CN103069672A - 具有消电离室的角形火花隙 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有非排气结构形式的消电离室（8）的角形火花隙，其包括多件式的绝缘材料壳体作为支撑和接纳体，所述支撑和接纳体用于角形电极（1、2）和消电离室（8）以及由电弧引起的气流的引导构件，绝缘材料壳体在由角形电极构成的平面内被剖分并且构成第一以及第二半壳。根据本发明，角形电极（1、2）构造为不对称形状。电极之间的电弧行进区域（11）向消电离室方向通过板状的绝缘材料（20）限定，该板状的绝缘材料分别形锁合地嵌入相应半壳的第一成型部中。此外，第一成型部接纳电弧行进区域（11）的铁磁嵌件（21），所述板状的绝缘材料（20）使相应的嵌件与电极（1、2）电隔离。半壳具有另外的第二成型部，这些第二成型部形锁合地包围可嵌入的消电离室部件（8），在各半壳中在第一和第二成型部之间设置通孔或开口，并且短电极（2）终止于消电离室部件（8）前方，以致气流仅部分进入消电离室。

Description

具有消电离室的角形火花隙

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的具有非排气结构形式的消电离室的角形火花隙，其包括多件式的绝缘材料壳体作为支撑和接纳体，所述支撑和接纳体用于角形电极和消电离室以及由电弧引起的气流的引导构件，绝缘材料壳体在由角形电极构成的平面内被剖分并且构成第一以及第二半壳。

背景技术

由EP1914850B1和EP1829176B1已知角形火花隙，其中电离气体的排气效应被减弱。

根据EP1914850B1，角形电极由廉价的材料制成，以便降低生产这种火花隙的成本。

此外EP1829176B1公开一种用于在过载时延长分离路段的装置。

此外，已知具有角形火花隙和非气密封装的解决方案，其中支持自磁场，以便有针对性地加速电弧的移动。也已知构造用于内部有目的的气体循环的通道，以便冷却电离气体。

已表明，角形火花隙中的压力负荷在雷击脉冲电流的负荷下尤为巨大，因此对封装和在此所用材料的要求非常高。

DE102005015401.8所示的火花隙因实现内部循环而具有如下缺点：消电离室的几何形状和因此灭弧特性主要由角形电极的距离和几何形状决定。并不能毫无问题地相对自由选择消电离室的数量或宽度，因为封装情况下的作用方式要求那里所示的有目的的气体循环。但当电弧行进区域直至消电离室在侧面不再被角形电极相对于回流屏蔽时，这种有目的的循环受到干扰。因此当需要改变消电离室时，例如为了更高的运行电压而需提高消电离片数量时，则必须改变数量众多的部件并适配高成本的电极。

发明内容

有鉴于此，本发明的任务是提供一种改进的具有非排气结构形式的消电离室的角形火花隙，该角形火花隙包括多件式的绝缘材料壳体，该角形火花隙廉价、节省空间并且可在结构上模块化和柔性地设计。提供的解决方案应可通过稍加修改零件使火花隙适配不同的功率参数以及不同的电网情况和电网电压。

本发明任务通过根据权利要求1的特征组合来解决，从属权利要求构成至少有利的方案和改进方案。

据此出发点为一种具有非排气结构形式的消电离室的角形火花隙，该角形火花隙包括多件式的绝缘材料壳体作为支撑和接纳体，所述支撑和接纳体用于角形电极和消电离室以及由电弧引起的气流的引导构件，绝缘材料壳体在由角形电极构成的平面内被剖分并且构成第一以及第二半壳。

根据本发明，角形电极具有不对称形状，包括一个长电极和一个短电极。在触发区域中、即直至触发位置和其后的一个区段中，两个电极几乎平行或仅以极小的发散或扩张延伸。

电极之间的电弧行进区域向消电离室方向通过板状的绝缘材料限定，该板状的绝缘材料分别形锁合地嵌入相应半壳的第一成型部中。

此外，第一成型部接纳铁磁嵌件、优选为板状且类似于电弧行进区域成形，所述板状的绝缘材料使相应的嵌件与电极电隔离。

半壳具有另外的第二成型部，这些第二成型部形锁合地固定可嵌入那里的消电离室部件。在第一和第二成型部之间在相应的半壳中设置通孔或开口。短电极终止于消电离室部件前方，以致气流仅部分进入消电离室。

