CN103181041B - 具有多个串联连接的处于层叠式装置中的单火花隙的火花隙 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火花隙，其具有多个串联连接的处于层叠式装置中的单火花隙，各单火花隙通过绝缘材料片（14）彼此隔开且设有弹簧接触导通件（13），各单火花隙具有环状或片状的电极（12），并且该火花隙还具有控制元件（11）以对层叠式装置上的电压分布产生影响。根据本发明，分别为了构成各单火花隙之一所需的环状或片状电极（12）分别各装入一个绝缘体（19）中并且由绝缘体保持定心。各绝缘材料片（14）位于绝缘体（19）之间并且由所述各绝缘体所固定。为了容纳和定心电极（12），在绝缘体（19）中设有凹陷部，其形状与相应电极（12）的轮廓互补，所述凹陷部在其内周边侧具有至少部分有柔性的弹性的定心凸出部（10）或定心鼻。

Description

具有多个串联连接的处于层叠式装置中的单火花隙的火花隙

技术领域

本发明涉及一种火花隙，其具有多个串联连接的处于层叠式装置中的单火花隙，这些单火花隙通过绝缘材料片彼此隔开且设有弹簧接触导通件，所述单火花隙具有环状或片状的电极，该火花隙还具有控制元件以对层叠式装置上的电压分布产生影响。

背景技术

在已知的直流电应用中，必须通过将电弧所需电压升高到大于可用电源电压的值，才能迫使电弧电流趋零(直流电熄灭原理)。依照公知的电弧方程，可以得出不同的起点用以升高所涉及电弧的电压，按所述方程，总电弧电压由阳极/阴极电压降的累加以及由电弧长度和电弧场强的乘积得出。

一种尤其有效的方案是，将多个分电弧串联连接，并借此得出阳极/阴极电压降的累加。多个火花隙串联的物理学原理已极长期地使用于中压放电器。在DE395286中描述有一种放电器，其由两个或更多个彼此接触的呈片状的电阻体组成。每个电阻体具有一个或多个肋片或显著高于片常规质量的比电阻的升高。所述肋片的高度以及由此所产生的单个电极之间的间距处于0.02mm至大约0.4mm之间。各片之间仅存在有少数接触点，所述接触点引入火花过渡并允许在片的整个表面上迅速展开的火花放电。

由具有升高的比电阻的材料制成的肋片，在制造电极片的过程中同时得以制造(如通过氧化)。该制造方法在保持必要公差的情况下是成本极高的。此外，所述放电器不具有控制单元，以至于响应电压和剩余电压作为分火花隙的单值总和得出，同时也无法满足对于最小剩余电压的预期要求。

至今已知的层叠式装置不具有通过单个的分火花隙进行电压控制的辅助设备，经常发生电压过载和/或发生“最弱”元件的非预期的响应，并由此出现单个器件或整个放电器的迅速失效。

为了可以避免上述的失效现象，以后在这种层叠式装置上并联连接有附加元件，以使各单个的分火花隙上的电压分布变得均匀，并借此所述放电器在其响应状态方面加以优化。例如在WO1982/00926中描述一种带有控制元件的装置。作为现有技术，在此可以考虑线性的、非线性的和/或电容式的电阻的串联连接，以实现各单个的分火花隙上的尽可能均匀的电压分布，各分火花隙彼此串联连接。

替代各分火花隙上均匀的电压分布，根据DE737825提出一种用于高压装置的多重保护火花隙，作为防止过压的基本保护，其特征在于，为了获得同样的冲击特性的强烈弯曲的曲线，设置有一个辅助火花隙以及一个与之串联的阻抗(电容，电压相关或电压无关的电阻)，其与保护火花隙的火花放电隙中的至少一个并联连接并且这样来控制并联的火花放电隙上的电压分布，即至少在一个同样的火花放电隙上产生比分配给其的电压份额更高的电压值。该保护火花隙划分为许多的火花放电隙，使得在保护火花隙响应过程中流经火花隙的工频电流自行熄灭。

由CH252433A，CH210132A，DE2364034C3以及CH215001A已知其他借助电容或阻抗的控制可能性。

在借助低压装置中所使用的控制元件的条件下应用已知层叠原理中，必须鉴于闪电冲击电流耐受能力、保护电平以及结构尺寸来注意补充要求。在应用于低压装置的情况下，单个元件的绝缘配合必须彼此相互注意，使得比中电压装置或高压装置中明显更小的保护电平在此是必需的。通过在低压装置中所同样要求的10/350us脉冲形式的闪电冲击电流耐受能力，必须这样设计放电器，即所出现的大的比能量可以得到安全的导出。这里，电极上没有安装肋片作为隔片，所述肋片由具有比电极材料更高比电阻的材料构成，而是如例如DE1256306B或US2298114中所描述的，使了由片状电极和绝缘间隔块所组成的层叠式装置。

