CN101036275A

CN101036275A - 具有改进的漏电流切断能力的过电压保护装置

Info

Publication number: CN101036275A
Application number: CNA2005800288319A
Authority: CN
Inventors: 文森特·安德烈·吕西安·克勒弗纳
Original assignee: ABB France SAS
Current assignee: ABB France SAS
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2005-07-25
Publication date: 2007-09-12
Also published as: US20090021881A1; EP1792378A1; MX2007001043A; FR2873509B1; BRPI0514402A; FR2873509A1; WO2006018530A1

Abstract

本发明提供了具有改进的漏电流切断能力的过电压保护装置。本发明涉及保护电设施(2)免受过电压影响的装置。本发明的装置包括：主火花隙(E1)和预触发电路(10)，预触发电路(10)连接到主火花隙(E1)，从而在发生过电压时控制主火花隙的起火。本发明的特征在于：预触发电路(10)包括至少一个电压切断元件(G)，所述至少一个电压切断元件(G)被布置为在处于不导通状态时阻止电流经过预触发电路(10)，从而在没有过电压的情况下，预触发电路(10)所消耗的漏电流基本为零。本发明涉及过电压保护装置。

Description

具有改进的漏电流切断能力的过电压保护装置

技术领域

本发明涉及一种通用技术装置，该装置用于保护电设备或设施免受诸如电涌的电压扰动的影响，尤其是免受例如由于雷击而引起的瞬态过电压的影响。

更具体地说，本发明涉及一种装置，该装置用于保护电设施免受电压电涌、尤其是由于雷击而引起的瞬态过电压的影响，其中，如此对电设施形成旁路的所述装置包括：

主火花隙，

预触发电路，其对电压电涌敏感，其中所述预触发电路对电设施形成旁路并且连接到预触发元件，该预触发元件在发生电压电涌时控制火花隙电弧的起弧(striking)。

背景技术

用于保护电设备免受过电压影响的装置被广泛使用，并且通常被设计成“避雷器”。它们的实质目的是要将雷击电流接地并且尽可能将由这些电流而感应出的附加电压削减到与避雷器所连接的设备和装置的电压电平相兼容的电平。

已经公知避雷器火花隙包括用于保护设施免受电压电涌影响的主火花隙。因此，主火花隙例如位于要保护的相(phase)与地之间，从而使得在有电压电涌时雷击电流可以流到地。

利用预触发电路对主火花隙的起弧进行控制也是公知的。可以将预触发电路的输出直接连接到主火花隙的主电极之一。还可以想到：给主火花隙配备与预触发电路相连的预触发元件，该预触发元件通常由电弧起弧电极形成。有利的是，与没有这种预触发电路的保护装置相比，并入了这种电路的保护装置允许以较低的电压产生跨火花隙的电弧起弧。

公知的预触发电路可包括数个部件，选择这些部件各自的值以获得给定保护电平。这样，通常可以采用提供低于主火花隙的保护电平的非线性保护元件(例如，变阻器)，该非线性保护元件在例如与变流器相关联时使得可以以比主火花隙的固有触发电压电平低的电压电平来控制主火花隙的电弧。对其他部件的借助也是公知的，例如电容器，其中，预触发电路的运转基于电容器的充电。

虽然这些装置使得可以有效降低保护装置的主火花隙的电弧电压，但是它们有若干显著缺点。

首先，在没有过电压的情况下，当以公知保护装置的固定电压向其供电时，在预触发电路中流通的漏电流穿过该公知保护装置。然而，这种漏电流的存在会干扰保护装置下游的敏感电子系统，例如低功率差分电路断路器或绝缘测试装置。