根据本发明，角形火花隙具有夹层式结构并且所述半壳通过螺丝或铆钉力锁合连接。

半壳的背离电极的外侧至少在通孔或开口的区域中分别具有第三成型部，这些第三成型部形锁合地接纳外侧绝缘材料板。

第三成型部补充地具有用于划分气流的板条或分流器，并且由第三成型部和外侧绝缘材料板构成的区段形成气体释压室。

气体释压室又具有用于将气体导回燃弧室的优选缝槽状的通过间隙，为了通过气流辅助推动电弧，电极在触发区域上方具有开口或缩回部。

连接至长电极的电流引线在尽可能大的区段上反向平行地导向。

短电极具有高阻抗。

角形火花隙的触发或引弧通过具有导体区段的柔性印刷电路板进行，该印刷电路板设置在电极之间的触发区域中。

此外，在一种方案中，角形火花隙具有故障状态指示器，该故障状态指示器具有在温度过高时熔化的或者变得形状不稳定的成型件，指示器的该成型件处于弹簧预张紧下。

在压力加载时变形的外侧绝缘材料板可与用于检测异常运行状态的传感装置作用连接。

根据本发明的火花隙构成具有用于电极的外部连接端子的通用模块，该模块可根据客户需要集成到插拔件或外部壳体中。

所有重要的组件、例如电极、触发电极和/或消电离室都是可更换的并且可简单地适配相应的电网情况，且无需改变根据本发明的角形火花隙的基本结构。

将所有功能组件在没有外部壳体的情况下集成到本身已封装的紧凑单元中能够以最简单的方式设计各种不同的用于不同电网配置的设备方案。在本来的设备壳体内无需构造附加的用于火花隙功能的元件。仅需在外部壳体中设置布线元件或通信端口。

如上所述，火花隙由极简单的零件构成，所述零件可通过标准技术、例如铆钉彼此连接。火花隙的功能已经通过装配没有外部壳体的内部模块得以实现。可通过铆接过程来进行装配。

通过根据本发明的由大面积零件构成的夹层式结构，在基于脉冲电流即将产生动态压力负荷的情况下形成整体结构的半弹性特性。这允许在角形火花隙模块的尺寸总体上较小的情况下使用简单且廉价的材料。

由于气体导向以多个循环回路进行，所以几乎所有构件都用于冷却热的电离气体。当在更高的负荷下要求火花隙的耐燃性时，可根据需要用由可承受更大负荷的材料制成的电极来替换制造为冲压弯曲件的角形电极。

也可通过更换消电离室控制更高的运行电压或短路电流。基于角形电极的不对称设计，可极其简单地实现以绝缘材料室或具有更多数量的消电离片的消电离室来更换消电离室。

借助纯机械地转换物理极限参数、尤其是温度，故障状态指示器得以非常节省空间地实现并且无需附加的能量需求。

所有带功能的构件可通过一个共同的接合步骤、尤其是模块的铆接彼此连接。

可在一个几乎可自由选择的外部壳体内为任何应用、电网类型或特定客户的设计方案将一个或多个功能完整的模块自由布线。

附图说明

下面参考附图借助实施例详细说明本发明。附图如下：

图1为具有绝缘材料板和铁磁嵌件的夹层式壳体的半壳；

图2为具有不对称的角形电极和消电离室的火花隙的原理结构；

图3为半壳之一的外侧俯视图，其中以虚线显示出壳体后面的电极的位置；

图4为具有消电离室和电极的火花隙的横截面图。

具体实施方式

图1示出半壳之一，其设计为具有外侧绝缘材料板23、例如构造为硫化纤维板的注塑件2。也可看到铁磁板状部件21，其通过内侧硫化纤维板20覆盖。

在半壳22的图示中也可看到成型部，它们适配于铁磁材料21的轮廓，这也适用于内侧硫化纤维板20。

在外侧硫化纤维板23中可见的孔接收铆钉，所述铆钉将壳体的两个半壳以及位于其中的元件连接起来。

在根据图2的图示中可见角形火花隙模块的基本结构，其燃弧室受两个电极1和2影响。

电极1构造为长电极并且电极2构造为短电极。

电极1和2的电弧行进区域直至灭弧室或者说消电离室8在侧面通过耐燃并且仅少量产气的绝缘材料（参见图1）限定，所述绝缘材料例如由硫化纤维制成。

这种硫化纤维板可构造为简单的廉价的冲压板。零件通过铆钉固定且不再需要其它连接。

此外，硫化纤维板20还将铁磁的铁嵌件21绝缘固定在每个半壳22中，所述铁嵌件位于电弧行进区域中。

铁嵌件21被嵌入并导向于半壳22中，但也可直接被注塑包封。

相应半壳22同时实现电极1和2、位于电极之间的触发辅助装置、故障状态指示器和消电离室8的固定。

此外，注塑件22或者说相应半壳具有空隙和转向装置，其用于转向、分配和导回在电弧触发时产生的气体。也构造有挡壁，其用于避免金属颗粒或碳黑颗粒被导回电弧行进区域中，从而防止复燃或绝缘值恶化。