这样的层叠式装置由具有绝缘环的片状电极的序列组成，所述绝缘环在通常由石墨构成的电极上具有径向凸起部。整个层叠体借助多个导向杆在轴向上通过螺纹连接得以张紧。该导向元件或支架负责石墨片以及各绝缘环彼此间的径向定位，从而尽可能地产生可再现的用于外部火花放电隙的凸起部。这里，该引导元件这样设计，即对所有片状电极或环的径向公差加以注意，并且通过层叠体的轴向张紧使得对单个部件的引导不会导致压力链的中断，也不会导致形成间隙或者单个部件由于螺纹连接而受损。有缺陷的张紧除了会导致形成间隙(因此由额外火花放电隙而产生的保护电平的升高是不可避免的)以外，还会导致电极的断裂或导致绝缘凸起部的弯曲或缩短。由于不可避免的径向和轴向公差，尤其是在单个部件数量增加的情况下，这种方式的定位会导致在对各元件进行所期望的彼此精确定位的过程中出现显著的问题。这同样涉及对绝缘元件与电极之间所需的凸起部的精确保持。而这样的沿径向轴的偏移即使是在新状态下也是很难避免的，这是因为螺纹连接所产生的压力轴只能作用于整个层叠体的总和之上。因此可实现的分火花隙的数量在至今已知的实施方式中非常有限。

此外注意到，根据其基本功能(导出脉冲电流)，放电器的所有部件都遭受到升高的机械载荷和热载荷，故起先可逆而之后不可逆的层叠体松动以及由于压力波而产生的单部件的偏移是不可避免的，所述压力波取决于载荷的大小和数目。由于至今已知的有续流的实施方案，所述缺陷被进一步放大，由此会为装置带来更高的热载荷和机械载荷。

除了偏移以外，还会由于燃尽产物而在外部区域产生绝缘元件的(尤其是径向凸起部的)不受控制的污染。尤其是层叠体的绝缘元件会由于该热载荷而受损。通常所使用的由PTFE构成的绝缘环尤其会在这种热载荷和/或压力的情况下趋向于流动，该压力由于层叠的张紧而产生。由于材料属性，层叠体的压紧同样会产生松动，由此各单个元件之间就已产生间隙，同时由于单个元件的不受控制的尤其是径向的偏移，还会出现进一步的松动。

此外，由于机械载荷和热载荷，还可能在绝缘环上出现裂纹或完全贯穿的裂缝。这可能导致层叠式装置的外部绝缘区域中的离子化气体的排放，或甚至会由于绝缘环的挤压而导致单个绝缘隙的消失，并由此导致单个的分火花隙的短路。同时，在绝缘隙由其他材料(如陶瓷)构成的情况下，会由于已出现的源于动态载荷的挤压而产生断裂危险，由此可能最终出现类似失效。

由于标准化的串联安装壳体内部的位置关系以及由于所述层叠式装置的类型，故至今已知的放电器的垂直和水平凸起部终归很小。在电压上升速度极快的情况下，例如在跟随闪电的情况下或在开关过程中，可能会在所述具有很小凸起部的装置中产生外部火花放电。在至今的解决方案中，由于上文已述且不受控制的偏移和/或污染的影响，即使是在电压上升速度很小的情况下，也可能在层叠体的绝缘隙出现局部或整体的外部火花放电。

至今在现有技术中已知的控制电路板通过夹紧接触而固定在石墨片上。在此情况下，由于各部件的偏移、由于老化且部分也由于燃尽，所述接触上也会产生松动或者甚至会产生间隙，由此在与控制电路板的过渡处会无法避免地产生火花。在至今的装置中，不可避免的火花除了其他影响以外，还会附加地使层叠体的紧邻的外部绝缘区域被离子化，由此上述的关键外部火花放电被附加地促进或是被直接点燃。

然而火花的产生不仅会导致层叠体的外部火花放电，而且还会导致印刷电路板上的火花放电，该印刷电路板对火花放电而言总归是关键的，且控制元件安装在该印刷电路板。在这种装置中，已知印刷电路板上的各单个控制元件和间距在各单火花隙之间不具有放电器的所有剩余电压所需要的耐压强度，即整个放电器上所能产生的最大电压。倘若出现更高的电压上升速度、单分火花隙的点火延迟、单个绝缘隙或部件损坏，则单个部件的不充足的耐压强度会被迅速超过。这会导致整个放电器的过载。

由CN101090197A已知一种用于低压的单电极的层叠式装置，其具有电指示器和外部控制器或点火辅助设备，其中在所述控制器或点火辅助设备的电流路径中设置有至少一个保险装置或保险丝。提出了用于相应所需且等大的控制电容的计算公式。

此外，这里还对控制器或点火辅助设备的电流以及控制器或点火辅助设备区域内的温度进行监测。然而根据此实施形式，所涉及部件的热耦合不充分，因此只能对火花隙的热状态进行有限评估。

除此以外，所述电指示器还需要独立的电源，这些附加的部件损害控制器或点火辅助设备的功能并且自身必须是耐电压的。尽管各接触导通类型的实施方式各不相同，但都无法可靠地保证无火花的控制，并且始终需要集成一个易受误差影响的电路板。

在EP0905840B1中提出了一种具有欧姆式、线性或非线性电阻布置的多重火花隙，根据这种布置，第一火花隙这样构成，其阳极和阴极这样隔开，使得实现例如最大4kV的相对“低的”响应电压。由电阻组成的链在接通方向上具有优选为对数地减小的电阻值。此处，通过接触弹簧也实现了电极上的接触导通，所述电极优选为由圆柱形或长方体形的锐边的元件构成。为了对单个元件进行定位，控制元件的这种布置始终需要外部电路板，该电路板具有自由安置的接触弹簧。由于这种并非始终无火花的接触导通，放电器的所有其他分火花隙也会受到损害，并且控制元件必须具有足够的耐压强度。此外，为了能够实现适当的定心并由此保持所需的空气隙和漏电隙，还需要高成本的构造以及易受误差影响的制造。

