CN100539336C - 过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种过电压保护装置，它具有一个第一电极(1)、一个第二电极(2)、设于这两个电极(1，2)之间的击穿火花间隙以及一个容纳所述电极(1，2)的外壳(3)，其中当两个电极(1，2)之间的击穿火花间隙点火时就在一个连接这两个电极(1，2)的放电腔(5)里产生电弧(4)。按照本发明，过电压保护装置具有特别高的电网续流灭弧能力，尽管如此但结构上简单地实现了，确切地说通过设计放电腔(5)，使它至少局部地横交于和/或反向于一加有电网电压的电场的方向分布，因此所述在放电腔中所形成的电弧(4)在所述击穿火花间隙点火时相对于电场E具有一个横向分量。

Description

过电压保护装置

技术领域

本发明涉及一种过电压保护装置，它具有一个第一电极、一个第二电极、一个设于这两个电极之间的击穿火花间隙以及一个容纳电极的外壳，其中当两个电极之间的击穿火花间隙点火时在一个连接这两个电极的放电腔之内产生电弧。

背景技术

电气的，但尤其是电子的测量、控制、调节和开关电路，首先是无线电通讯装置和设备，对于瞬时的过电压是敏感的，正如它们尤其是由于大气放电，但也可能由于供电网里的开关动作或者短路而可能出现的那样。这种敏感性随着应用电子元器件，尤其是晶体管和晶闸管而增强；首先越来越多使用的集成的开关电路很大程度上受到瞬时过电压的危害。

电路以为其所指定的电压、即额定电压(一般近似等于电网电压)工作，通常就没有故障。若有过电压，那就不是这样了。所有位于额定电压的上公差限之上的电压都是过电压。这里首先也包括由于大气放电，但也包括由于供电网里的开关动作或者短路而可能出现的瞬时过电压，以及电流的、感应的或者电容的可能输入电路里的过电压。为了保护电气的或电子电路防止瞬时过电压，尤其是电子的测量、控制、调节和开关电路，首先也是无线电通讯装置和设备，此处也总是使用这些电路，已经开发了过电压保护装置并且20多年来已众所周知。

此处所谈到类型的过电压保护装置的主要组成部分至少是一个火花间隙，它在确定的过电压时，即动作电压时动作并因此阻止了在由一个过电压保护装置所保护的电路里出现大于火花间隙的动作电压的过电压。

开头已经提到了：按照本发明的过电压装置具有两个电极和一个设于这两个电极之间的击穿-火花间隙。在实践中这样的击穿火花间隙常常也称为空气击穿火花间隙，其中在本发明中击穿火花间隙也应该认为是空气击穿火花间隙。然而在电极之间除了空气之外也可能有其它的气体。当击穿火花间隙极电时生成电弧的过电压保护装置的部位以下称作为放电腔。通常它是在两个电极之间的空腔。

除了具有击穿火花间隙的过电压保护装置之外也还有具有在动作时产生表面放电的飞弧火花间隙的过电压保护装置。

具有击穿火花间隙的过电压保护装置与具有飞弧火花间隙的过电压保护装置相比其优点在于冲击电流的承受能力较高，但其缺点是动作电压较高(而且也不太恒定)。因此已经建议过各种不同的具有击穿火花间隙的过电压保护装置，它们已经针对动作电压作了改进。在电极部位里或者说在电极之间起作用的击穿火花间隙的部位里已经以各种不同的方式实现了辅助点火，例如使电极之间设有至少一个引起表面放电的辅助点火装置，它至少部分地伸入到击穿火花间隙里，作成隔板状并由塑料制成(例如参见DE 41 41 681 A1或DE 44 02 615A1)。

在已知的过电压保护装置中所设定的以前提到过的辅助点火似乎可以称作为“被动的辅助点火”，之所以称为“被动的辅助点火”，是因为它们并不自己“主动地”动作，而只是通过在主电极上出现的过电压而动作。