此外，基于电容器充电原理工作的预触发电路经受由于电容器的充电时间而引起的触发滞后效应。

因此，公知保护装置不是完全有效的，并且具有一定数量的尤其与预触发电路的设计相关联的弱点。

发明内容

本发明的预计目的是要克服前面提及的各种情况，并提供一种新的用于保护电设施免受电压电涌影响的装置，并且是在没有过电压的情况下基本不消耗漏电流的装置。

本发明的另一目的是提供一种新的用于保护电设施免受过电压影响并且配备有预触发电路的装置，该预触发电路使得可以降低火花隙的电弧起弧电压。

本发明的另一目的是提供一种新的用于保护电设施免受过电压影响并且配备有预触发电路的装置，该预触发电路被设计成在没有电压电涌的情况下阻止电流在所述保护装置中流通。

本发明的另一目的是提供一种新的用于保护电设施免受过电压影响的装置，一旦火花隙电弧起弧，该装置可以降低并随后消除在预触发电路中流通的电流。

本发明的另一目的是提供一种新的用于保护电设施免受过电压影响的装置，该装置可以在保持与传统电设备相兼容的保护电平的同时将过电压接地。

本发明的另一目的是提供一种新的用于保护电设施免受过电压影响并且提供改进的工作安全性的装置。

本发明的另一目的是提供一种新装置，该新装置用于保护电设施免受过电压影响，并且被设计成使所有雷击电流穿过火花隙。

通过如下一种装置来实现本发明的上述目的，该装置保护电设施免受过电压、尤其是由雷击引起的瞬态过电压的影响，其中，所述装置对所述电设施形成旁路并且包括：

火花隙，

预触发电路，其对过电压敏感，所述预触发电路对所述电设施形成旁路并且连接到所述火花隙，从而所述预触发电路在发生过电压时控制电弧，

所述装置的特征在于，所述预触发电路包括至少一个电压切断元件，所述至少一个电压切断元件被特别设计成在其端子处的电压超过预定阈值时将状态从阻止电流流通的不导通状态变为允许电流流通的导通状态，将所述电压切断元件布置为在其不导通状态下阻止电流在所述预触发电路中流通，从而在没有电压电涌的情况下，所述预触发电路所消耗的电流基本为零。

附图说明

在阅读以下描述之后并参照附图，本发明的其他具体特点和方面在细节上将会变得清楚，提供附图仅仅是作为示例而决不是限制性的，在附图中：

图1以电路图的形式示出了根据本发明的过电压保护装置的一个实施例。

图2以电路图的形式示出了根据本发明的过电压保护装置的一个变型例。

图3以电路图的形式示出了根据本发明的过电压保护装置的另一变型例。

图4以图的形式示出了在根据本发明的过电压保护装置中使用的部件的一种具体布局。

图5以电路图的形式示出了根据本发明的过电压保护装置的另一实施例。

具体实施方式

根据本发明的过电压保护装置被设计成对要保护的电设备或设施形成旁路。

表述“电设施”指的是可能会遭受电压扰动、尤其是由于雷击而引起的瞬态过电压的任何装置或系统。这种过电压保护装置通常被称为“避雷器”。

根据本发明的过电压保护装置优选地被设计成位于要保护的设施的一个相与地(接地)之间。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可以想到：不将该装置连接在一个相与地之间，而是将该装置连接在中线与地之间、相与中线之间、或者两个相之间(差分保护)。

在通常使用的过电压保护装置中，通常识别电压切断元件和限压元件，在CEI-6 643.1标准中定义了这些元件的特性。

在本发明的范围中，电压切断元件是可能从不导通状态变为导通状态的部件，在不导通状态下所述元件阻止电流流通，在导通状态下所述元件允许电流流通。穿过这些部件的电流在起弧后非常迅速地增加，而其端子处的电压非常快速地降低。在本发明的范围中，火花隙或半导体闸流管(thyristor)是电压切断元件。

相反，限压元件具有上升的电压-电流曲线，其中在这些部件的端子处的电压保持基本恒定或者随着电流增加而略微增加。事实上，当到达给定电压阈值时，由于限压元件的电阻减小，所以在限压元件中电流迅速增加，而其端子处的电压差不多保持恒定。在本发明的范围中，齐纳二极管和变阻器是限压元件。在下面的描述中，表述“电压切断元件”和“限压元件”应该根据上述定义来理解。