根据DE10114592A1也提出了用于设计控制电容器的计算公式。在此描述了具有闪电电流耐受能力的火花隙，其具有多个串联连接的火花隙，它们与阻抗(尤其是与电容器)相连接，以便各分火花隙依次接通。这里，所使用的各阻抗的尺寸相同。可选地，压敏电阻器可以与各单分火花隙并联设置，以便在负的闪电续流的情况下也能保持保护电平。对工频续流进行引导和熄灭作为放电器重要的基本功能被介绍。为了实现所述的实施方案，使用安置在电路板上的不充分接触导通的控制元件。

已知放电器的结构缺陷以及不受控制的老化对于放电器的普通的且在标准测试中意义重大的响应电压影响极小。然而在实践中对于设备保护意义重大的放电器剩余电压几乎是不可控制的，因此无法排除装置危险。除了该缺陷以外，已知放电器设计中响应电压与剩余电压之间的比例也十分不利，并且随着分火花隙数量的增加而不断恶化。

至今经常使用于直流电应用的基于角原理或熄灭管原理的火花隙有这样的缺陷，即由于技术条件所限，冲击电流载荷始终伴随有工频续流。由于根据上述直流电熄灭原理该电流趋零，所以从构造上来讲该电流是无法避免的，而只能是从时间上对其加以限制，尽管如此，火花隙的所有部件在该时间段内都会同时承受热载荷和机械载荷，并且这会导致放电器不可避免的老化。为了在预设使用寿命上实现尽可能耐老化的特性，这种闪电电流放电器的设计必须注意各种载荷以及由此产生的老化和例如所使用绝缘元件的烧损。

在已知的以有续流方式实施的产品中，必须对作为分隔隙材料的例如高成本的PTFE的流动特性加以注意。因为该材料在热作用下会发生塑性变形，例如由于流动的续流以及由于层叠结构的螺纹连接而始终存在的压力，并且各单个的分隔隙可能因此短路。由于可能设有的保护装置的不充分热耦合，这样的损害无法被探测和被指示出来，从而在再次加载时导致分隔隙材料的焊接边缘发生撕裂，并使得在两个电极之间不再存在所定义的且尽可能无间隙的过渡处，并且无法避免保护电平的非预期的升高。

发明内容

因此由上述背景出发，本发明的目的在于，提供一种进一步发展的火花隙，其具有多个串联连接的处于层叠式装置中的单火花隙，各单火花隙通过绝缘材料片彼此间隔，所述火花隙的优点在于结构简单且能够防止误差，同时装配可靠，此外还避免上述缺陷。该火花隙应以无续流的实施方式实现并由具有耐电压的且彼此电绝缘的控制阻抗来控制。根据本发明的火花隙应在保证在老化条件下自身功能的同时，还应在高电压陡度的情况下将各分火花隙的外部火花放电形成的连锁反应的可能性最小化。

本发明的目的的解决方案在于一种火花隙，其具有多个串联连接的处于层叠式装置中的单火花隙，各单火花隙通过绝缘材料片.彼此隔开且设有弹簧接触导通件，这些单火花隙具有环状或片状的电极.；并且火花隙还具有控制元件.，用于对层叠式装置上的电压分布产生影响，各环状或片状的电极分别对于构成各单火花隙之一是需要的，各环状或片状的电极分别装入一个绝缘体.中并且由该绝缘体保持定心，各绝缘材料片位于绝缘体之间并且由绝缘体固定，并且为了容纳和定心电极，在所述绝缘体中设有凹陷部，该凹陷部的形状与各自的电极的轮廓是互补的，所述凹陷部在其内周边侧具有至少部分有柔性的弹性的定心凸出部或定心鼻。

此处应注意，各单火花隙各由两个片状电极构成，这两个片状电极通过一个绝缘材料片彼此隔开。所述片状电极引导在一个绝缘体中并且各自在该绝缘体内部通过弹簧接触导通件与集成的控制元件相连接。由此得出，串联连接的各单个分火花隙分别由两个具有一个集成的片状电极的绝缘材料元件构成，并且通过一个例如由硫化纤维构成的绝缘材料片彼此隔开。分别安置在两个片状电极或两个绝缘材料元件之间的绝缘材料片通过其圆形凹陷部一方面构成了相应的分火花隙所需的间距或火花放电隙，另一方面还在边缘区域构成了充分的凸起部，以避免非预期的外部火花放电。

绝缘材料元件各包含一个片状电极和用于与控制元件相接触导通的弹簧元件。通过这些弹簧元件，所述控制元件分别与片状电极和引导元件相连接，并且优选为全面地由所述绝缘材料元件包围。这可以例如通过插入袋或根据下述的实施例通过薄膜铰链得以实现。绝缘材料元件中所包围的控制元件的一定程度上的集成以及各接触连接的彼此隔绝起到了降低非预期的外部火花放电的危险的作用。

根据本发明的优选为可用于直流电应用的火花隙基于已知的单电极的层叠式装置，这些单电极具有借助于阻抗的外部电位控制。分隔隙的数量这样来选择，即在所允许的最大运转电压值之内使得响应过程中的火花隙状态基本上是无续流的。该火花隙的设计是简单且造价低廉的，并且可以模块化地适用于低压水平。根据本发明可以实现剩余电压最小化以及装配工艺简化的目标。