由DE 198 03 636 A1同样也已知一种过电压保护装置，它具有两个电极，具有一个在这两个电极之间起作用的击穿火花间隙和一个辅助点火装置。在这种已知的过电压保护装置中辅助点火，与以前所述的引起表面放电的辅助点火不同而设计成“主动的辅助点火”，也就是说除了在那里称为主电极的两个电极之外还设有两个点火电极。这两个点火电极构成了用作为点火火花间隙的第二击穿火花间隙。在这种已知的过电压保护装置中属于辅助点火的除了点火火花间隙之外还包括具有一个点火开关元件的点火回路。当过电压加到已知的过电压保护装置上时具有点火开关元件的点火回路负责使点火火花间隙动作。点火火花间隙或者说两个点火电极相对于两个主电极这样布置，使得点火火花间隙动作，它使两个主电极之间的称为主火花间隙的击穿火花间隙动作。点火火花间隙的动作引起了击穿火花间隙里存在的空气的电离，因此突然地，在点火火花间隙动作之后也使两个主电极之间的击穿火花间隙、即主火花间隙动作。

在已知的，以前所述的具有辅助点火装置的过电压保护装置的实施方式中辅助点火装置导致了一种改善的、也就是说较低的而且恒定的动作电压。

在提到的种类的过电压保护装置(有或不用辅助点火装置)中当击穿火花间隙点火时由于所产生的电弧在两个电极之间就产生了一种低阻抗连接。通过这种低阻抗连接首先(想要)使需要导出的闪电电流流动。当加上电网电压时，那么然而通过过电压保护装置的这种低阻抗连接就引起一种不希望的电网续流，因此力求尽可能快地在导出过程结束之后消除电弧。达到该目的一种方案在于：加大电弧长度并因此加大电弧电压。

在如由DE 44 02 615 A1已知的过电压保护装置中实现了在导出过程之后熄灭电弧的一种方案，也就是说加大电弧长度并因此加大电弧电压。由DE 44 026 15 A1已知的过电压保护装置具有两个窄的电极，它们分别设计成角形并各自具有一个火花角和一个从这里弯曲的连接支腿。除此之外电极的火花角在它们的邻接于连接支腿的部位里设有一个孔。这在电极的火花角里所设的孔用来在过电压保护元件动作的瞬间、也就是点火的瞬间使所产生的电弧通过一种热的压力作用而“移动”，也就是说从其产生地点处移动离开。因为电极的火花角相互成V形，因此使由电弧所要搭接的间隙在电弧移动出来时放大了，因此电弧电压也提高了。但此处不利的是：为了达到电弧长度的所希望的放大，电极的几何外形尺寸就必须相应地大，因此过电压保护装置总的受确定的几何参数的约束。

另外一种在导出过程之后熄灭电弧的方案在于通过隔绝材料壁的冷却作用以及应用放出气体的隔绝材料来使电弧冷却。同时必需使灭弧气体强烈地流动，这要求在结构上的花费较高。

除此之外还可以通过提高压力来实现电弧电压的加大。为此在DE19604947C1中建议了这样来选择外壳内腔里的容积，以致于通过电弧就能使压力提高到大气压力的多倍。由于取决于压力的对电弧场强的干预就提高了续流灭弧能力。为了使该过电压保护装置可靠地工作，一方面必需有一个很耐压的外壳，另一方面必须很准确地了解网电压的大小，以便能够相应地设计外壳内腔里的容积。

如果在所提到种类的过电压保护装置中将电弧熄灭了，那么虽然首先在这两个电极之间的低阻抗连接中断了，但在这两个电极之间的腔室，也就是说放电腔还几乎完全充满能导电的等离子体。由于存在有等离子体就降低了两个电极之间的动作电压，从而当加上电网电压时就可能使击穿火花间隙重新点火。这个问题尤其是在过电压保护装置具备一个封闭的或者半敞开的外壳时才出现，因为这样阻止了等离子体通过基本上封闭的外壳而冷却或者挥发。

