CN103636085B - 产生触发电弧的元件 - Google Patents

Abstract

一种产生触发电弧的元件（109）安装在两个电极（103、104）之间，形成触发电路。元件（109）的两个端面（110、111）分别与两个电极（103、104）电接触，并且元件（109）由导电材料制成。元件（109）包括导电体（101）和绝缘体（102）。导电体（101）与两个电极（103、104）电接触。导电体（101）的指定区域形成起弧区域（105），并且两个电极（103、104）与起弧区域（105）一起构成起弧空间（112）。在施加过电压时，在起弧空间（112）中产生触发电弧。导电体（101）上除了与电极（103、104）接触的部分以及指定的起弧区域（105）以外的区域由绝缘体（102）填充封装。

Description

产生触发电弧的元件

技术领域

本发明涉及用于过电压保护的电器产品中的辅助电路，更具体地说，涉及适用于低压配电系统用的电涌保护器(SPD)中产生触发电弧的元件。

背景技术

随着技术的不断发展，科研人员不断对此开关型电涌保护器进行研究，并创造性地提出了“触发技术”这一辅助措施，该措施是通过增加第三电极(一般称触发电极)对原有的放电间隙施加影响，以利于形成泄放雷电流的通道，如此，既保证了电压保护水平具有较好的性能前提下，还使得承担泄放雷电流的两个电极之间距离足够大，避免工频续流的形成或难以熄灭。该技术的实施打破了“保护性能”与“工频续流遮断能力”不能同时提高的矛盾局面，为“开关型SPD”更好地为系统和设备提供保护提供了有力支持。

通过对“触发技术”的不断深入研究，形成了不同的辅助触发理念。

在现有的公知技术里，采用较多的是脉冲变压器——将原有的瞬时过电压幅值放大并施加在触发间隙两端以获得触发电弧，再利用该触发电弧影响泄放雷电流的主要通道的绝缘性并最终获得泄放雷电流的通道，完成防雷目的。

该技术的特征，是通过改变输入瞬时过电压的幅值，以此影响开关型SPD的工作特性。

这种技术的应用比较可靠，但缺点也显而易见，其一，在该技术中，“脉冲变压器”是核心元件，因此，实施该技术对“脉冲变压器”的特性稳定性要求较高；其二，考虑到工频电压、工作状态指示与自我安全保护需要的因素，还需要与其他电子元件(如电阻、电容、电感或保险丝等)进行组合方能应用到“开关型SPD”产品中，要集成这些元器件不但增加成本，而且还对产品体积有了较大的不利影响；其三，受“脉冲变压器”功率限制，导致弱的“触发电弧”对泄放雷电流的主要通道的绝缘性的影响效果也有所降低，这就限制了设定的电极距离仍然不能过大，或需要额外增加其他环节抵消这种不利因素。

另外，中国公开专利CN1674375A公开了过电压保护元件和过电压保护元件的触发元件，与采用“脉冲变压器”触发特征的区别在于，该触发措施是通过精确设置“间隙”特征，使其具备在较低电压下能获得电弧的，由于该元件是利用了微间隙及微间隙两端电极之间绝缘件的表面所形成的减弱绝缘区域实现在低电压下触发的条件，所以这种技术的特征缺点是，只要有一定的脉冲电压施加在减弱绝缘区域的两端电极上，就会形成“触发电弧”，如此带来的缺陷是，即使在能量很小的操作过电压下也易产生触发电弧，影响了触发间隙的使用寿命，甚至是不必要的引起“开关型SPD”为泄放雷电流而建立的通道，由于受到工频电源的破坏作用，以致影响了整个产品的使用寿命。

这种技术的实施还存在另一缺点，即弱绝缘区域的形成也需要经过复杂的工艺措施。

此外，中国公开专利CN1377108还公开了一种具有由多个火花间隙串联承载雷电流的火花间隙装置。该技术是通过“串联”的间隙在“触发技术”辅助作用下逐步放电并最终形成连贯的泄放雷电流“通道”，达到泄放雷电流的目的。这种“分布式(或电容网络)”触发技术，需要配合具有多个串联的火花间隙式结构进行使用，而串联的火花间隙的数量与产品所保护的系统电压成正向关系，因此缺点是对产品的体积要求较高。