分火花隙的所需的功能元件(例如具有控制元件和分隔隙的石墨片)设计为单模块，并且不承受由功能所决定的载荷(例如压力、炭烟等)，从而使整个火花隙获得老化稳定性和高质量。

根据本发明，用于构成各单火花隙所必需的环状或圆形电极分别装入一个绝缘体中并且由该绝缘体保持定心，各绝缘材料片位于绝缘体之间并且由它们固定。为了容纳和定心所述电极，在绝缘体中设有凹陷部，其形状与相应电极的轮廓是互补的，该凹陷部在其内周边侧具有至少部分有柔性的弹性的定心凸出部或定心鼻。通过对控制元件的分配和对单个片状电极适当的定心以及通过位于它们至今的绝缘材料片，可以避免各功能相关的单个元件的彼此偏移。由此可以实现单个的分火花隙元件的可靠压力接触导通并借此实现整个放电器功能的可靠压力接触导通。

所述定心凸出部或定心鼻可以在绝缘体的制造过程中例如通过压铸技术进行一体成型和构成。

各绝缘体分别具有径向的隆起或相应的成型部，该隆起或成型部容纳至少一个接触弹簧，该接触弹簧用于相应电极的尤其在边缘侧的接触导通。这里该接触弹簧至少部分地伸进凹陷部之中，以确保电极的所预期的接触导通。

各绝缘体尤其在所述径向隆起的区域内具有薄膜铰链，该薄膜铰链能够从打开位置向闭合位置运动。

所述薄膜铰链具有至少一个开孔或开口，以便容纳至少一个相应的控制元件。

所述开孔或开口可以具有不同的几何外形，用于不同的防止混淆的控制元件。

所述至少一个控制元件通过所述至少一个接触弹簧电连接。热或机械层面上易受影响的焊接在前述情况下可以省去。

在绝缘体的径向隆起上，与接触弹簧相隔开，设置有用于另外的弹簧式接触元件的容纳部，其中接触弹簧的远离电极的端部与第二接触元件之间的间距和位置与各控制元件的接头的位置相对应。

这里，所述第二接触元件可以延伸进一个空隙空间之内，该空隙空间容纳了将层叠式装置连接起来的元件之一，例如铆钉或螺钉。由此以简单的方式提供了层叠式装置串联连接的相应接触导通和构成。

根据本发明，通过借助定心鼻或定心凸出部的定心，在相应的电极与相应的绝缘体之间提供环绕的空气隙。该空气隙起到压力平衡空间的作用，并且构成了用于所期望无干扰性炭烟的区域。如有需要，可以在该构造中集成额外的通风通道。

此外在层叠体中在绝缘体的上侧和下侧分别构成、尤其是一体成型互补的位置固定的凸出部和/或凹陷部。

所述绝缘材料片具有指向相应电极的开口，用以构成间隔隙或分隔隙。同样所需的外部绝缘隙通过在边缘区域中相对于片状电极的充足重叠而得以确保。

此外在一种实施形式中绝缘材料片具有一个带调节凹陷部的扩展部段，该调节凹陷部也用于确保层叠复合体中的位置固定。

在一种优选的实施例中，各绝缘材料片各自具有约≤300μm的厚度，并且例如由硫化纤维材料构成。

至少绝缘体的部件或部段由导热塑料材料构成，由此可以将在火花放电情况下所产生的热能安全且迅速地向外导出。

控制元件的耐压强度应选择为大于或等于最大产生的保护电平。

至少一些控制元件的阻抗为层叠式装置的纵向电容的5～10倍。

绝缘体至少可以部分地用色彩加以编码，从而在涉及其在层叠式装置安置和串联布置中避免混淆。

在本发明的一种方案中，设置有例如构成为焊接分离点的热敏过载指示器。

单火花隙的响应电压小于1500V。前述环绕的定心鼻或定心凸出部在层叠体的压力载荷的情况下起到平衡的作用，所述定心鼻或定心凸出部在其特性方面构成弹簧元件。在另一方案中，可以将控制元件及其接触作为用于压铸工艺的插接部件加以实施。

单个控制元件的阻抗值可以按照具体的机械构造和/或参考所使用的材料来设计。如上所述，控制元件的阻抗值为装置的纵向电容的5～10倍，其中，最后一个分火花隙的阻抗值平均地再次为其余控制元件中的阻抗值的5～10倍。根据本发明的解决方案，所获得的剩余电压与响应冲击电压之间的比例小于2.5。

在一种优选的实施形式中，针对与外部接头的接触导通使用所谓的Tox咬合技术，即咬口连接，并且在必要的情况下与公差补偿表面相结合。

附图说明

下面根据实施例并借助附图详细说明本发明。附图如下：

图1示出了根据现有技术的层叠式火花隙装置的原理示意图；

图2a及图2b示出了根据本发明的绝缘体的示意图，所示绝缘体具有分别处于打开状态的薄膜铰链(图2a)和闭合状态且尚未置入有电极的薄膜铰链(图2b)；

图3示出了火花隙-过压放电器-插接部件的示意图，该插接部件尚不具有完全完整的绝缘体层叠式装置，这些绝缘体具有相应的电极和绝缘材料片以及示意表示的连接元件；以及

图4示出了具有外部连接件的完整的层叠式火花隙的示意图，所示外部连接件包括插接接触面并且在各外部接触件之一上包括公差补偿表面。

具体实施方式

为了消除现有技术缺陷，根据本发明提出了一种耐老化的闪电电流放电器，其以无续流的方式实施且同时具有低响应电压和剩余电压。各分火花隙的功能元件(如石墨片)、控制元件和分隔隙设计为单模块且与其他的载荷例如压力和炭烟相分离并因此不会就此受到损害。