为了阻止过电压保护装置，也就是击穿火花间隙重新点火，以前采取了各种不同的措施，以便将离子化的气体云从点火电极处推开或者冷却。为此应用了结构上复杂的迷宫式密封和冷却物体，因此使过电压保护装置的制造变得更贵了。

发明内容

因此本发明的任务是提出一种开头所述类型的过电压保护装置，其特征在于高的电网续流熄弧能力，尽管如此但结构上可以方便地实现。

所述任务由一种过电压保护装置来完成，该过电压保护装置具有一个第一电极、一个第二电极、在这两个电极之间形成的击穿火花间隙以及一个容纳了所述两个电极的外壳，其中在这两个电极之间的击穿火花间隙点火时就在一个连接着这两个电极的放电腔之内产生电弧。

按照本发明的，解决了以前所指出的任务的过电压保护装置的特征首先和基本上在于：设计的放电腔使它至少部分地横交于和/或反向于所加电网电压的电场的方向而布置，因而所述在放电腔中所形成的电弧在所述击穿火花间隙点火时具有一个相对于电场E的横向分量。这造成了：加到两个电极上的电场或者电压可以使包含于等离子体里的自由载流子不再连续地从一个电极加速至另一个电极，这样就阻止了电网续流。

在已知的过电压保护装置中将真正的导出过程之后存在的但并不希望的能导电的等离子体或者包含在其中的自由载流子通过将等离子体从电极上推离开而“除去”。这样的过电压保护装置也称为“排出的”火花间隙布置，其缺点首先在于：为了“排出”等离子体必须在过电压保护装置的内腔里产生相对强烈的流动，为此一般使用放气的绝缘材料。然后使热的等离子体经过过电压保护装置的外壳里的排出孔向外排出到周围环境中。其缺点在于：在过电压保护装置的装入位置上必须保持至另外的导通电压的或者可以燃烧的部件或者器具有确定的最小间距，这就使这种排出式过电压保护装置的使用只是在一定的装入条件下才可能。

与此不同的是，在按照本发明的过电压保护装置中取消了热的等离子体的“排出”。通过放电腔的按照本发明的布局和几何形状的结构方案阻止了存在有等离子体的不希望的后果(在真正的导出过程之后构成了电网续流)，而不必将等离子体从电极上推离开或者进行冷却。

结构上可以设计放电腔，使它至少具有三个部位，其中第一部位与第一电极相连，第二部位与第二电极相连，第三部位一边与第一部位，另一边与第二部位相连。第三部位因此建立起了第一部位和第二部位之间的并因此也建立了第一电极和第二电极之间的连接。第三部位结构上这样来设计，使得在该部位里包含在等离子体里的自由载流子通过所加的电网电压的电场并不或者只是少许地加速从第一部位至第二部位或者说反过来。为此第三部位至少具有一个关于电场的横向分量。详细来说第三部位可以倾斜地基本垂直于或者甚至局部反向于一个加上的电网电压的电场的方向而对准。

按照本发明的一种有利的结构方案从结构上按如下方法来实现放电腔：第一电极的面向第二电极的侧面和第二电极的面向第一电极的侧面分别局部地用一种绝缘的或者高电阻的材料盖住，其中第一电极或者第二电极的没有用绝缘材料或高电阻材料盖住的部位相互错开地布置。通过在第一或者第二电极上设计和布置绝缘或者高电阻材料就可以按简单的方式来确定放电腔的形状。若在两个电极上涂覆一种高电阻的但还能导电的材料，其电阻大到在其表面上由于电流的限制而不能生成电弧，那么这在真正的导出过程之后就引起了：存在于两个电极之间的放电腔里的自由载流子被所加上的电网电压的电场分开并根据高电阻材料的极性不同而在第一或第二电极上被“抽吸走”。

