CN102694378B - 电涌保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电涌保护装置(SPD)，其具有火花隙(SG)及与所述火花隙(SG)串联的随温度变化的电阻元件(R)，所述随温度变化的电阻元件(R)具有正温度系数，其中所述火花隙(SG)具有一定的保持电流，其中所述电阻元件(R)的规格使得当达到切换温度时，会限制电流而使所述火花隙的保持电流减小并被切断，且其中所述电阻元件的规格使得在出现暂态事件的情况下，不会达到所述切换温度。

Description

电涌保护装置

技术领域

本发明涉及一种电涌保护装置。

背景技术

1型电涌保护装置通常用于敏感的电力干线上。

这些电涌保护装置必须转移暂态事件(也称为过电压事件)的大部分功率。

这些暂态事件包括例如雷击。暂态事件通常在小于1ms的时间范围内发生。

此种类型的暂态事件被规范地模型化为例如处于kA范围内的10/350μs参考浪涌电流。

通常使用变阻器和/或火花隙作为电涌保护装置。

然而，在使用这些变阻器或火花隙时，也会产生由低阻抗放电路径引起的电网持续电流(grid follow current)。

然而，电涌保护装置也用于在电涌保护装置或所保护设备的后备熔丝不被触发的情况下防止或限制并切断此种电网持续电流。

传统的火花隙具有低燃弧电压，且因此不能够控制电网持续电流。

这些传统的火花隙在交流电压过零(电源电压)时熄弧，但尤其在用于大功率电力干线上时会触发后备熔丝。

尽管如此，此种火花隙技术还是具有其组件很有功效的优势。

此种可商购获得的产品使得可转移高达50kA的涌浪电流。

发明内容

火花隙与分弧室一起能在电弧倍增的基础上实现对熄灭电网持续电流的能力的改善。

然而，其具有使热离子化气体以爆炸方式被吹出的问题。

抗压壳体中被囊封的火花隙能实现对熄灭电网持续电流的能力的另一改善。

在具有这些被囊封的火花隙的情况下，火花隙中的压力积聚会使电弧电压上升至电源电压的范围，并因此抑制电网持续电流的形成。

然而，在暂态事件结束时，浪涌电流不再足以维持所述压力并因此不再足以维持电弧电压，此时可形成电网持续电流。

也就是说，不能可靠地切断电网持续电流。

此外，被囊封的火花隙具有大的电极间距，与“简单”的火花隙相比，大的电极间距会造成更差的反应性能。

在另一技术领域中，即在电信领域中，将PTC与气体放电管相组合地用于过电压保护。

然而，此为其中就电源而言不具有高的电功率的过电压保护应用。

在过电压保护中，PTC用于持久性故障的电流限制，所述持久性故障是持续时间比暂态事件长得多的故障(即远远大于1ms)。

所使用的PTC具有大于1欧姆(Ohm)的欧姆电阻，并能够载送几安培范围内的额定电流。

由于功率低，所使用的PTC的这些欧姆电阻不会在开关柜温度上表现出大的问题。

本技术领域的制造商因此正努力以小的体积提供尽可能高的电流密度，以在PTC的开关阈值以下达到低的W/R值或i2t值(比能或焦耳积分)。

本发明的目的是提供一种改良的电涌保护装置，所述电涌保护装置的优点是具有针对电涌保护的火花隙结构及具有改良的电网持续电流熄灭性能。

此目的还在于避免不必要地触发所述结构的现有后备熔丝。

此目的可根据本发明通过独立权利要求项的特征来实现。

随附权利要求书中给出了本发明的较佳实施例。

附图说明

以下将参照附图基于优选实施例来更详细地说明本发明。

图1为根据本发明优选实施例的电涌保护装置内部的示意图；以及

图2为在根据本发明优选实施例的电涌保护装置中所用的PTC的范围分类。