无续流的实施方式基于具有附加控制元件的各分火花隙的串联连接。由此可以获得在其中不会产生续流流动的放电器，即便是存在冲击电流载荷的情况下也是如此，这是由于火花隙的现有的反向电压始终高于施加的电源电压。

通过根据本发明的放电器的无续流实施方式获得多种优点。所有主要的元件不会长时间承受续流形式的载荷并因此不会不必要地承受热和/或机械载荷。通过对续流的避免，放电器内部的各主要功能部件能够相应地适应于闪电电流耐受能力和保护电平并得以相应设计。

通过对串联连接的分火花隙的数量的相应确定来实现一种无续流的实施形式。这里，单个的分火花隙优选为由两个片状电极和一个间隔元件构成，例如以环状由高电阻或绝缘材料构成。

通过无续流的实施方式以及由此各单个部件的热和/或机械负载的减小，可以任意选择用于各分隔隙的材料或厚度。通过对续流的避免，可以尤其避免边缘区域内分隔隙材料的受热变形或损害，这是因为续流电弧通常在边缘区域中优选构成为收缩电弧。

在简单的方式中，所使用的电极没有附加的外部绝缘，其中分隔隙材料的凸起部要选择得足够大，以避免单个的分火花隙和/或整个串联电路的火花放电。

根据本发明的重要方面，可以为电极套上无间隙安装的外部绝缘(例如由环氧树脂，工程用玻璃或漆构成)，从而可以减少放电器内部所需的滑动隙和空气隙。

为了遵从对于尽可能减小整个装置响应电压和剩余电压的标准需求和期望，应这样设计各单分火花隙，即脉冲响应电压小于1500V。为了能够实现这样的低值，将最小化各分火花隙的两个电极之间的间距。通过根据本发明的无续流的实施方式，放电器并因此各单个电极片主要被施加以脉冲电流载荷。

这样的脉冲电流电弧通常是扩散的并且具有多个电弧根点，从而在电极表面上不会出现如续流电弧情况下那样的点状的过载。通过发散的电弧可以避免优选使用的石墨电极发生升华，并且能够在不损害放电器整体状态的情况下使用更小的分隔隙厚度。由此表明，小于300μm的电极间距是尤其适合的。

根据现有技术的解决方案，如图1中示意所示，电极4和绝缘的分隔隙3通过由绝缘材料制成的外部引导元件5彼此位置固定。这要求公差极小的复杂结构，因此装配也更加困难。

电极4与由绝缘材料制成的外部引导元件直接接触，由此引导元件或整个绝缘的支架以及由此不可避免的滑动隙都直接遭受炭烟。

这种已知的放电器可以集成在串联安置壳体中，所述壳体通常由下方部件1和可插接的上方部件2构成。

前述现有技术中的炭烟和/或热载荷受到所出现的续流促进，由此尤其要在大电压陡度的情况下或由于老化现象的出现而备选使用滑动隙或火花放电隙，从而导致只能有限地使用原本所期望的放电器功能。

层叠式装置的各单个元件通过外部引导元件整体彼此保持并且具有单独的控制电路板6，所述控制电路板具有很大的误差电位。由于功能所决定的压力载荷(例如在闪电脉冲电流期间)，在此构造下无法确保各元件彼此之间的和/或与各控制元件的精确定位。根据现有技术，脉冲载荷在片状电极4和绝缘环3强烈张紧且几乎完全密封的情况下在放电器工作时会导致不必要的高压力载荷。其次，未加控制地吹出电弧燃尽所产生的残渣，会导致绝缘环的直接的且通常覆盖整个表面的炭烟，由此使得本已很低的火花放电可靠性进一步降低。

此外，由于载荷情况下层叠体的一定程度上的吸气，离子化的气体或等离子体未加控制地进入尤其易遭火花放电危险的外部区域。为了即使在高压力载荷的情况下也尽可能频繁地将当前的构造重置回原始状态以及为了延缓现有螺纹连接的不可逆的松脱，需要相对刚性和占空间的构造以紧固螺钉。这导致了对空间需求的提高。由于此种构造下不可避免的张紧，外部连接电极需要一定的厚度，该厚度应显著大于引导元件非张紧情况下仅对脉冲电流进行控制而所需要的厚度。同样，这也会导致对于空间需求的提高以及对于材料消耗的增大。由于上文所述的有缺陷的构造，所以对于分隔隙材料以及其厚度的选择受到极大限制，由此使得已知壳体内部可用于串联安装设备的空间进一步减小。

目前所使用的螺纹连接具有螺旋方向7，其用于将整个层叠体保持在一定的预紧之下。由于电弧的原因，所述螺旋方向7与压力方向7是相同的。由于相同的方向指向，螺纹连接的松脱取决于载荷的数量几乎是不可避免的。

