CN105144512B - 电力系统的过压保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气保护装置，比如与电力系统一起使用的电气保护装置，以用于过压保护。一种电气保护装置包括第一电接线、第二电接线、第一放电装置和第二放电装置。第一放电装置包括被连接到第一电接线的第一导电总线以及被连接到第二电接线的第二导电总线。第一放电装置具有第一击穿电压。第二放电装置包括被连接到第一电接线的第三导电总线和被连接到第二电接线的第四导电总线。第二放电装置具有第二击穿电压。

Description

电力系统的过压保护装置

本申请在2014年2月19日被递交，作为PCT国际专利申请并且要求2013年2月20日递交的美国临时专利申请序列号61/767,143、2013年4月30日递交的美国临时专利申请序列号61/817,762以及2013年9月20日递交的美国临时专利申请序列号61/880,345的优先权，其特此通过引用被全部合并至本申请中。

技术领域

本申请主要涉及电力系统特征，并且尤其涉及电力系统的过压保护装置。

背景技术

传统上，关键的电气系统需要防止由在这样的电气系统中的故障引起的过压。这些故障能够跨过关键设备产生远远高于正常值的电流和电压并且超出它们的安全界限。例如，对应于关键基础设施的例子的电力系统会经历接地故障，接地故障导致高电压信号被接地，造成电流尖峰通过设备，并且经常造成关键电气设备的损坏。

历史上已经开发了在故障情况中保护所述系统的系统。例如，在一些情况下，以往通过允许跨过开放的空气间隙或在容器内的不易燃气体中形成火花以造成超过预定阈值的电压消除的现象，火花隙被用以消除过压现象。然而，火花隙是高度可变的，并且引发产生这样的火花的电压可以基于湿度和凝结或其他环境条件而变化高达10％-15％。而且，在间隙电极材料被电弧的能量破坏之前，总能量可以通过火花隙被分散。

在较新的保护系统中，电涌放电器已与电力线路变压器并联放置，以在雷击、接地故障或其他电压和/或电流尖峰条件中提供保护。在这样的情况中，电涌放电器在第一阈值提供电压削波，其中过压现象可以被发送到地面，而不损坏与这样的电涌放电器并联放置的电气系统。电涌放电器具有它们可以分流到地面的能量极限。如果在该能量极限被超过之后情况继续的话，电涌放电器进入压力消除模式。在此情况中，电涌放电器被设计为安全地将电流传导至地面并且在要保护的系统上限制电压(例如，如IEEEC62.11中所述)，但是之后则不能使用。

因此，已被使用的不同系统和方法在其实施的操作中有时存在缺陷，用于电气系统的可靠保护是不理想的。

发明内容

根据以下公开，通过以下内容解决了上述和其他问题：

在第一方面中，一种电气保护装置包括第一电接线、第二电接线、第一放电装置以及第二放电装置。第一放电装置包括被连接到第一电接线的第一导电总线以及被连接到第二电接线的第二导电总线，其中第一放电装置具有第一击穿电压，并且其中当第一导电总线和第二导电总线之间的电压差超过第一击穿电压时，第一电流在第一导电总线和第二导电总线之间穿过。第二放电装置包括被连接到第一电接线的第三导电总线以及被连接到第二电接线的第四导电总线，其中第二放电装置具有第二击穿电压，并且当第三导电总线和第四导电总线之间的电压差超过第二击穿电压时，第二电流在第三导电总线和第四导电总线之间穿过。

在第二方面中，一种电气保护装置包括第一电接线、第二电接线、第一火花隙以及第二火花隙。第一火花隙被形成在第一电极和第二电极之间，第一电极被连接到第一电接线且第二电极被连接到第二电接线，其中第一火花隙具有第一击穿电压。第二火花隙被形成在第三电极和第四电极之间，第三电极被连接到第一电接线且第四电极被连接到第二电接线，其中第二火花隙具有第二击穿电压。