发明内容

本发明的目的在于，从这种现有技术出发，提出一种能够解决上述结构缺点的新触发技术方案，设计出应用于“开关型SPD”的触发元件。

根据本发明的一实施例，提出一种产生触发电弧的元件，该元件安装在两个电极之间，形成触发电路，元件的两个端面分别与两个电极导电性接触，该元件由导电材料制作。

在一个实施例中，该元件包括导电体和绝缘体，导电体与两个电极导电性接触。导电体的指定区域形成起弧区域，两个电极与起弧区域共同构成起弧空间，在施加过电压下在起弧空间中产生触发电弧。

在一个实施例中，导电体上除了与电极接触的部分以及所指定的起弧区域外的其他区域由绝缘体结合和填充封装。导电体从电极接触的两个端面向中间部分具有逐步缩小或突变的横向面积，形成凹槽结构。绝缘体具有隔离片，隔离片的形状与大小与凹槽结构匹配，隔离片填充凹槽结构。

在一个实施例中，元件与电极，以及压敏电阻和放电管串联形成触发电路。

该元件的端面通过螺纹紧固到电极上并保持紧密的导电接触。或者，电极在注塑过程中植入到元件的端面上并与所述端面粘合。

在一个实施例中，导电体由导电塑料或者石墨制作。

本发明中产生触发电弧的元件以及相关的触发电路中各元件为串联关系，因此当触发电路两端出现过电压时，按照各元件的阻抗大小进行电压分配，由于元件为“导电体”，因此分担的电压很小，而放电管(GDT)绝缘阻抗最大，因此分担的电压值最大且最先击穿，其次是非线性电阻，由于元件是电流驱动型触发元件，因此“导通”后的触发电路是否能够在元件上产生“触发电弧”还取决于所施的能量大小，即电流值的大小。对于诸如幅值为几千伏的1.2/50μs为代表的弱能量瞬时过电压，元件根据设计可以不产生“触发电弧”，仅由元件的导体本体对其进行泄放，如此可以避免不必要产生的“触发电弧”对元件的影响，也可避免承担主泄放通道的启动，在保护产品自身免遭不必要的使用侵蚀时，还避免出现了使得被保护系统因“续流”产生的波动。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，在附图中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第一实施例及其触发电路的原理图。

图2揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第一实施例及电极的结构图。

图3揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第一实施例的结构图。

图4和图5揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件第一实施例的零件结构图。

图6揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第一实施例的导电体的零件结构图。

图7揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第一实施例的绝缘体的零件结构图。

图8和图9揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第二实施例的元件的零件结构图。

图10揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第二实施例的导电体的结构图。

图11揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第二实施例的绝缘体的零件结构图。

图12揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第三实施例的导电体的结构图。

图13揭示了根据本发明的产生触发电弧的元件的第三实施例的绝缘体的零件结构图。

具体实施方式

总的说来，本发明的产生触发电弧的元件的目标在于更好实现在低电压下获得触发电弧，并提高产品的工频续流遮断能力，同时有利于产品针对需要防护的瞬时过电压具有一定的能力选择性响应能力。

为了实现这个目的，本发明的优选结构是以导电材料为主的产生触发电弧的元件，将元件的两端面分别与两电极导电性接触。对于元件两端面导电性接触的两电极施加电压时，元件中的导电体流过相应的电流，利用电流通过时的趋肤效应，使元件表面的电流密度最大，由于导体本体的电阻因素，形成两方面的条件，第一，由于电流、电阻的共同作用，使得元件两端形成电位差；第二，电流值在通过表面时，由于I²RT的效应会导致导体表面发热并向元件表面的附近空气辐射能量，增大了附近空气介质的活跃性，也就是降低空气的绝缘性，这种绝缘性的降低改变了原有的物理状态——使得设定的固定距离所需要电压击穿的数值迅速降低到很低的水平。当电流达到或超过某个临界值时，会导致元件表面的附近空气形成电弧——完成在较低电压下取得触发电弧的目的。

根据上述设计思路，本发明提出一种具有如下结构的元件：元件两端面电极之间的是由导电材料构成的“主体”进行连接，在产生“触发电弧”之前，该连接使得元件的两端面电极之间为“导电性”状态，依据本发明的技术特征，是否产生“触发电弧”，主要取决于流过元件的电流值以及元件中导电性主体两端的且与空气接触的最小距离、元件主体的阻值这三个主要因素，因此本发明方案为电流驱动型的产生触发电弧的元件。