由于层叠方向上压力轴线的作用，层叠体的扩张以及为实现稳定支撑结构所需的尺寸明显限制了根据现有技术的火花隙作为插接模块而得以实施可能性，这是由于所需的插接力在多次载荷情况下由于构造的扩展而增大，或是由于需要考虑到必然会出现的公差补偿，在根据本发明的解决方案中不是这种情况。

通过用于各自控制元件的由弹簧材料构成的接触导通元件8的使用，各单个电极4可能由于现有技术无法避免的松脱而彼此和/或关于间隔环产生偏移，从而无法始终保证充足的间距并且会出现外部火花放电的危险，该间隔环借助相同的引导元件得以保持。

根据本发明的实施例，分隔隙或间隔环与各单分火花隙的电极彼此可靠地相互隔开、绝缘并分别得以定心。

根据图2a和图2b所示的示意图，所述定心通过绝缘元件或绝缘体19的使用而得以确保，所述绝缘元件或绝缘体具有用于每一单个电极12的薄膜铰链9。

在绝缘体19的凹陷部中，设置有环形的定心鼻，例如构成为弹簧元件10，它们对各单个的电极12进行定位。

位于每个绝缘体19上的薄膜铰链9具有容纳控制元件11的开口，该控制元件例如作为表面可安装部件实施。在优选实施例中，放弃了用于固定所需控制元件的单独的电路板，以排除与此相关的误差电位，所述控制元件例如是阻抗、变阻二极管等。

优选地作为控制元件11使用的陶瓷部件可以各自直接集成到薄膜铰链9中。接触弹簧13使用于薄膜铰链9中并且得以保持可靠的定位和绝缘，所述接触弹簧用于控制元件11与各单个电极12的可靠接触导通，同时也需用于基准电位。

通过绝缘体19内侧上的环形弹簧元件10，各电极12与各自的接触弹簧13以及所属的控制元件11相压紧，由此可以确保无火花的接触导通并且无需易受影响的焊接。

借助通过环形的柔性的弹性的尤其是弹簧元件10的接触导通，也提供了部分弹性状态，以可靠地保护陶瓷控制元件11不受可能出现的张紧的影响并且平衡压力载荷。

通过对具有薄膜铰链9的绝缘体19的使用，可以实现尤为良好的重叠关系以避免滑动火花放电，并且根据图3所示的示意图实现对于各单个电极的定心的改进。

彼此接连的两个电极12之间所需的间隔以及由此的电绝缘，通过板状或片状的间隔元件或分隔隙(附图标记14)来确保，各电极分别在单独的绝缘体19中定心。相应的绝缘材料片14具有指向各自电极12的开口以构成间距或分隔隙。此外，该绝缘材料片可以具有带有调节凹陷的扩展部段，以容纳调节元件，例如铆钉或螺钉15。

即使在无法避免压力载荷的情况下(由此会导致层叠式装置在一定程度上吸气)，例如由于闪电电流所致，也可获得电极12和绝缘材料片14的弹性的且自行定心的配置，以及获得向各自控制元件的配属，并且由此在保证低保护电平不变的前提下获得完好的放电器功能。

绝缘体19上可能的炭烟仅有可能在内侧边缘部分地出现，电极12借助弹簧元件10与该内侧边缘直接接触。然而，在优选使用石墨作为电极材料的情况下，所述炭烟在该位置不会构成问题并且不会导致非预期的外部火花放电，并由此不会对放电器功能产生损害。

通过各单个电极借助尤其是模制的定心鼻或弹簧元件10的定心，构成了几近环形的空气隙，该空气隙能够额外可能地吸收炭烟微粒，而不会在绝缘体的内侧边缘或外侧边缘上产生完全的炭烟。

由于炭烟会泄漏到非关键的区域中，所以垂直的分隔隙和水平的分隔隙都不会直接熏到炭烟。

在由于功能所决定的载荷引起压力上升的情况下，所述环形的空气隙同样可以起到平衡空间的作用。如果需要，可以在层叠体的单个元件(例如电极和分隔隙)中集成额外的排气通道。

绝缘材料片14这样构成，即其为了临时调整层叠式装置而容纳上述所需的螺钉或铆钉作为引导元件15并且通过绝缘材料片内部相应的转向件而在纵向轴和横向轴上与其他有电位的元件形成充分的绝缘。与此相对应，由于相应的经集成的转向件以及在特别为此而设计的表面上得到控制的炭烟沉积，所以直接的滑动放电是不可能的。

通过绝缘材料片14所构成的分隔元件实现了所需的分隔隙并且实现了各彼此接连的电极12、所属的控制元件11以及所需的接触弹簧的可靠绝缘。这里优选使用制造工艺简单的冲压元件，例如由具有相应厚度的硫化纤维构成。

这种分隔隙材料在所需的≤300μm的低厚度情况下也是形状稳定的，并且在制造和安置过程中也具有良好的适用性。这种材料尤其在热载荷的情况下也是形状稳定的，并且仅具有极小的流动趋势。此外，硫化纤维在机械冲击作用和热冲击作用下是抗裂且抗断的，并且在所有轴上都对机械张力极其不敏感。

