，式中，In＝I/N＝1.8/6A，f≈18×10³Hz，V＝3000V，K＝3，带入上式计算，C≈295pF。

上述电路中的电子元器件组装在图5所示的盒体13内，盒体的尺寸、各石墨放电隙的石墨电极片6的组装方式、π形连接电容组1中的各电容在绝缘电容组板5上的安装方式、绝缘电容组板5在盒体13内的组装方式、指示电路3的各电子元器件在绝缘指示电路板4上的安装方式、绝缘指示电路板4的组装方式与实施例1相同。

各石墨放电隙的两石墨电极片为圆形，如图11、图12所示，其厚度为2.8mm，两石墨电极片之间的间距为0.6毫米，放置在各石墨放电隙的石墨电极片之间的陶瓷制作的绝缘环状垫片9为圆环，其厚度为0.6毫米，如图17、图18所示。绝缘电容组板5上的电容通过针状连接件18与石墨电极片6连接，连接方式如图8所示。

Claims

1、一种高效层叠式石墨放电隙装置，包括N+1个放电隙、N个电容值相同的电容构成的π形连接电容组(1)，所述N≥1，各放电隙串联连接，其中，第一个放电隙F₁与火线连接，最末一个放电隙F_N+1接地，π形连接电容组中各电容的一端与两放电隙之间的导电件连接，另一端接地，其特征在于：

①放电隙为石墨放电隙，石墨放电隙的石墨电极片(6)之间放置绝缘环状垫片(9)，各石墨放电隙层叠式组装，

②π形连接电容组中各电容的电容值均按照下式选择：

C＝In/2πfVK

I为π形连接电容组总电流，

N为π形连接电容组电容个数，

f为雷电波频率，

V为π形连接电容组中电容上的额定电压，

K为安全系数，K≥1。

2、根据权利要求1所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于石墨放电隙两石墨电极片(6)之间的间距为0.22毫米～0.70毫米，且各石墨放电隙是间距相同的等放电隙。

3、根据权利要求1或2所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于π形连接电容组(1)电路末端连接有电流保险器(2)。

4、根据权利要求1或2所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于设置有指示电路(3)，所述指示电路的一端接在第一个石墨放电隙与火线间的连接件上，其另一端接地。

5、根据权利要求3所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于设置有指示电路(3)，所述指示电路的一端接在第一个石墨放电隙与火线间的连接件上，其另一端接地。

6、根据权利要求1或2所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于石墨放电隙的石墨电极片(6)与π形连接电容组(1)中的电容之间的连接件(18)呈针状或弧状。

7、根据权利要求3所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于石墨放电隙的石墨电极片(6)与π形连接电容组(1)中的电容之间的连接件(18)呈针状或弧状。

8、根据权利要求4所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于石墨放电隙的石墨电极片(6)与π形连接电容组(1)中的电容之间的连接件(18)呈针状或弧状。

9、根据权利要求1或2所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于石墨放电隙的石墨电极片(6)为正方形或圆形或腰形。

10、根据权利要求9所述的高效层叠式石墨放电隙装置，其特征在于石墨放电隙的石墨电极之间放置的绝缘环状垫片(9)为正方形环或圆环或腰形环。