在第三方面中，一种电气保护装置包括第一电接线、第二电接线、第一火花隙、第二火花隙、第三火花隙、上板、下板以及绝缘支柱。第一火花隙被形成在第一电极和第二电极之间，第一电极被连接到第一电接线且第二电极被连接到第二电接线，其中第一火花隙具有第一击穿电压。第二火花隙被形成在第三电极和第四电极之间，第三电极被连接到第一电接线且第四电极被连接到第二电接线，其中第二火花隙具有第二击穿电压。第三火花隙被形成在第五电极和第六电极之间，第五电极被连接到第一电接线且第六电极被连接到第二电接线，其中第三火花隙具有第三击穿电压。上板由导电材料形成。下板由导电材料形成。绝缘支柱被设置在上板和下板之间。第一电极、第三电极以及第五电极被垂直地定向且被安装在上板中。第二电极、第四电极以及第六电极被垂直地定向且被安装在下板中。第一电极通过对应第一击穿电压的第一间隙距离与第二电极分隔开。第三电极通过对应第二击穿电压的第二间隙距离与第四电极分隔开。第五电极通过对应第三击穿电压的第三间隙距离与第六电极分隔开。第一电接线被连接到接地端子，并且第二电接线被连接到电力传输线或者被连接到变压器的中性点，从而保护被连接的电气装置免受电接地故障电流的影响。

在第四方面中，一种过压保护系统包括过压保护组件和自检组件。过压保护组件包括第一电接线及第二电接线。过压保护组件还包括第一放电装置，第一放电装置包括被连接到第一电接线的第一导电总线以及被连接到第二电接线的第二导电总线，其中第一放电装置具有第一击穿电压，并且其中当第一导电总线和第二导电总线之间的电压差超过第一击穿电压时，第一电流在第一导电总线和第二导电总线之间穿过。过压保护组件还包括第二放电装置，第二放电装置包括被连接到第一电接线的第三导电总线以及被连接到第二电接线的第四导电总线，其中第二放电装置具有第二击穿电压，并且其中当第三导电总线和第四导电总线之间的电压差超过第二击穿电压时，第二电流在第三导电总线和第四导电总线之间穿过。自检组件与过压保护组件并联电连接，并且能用于检测电气组件和地面之间的第一击穿电压和第二击穿电压中的至少一个。

在另一个方面中，一种电气保护装置包括第一电接线和第二电接线，以及电涌放电器，电涌放电器包括被连接到第一电接线的第一侧和被连接到第二电接线的第二侧。电涌放电器具有击穿电压以及压力消除电压，在该击穿电压下，电涌放电器开始导电并且发生削波，超过该压力消除电压，电涌放电器几乎瞬间(在此小于10微秒)进入压力消除模式。电气保护装置包括被形成在第一电极和第二电极之间的火花隙，第一电极被连接到第一电接线且第二电极被连接到第二电接线，其中火花隙具有第一侧和第二侧，第一侧和第二侧之间的距离被选择为使得火花隙的击穿电压大于传导电压并且小于被连接的电气装置的电压承受极限。电气保护装置还包括第一导体以及第二导体，第一导体包括第一端部和第二端部，第一端部被连接到火花隙的第一侧，第二导体包括第一端部和第二端部，第一端部被连接到火花隙的第二侧。第一导体的第二端部和第二导体的第二端部之间的距离大于第一导体的第一端部和第二导体的第一端部之间的距离。电涌放电器和火花隙因此被以并联配置电连接。

在另一方面中，电气保护装置包括第一和第二电接线以及电涌放电器，电涌放电器包括第一侧和第二侧，第一侧被连接到第一电接线，第二侧被连接到第二电接线。电气保护装置包括由导电材料形成的成对的招弧角(或者雅各布天梯)，在该对招弧角中的第一招弧角被连接到第一电接线，在该对招弧角中的第二招弧角被连接到第二电接线。第一招弧角的中部和第二招弧角(或者雅各布天梯)的中部之间的距离形成火花隙，其击穿电压大于电涌放电器的传导电压，并且小于被连接的电气装置的电压承受极限。电涌放电器和招弧角因此被以并联配置电连接。

在进一步的方面中，电气保护装置包括第一电接线、第二电接线和电涌放电器。电涌放电器包括被连接到第一电接线的第一侧以及被连接到第二电接线的第二侧，电涌放电器具有击穿电压，在该击穿电压下发生削波。装置还包括由成对的同轴圆柱形导体形成的火花隙，该同轴的圆柱形导体被间隔开预定距离。火花隙具有击穿电压，该击穿电压大于电涌放电器的传导电压，并且小于被连接的电装置的电压承受极限。