通过将控制元件11和接触弹簧13集成到绝缘体19的薄膜铰链9中，通过对绝缘体中的电极12中的单个石墨片的单独引导和定心，通过单独的设计以及通过绝缘材料片14相对于石墨片和绝缘体19的定位，可以实现机械张紧力，以用于在电极和分隔隙之间实现有利于功能性的无间隙状态，而在放电器工作过程中各部件的吸气不会导致单个元件的偏移、分隔隙的炭烟或其他损害。

根据本发明，压力载荷不会导致对连接、对单个元件以及对各部件相互间位置的损害。不可避免的炭烟排放物以及离子化气体的排放物同样不会导致在重要的部件或绝缘隙上出现非预期的火花放电。

通过本发明所提出的结构，即便是在任意多数量分火花隙的情况下也可以几乎完全排除对各部件产生损害的危险，所述结构既不依赖于轴向公差也不依赖于径向公差。根据本发明的构造克服了现有技术的设计缺陷，并且在保持相同外部结构空间的同时允许构建具有明显更多分火花隙(至少约30％)的层叠式火花隙。

由于由根据本发明的构造所实现的分火花隙数量的提高，火花隙的剩余电压同样会升高。为了对其加以避免，要利用该构造的几何电容和/或所使用材料之间的相互关系。在本发明实施形式中，借助优选使用的分隔隙材料，对所述装置的纵向电容进行计算，所述分隔隙材料取决于与单分火花隙相关的各自的厚度和构造。接着，使用至少比之前计算所得的纵向电容大5至10倍的电容值，作为用于整个串联电路上尽可能非线性的电压分布的控制元件。从第二个分火花隙到倒数第二个分火花隙都将使用具有计算所得电容值的等大的控制元件。

至少在层叠式装置的最后一个分火花隙上，属于其的控制电容重新以5至10倍的系数大于其余的控制电容，以便能在此处提供足够大的能量储存，从而使整个火花隙彻底点燃并且使剩余电压相比于具有等大控制元件的通常设计有所下降，从而使所需的保护电平始终得到可靠的保持。

所得出的纵向电容总是取决于所使用的分隔隙材料、该材料的厚度以及整体构造，以使得可优选使用的控制元件在构造变化的情况下能适合于各新的条件。

通过使用具有电压耐受性的元件，可以避免单个控制元件过载的危险，所述电压耐受性优选为至少等于整个放电器上产生的保护电平。

通过借助于控制元件的层叠式火花隙的这种布置，实现了整个放电器上所产生的最大剩余电压与标准求得的响应冲击电压的比值始终小于2.5。此外，对包括控制装置在内的火花隙进行设计，以使得10％以内分火花隙(包括或不包括控制装置)的失效在使用环境中对放电器的整体功能而言不再是决定性的。

如果出现不可预见的会导致单个元件或分隔隙产生过载的载荷，例如在技术规格范围以外的载荷，则通过所提出的层叠式装置的结构和/或控制元件的构成，在没有额外保护措施(例如浇注)的情况下，来有效地防止火花的扩散，即连锁反应以及由此引起的整体火花放电。

为了简单且替换可靠地装配放电器，将通过不同的色彩对所使用的具有薄膜铰链9的绝缘体材料体19进行编码并将它们预先制造为单个的部件组。

处于控制的所有电极通过色彩编码区分为奇数或偶数分火花隙。

各分火花隙中的被动实施的第一个被装入到单独的外部壳体中。

就其他用于偶数或奇数的具有等大控制元件的分火花隙的薄膜铰链而言，层叠式装置中的被控制为具有升高电容值的最后一个分火花隙再次通过另外的色彩编码和标明。额外地使用一个按另外的SMD结构尺寸的控制元件，该结构尺寸同样是替换可靠的。

例如通过色彩彼此编码的具有薄膜铰链9的绝缘体材料体19根据期望的电压以最简单方式与置于它们之间的绝缘材料片14相互层叠。

具有薄膜铰链9的绝缘体材料体19对优选的片状电极12进行定心，并且例如通过相应的引导鼻也对优选作为冲压元件制造的高欧姆或绝缘的间隔元件或分隔隙元件(绝缘材料片14)进行定心。

优选通过引导元件15对层叠式装置进行调节，其中如图4所示两个插接接触件16之一通过所谓的Tox连接，即一种咬合技术，与层叠体相接触导通。

一方面，各部件可以借助这种Tox连接在无需额外辅助设备的情况下实现连接。另一方面，在这种层叠构造下无法避免的公差可以由公差补偿表面20来吸收。

根据以上所述，可以在等效的结构中在无需变更或额外部件的情况下在结构尺寸之内任意选择分火花隙的数量，该结构尺寸根据外部壳体预先设定。对于可能使用的插接接触件的匹配是非必要的，这是因为公差不会受到相反的层叠方向的影响，而且即使在已老化状态下也始终具有良好的可插接性。