上述内容在空间条件减少和高负荷时尤为有利。

用于部分被电离的气体的释压室分别形成于半壳部件22和外侧绝缘材料板23之间。这两个板同时也构成已经具有功能性的模块的外壁并且与其余部件铆接。

通过将部件插入注塑件或者说半壳22中的简单技术，可将不同的消电离室或者说灭弧室、又例如绝缘板条或曲折形室集成到火花隙中。但也可想到，在注塑时直接将灭弧室构造为一体的构件。

这样选择电极之间的触发区域，使得通过电弧自磁场就已经有相当大的力作用于电弧，以致电弧从触发位置迅速离开并且因此确保火花隙的迅速触发。触发位置位于两个间距很小的电极平行或仅以最小发散延伸之后几个毫米处。由于电极间距很小，因导电而产生巨大的力作用。

可这样选择触发辅助装置或触发电极的材料，使得电弧的初始移动、例如通过产气得到支持。也可通过使触发电弧已经向行进方向预弯曲、例如通过构造超出部来支持初始移动。

为了进一步提高作用于电弧的力，长电极1的接头在很大范围上反向平行于该电极1被导向。

在两侧使用的在侧壁中的铁磁嵌件21支持电弧按希望迅速移动至灭弧室8。可省略电极附加绝缘的铁磁的铁嵌件，这有利于希望的小结构尺寸。但在需要时电极本身的材料也可具有铁磁特性或可将铁磁芯集成到电极中或使电极本身具有夹层式结构。

两个电极1和2在触发位置或触发区域4上的间距在几个毫米的路段上仅具有极小发散或几乎平行延伸。主电极这种设计的优点在于，在过载时无需附加措施就可实现火花隙定义的短路特性。在电极持续过载时可形成金属间隙，该金属间隙大面积地且有电流承载能力地跨接两个电极之间的小间距并且引起已有过电流保护装置的可靠触发。

为了在构造消电离室方面具有更大的设计自由度，有利的是，使短电极2在电弧进入的区域中就已经终止。电弧始终努力降低其起弧电压，也就是说，必须强迫电弧以使电弧根部从具有实际上较低起弧电压的点A（尖端）转移到具有较高起弧电压的点B（引线）。

图2中所示的较短的角形电极2须被这样导向得这样远，以致不会有过多的其它消电离板因该电极通往各个消电离板的直接路径而未被使用，以便尽可能利用消电离室的全部工作能力。

仅在短电极2上的持续的电弧根部过于靠近触发区域并且导致多次复燃或在进入区域中跨接消电离室8下方的其它板。为了在整个消电离室8中实现迅速且可靠的电弧划分，短电极的几何形状和材料及其引线设计用于高阻抗。

在电弧触发后，作为电流产生明显的电压降，该电压降除了电弧延长外还有利于电弧根点迅速从短电极2的尖端（A）转移到电极引线（B）。钢适合用作电极材料或者说电极引线材料。为了进一步改进上述效果，有利的是，引线或电极的材料在电流中附加变热，由此进一步增大了电压降。通过这些措施可简单地使灭弧室中可达到的电弧电压在其它尺寸相同下增加数十至数百伏，从而能够用于更高的运行电压或改善电流限制。为了进一步节省安装空间，长电极1可在灭弧室范围中构造为薄的导向片。

由于在一侧使用短电极2并且由此产生电极的不对称配置，来自行进区域的气流不再完全进入到灭弧室（消电离室）8中。来自电弧行进区域的气流因此可已经泄漏到灭弧室下方。该气体也通过相应半壳22中的流出口14用于气体循环。由于续流电弧到灭弧室中的进入时间仅占整个起弧时间的一部分并且电弧电压在消电离室之外尚且很小、即还没有划分为子电弧，所以该气体仅具有少量能量。也还不存在太强烈的气体电离。该气体在与电极引线以及短电极2的接触中达到充分冷却，因此该气体可经过相对短的行程。