图1和图5示出了根据本发明的保护装置1。如图1和图5所示，保护装置1相对于要保护的电设施2形成旁路。图1至图5中的示例示出了在要保护的相P和地T之间形成旁路的保护装置1。

在本发明中，保护装置1包括配备有两个主电极3、4的主火花隙E1(例如，空气火花隙)，主电极3、4被绝缘介质5(例如，空气)分开，在绝缘介质5中通过主电极3、4之间的电弧发生放电。将主火花隙E1装配成与要保护的电设施2并联。

在本发明中，如图1所示，保护装置1还包括预触发电路10(以虚线示出)，预触发电路10对过电压敏感，尤其对其端子10A、10B处的电压敏感。预触发电路10相对于电设施2形成旁路并且与主火花隙E1相连接，从而在出现过电压时，预触发电路10控制火花隙E1的电弧。

在图1所示的本发明的第一实施例中，主火花隙E1配备有可以触发其的预触发元件6，优选地为起弧电极。通常，当预触发元件6与主电极3、4之一之间的电压超过特定值时，在火花隙E1处发生起弧。

在变型例中，预触发电路10连接到预触发元件6并且被设计成在电流穿过预触发电路10时其输出S处的电压在电极3、4之一与预触发元件6之间大致相同。

在图5所示的本发明的第二实施例中，主火花隙E1没有第三预触发电极，并且其电弧在主电极3、4之间的电压超过特定值时起弧。

在变型例中，预触发电路10与主电极3、4之一相连接，以在有过电压时产生比主火花隙E1的固有触发电压更高的电压。

在本发明中，预触发电路10包括至少一个电压切断元件G，例如火花隙或半导体闸流管，所述至少一个电压切断元件G被专门设计成在其端子处的电压超过预定阈值时从其阻止电流流通的不导通状态变为其允许电流通过的导通状态。

在图1至图3以及图5中，用火花隙符号示出电压切断元件G。然而，在本发明的范围内，显然可以想到将火花隙换为另一电压切断元件，例如半导体闸流管。

在本发明的一个实质特征中，电压切断元件G位于预触发电路10中，以在处于不导通状态下时阻止电流在预触发电路10中流通，从而在没有电压电涌的情况下，预触发电路10所消耗的任何漏电流基本为零。

在本发明的范围内，“漏电流”是可能向正常工作(即，在没有电压电涌的情况下)的保护装置1供电的电流。

因此，归功于专门装配了预触发电路10以及电压切断元件G在该预触发电路10中的电布局，保护装置1所消耗的漏电流基本为零。

因此，这种装置使得可以显著降低对位于保护装置1下游的敏感电装置造成损伤的风险。

现在将参照图1和图5描述根据本发明的保护装置。

有利的是，预触发电路10包括配备有磁耦合的初级线圈L1与次级线圈L2的触发变压器TR。在图1所示的第一变型例中，次级线圈L2优选地直接连接到预触发元件6，从而当电流(尤其是雷击电流)穿过初级线圈L1时，在次级线圈L2的端子处感应出的电压引发主火花隙E1的起弧。