通过所述的公差补偿以及电极的定心，可以实现对分隔隙材料和/或分隔隙厚度和/或分隔隙数量的快速且成本低廉的变更，并且可以由此实现对于其他放电器要求的匹配。

原则上在整个放电器内部进一步彼此或相互偏移地沿电极周边安置控制元件是可行的。

通过将控制元件集成在绝缘薄膜铰链中以及通过由此所得的优点，可以获得额外的空间，从而即使在更高电压的情况下也能实现可插接的解决方案作为串联安装设备。

此外在一个实施形式中提出，在与片状电极12的直接热接触中构成一个温度相关的指示器。

在此，最高的温度形成在层叠式装置的中间，同时应考虑到与周边部件的热容量和热传导相关的相应情况。就此，在终端电极18的区域内定位有热敏元件17。

如果需要额外的热耗散，则绝缘材料体也可以由导热塑料或由陶瓷制成。可以使用焊料、蜡、或胶粘剂作为热敏材料来使用。如果外部电极达到一个超出运行范围的温度，则例如通过所述热敏材料的融化来释放一个预紧的指示器(未示出)。通过该指示器，可以直接或通过通信获得有关火花隙热过载的信息。

综上所述可以得出，为了在各分火花隙上确保可再现且耐老化的响应电压，在片状电极12与各自的绝缘材料片14之间存在无间隙的连接。这如此实现，即片状电极12具有至少与相应绝缘材料体19相同的厚度。由此可以确保，轴向压力载荷始终通过片状电极12和绝缘材料片14形成而不是通过绝缘材料体19形成。此外，片状电极在绝缘材料体中的夹紧连接既非轴向也非在径向位置中刚性地固定电极片。即使在绝缘材料元件中单个部件出现装配误差的情况下，这也能在完整装配整个层叠式装置后确保自动且功能可靠的部件对齐。由此可以获得有利的实施或构造，所述实施或构造基本上不取决于单个部件的始终给定的轴向公差并且保证了无间隙的接触导通，同时由此可以获得可再现、低且耐老化的响应电压，其中用于避免外部火花放电的措施可以同时得以实现。

这通过将层叠体化分成单个绝缘片和绝缘体的序列以及通过将各片状电极、控制元件以及该控制元件的接触导通件集成到绝缘体中来实现。整个层叠式装置的引导元件始终确保片状电极与绝缘片之间所需的压力连接，而无需取决于分火花隙的数量和各单个元件的公差。

所述具有径向定心功能的实施形式为绝缘片的外部凸起以及绝缘片的内部凹陷提供了相对于片状电极更好的可装配性以及更好的固定。由此实现了以低廉的成本使用电极材料和绝缘片。

Claims (18)

1.火花隙，其具有多个串联连接的处于层叠式装置中的单火花隙，各单火花隙通过绝缘材料片彼此隔开且设有弹簧接触导通件，这些单火花隙具有环状或片状的电极；并且火花隙还具有控制元件，用于对层叠式装置上的电压分布产生影响，其特征在于：各环状或片状的电极分别对于构成各单火花隙之一是需要的，各环状或片状的电极分别装入一个绝缘体中并且由该绝缘体保持定心，各绝缘材料片位于绝缘体之间并且由绝缘体固定，并且为了容纳和定心电极，在所述绝缘体中设有凹陷部，该凹陷部的形状与各自的电极的轮廓是互补的，所述凹陷部在其内周边侧具有至少部分有柔性的弹性的定心凸出部或定心鼻。

2.根据权利要求1所述的火花隙，其特征在于：各绝缘体分别具有径向隆起，所述径向隆起容纳至少一个接触弹簧，所述接触弹簧用于相应电极的接触导通，所述接触弹簧部分地伸入到所述凹陷部之中。

3.根据权利要求2所述的火花隙，其特征在于：所述接触弹簧用于相应电极的在边缘侧的接触导通。

4.根据权利要求2所述的火花隙，其特征在于：各绝缘体具有薄膜铰链，所述薄膜铰链能从打开位置向闭合位置移动，所述薄膜铰链具有至少一个开孔或开口，以便容纳至少一个所述控制元件。

5.根据权利要求4所述的火花隙，其特征在于：所述薄膜铰链处在所述径向隆起的区域内。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：各控制元件中的至少一个通过所述至少一个接触弹簧电连接。

7.根据权利要求6所述的火花隙，其特征在于：在所述径向隆起上，与所述接触弹簧相隔开，设置有用于另外的弹簧式接触元件的容纳部，所述接触弹簧的远离电极的端部与所述另外的接触元件之间的间距和位置与相应控制元件的接头的位置相对应。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：通过借助定心鼻或定心凸出部实现的定心，在相应电极与相应绝缘体之间提供环绕的空气隙。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：在层叠体中在所述绝缘体的上侧和下侧分别构成互补的位置固定的凸出部和/或凹陷部。

10.根据权利要求9所述的火花隙，其特征在于：所述凸出部和/或凹陷部一体成型在所述绝缘体的上侧和下侧上。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：所述绝缘材料片具有指向相应电极的开口，用于构成间隔隙或分隔隙。

12.根据权利要求11所述的火花隙，其特征在于：所述绝缘材料片具有带调节凹陷部的扩展部段。

13.根据权利要求1至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：所述绝缘材料片分别具有≤300μm的厚度。

14.根据权利要求1至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：至少所述绝缘体的部分由导热塑料材料构成。

15.根据权利要求1至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：所述控制元件的耐压强度大于或等于最大产生的保护电平。

16.根据权利要求1至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：至少一些控制元件的阻抗值为层叠式装置的纵向电容的5～10倍。

17.根据权利要求4或5所述的火花隙，其特征在于：所述绝缘体和/或所述薄膜铰链至少部分用色彩加以编码。

18.根据权利要求1至5中任一项所述的火花隙，其特征在于：设有热敏过载指示器。