附图说明

图1是过压保护组件的示意图；

图2是根据第一替选示例实施方式的过压保护组件的立体图；

图3示出表示在此描述的在一些实施方式中的过压保护组件设计的示例电压电平；

图4是根据第二实施方式的过压保护组件的立体图；

图5A是根据进一步的示例实施方式的包括集成的盖布瑞尔的过压保护组件的立体图；

图5B是图5A的过压保护组件的部分的特写立体图；

图6是根据进一步的示例实施方式的过压保护组件的示意图；

图7是根据进一步的示例实施方式的过压保护组件的示意图；

图8是根据进一步的示例实施方式的圆柱形火花隙组件的示意图；

图9是根据进一步的示例实施方式的圆柱形火花隙组件的截面示意图；

图10A是根据进一步的示例实施方式的过压保护组件的立体图；

图10B是图10A的过压保护组件的部分的特写立体图；

图10C是图10A的过压保护组件的另一个立体图；

图11A是在过压保护组件中的电极的实施方式的立体图；

图11B是图11A的电极的实施方式的特写立体图；

图12是根据另一个示例实施方式的过压保护组件的立体图；

图13A是根据另一个示例实施方式的过压保护组件的立体图；

图13B是图13A的过压保护组件的内部的立体图；

图14A是根据另一个示例实施方式的过压保护组件的立体图；

图14B是图14A的过压保护组件的部件的侧视图；

图14C是图14A的过压保护组件的替选实施方式的立体图；

图14D是图14A的过压保护组件的替选实施方式的立体图；

图14E是图14A的过压保护组件的导体的替选实施方式的侧视图；

图14F是图14A的过压保护组件的导体的另一个替选实施方式的侧视图；

图15A是根据另一个示例实施方式的过压保护组件的立体图；

图15B是图15A的过压保护组件的另一个立体图；

图15C是从图15A的过压保护组件的下方观察的立体图；

图15D是从图15A的过压保护组件的下方观察的特写立体图；

图15E是从图15A的过压保护组件的顶板和笼下方观察的立体图；

图15F是图15A的过压保护组件的笼的立体图；以及

图16是根据另一个示例实施方式的过压保护系统的电路图。

具体实施方式

本发明的不同实施方式将参考附图被详细描述，其中遍及几个附图相同的附图标记表示相同的部件和组件。不同实施方式的参考不限制本发明的范围，其仅仅由所附的权利要求的范围限制。另外，在本说明书中提出的任何例子不是限制性的，并且仅仅提出要求权利的发明的多种可能的实施方式中的一些实施方式。

总之，本发明涉及用于在电力系统中使其他电气组件(比如电容器组合或其他电气系统)免受接地故障电压浪涌的影响的保护装置。本发明的系统和方法的实施方式包括电涌放电器、火花隙和雅各布天梯(或者招弧角)的集成，以致间隙距离以及电涌放电器电特性被选择为在给定的电压电平下给予可靠的保护。在此描述的电气保护系统的其他实施方式利用提供电气系统过压保护的火花隙配置，并且尤其用于需要相对较大电力和电流损耗量而在电力传输网络的应用中保持成本效益的大型电力系统(比如，电力输送系统)。这样的实施方式可包括特制的特征，以用于在针对电力线变压器的中性点上经历的感应电流的保护，并且被配置为提供相对较低成本的构造，其也可以适用于可能发生在电网中的这种大的电流消散现象。

现在参考图1-2，示出了组件100，根据示例的实施方式，组件100被配置为在接地故障现象中提供使得高功率电气构件免受高压的影响的保护，该高功率电气构件比如为电容器组或其他电力系统构件。组件包括电涌放电器102、雅各布天梯(或者招弧角)104以及被集成在其中的火花隙106，并且电涌放电器102、雅各布天梯(或者招弧角)104以及火花隙106跨过电路引线108a、108b彼此并联连接，电路引线108a、108b连接到要被保护的构件。

在所示的实施方式中，电涌放电器102可以采取多种形式。在示例的实施方式中，电涌放电器102是金属氧化物压敏电阻(MOV)电涌放电器。电涌放电器102可以被置于多种位置，在图2的示例中，电涌放电器102被安装在组件的基部。电涌放电器102削波可能出现在电容器或电容器组或电容器和电阻器的串联组合两端的任意谐振或其他电压，因此提供电压削波并且致使抑制不需要的串联、铁或其他谐振。在所示的实施方式中，在电路引线108a、108b处，电涌放电器102在第一和第二电接线的相对侧被连接，。