通过按照本发明的在两个电极之间的放电腔的结构方案，其中放电腔至少有一个相对于电场的横向分量，正如以前所述的那样，阻止了形成一种并不希望的电网续流。但同时也提高了击穿火花间隙的动作电压，这一般也是不希望的。因此在按照本发明的过电压保护装置的一种优选结构方案中设有一个主动的辅助点火装置用来降低动作电压。原则上此处可以应用各种不同的由现有技术中已知的主动的辅助点火装置。按照一种优选的结构方案然而按如下方法来实现主动的辅助点火：在两个电极上串联一个电压开关元件和一个点火元件，其中电压开关元件的动作电压位于击穿火花间隙的动作电压之下，而且其中在电压开关元件动作时导出电流首先通过点火元件而流动。

电压开关元件的选择应使它在过电压保护装置动作时变成导电的，也就是“接通”。作为电压开关元件可以设有一个变阻器、一个抑制器二极管或者一个充气的避雷器。点火元件优选由一种能导电的塑料、金属材料或者能导电的陶瓷制成并与第二电极机械接触。

若在具有以前所述的主动辅助点火装置的过电压保护装置中出现一个过电压，它等于或大于由电压开关元件所规定的动作电压，那么电压开关元件就动作，因此通过第一电极—电压开关元件—点火元件—第二电极的串联使导出电流开始流动。电流通过起始点火而产生了能导电的等离子体，它可以被装入在放电腔里，因此产生了在第一电极和第二电极之间的击穿火花间隙的点火并因此在放电腔里形成电弧。有关一种这样的主动辅助点火的其它细节情况，该辅助点火也可以称为“电流点火”，可以参见DE 101 46 728 A1。

详细来说有许多设计和改进该按照本发明的过电压保护装置的方案。为此一方面可以参见在优选的技术方案，另一方面可以参见以下结合附图对优选的实施例所作的说明。

附图说明

附图所示为：

图1：一种按照本发明的过电压保护装置的第一实施例的原理简图；

图2：一种按照本发明的过电压保护装置的第二实施例的原理简图；

图3：一种按照本发明的过电压保护装置的另外一个实施例的原理简图；

图4：一种按照本发明的过电压保护装置的第四实施例的原理简图；

图5：一种按照本发明的过电压保护装置的另一个实施例的原理简图；

图6：一种按照本发明的过电压保护装置的最后一个实施例的原理简图。

具体实施方式

在图中表示一种按照本发明的过电压保护装置的各种不同的实施方式。过电压保护装置-它只表示了其原理结构-各有一个第一电极1、一个第二电极2和一个包括电极1，2的外壳3。在两个电极1和2之间存在有一个击穿火花间隙，其中当两个电极1和2之间的击穿火花间隙点火时就产生电弧4。

按照本发明，在两个电极1和2之间设有一个放电腔5，其中放电腔5至少部分倾斜地(图2)、部分横交地(图1，5和6)、部分反向地(图3)或者部分横交和反向于(图4)由箭头6所示的所加电网电压的电场的方向而布置。在所有的实施例中放电腔5因此至少具有一个相对于电场的横向分量。与已知的过电压保护装置不同，并不是在电极1，2之间的整个空腔都起到放电腔5的作用。

如由附图可见，放电腔5可以分为三个部位7，8和9。第一部位7与第一电极1相连，第二部位8与第二电极2相连，而第一部位7通过第三部位9与第二部位8相连接。在附图所示的实施例中第一部位7和第二部位8基本上平行于电场的方向。相反第三部位9在按图1，5和6中所示的实施例中则基本上垂直于或者横交于电场的方向。在按图2的实施例中放电腔5的第三部位9为倾斜于而在按图3的实施例中倾斜反向于电场的方向，也就是说放电腔5的第三部位9的纵向方向具有一个相对于电场方向的横向分量。在按照图4的按照本发明的过电压保护装置中放电腔5的第三部位9既具有垂直于电场方向布置的部位，也具有反向于电场方向的一个部位。

由于放电腔5的第三部位9倾斜于、横交于或者反向于一个加上的电网电压的电场的方向而对准就可以使包含在等离子体里的自由载流子不再连续地从第一电极1加速至第二电极2(或者反过来)，因此就阻止了生成电网续流。