由于气体通过上述开口在一定程度上被抽取到消电离室8下方，同时减小了剩余气体在消电离室中的流动阻力。消电离室中流动阻力的减小使得电弧更加迅速地进入该室本身中，因为反射减小。电弧划分也更快地进行并且因此电流限制更加有效。

也可利用流动阻力的减小来改变消电离室8中的消电离片的间距、即使用更多的片或进一步减小消电离室尺寸，以便在相同的外部尺寸下实现更高的电弧电压。

使用印刷电路板3来触发具有角形电极1和2的火花隙。印刷电路板3用于固定触发过程所需的构件并且同时确定电极1和2之间的触发位置4。

触发所需的阻抗一方面可通过离散的结构元件形成或者也可通过印刷电路板材料本身形成。借助这种印刷电路板触发辅助装置可实现小于1kV的安全电平。

主电极1和2之间的区域5用于雷击冲击电流和续流之间的功能划分。

电极1和2中的空隙6用于将气体导回到电弧行进区域中并且位于触发区域5上方。

长电极1的连接供电线7在很大范围上反向平行于相应电极导向。

长电极1被侧向导向直至灭弧室或者说消电离室8。

短电极2以尖端A已经终止于电弧行进区域11中。在一种优选功能方式中，电弧的根点在到达位置A后向位置B、即向电极2的接头区域转移。

穿过消电离室8的气体或在消电离室8的电弧划分之后从侧面离开的气体通过开口9进入用于冷却的释压区域26。

消电离室在端面上具有一个中间的横向板条和一个连续的纵向板条，通过该纵向板条可使气体分散并转向，从而避免角形火花隙模块整体结构的单侧加载。

被冷却且释压的气体通过开口10和电极1和2中的空隙6重新被馈入行进区域11中。

除了消电离室8端面的开口12和侧面的开口13之外，一部分气体已在进入消电离室时通过开口14被导入释压室中。来自消电离室8侧面开口13以及端面开口12的气体因其在电弧划分后较强地变热而被馈入流入口9和在硫化纤维板和半壳注塑件22之间的转向装置。

气体通过该较长的行程已经在金属电极1和2或电极引线上获得冷却。

图4示出用于排出的气体的释压区域26。该释压区域26位于注塑件22和外侧硫化纤维板23之间。

用于气体馈入的开口9和14也通入该空间中。

该气体借助分流器16（参见图3）转向。分流器16同时防止污物经过流出口10回流。

分流器16及其所述的在使热气体转向和分配以及避免燃烧产物进入方面的作用有利于希望的紧凑结构方式的实现。分流器可在无复杂措施的情况下允许气体回流，尽管消电离室的排出口和电极中的空隙6之间的行程较短。此外，分流器确保了足够的冷却和最终电离，因此不会出现复燃并且支持了续流电弧的移动。

在相应的图示中，在火花隙的有效区域中示意示出消电离室8和角形电极1和2的位置。

贯通部15设置用于铆接零件。

图4示出角形火花隙根据本发明的实施方式的横截面图。

消电离室8在流出区域中除横向板条25外还具有连续的纵向板条24。该纵向板条用于双侧确保流体动力学，以便使回流不仅在一侧进行。由此能够均匀地冷却气体并且更好地利用封装火花隙的热容量。但原则上也可想到单侧导流。

穿过消电离室8并强烈变热的气体在每一侧通过位于释压室26中的分流器16（参见图3）在通过电极1的空隙6直接被馈入消电离室8之前被划分。

同时分流器16如上所述防止燃烧产物直接馈入。由此避免复燃。

在进入区域中——在该区域中气体尚且相对冷——消电离室8侧面的流出通道14直接向下向分流器方向向流动循环中排气。由此产生流动阻力较小的短流动行程。

消电离室8侧面的流出通道13通过单独的通道27向上向消电离室的流出区域方向排气。因此热气体在较长的流动行程上更大程度地被冷却。消电离室的排气口、即开口12、13和14可存在于每单个具有V形区段的消电离片之间或者错开地实现在一侧的每隔一个片上。可根据给定的空间条件和希望的功率参数有针对性地调整消电离室的排气口。

在火花隙经过大量加载后而老化的情况下，特性的改变可通过光学指示器或故障报告来表现。

在上述火花隙中，由于结构尺寸小，所以有利于尽可能简单且低成本地监测火花隙的状态。表示火花隙即将过载的特征参数通常是电极1或2上电弧触发区域中的温度、电极2上电弧回跳位置B上的温度或消电离室上的温度。为了温度监测，可在相应的区域内形锁合地安放温度敏感材料、例如焊剂成型件或蜡制件，其借助弹簧预张紧被加载压力或剪切作用。作为替换方案，所述温度敏感材料也可定位在电极1或2热耦合良好的接头部件上。因此焊剂成型件可直接与供给线7接触，该供给线又与电极1直接连接。