附接到电涌放电器的是雅各布天梯(或者招弧角)104和火花隙106的组合。雅各布天梯104包括第一导体105a和第二导体105b，火花隙被形成在第一导体105a和第二导体105b之间，其中第一电极的顶端和第二电极的顶端之间的距离大于第一电极、的底端和第二电极的底端之间的距离。在多种实施方式中，第一导体105a和第二导体105b可以由黄铜、镀镍铜、钨、铌及其合金或者其他类型高导电材料制造。

在图2中所示的实施方式中，火花隙106是形成电极110a、110b的、雅各布天梯104的狭窄部分的两个导体105a、105b之间的狭窄间隙。在所示的实施方式中，火花隙106具有几毫米间隙距离，并且被构造在雅各布天梯104中。当经历高电流接地故障时，在火花隙106处将形成电弧，以限制要被保护的构件(即被连接在引线108a、108b处的电容器或电容器组或其他构件)两端的电压。

雅各布天梯104包括补充金属结构，补充金属结构形成延伸离开火花隙106的增加距离的间隙。在示例的实施方式中，雅各布天梯104由适合的导电金属制成，比如黄铜、镀镍铜、钨、铌以及其合金或者其他适合的金属，并且提供电弧远离火花隙106(例如，向梯上方)的方式，这可以将大量能量消散到空气中。

在一些实施方式中，在雅各布天梯104上的间隙分隔以及因此得到的击穿电压被设计为固定的距离，以在空气中实现固定的击穿电压。在替选实施方式中，间隙是可以调节的，并且因此间隙的击穿电压是可以调节的。多种气体的击穿电压与间隙间隔之间的关系由帕邢定律给定，帕邢定律描述在平行板之间的气体的击穿电压作为压力和间隙距离的函数。

在操作期间，并且在过压现象发生时，通常，初始电弧在火花隙106处形成之后将快速地攀登雅各布天梯104，并且继而在几个电力周期内持续地弧形跨过梯的顶端，该电力周期通常为60Hz(即60到100毫秒)的几个(4-6个)电力周期。在此电弧能量消散阶段期间，雅各布天梯104的一些顶端将经历加热，并且少量的金属电极顶端可能被汽化。

电涌放电器提供电压削波并且继而抑制可能遇到的任何不需要的共振。如果超过了电涌放电器的能量吸收极限，则火花隙持续保护连接的装置免受进一步的过压现象的影响。雅各布天梯也与电涌放电器和火花隙并联连接。雅各布天梯的功能是一旦建立了电弧传导通路，就会保护电涌放电器和火花隙。即，当在间隙处起动电弧时，电弧将快速地上升到梯的顶部，在梯的顶部电弧能量被消散到空气中。这样，电涌放电器、火花隙和雅各布天梯的组合提供了用于高功率构件(比如电容器组、静止无功补偿器(SVC)、或者其他高功率电气系统构件)的极其可靠的装置。

在一些示例的实施方式中，图3示出描绘在此讨论的过压保护组件的设计的示例电压电平图表300。在所示的图表300中，描述了以上说明的保护组件的操作以及图4-5中的保护组件的操作。特别地，这种保护组件的一个应用是保护电容器组，该电容器组用于阻断在接地变压器的中性点、SVC或其他电力构件中的地磁感应电流(GIC)。

如图3的图表300中所示，当遇到接地故障电压时，在示例的组件中的电涌放电器102将传导电流并且，例如，在5kV到7kV范围中执行电压削波功能。这提供缓冲以控制可能出现在电力系统中的不需要的共振。如果通过电涌放电器被分流到地面的能量量值超过它的功能限制，电涌放电器将开始压力消除并且被消耗。在随后的故障情况中，如果电压超过火花隙的击穿电压(比如，在11kV范围之上)，电弧将形成在火花隙处。在这种情况下，间隙距离将被选择为使得电弧形成例如在近似11kV到25kV的标称电压。已经确定的是，此击穿电压取决于湿度、凝结、气压变化等。然而，湿度，凝结和压力条件的变化将不会很大程度地影响在火花隙106中的击穿电压，相反，击穿电压的变化将相对较小(即，大约+/-10％到15％)，并且可容许用于此保护应用。在替选实施方式中，附加的电涌放电器具有可以被合并的不同特点，以致每个电涌放电器可以被配置为以相同的电平或不同的电平进入压力消除模式。