为了实现放电腔5在第一电极1的面向第二电极2的侧面10上涂覆一种第一绝缘的或高电阻的材料12并在第二电极2的面向第一电极1的侧面11上涂覆一种第二绝缘的或高电阻材料13。如由附图可见，所述第一和第二绝缘或高电阻材料12和13并没有全表面地涂覆在第一电极1或者第二电极2上，而是在第一电极1或者第二电极2上各有一个部位14或者15空着，其没有覆盖上所述第一或第二绝缘的或高电阻的材料12或者13。如由附图直接可见的那样，第一电极1或者第二电极2的没有覆盖所述第一或第二绝缘的或高电阻材料12或者13的部位14或者15相互错开布置。

通过比较，在图1，2和3中所示的按照本发明的过电压保护装置的实施例可以见到：通过相应地选择第一和第二材料12，13的外形尺寸就可以以简单的样式和方式来确定放电腔5的走向。如果第一和第二材料12，13在其长度上具有不变的厚度，如在按图1所示实施例中时那样，那么这就形成放电腔5的部位9，它横交或者垂直于电场的方向而布置。若第一和第二材料12，13的厚度在其长度上有变化(图2和3)，那么这就形成倾斜于(图2)或者部分反向于(图3)电场方向分布的放电腔5。

如由按图4的实施例可见，通过第一和第二材料12，13在电极1，2上相应的结构和布置可以实现放电腔9的几乎任意的走向。放电腔5的对于各自应用场合来说最佳的走向一方面取决于所必需的电网续流灭弧能力，另一方面取决于所希望的过电压保护装置的动作电压的大小。但后者也可以按照如下方法来确定：设有一个适合的辅助点火装置，尤其是一种主动的辅助点火装置。

按照图1和5的过电压保护装置其相互的区别在于：在按照图1的过电压保护装置中在电极1，2上涂覆有一种第一和第二绝缘材料12，13，而在按照图5的过电压保护装置时则应用了一种高电阻的但仍能导电的第一和第二材料12，13。直接在第一电极1的一侧10或者在第二电极2的一侧设置一种高电阻，但仍能导电的第一和第二材料12，13造成了：在真正的导出过程之后通过加上的电网电压使存在于放电腔5里的自由载流子分开并(根据极性的不同)被第一材料12或第二材料13“抽吸走”。通过减小在放电腔5里自由载流子的数量提高了放电腔5的阻抗，因此即使加上电网电压也阻止了电网续流的出现。此处不是(按现有技术中已知的)机械地“排出”等离子体或者自由载流子，而是电“抽吸走”自由载流子，因而同样也阻止了并不希望的电网续流并且同时避免了已知的“排出”的缺点。

图6表示了过电压保护装置的另外一种变型方案。在这种实施方式中首先(与按图1的实施方式可比较)在电极1，2上涂覆一种第一和第二绝缘材料12，13。但放电腔5不仅通过绝缘材料12，13的形状，而且首先通过附加地涂覆在第一和第二绝缘材料12，13上的第一和第二高电阻材料17，18(可与按图5的实施方式相比)来确定。第一高电阻材料17与部位14有间距地与第一电极1导电连接，而第二高电阻材料18与部位15有间距地与第二电极导电连接。这两个部位19，20，其中第一电极1与第一高电阻材料17相连接，而第二电极2与第二高电阻材料18连接，它们同样也相互错开地布置。通过所述第一和第二高电阻材料17，18首先能在击穿之后“抽吸走”位于放电腔5里的自由载流子。此时通过第一和第二高电阻材料17，18流动电流，它沿着第一和第二高电阻材料17，18引起一个电压降。通过该电压降沿着第一和第二高电阻材料17，18就产生一个电场，其场线6’具有一个与电弧4的方向相反的分量。因此在放电腔5里产生了电场的失真，因此加强了放电腔5的“横向特性”。但这里(与按图3的实施例不同)这种“横向特性”的加强并不是几何形状上而是通过电方式实现的。