当达到成型件相应的极限温度时，在变形例如压缩或扩张、熔化或切断之后，操作或释放机械显示元件。各个部件的加热需要一定的时间、即基于给定的导热率或现有的热容量。为了检测尤其因脉冲电流引起的迅速的动态过程，压力或者说力的监测可用于指示器。

适合于此的是行进区域中的电弧压力、灭弧室区域中尤其是气体转向区域上方的动压头和气体释压室中的气压。在实践中，相应室的外侧绝缘材料板可用作用于压力测量的膜片。同样也可在所述区域中安装机械规定断裂位置，其从一定的压头起操作指示器或者同时在过载时用于释压，以便形成断裂保护。

附图标记列表

1   长电极

2   短电极

3   印刷电路板

4   触发位置

5   触发区域

6   电极1和2中的空隙

7   连接至长电极1的连接导线

8   消电离室

9   电极区域中的流出口

10  短电极内的流出口

11  电弧行进区域

12  消电离室的后面的流出口

13  消电离室的侧面的流出口

14  进入区域中的流出口

15  贯通部

16  分流器

20  内侧硫化纤维板

21  铁磁材料

22  注塑件

23  外侧硫化纤维板

24  横向板条

25  纵向板条

26  释压区域

27  消电离室绝缘区域中的空隙

Claims (11)

1.具有非排气结构形式的消电离室的角形火花隙，所述角形火花隙包括多件式的绝缘材料壳体作为支撑和接纳体，所述支撑和接纳体用于角形电极和消电离室以及由电弧引起的气流的引导构件，绝缘材料壳体在由角形电极构成的平面内被剖分并且构成第一以及第二半壳；

其特征在于：

角形电极具有不对称形状，包括一个长电极和一个短电极，在触发区域中，两个电极几乎平行或以微小发散延伸，电极之间的电弧行进区域向消电离室方向通过板状的绝缘材料限定，该板状的绝缘材料分别形锁合地嵌入相应半壳的第一成型部中，此外，各第一成型部接纳电弧行进区域的铁磁嵌件，所述板状的绝缘材料使相应的嵌件与电极电隔离；

两个半壳具有另外的第二成型部，这些第二成型部形锁合地接纳可嵌入的消电离室部件，在各半壳中在第一和第二成型部之间设置通孔或开口，并且短电极终止于消电离室部件前方，以致气流仅部分进入消电离室。

2.根据权利要求1的角形火花隙，其特征在于：角形火花隙具有夹层式结构，并且两个半壳通过螺丝或铆钉力锁合连接。

3.根据权利要求1或2的角形火花隙，其特征在于：两个半壳的背离电极的外侧至少在通孔或开口的区域中分别具有第三成型部，这些第三成型部形锁合地接纳外侧绝缘材料板。

4.根据权利要求3的角形火花隙，其特征在于：所述第三成型部具有用于划分气流的板条或分流器，并且由第三成型部和外侧绝缘材料板构成的区段形成气体释压室。

5.根据权利要求4的角形火花隙，其特征在于：所述气体释压室具有用于将气体导回燃弧室的缝槽状的通过间隙，为了通过气流辅助推动电弧，两个电极在触发区域上方具有开口或缩回部。

6.根据上述权利要求之一的角形火花隙，其特征在于：连接至长电极的电流引线在尽可能大的区段上反向平行地被导向。

7.根据上述权利要求之一的角形火花隙，其特征在于：短电极具有高阻抗。

8.根据上述权利要求之一的角形火花隙，其特征在于：触发或引弧通过具有导体区段的柔性印刷电路板进行，该印刷电路板设置在电极之间的触发区域中。

9.根据上述权利要求之一的角形火花隙，其特征在于：故障状态指示器具有在温度过高时熔化的或者变得形状不稳定的成型件，该成型件处于弹簧力预张紧下。

10.根据权利要求3至9之一的角形火花隙，其特征在于：在压力加载时变形的外侧绝缘材料板与用于检测异常运行状态的传感装置作用连接。

11.根据上述权利要求之一的角形火花隙，其特征在于：所述角形火花隙构成具有用于电极的外部连接端子的通用模块，该模块能根据客户需要集成到插拔件或外部壳体中。

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