根据第二示例实施方式，图4是过压保护组件400的立体图。组件400包括电涌放电器402，以及雅各布天梯404和火花隙406，与上面描述的那些类似。在此示例的实施方式中，组件400被配置为使用雅各布天梯404的“刀片”构造，该“刀片”构造被设计为向雅各布天梯404提供增加的机械稳定性，并且因此提供更加稳定的火花隙距离(即，更加一致的间隙击穿电压)。所示的组件400包括被水平地安装在组件底部的电涌放电器402(即，MOV)。雅各布天梯404的导体405a、405b与电涌放电器402并联电连接，并且垂直地延伸。如果超过电涌放电器的载流能力，则电涌放电器将进入压力消除模式并且将形成电弧。如果电压差达到间隙预设击穿电压，后续的过压现象将在火花隙处产生电弧。在任一情况下，电弧能量将继而在雅各布天梯404的顶端被消散，以减少对电涌放电器402和限定间隙尺寸并且因此限定火花隙的击穿电压的导体405a、405b的材料的损害量。组件400被配置为在电路引线408a、408b处被连接到要保护的构件。

现在参考图5A-5B，示出了进一步的示例保护组件500，该保护组件500包括集成的“盖布瑞尔(Gabriel)”构造。在此实施方式中，组件再次包括电涌放电器(未显示)、雅各布天梯504以及火花隙506。然而，在示例的实施方式中，除了现存的电极510a、510b之外，火花隙506包括盖布瑞尔电极510c。

这提供更加可靠的间隙击穿电压。在所示的实施方式中，通过在此示例中包括在火花隙506处的火花塞512而实施第三电极510c，此第三电极的顶端(在此示例中是火花塞)被置于火花隙506中。通过串联电阻器(未显示，但是通常是近似几兆欧姆的电阻)，电极510c被电连接到高压梯电极510b。电极510c的功能是以更精确的电压电平起动气体电离柱，以开始在间隙中形成电弧。电阻器继而限制电流通过此电极，以致电弧电流被传导通过雅各布天梯或者招弧角的第一和第二电极。第三电极510c因此提供更小的电压范围，在该电压范围内火花隙起火，并且组件进入它的保护模式。组件500被配置为在电路引线508a、508b处被连接到要保护的构件。

现在参考图6，示出了过压保护组件600的进一步的实施方式。在所示的实施方式中，火花隙602被用于高压(HV)及超高压(EHV)电力设备的接地故障保护。在所示的实施方式中，雅各布天梯604可以与火花隙602一起使用，以创建具有较长寿命的保护装置，且对于多次(比如，大约100到1000次)接地故障情况允许重复利用。火花隙602包括电极603a、603b，电极603a和电极603b被彼此设置为具有预设的间距。

正如本文所讨论的其他实施方式，图6的过压保护组件600克服了许多火花隙被用在高电压、高电流情况中时的问题，在该情况中，高电流电弧融化并且损坏间隙区域中的金属，除非特定的几何形状及材料被用在装置中。在图6中所示的示例实施方式中，此破坏性的情况可以通过使用与火花隙602关联的雅各布天梯604被克服，并且雅各布天梯604将电弧移出初始间隙区域以允许能量在较大的体积上并且在梯电极的顶端处消散。通过这种方式，可以设置过压保护组件，例如过压保护组件600，其不会被降解，而是可以对于多种接地故障重复使用。

另外，需要注意的是，通过应用来自位于电弧区域下方的回路导体(612)的洛伦兹力，过压保护组件600进一步激励被形成在火花隙602处的任意火花快速地向雅各布天梯上方移动。组件的一侧被连接到要被保护的电气装置的高电平侧。火花隙的第二侧在接地点610被接地。导电杆612或其他的电气总线可以连接到火花隙602的接地回路路径侧，并且被放置在火花隙602下方。

在操作中，洛伦兹力发生在火花隙和雅各布天梯组件的正极侧(在火花隙602的第一侧)的导电路径和火花隙602的回路路径侧之间，其抵制电弧等离子体并且因此推动电弧向雅各布天梯604上方移动。在示出的实施方式中，两个电极之间的间隙距离被选择为能够获得需求的击穿电压。此距离可以通过帕邢定律关系被计算，该帕邢定律关系被表示为击穿电压、火花隙中的气体(即，空气)、经历的压力以及火花隙的距离之间的关系。