主要元件标记说明

SPD      电涌保护装置

SG       火花隙

CD       总成

D        功能单元

R        随温度变化的电阻元件

F1、F2   后备熔丝

1        配电区域/电力干线

2        风力发电范围

3        过电压保护

4        过电压保护电信

5        发动机起动器

6        起始浪涌电流限制器

7        切换应用

具体实施方式

图1显示电涌保护装置(SPD)。

电涌保护装置SPD具有火花隙(SG)及与所述火花隙SG串联的随温度变化的电阻元件R，所述随温度变化的电阻元件R具有正温度系数。

火花隙SG具有一定的保持电流。

一方面，电阻元件R的规格使得当达到切换温度时，会限制电流而使火花隙的保持电流减小并被切断。另一方面，电阻元件R的规格使得在出现暂态事件的情况下，不会达到切换温度。

由于本实施例，一方面可通过使用有效的火花隙SG来提供针对暂态事件的保护，而另一方面，通过使用适宜规格的电阻元件R来确保电网持续电流熄灭能力。

此外，可在放电路径中设置后备熔丝F1及/或可在工作路径中设置后备熔丝F2。

后备熔丝F1、F2的安装位置取决于特定的应用。

当出现暂态事件(例如浪涌电流)时，电阻元件R是冷的，并因此而导电。

火花隙SG在暂态事件的作用下点火，其中也可从外部触发火花隙SG的点火。

现在，此种结构转移浪涌电流，且首先电阻元件R保持为低阻抗(远远小于1欧姆)。

然而，如果形成无法被火花隙SG熄灭的电网持续电流，则在电阻元件R中损耗的功率P＝U_R*I_Powergrid会将电阻元件R加热至切换温度T_Switch，并将电流限制在非临界值。

然后可通过过零的持续电压或通过减小火花隙SG的保持电压来切断此电网持续电流。

由此使火花隙SG熄灭，并重新建立启动条件。

随后，电阻元件R独自冷却并从而再次变成低阻抗的。

电阻元件R的规格使得为在暂态过电压情形(切换)中使电阻元件R受热，为获得切换温度而需要的比能i²(t)_R，Switch被选择成大于暂态的焦耳积分i²(t)_Transiente。

换言之，电阻元件R的规格必须使得在浪涌电流放电期间的能量输入作用下，电阻元件R不会受热至切换温度T_Switch，其中所述能量输入会相对于静止温度T₀而引起ΔT_Transient的温度增量。

此可以数学方式表示如下：

T₀+ΔT_transient＜T_switch

因此静止温度T₀不必为室温或标准温度(例如20℃)，而是根据位置及切换温度而定，也可为设备柜中所普遍存在的典型温度(例如60°℃或80℃或以上)。

由于可能发生的电网持续电流的额外能量输入(其会导致温度升高ΔT_Powergrid)，电阻元件R可进一步受热至超过温度T_Switch并从而使其电阻增大。

由此，切换温度例如为80℃或以上，优选地为100℃，尤其优选地为140℃。

因此，电流得到限制，直到火花隙SG熄灭或电源电压出现零电流为止。

此可以数学方式表示如下：

T_Switch≤T₀+ΔT_Transient+ΔT_Powergrid

由此，可将关于温度的总体概念表示如下：

T₀+ΔT_transient＜T_Switch≤T₀+ΔT_Transient+ΔT_Powergrid

由此，使电阻元件R自其静止温度T₀受热至切换温度T_Switch所需的比能(以下也称为焦耳积分i²t_R，Switch)大于暂态的焦耳积分i²t_Transient，以防止电涌将电阻元件R加热至切换温度T_Switch。