在图5所示的第二变型例中，次级线圈L2优选地直接连接到主电极3、4之一，从而它可以引发主火花隙E1处的电弧。

根据典型的变压器架构，次级线圈L2优选地包括比初级线圈L1更大数量的绕组，从而变压器的次级线圈的端子处的电压基本上高于初级线圈的端子处的电压。

在本发明的一个特别有利的特征中，预触发电路10包括支路B，支路B一方面与电设施2并联连接，另一方面还与主火花隙E1并联连接。

在一个特别有利的变型例中，如图1至图5所示，支路B一方面包括初级线圈L1，另一方面还包括与所述初级线圈L1串联连接的电压切断元件G。

因此特别地将电压切断元件G布置为使得，在没有过电压的情况下不仅在支路B中而且在整个预触发电路10中漏电流都基本为零。

因此有利的是使电压切断元件G位于预触发电路10中，从而进入预触发电路10的所有电流I(尤其是雷击电流)必然穿越电压切断元件G。

在图1至图5所示的本发明的一个优选实施例中，预触发电路10包括与电压切断元件G串联连接的至少一个限压元件V1。该限压元件V1优选地由变阻器形成。

限压元件V1一方面与电压切断元件G串联安装，另一方面与初级线圈L1串联安装，这使得可以限制在变压器TR的初级线圈L1中流通的电流。结果，当主火花隙E1起弧时，初级线圈L1取得大多数的雷击电流。然而，有可能部分雷击电流从要保护的相P流过预触发电路10到达地T(尤其在变压器TR的初级线圈L1中)。该现象的一个后果可能是无法修复地损伤预触发电路10，这不是设计用于排空雷击电流的初衷(priori)。因此，使用与电压切断元件G串联放置的限压元件V1使得可以限制在预触发电路10中流通的电流的强度并且首先切断由电压切断元件G排空的电流，这在电压切断元件G是火花隙的情况下意味着被火花隙排空的漏电流被切断。

在本发明的范围内，漏电流是电弧起弧之后并且直到电弧消灭之前火花隙持续排空的短路电流。

有趣的是注意到限压元件V1不干涉主火花隙E1的触发，而是仅位于预触发电路10中使其与电压切断元件G相关联地工作以消灭由电压切断元件G排空的电流。因此，限压元件V1具有不同的特性，尤其是消耗的能量比传统上用于在现有技术的装置中触发火花隙电弧的限压元件少得多。

在这些情况下，将可以利用来自电压电涌的大部分能量来触发主火花隙E1，然而，在现有技术的装置中，来自电压电涌的相当大部分的能量被预触发电路消耗掉，尤其被诸如变阻器的非线性触发部件消耗掉。因此，对限压元件V1的电流-电压特性进行特别选择以使其适合电压切断元件G的特性。在实践中，在本发明的范围中使用的限压元件V1的工作电压的值显著低于传统上用于触发火花隙中的电弧的限压元件的工作电压。

作为示例，对于在230V的标称电压和50Hz的频率下工作的电设施2，可以使用阈值约为800V的火花隙型电压切断元件G、工作电压约为150V的变阻器型限压元件V1以及具有12μH的初级线圈L1和4mH的次级线圈L2的变压器，来触发固有触发电压(也就是说没有预触发)约为3.5kV至4kV的主火花隙E1。有趣的是注意到：如果使用变阻器而不是电压切断元件G来触发主火花隙E1，则必须将该变阻器的工作电压提高到至少255V(市电系统的标称电压230V+10％)，并且因而会消耗比在本发明的范围中使用的限压元件V1多得多的能量。

在图2所示的本发明的一个优选实施例中，预触发电路10有利地包括与初级线圈L1并联连接的至少一个变阻器型的附加限压元件V2。因此有利的是可以如下设置该附加限压元件V2：

或者与单个初级线圈L1并联地安装；

或者与串联的初级线圈L1以及相关限压元件V1并联地安装，如图2所示。

因此，限压元件V2使得可以保持与在保护装置的下游连接的电设备的运转兼容并且在保护装置1的端子处的电压。当然，附加限压元件V2有利地位于预触发电路10中以使其仅在电压切断元件G处于其导通状态下时才让电流穿越。优选的是，将附加限压元件V2与电压切断元件G串联地安装。

作为示例，可以由工作电压约为275V的变阻器形成附加限压元件V2。

在图1至图3以及图5所示的本发明的一个优选实施例中，预触发电路10有利地包括用于进行保护以免受过电压的影响并与电压切断元件G串联连接的至少一个部件F。

优选的是，进行保护以免受过电压影响的部件F是物理上与形成限压元件V1的变阻器相对布置的热熔丝。因此，该热熔丝形成了用于在过热的情况下使变阻器热断开的装置。

在图1和图5所示的本发明的实施例中，预触发电路10仅由变压器TR、电压切断元件G、限压元件V1和用于进行保护以免受过电压影响的部件F构成，而不包括所有其他部件，尤其不包括电容器。