最后由附图还可见，优选设计为金属压力外壳的外壳3具有一个内部的绝缘外壳16，其中在按图1至4所示的实施例中绝缘材料12，13与绝缘外壳16或者与绝缘外壳16的部分相连接。

Claims (12)

1.过电压保护装置，具有一个第一电极(1)、一个第二电极(2)、在这两个电极(1，2)之间形成的击穿火花间隙以及一个容纳了所述两个电极(1，2)的外壳(3)，其中在这两个电极(1，2)之间的击穿火花间隙点火时就在一个连接着这两个电极(1，2)的放电腔(5)之内产生电弧(4)，其特征在于，如此设计所述放电腔(5)，使它至少部分地横交于和/或反向于所加电网电压的电场的方向地分布，从而所述在放电腔中所形成的电弧(4)在所述击穿火花间隙点火时具有一个相对于电场E的横向分量。

2.按权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，放电腔(5)至少具有三个部位(7，8，9)，其中第一部位(7)与第一电极(1)连接，第二部位(8)与第二电极(2)连接，而第三部位(9)一边与第一部位(7)连接，另一边与第二部位(8)连接。

3.按权利要求2所述的过电压保护装置，其特征在于，第三部位(9)基本上垂直于所加电网电压的电场的方向分布。

4.按权利要求2所述的过电压保护装置，其特征在于，第三部位(9)倾斜于所加电网电压的电场的方向分布。

5.按权利要求2所述的过电压保护装置，其特征在于，第三部位(9)部分反向于所加电网电压的电场方向分布。

6.按权利要求1至5中之一所述的过电压保护装置，其特征在于，第一电极(1)的面向第二电极(2)的侧面(10)部分地用一种第一绝缘的或者高电阻的材料(12)盖住，并且第二电极(2)的面向第一电极(1)的侧面(11)部分地用一种第二绝缘的或者高电阻的材料(13)盖住，其中没有用第一绝缘或高电阻材料(12)盖住的第一电极(1)的部位(14)和没有用第二绝缘或高电阻材料(13)盖住的第二电极(2)的部位(15)相互错开地布置。

7.按权利要求1至5中之一所述的过电压保护装置，其特征在于，第一电极(1)的面向第二电极(2)的侧面(10)部分地用一种第一绝缘材料(12)盖住，并且第二电极(2)的面向第一电极(1)的侧面(11)部分地用一种第二绝缘材料(13)盖住，其中没有用第一绝缘材料(12)盖住的第一电极(1)的部位(14)和没有用第二绝缘材料(13)盖住的第二电极(2)的部位(15)相互错开地布置；第一绝缘材料(12)的面向第二电极(2)的侧面至少局部用一种第一高电阻材料(17)盖住，并且第二绝缘材料(13)的面向第一电极(1)的侧面至少局部用一种第二高电阻材料(18)盖住，其中第一电极(1)与第一高电阻材料(17)导电连接的部位与没有用第一绝缘材料(12)盖住的第一电极(1)的部位(14)间隔有距离，而第二电极(2)与第二高电阻材料(18)导电连接的部位与没有用第二绝缘材料(13)盖住的第二电极(2)的部位(15)间隔有距离。

8.按权利要求1至5中之一所述的过电压保护装置，其特征在于，设有一种主动的辅助点火装置。

9.按权利要求8所述的过电压保护装置，其特征在于，在所述两个电极(1，2)上串联一个电压开关元件和一个点火元件，其中电压开关元件的动作电压位于击穿火花间隙的动作电压之下，而其中在电压开关元件动作时首先使漏电电流通过点火元件而流动。

10.按权利要求9所述的过电压保护装置，其特征在于，作为电压开关元件设有一个变阻器、一个抑制器二极管或者一个充气的避雷器。

11.按权利要求9或10所述的过电压保护装置，其特征在于，点火元件由能导电的塑料、由金属材料或者能导电的陶瓷制成，并与第二电极(2)机械地相接触。

12.按权利要求1至5中之一所述的过电压保护装置，其特征在于，所述外壳(3)是金属的压力外壳，并具有一个内部的绝缘外壳(16)。

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