此可以数学方式表示如下：

i²t_Transient＜i²t_R，Switch

此处，i²t_Transient表示通过暂态的电流路径中的比能，而i²t_R，Switch表示为达到切换温度所需的电阻元件R的比能大小。

为达到切换温度所需的比能i²t_R，Switch优选地大于100A²s，尤其大于1000A²s，尤其优选地大于100kA²s。

此外，来自暂态的比能i²t_Transient与来自电网持续电流的比能i²t_Powergrid之和大于切换温度所需的比能i²t_R，Switch，从而使得电阻元件R被电网持续电流加热至切换温度T_Switch或超过切换温度T_Switch。

此可以数学方式表示如下：

i²t_R，Switch＜i²t_Transient+i²t_Powergrid

此处，i²t_Powergrid表示电流路径中归因于电网持续电流的比能。

为达到切换温度所需的比能i²t_R，Switch优选地小于1MA²s，尤其小于900kA²s。

上述暂态的比能i²t_Transient与电网持续电流的比能i²t_Powergrid之和不应超过可能存在的后备熔丝F1、F2的熔丝积分i²t_F。

此可以数学方式表示如下：

i²t_Transient+i²t_Powergrid＜i²t_F

此处，i²t_F表示后备熔丝F1、F2熔丝积分，其值通常由熔丝制造商规定。

由此，可将关于比能i²t的总体概念表示如下：

i²t_Transient＜i²t_R，Switch＜i²t_Transient+i²t_Powergrid＜i²t_F

优选地，电泳保护装置具有后备熔丝F1，后备熔丝F1与电阻元件R或火花隙SG串联地排列。

可通过标准(例如DIN EN 60664-1)进一步提供如下关系：在放电操作期间，电阻元件R、火花隙SG及可能存在的后备熔丝F1、F2上的电压降之和应不超过规范所要求的保护水平U_P。此可以数学方式表示如下：

U_R+U_SG+U_F≤U_P

例如，电阻元件R的起始电阻被选择成使得在放电情形中施加于电阻元件的电压U_R、施加于火花隙的电压U_SG及施加于熔丝的电压U_F之和不超过4500V、优选地不超过1500V、尤其优选地不超过1000V的电压U_P。

由此可推导出最大起始电阻R_max的条件，在达到切换温度T_Switch之前不得超过最大起始电阻R_max。

$R_{\max }=\frac{U_R}{I}<\frac{U_P-(U_{\mathrm{SG}}+U_F)}{I}$

此处，I为通过……的规定电流。

此外，电阻元件R的起始电阻也不得为零，这是因为否则电阻元件R就无法受热。由此，可推导出最小起始电阻R_min的条件：

0＜R_min

因此，电阻元件R在室温下的起始电阻可小于或等于100mΩ。

由此，可推导出关于比能i²t的总体概念如下：

R_min＜R≤R_max

通过本发明，可提供根据IEC 61643的1类、2类或3类电涌保护装置SPD。

这些电涌保护装置SPD因此能够在安装条件下容易地转移暂态事件(例如过电压)，并从而熄灭电网持续电流i_Powergrid，其中所述暂态事件对应于参考电流浪涌10/350μs i_Transient。如果在安装条件下存在后备熔丝F1、F2，则会防止后备熔丝F1、F2熔断。