在图3所示的本发明的另一实施例中，预触发电路10包括与变压器TR的初级线圈L1串联安装的两个电压切断元件G、两个限压元件V1和V1’、以及用于进行保护以免受过电压影响的部件F(更精确地说是热熔丝)。在此情况下，与主火花隙E1并联连接的支路B仅由初级线圈L1、两个限压元件V1和V1’、两个电压切断元件G和G’、以及用于进行保护以免受过电压影响的部件F构成。

当然，在本发明的范围内，还可以想到向预触发电路10提供用于进行保护以免受电压电涌影响的第二部件，使得用于进行保护以免受过电压影响的各个部件与给定的限压元件相关联。

甚至更优选的是，将两个电压切断元件G、G’串联地安装在初级线圈L1的两侧，其中初级线圈L1由此电连接在一方面第一电压切断元件G和另一方面第二电压切断元件G’之间。因此，两个限压元件V1、V1’分别与各个切断元件G、G’串联地连接到各个切断元件G、G’。

尤其在图1所示的实施例变型例的情况下，这种设置使得可以避免以下情况：一旦主火花隙E1起弧，部分雷击电流就在变压器TR的次级线圈L2中从相流到地。

事实上，如果查看图1的图，则可以看到：一旦主火花隙E1起弧，在主火花隙E1中流通的雷击电流If的一部分If1就可能穿过变压器TR的次级线圈L2而返回到地。因此，本发明通过将第二电压切断元件G’布置在所述次级线圈L2和地T之间，使得可以消除该分路电流。因此通过次级线圈L2的端子之一将其连接到预触发装置6，并通过其另一端子将其连接到电压切断元件G’。

因此，电压切断元件G、G’电定位于初级线圈L1的两侧，从而使变压器TR与预触发电路10中的其余部分隔离，因而避免了在主火花隙E1起弧时任何电流泄漏到该电路中。

该设置的另一优点来自以下事实：该设置是对称的，从而保护装置1不论其连接在相和地之间的方式如何，都对其端子处的电压的极性不敏感并以相同的方式运转。

在图4所示的本发明的一个优选实施例中，用于进行保护以免受过电压影响的装置F(具体地说为热熔丝)位于两个限压元件V1、V1’之间并且与其接触，从而这些限压元件V1、V1’之一有故障并且异常过热就足以使这两个限压元件V1、V1’与预触发电路10的其余部分断开。

优选的是，所有电压切断元件G、G’由火花隙形成，而所有限压元件V1、V1’由变阻器形成。

现在将参照图1所示的设置来描述根据本发明的保护装置的操作。

当在设施2的端子处出现过电压并从而在预触发电路10的端子10A、10B处出现过电压时，该过电压足以使电压切断元件G从不导通状态变为导通状态，与该过电压相关联的雷击电流流进预触发电路10的分支B并且尤其流进变压器TR的初级线圈L1，从而在次级线圈L2的端子处产生足以确保使主火花隙E1起弧的电压。一旦主火花隙E1起弧，与电压切断元件G串联地安装的限压元件V1就切断在电压切断元件G中(更一般性地为在预触发电路10的支路B中)流通的电流。

因此，根据本发明的用于进行保护以免受过电压影响的装置具有如下优点：当固定地供电并且没有电压电涌时，不会消耗任何漏电流。

根据本发明的保护装置的另一优点在于，该装置允许将所有雷击电流引导到主火花隙E1，从而雷击电流无法(即使部分地)流过所有或部分预触发电路10。

工业实用性

本发明在对用于进行保护以免受过电压影响的装置的设计、制造和使用方面具有工业应用。

Claims

1、一种用于保护电设施(2)免受过电压、尤其是由于雷击而引起的瞬态过电压的影响的装置，其中，所述装置对所述电设施(2)形成旁路并且包括：

主火花隙(E1)，

预触发电路(10)，其对过电压敏感，所述预触发电路(10)对所述电设施(2)形成旁路并且连接到所述主火花隙(E1)，从而所述预触发电路(10)在发生过电压时控制主火花隙中的电弧起弧，