本发明的一个优选的实施例，元件如此设置和构成：至少有一段连接元件两端面电极之间导电体的区域能够与外部直接接触，其它区域则被绝缘材料封装。

本发明的另一个优选的实施例，元件如此设置和构成：至少有一段连接元件两端面电极之间导电体的区域能够与外部直接接触，其它区域则被绝缘材料封装，此外，导电体内部部分空间掏空处理形成凹槽结构，该凹槽结构由外部封装的绝缘材料填充，如此加强除指定能够产生触发电弧区域外的绝缘性能。

依据本发明的元件与公知的过电压保护元件存在着明显的区别：例如，CN1674375A中虽然公知在两个电极之间设置了一个触发元件，但该触发元件是由“绝缘材料”制成，而且需要在绝缘材料表面通过化学、热或电热碳化等措施进行涂覆处理以获得“减弱绝缘区域”。另外，该公知技术中，特别是由于触发元件表面放电导致触发元件上两电极“导电连接”，且是根据施加的电压值决定是否放电。

本发明的元件是否产生“触发电弧”，主要取决于施加在元件上的电流值、元件两端的距离以及元件的阻值，其中，电流值是外部因素，元件两端的距离、元件的阻值则与元件的结构与材料密切相关，特别是元件的阻值对是否产生“触发电弧”有着重要影响，为了保持元件在冲击电流、工频续流下的可靠性、稳定性，本发明方案可使用具有耐弧性的导电材料作为主体材料制造元件。

为了控制“触发电弧”出现在指定的区域，可以在元件其它周边设置绝缘材料进行封装，仅在元件的指定侧面留有一定的宽度的导体本体裸露在外并与空气接触，如此达到更好地影响泄放雷电流间隙绝缘性的目的。本发明的优选实施例是将“触发电弧”出现的指定区域设置在元件两端面导电性连接的电极之间。为了保证“触发电弧”可靠、稳定地出现在指定区域，除元件指定区域外，其余周边的绝缘材料封装要求必须足够紧密，以免这些区域与空气接触引起额外的“触发电弧”，在此方面可以优选地通过“双色”模具的工艺方式对元件进行构造。作为元件封装的绝缘材料，同时能够承担泄放雷电流、工频续流时的冲击压力，使用如PA、PBT等之类的有较好物理性能的绝缘材料进行构造。

依据上述的封装构造要求，还可以通过镶嵌的工艺方式对元件进行构造。

除元件的绝缘封装外，元件中的导电材料需要耐受“电弧”的侵蚀，在本发明方案中优选地选用石墨、导电塑料作为元件的导电体的材料。

由于本发明方案中的元件包括有“导电体”，因此直接接入系统中将导致系统出现不希望的短路或有一定电阻值的导电性连接状况，但在雷电或其他如果操作引起的瞬时过电压时，又希望出现上述的短路或导电性连接状态，因此，依据本发明的方案需要，优选地选择放电管(GDT)或抑制二极管与元件串联，以用来控制触发电路的工作状态。

在上述的方案构造中，当雷电流施加在元件与GDT串联的触发电路上也会引起工频续流，因此本发明的另一优选方案是在上述触发电路中再串联一个非线性电阻，优选的，非线性电阻为压敏电阻(MOV)，用该元件来承担阻止工频续流的形成。

本发明的相关的触发电路的特性为：对触发电路施加电压，触发电路中各元件为串联关系，因此电压是按照各元件的阻抗大小进行分配，由于元件为“导电体”，因此分担的电压很小，而放电管(GDT)的绝缘阻抗最大，因此分担的电压值最大且最先击穿，其次是非线性电阻，由于元件是电流驱动型触发元件，因此“导通”后的触发电路是否能够在元件上产生“触发电弧”，还取决于流过触发电路的能量大小——即电流值的大小。依据本发明的特征，对于诸如幅值为几千伏的1.2/50μs为代表的弱能量瞬时过电压，元件不产生“触发电弧”，仅由元件的导体本体对其进行泄放，如此可以避免不必要产生的“触发电弧”对元件的影响，也可避免承担主泄放通道的频繁启动，在保护产品自身免遭不必要的使用侵蚀时，还避免出现了使得被保护系统因“续流”产生的波动。