这些电涌保护装置SPD由此能够安全地转移具有10/350μs的脉冲波形的10kA、20kA、30kA或以上的参考电流浪涌i_Transient。

根据电涌保护装置SPD的设计而定，在已达到切换温度T_Switch之后的限制电流小于或等于I＝315A。

根据上述尺度，此处将通过两种典型的应用领域来举例说明此种规格：

实例性电源：

根据欧洲电网(例如230V等)中的电涌保护的典型应用类型1，可商购获得的电涌保护装置SPD应能够转移具有10/350μs的脉冲波形的30000A浪涌电流。

制造商规定所需的后备熔丝F1、F2。在类似的可商购获得的应用中，其具有例如1＝315A的额定载流容量。

适用的电阻元件R的额定电阻范围取决于所述应用的最大允许保护水平U_P，所述最大允许保护水平U_P的上限是由绝缘配合来设定。

此最高允许保护水平为4000V。然而，可商购获得的产品已提供1500V的保护水平。

在浪涌电流的峰值中，在PTC上预期出现最大电流降落。

电阻元件R的规格使得电阻还未发生任何可观的电阻变化。

由此，电阻元件的电阻R_max不得超过：

$R_{\max }=\frac{1500V}{30\mathrm{kA}}=50\mathrm{m\&Omega;}$

此种类型的电涌保护装置SPD需要例如熔丝积分约为i²t_F＝513000A²s的315A后备熔丝F1、F2。

此规格是可用于使电阻元件R自其静止温度T₀受热至切换温度T_Switch的比能i²t_R，Switch的最大规格。

为此所需的能量i²t也具有最小值，所述最小值是通过浪涌电流的电流/时间特性曲线而预先确定。

脉冲的比能

由此，i²t_Transient＝i²t_{10/350μs，30kA}应刚好不足以使电阻元件R受热至其切换温度T_Switch。

对于比实例性脉冲，所述计算为：i²t_Transient＝i²t_{10/350μs，30kA}＝231000A²s。

根据此估算，得到此实例性应用的工作范围，其应满足以下条件：

0Ω＝R_min＜R≤R_max＝50mΩ

以及

213000A²s＝i²t_Transient＜i²t_R，Switch＜i²t_F＝513000A²s

此种类型的工作范围迄今为止对于作为电阻元件R的实例的PTC来说还不常见，并由本发明首次使用及实现。

在图2中以参考编号1来表示所示意性描绘的工作范围。

使用此种类型的PTC作为电阻元件R的实例，可有效地限制电网持续电流而不使后备熔丝F1、F2被触发。

这样便得到PTC的允许工作范围，在市场中尚没有其他惯常的应用在此允许工作范围内工作并可被有效地限制电网持续电流而不使后备熔丝F1、F2触发。因此，PTC明显地适应于所述需要。

实例性风力发电

根据风轮机系统的过电压保护中的典型应用类型1，可商购获得的电涌保护装置SPD必须能够对具有10/350μs的脉冲波形的50000A浪涌电流进行放电。

制造商规定所需的后备熔丝F1、F2。在市场中类似的惯常应用中，这些后备熔丝具有例如I＝400A的额定载流容量。

最高允许保护水平是由市场来决定，且目前为最高4500V。

由此得到R_max：

$R_{\max }=\frac{4500V}{50\mathrm{kA}}=90\mathrm{m\&Omega;}$

此种类型的电涌保护装置SPD将需要例如熔丝积分约为i²t_F＝859000A²s的400A后备熔丝F1、F2。

对于此实例性脉冲，所述计算为

i²t_Transient＝i²t_{10/350μs，30kA}＝642000A²s.

例如可通过对此实例性脉冲的电流/时间特性曲线进行数值计算来计算该值。

根据此估算，得到此实例性应用的工作范围，其应满足以下条件：

0Ω＝R_min＜R≤R_max＝90mΩ

以及

642000A²s＝i²t_Transient＜i²t_R，Switch＜i²t_F＝859000A²s

此种类型的工作范围迄今为止对于作为电阻元件R的实例的PTC来说还不常见，并在本发明中首次提出并实现。

在图2中以参考编号2来表示所示意性描绘的工作范围。

使用此种类型的PTC作为电阻元件R的实例，可有效地限制线路持续电流而不使后备熔丝F1、F2被触发。

图2中显示其他PTC的工作范围以供比较。

在图2中，纵坐标显示在20℃温度下的起始电阻R及其所分配的比能I²t。此处座标轴被选择成对数形式。

参考编号3显示典型的一般电涌保护应用的工作范围，而参考编号4表示电信领域中的电涌保护应用的工作范围。参考编号5显示PTC在用于发动机起动器中时的工作范围，而参考编号6显示在用作起动浪涌电流限制器情况下的工作范围，参考编号7显示在切换应用中使用的情况下的工作范围。