所述装置的特征在于，所述预触发电路(10)包括至少一个电压切断元件(G、G’)，所述至少一个电压切断元件(G、G’)被特别设计成在其端子处的电压超过预定阈值时将状态从其阻止电流流通的不导通状态变为其允许电流流通的导通状态，其中，所述电压切断元件(G、G’)被布置为在其不导通状态下阻止电流在所述预触发电路(10)中流通，从而在没有过电压的情况下，所述预触发电路(10)消耗的漏电流基本为零。

2、根据权利要求1所述的装置，该装置的特征在于：所述预触发电路(10)包括配备有初级线圈(L1)和次级线圈(L2)的触发变压器(TR)，其中，所述次级线圈(L2)连接到所述主火花隙(E1)，从而当电流穿过所述初级线圈(L1)时，在所述次级线圈(L2)的端子处感应出的电压引发主火花隙(E1)的起弧。

3、根据权利要求2所述的装置，该装置的特征在于：所述主火花隙(E1)包括至少两个主电极(3、4)，并且，所述次级线圈(L2)连接到所述主电极(3、4)之一。

4、根据权利要求2所述的装置，该装置的特征在于：所述主火花隙(E1)包括所述次级线圈(L2)所连接到的预触发元件(6)。

5、根据权利要求2至4中任一项所述的装置，该装置的特征在于：所述预触发电路包括与所述主火花隙(E1)并联连接的支路(B)，所述支路(B)一方面包括所述初级线圈(L1)而另一方面包括与所述初级线圈(L1)串联连接的所述电压切断元件(G、G’)，所述电压切断元件(G、G’)被特别布置为使得在没有电压电涌的情况下，整个预触发电路(10)中的漏电流基本为零。

6、根据权利要求1至5中任一项所述的装置，该装置的特征在于：所述预触发电路(10)包括与所述电压切断元件(G、G’)串联连接的至少一个限压元件(V1、V1’)。

7、根据权利要求6所述的装置，该装置的特征在于：所述限压元件(V1、 V1’)由变阻器形成。

8、根据权利要求2至7中任一项所述的装置，该装置的特征在于：所述预触发电路(10)包括与所述初级线圈(L1)并联连接的至少一个变阻器型的附加限压元件(V2)。

9、根据前述权利要求中任一项所述的装置，该装置的特征在于：所述预触发电路(10)包括与所述电压切断元件(G、G’)串联连接的用于进行保护以免受过电压影响的至少一个部件(F)。

10、根据权利要求9所述的装置，该装置的特征在于：所述进行保护以免受过电压影响的部件(F)是热熔丝。

11、根据权利要求7和权利要求10所述的装置，该装置的特征在于：所述热熔丝物理上与所述变阻器相对布置。

12、根据权利要求2至5中任一项所述的装置，该装置的特征在于：所述预触发电路(10)包括与所述初级线圈(L1)串联连接的两个电压切断元件(G、G’)，所述两个电压切断元件(G、G’)电定位于所述初级线圈(L1)的两侧以使所述变压器(TR)与所述预触发电路(10)的其余部件隔离。

13、根据权利要求12所述的装置，该装置的特征在于：所述预触发电路(10)包括与所述两个电压切断元件(G、G’)串联连接的两个限压元件(V1、V1’)。

14、根据权利要求10和权利要求13所述的装置，该装置的特征在于：所述两个限压元件(V1、V1’)由变阻器形成，从而所述热熔丝(F)位于所述两个限压元件(V1、V1’)之间并且与其有物理接触。

15、根据前述权利要求中任一项所述的装置，该装置的特征在于：所述电压切断元件(G、G’)由火花隙形成。