基于上述的基本设计思路，本发明提出一种产生触发电弧的元件，该元件安装在两个电极之间，形成触发电路，元件的两个端面分别与两个电极导电性接触，元件由导电材料制作。

元件包括导电体和绝缘体，导电体与两个电极导电性接触。导电体的指定区域形成起弧区域，两个电极与起弧区域共同构成起弧空间，在施加足够能量的瞬时过电压下，在指定的起弧空间中产生触发电弧。导电体上除了与电极接触的部分以及所指定的起弧区域外，其他区域由绝缘体填充封装。元件的端面与两端面所对应的接触电极紧密连接。或者，电极在注塑过程中嵌入到元件的端面上并与端面粘合。导电体由导电塑料或者石墨制作，而绝缘体由PA、PBT之类的绝缘材料制作。

在本发明的第一和第二的实施例中，导电体从电极接触的两个端面向中间部分具有逐步或突变缩小的横向面积，形成凹槽结构。而绝缘体具有隔离片，隔离片的形状与大小与所述凹槽结构匹配，隔离片填充凹槽结构。

在本发明的第三实施例中，导电体从电极接触的两个端面向中间部分具有相同的横向面积。

触发电路由上述的产生触发电弧的元件、电极、压敏电阻以及放电管串联形成。

图1-图6揭示了根据本发明的第一实施例的产生触发电弧的元件、其电路原理以及具体零件的实现。

图1在原理上说明依据本发明的产生触发电弧的元件应用于触发电路中的方案，该方案如此实施，元件109安装在电极103、104之间，并与其它元件，例如压敏电阻106和放电管107串联组合形成触发电路。

根据图1所示的原理，图2揭示了元件109的结构。元件109的两端面110、111分别与电极103、104导电性连接，这种连接是通过零部件的安装组合形成，如使用螺纹紧固以保持有效地导电接触，除此之外，这种连接也可以是在元件的零件制造过程中形成的，如将电极103、104作为崁件在元件的注塑过程中嵌入、或通过胶粘的方式进行组合。

在该电路中元件109包括导电体101和绝缘体102。导电体101具有指定的起弧区域105，位于导电体101指定侧面，在起弧区域105中，一定宽度的导电体101本体裸露在外并与空气接触。电极103、104之间与起弧区域105相接触的起弧空间112、在施加足够能量的瞬时过电压下在起弧空间112产生的触发电弧108。

图3揭示了另一个实施例的元件109。在该实施例中，元件109包括：导电体101和绝缘体102。导电体101具有起弧区域105，起弧空间112与起弧区域105相接触。当施加足够的电压时，在起弧空间112内会出现触发电弧108(图中未示出触发电弧108)。

依据本发明的实施要求，对触发电路施加能量较高的瞬时过电压时，瞬时过电压产生的电流会首先流过元件的导电体101进行泄放，当电流幅值超过允许值时会使得元件109的起弧区域105发热并对起弧空间112的介质(空气)施加影响，从而在其他因素共同作用下产生触发电弧108，该触发电弧108会进一步地对泄放雷电流的通道的影响，并最终达到建立承担主要泄放雷电流能量的通道。因此，元件109要求能够多次耐受“触发电弧108”的侵蚀；此外，还需要耐受泄放主要泄放通道时所产生的电弧的冲击。在本实施方案中，优选地采用导电塑料或者石墨为主建立元件109的导电体101。

为了保证元件109中起弧区域105能够稳定地产生触发电弧108，元件109中除了起弧区域105以外的其他区域114需要用绝缘体102进行封装，该绝缘体102一方面要与上述导电体101一样能够耐受电弧冲击，另一方面还要求绝缘件的封装工艺必须可靠、稳定。依据上述要求，本发明方案的优选直接采用注塑工艺进行元件109的构造。

触发电路在整个泄放雷电流的过程中承担了部分的能量，大部分能量是通过主放电通道进行泄放的。因此，依据这种设计要求，触发电路的泄放雷电流能力也常设计的很小，为了保证产生的瞬时过电压的泄放路径尽早地从触发电路转移到主放电通道进行泄放，需要严格地控制触发电弧108的形成时间，一方面需要使得元件在能量弱的瞬时过电压下不产生触发电弧108，另一方面需要元件109在具有较大能量的雷电过电压下尽快形成触发电弧108，而且还需要保证元件109的两端面110、111与电极103、104可靠地导电性连接。