由此可清楚地看出，在经典应用中的工作范围明显不同于在电涌保护中的使用-如由参考编号1及2所阐明。

在静止温度20℃下所欲达到的电阻明显低于传统PTC的电阻。

尤其优选地使用陶瓷PTC作为电阻元件，这是因为这些陶瓷PTC另外还具有在施加高电压时发生变阻器效应的特性。此变阻器效应在浪涌电流的情形中会促进低电阻。

根据本发明的电涌保护装置SPD可由此具有任何适宜形式的火花隙SG，例如简单火花隙、被囊封的火花隙、配备有电弧分离器的火花隙等。

火花隙SG可以抗压的方式来实施。

此外，电涌保护装置SPD还可被实施成具有后备熔丝F1而作为总成CD。

此外，电涌保护装置SPD还可被实施成具有后备熔丝F2而作为功能单元D。此功能单元也可具有另外的后备熔丝F1。

Claims (12)

1.一种电涌保护装置(surge protection device；SPD)，其特征在于，所述电涌保护装置用于电力干线的电涌保护、且具有火花隙(spark gap；SG)及与所述火花隙(SG)串联的随温度变化的电阻元件(R)，所述随温度变化的电阻元件具有正温度系数，其中，所述火花隙(SG)具有一定的保持电流，所述电阻元件(R)的规格使得在出现暂态事件的情况下，不会达到切换温度；

其中，所述电阻元件(R)的规格使得当达到切换温度时，电流被限制而使所述火花隙的所述保持电流减小并被切断，由此使火花隙(SG)熄灭；

其中，所述电阻元件的规格使得所述电阻元件被电网持续电流加热至所述切换温度、并将电流限制在非临界值；所述电网持续电流无法被所述火花隙熄灭。

2.如权利要求1所述的电涌保护装置，其特征在于，对于在暂态过电压情形中使所述电阻元件受热而言，为获得所述切换温度而需要的比能i²(t)_R,Switch被选择成大于暂态的焦耳积分i²(t)_Transiente。

3.如权利要求1或2所述的电涌保护装置，其特征在于，所述电涌保护装置是根据IEC 61643的1类、2类或3类电涌保护装置。

4.如权利要求2所述的电涌保护装置，其特征在于，所述暂态过电压是参考电流浪涌10/350μs。

5.如权利要求4所述的电涌保护装置，其特征在于，所述参考电流浪涌至少为10kA，具有10/350μs的脉冲波形。

6.如权利要求1或2所述的电涌保护装置，其特征在于，所述电阻元件在室温下的电阻小于或等于100mΩ。

7.如权利要求2所述的电涌保护装置，其特征在于，为获得所述切换温度而需要的所述比能i²(t)_R,Switch大于100A²s。

8.如权利要求2所述的电涌保护装置，其特征在于，为获得所述切换温度而需要的所述比能i²(t)_R,Switch小于1MA²s。

9.如权利要求1或2所述的电涌保护装置，其特征在于，所述电涌保护装置还具有后备熔丝(F1)，所述后备熔丝(F1)与所述电阻元件(R)或所述火花隙(SG)串联地排列。

10.如权利要求9所述的电涌保护装置，其特征在于，所述电阻元件的规格使得在所述暂态过电压情形中所述电阻元件的受热期间，所述暂态的焦耳积分i²(t)_Transiente及所述电网持续电流的比能i²(t)_Powergrid加起来小于使所述熔丝(F1)熔断所需的比能i²(t)_F。

11.如权利要求1或2所述的电涌保护装置，其特征在于，所述切换温度至少为80℃。

12.如权利要求9所述的电涌保护装置，其特征在于，所述电阻元件的起始电阻被选择成使得在放电情形中施加于所述电阻元件、所述火花隙及所述后备熔丝(F1)的电压之和不超过4500V。