图4-图7揭示了根据本发明的第一实施例的元件的零件结构图，其中图6揭示了导电体的零件结构图，而图7揭示了绝缘体的零件结构图。

依据本发明第一实施例的设计要求，导电体101呈现非均匀横向截面体，在接触电极103、104的端面110、111横向面积较大，在与导电体101的两端面110、111一体的中间结构体113的横向截面稍小。于是导电体101从电极接触的两个端面向中间部分具有逐步或突变缩小的横向面积，部分区域形成凹槽结构。两端面110、111之间的剩余的空间115通过绝缘体102进行填充。相应的，绝缘体102具有隔离片116，隔离片116的形状与大小与凹槽结构匹配，隔离片116填充凹槽结构，即两端面110、111之间的剩余的空间115。

图8-图11揭示了根据本发明的第二实施例的产生触发电弧的元件的零件结构图，其中图8和图9揭示了第二实施例的元件的零件结构图，图10揭示了导电体的零件结构图，而图11揭示了绝缘体的零件结构图。

依据本发明第二实施例的设计要求，导电体101呈现非均匀横向截面体，在接触电极103、104的端面110、111横向面积较大，在与导电体101的两端面110、111一体的中间结构体113的横向截面稍小。于是导电体101从电极接触的两个端面向中间部分具有逐步或突变缩小的横向面积，除指定形成触发电弧的区域外，其它区域均形成凹槽结构。两端面110、111之间的剩余的空间115通过绝缘体102进行填充。相应的，绝缘体102具有隔离片116，隔离片116的形状与大小与凹槽结构匹配，隔离片116填充凹槽结构，即两端面110、111之间的剩余的空间115。

图12-图13揭示了根据本发明的第三实施例的元件的零件结构图，其中图12揭示了导电体的零件结构图，而图13揭示了绝缘体的零件结构图。

依据本发明第三实施例的设计要求，导电体101仅包含了上下端面110、111和其他区域114以及指定产生触发电弧的侧面105的外露面，其中，其他区域114与绝缘体102的外封装面117紧密结合，以增强绝缘性能。

本发明中产生触发电弧的元件以及相关的触发电路中各元件为串联关系，因此电压时按照各元件的阻抗大小进行分配，由于元件为“导电体”，因此分担的电压很小，而放电管(GDT)绝缘阻抗最大，因此分担的电压值最大且最先击穿，其次是非线性电阻，由于元件是电流驱动型触发元件，因此“导通”后的触发电路是否能够在元件上产生“触发电弧”还取决于所施的能量大小，即电流值的大小。对于诸如幅值为几千伏的1.2/50μs为代表的弱能量瞬时过电压，元件根据设计可以不产生“触发电弧”，仅由元件的导体本体对其进行泄放，如此可以避免不必要产生的“触发电弧”对元件的影响，也可避免承担主泄放通道的启动，在保护产品自身免遭不必要的使用侵蚀时，还避免出现了使得被保护系统因“续流”产生的波动。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (7)

1.一种产生触发电弧的元件，其特征在于，所述元件安装在两个电极之间，形成触发电路，元件的两个端面分别与两个电极导电性接触，所述触发电弧在元件的表面产生；

所述元件包括导电体和绝缘体，所述导电体与两个电极导电性接触，所述导电体的指定区域形成起弧区域，所述两个电极与所述起弧区域共同构成起弧空间，在施加过电压下在起弧空间中产生触发电弧，所述导电体上除了与电极接触的部分以及所指定的起弧区域外的其他区域由绝缘体结合和填充封装。

2.如权利要求1所述的产生触发电弧的元件，其特征在于，所述导电体从电极接触的两个端面向中间部分具有逐步缩小或突变的横向面积，形成凹槽结构。

3.如权利要求2所述的产生触发电弧的元件，其特征在于，所述绝缘体具有隔离片，所述隔离片的形状与大小与所述凹槽结构匹配，所述隔离片填充所述凹槽结构。

4.如权利要求1所述的产生触发电弧的元件，其特征在于，所述元件与电极，以及压敏电阻和放电管串联形成触发电路。

5.如权利要求1所述的产生触发电弧的元件，其特征在于，所述元件的端面通过螺纹紧固到电极上并保持紧密的导电接触。

6.如权利要求1所述的产生触发电弧的元件，其特征在于，所述电极在注塑过程中植入到所述元件的端面上并与所述端面粘合。

7.如权利要求1所述的产生触发电弧的元件，其特征在于，所述导电体由导电塑料或者石墨制作。