在图7中所示的本公开的进一步的实施方式中，示出了过压保护组件700。在此实施方式中，火花隙702可以包括电极703a、703b，并且通过盖布瑞尔电极407可以被引导到图6中所示的设置中。在此实施方式中，电路传导路径类似于图6中所示的电流传导路径，然而，在过压保护组件700中，火花隙702的宽度可以更宽。例如，在一些实施方式中，火花隙702可以具有大约6到10毫米的宽度。在此构造中，初始的火花发生在第三电极704和接地电极703b之间。根据需要的击穿电压，此第三电极和电极703b之间的通常的间隙距离可以近似为1到4毫米。在初始火花中的电流通过被连接到此第三电极704的电阻器706限制。一旦火花被起动，将在高电压电极703a和接地电极703b之间建立高电流电弧。较大的间隙尺寸(通常6到20毫米)允许较大体积范围内的更好的电弧能量消散，并且因此使得熔化及损坏电极的可能性更小。在多种实施方式中，第三电极704可以由钨或铌或其他高熔点金属制成，以减少发生在此电极上的耗损。此外，在一些实施方式中，第三电极可以被可靠地安装在绝缘材料708中，绝缘材料708位于间隙区域下方但是在较低的电气总线709(即导体)上方，电气总线709被电连接到接地点712。

此外，在一些实施方式中，火花隙电极703a、703b可以由钨构造以减少高电流现象对电极的熔化和/或破坏性影响。如图7中所示，这可以通过使用雅各布天梯710所附接的两个钨块来实现，或者可选择地通过对于雅各布天梯710的整个组件使用钨招弧角来实现。仍然在其他实施方式中，火花隙702和/或雅各布天梯710的其他局部部分可以由钨或等同的弹力导电材料制成。

在图8-9中，示出了示例的圆柱形火花隙组件800。在此实施方式中，两个同轴金属圆柱体802、804创造大面积火花隙以实现长寿命接地故障保护装置。在此实施方式中，允许电弧四处移动到最小间隙距离的区域。如果金属烧蚀或熔化发生，该区域的间隙尺寸会增加。因此，电弧将移动到装置中的不同位置。通过增加图8中所示的圆柱体的直径和高度，较大的火花隙区域可以被创建。电引线810a、810b可以连接到过压保护组件800，例如用于接地，或连接到要被保护的电网，如图7-8中所示。

图9以截面形式示出圆柱形火花隙组件800的细节。特别的，图9中所示的细节示出安装圆柱形火花隙组件800，该圆柱形火花隙组件800包括两个同轴金属圆柱体802、804。绝缘材料可以被用以形成顶部和底部外壳件806a、806b。使用螺栓808或其他紧固件，中心电极圆柱体可以相对于外部电极圆柱体被固定。通过使用螺栓808及关联的圆柱体壳体，在两个电极之间可以维持均匀的间隙距离。

图10A是根据另一个示例实施方式的过压保护组件1000的立体图。组件1000包括雅各布天梯1004、火花隙1006和支柱1012a、1012b。

在所示的实施方式中，雅各布天梯1004包括导体1005a、1005b，该导体1005a、1005b具有电极1010a、1010b(结合以下与图10c关联描述的实施方式，导体1005a、1005b被更清晰的显示)，并且，雅各布天梯1004被配置为沿着导体1005a、1005b传导形成在火花隙1006中的电弧，在导体1005a、1005b处大量的电弧能量可以被消散到空气中。导体1005a、1005b一般被垂直地设置，并且在一些实施方式中具有圆柱形形状。导体1005a、1005b是成角度的，以致导体1005a、1005b的中部之间的距离小于导体1005a、1005b的顶部或底部之间的距离。火花隙1006被形成在导体1005a、1005b之间、电极最接近的位置。在火花隙1006下方，导体1005a、1005b之间的距离被充分地扩宽以防止电弧向下移动，或者朝向要保护的装置移动。如上所述，通过使用帕邢定律，火花隙1006的间距被选择以实现需要的击穿电压。比如，在配置为在大气压下、在氮气中实现10000伏特的击穿电压的实施方式中，火花隙1006的宽度是2.3mm。

在所示的实施方式中，在火花隙1006正下方的导体1005a、1005b中的电流提供被形成在火花隙1006中的电弧上的洛伦兹力，并且使得电弧沿着导体1005a、1005b移动。在一些实施方式中，向导体1005a上方移动、通过电弧(即跨过火花隙1006)并且继而沿导体1005b往下的电流在火花隙1006的区域中引起磁场。此磁场与电弧中的电流相互作用，以在电弧等离子体上引起洛伦兹力，其推动电弧向导体1005a、1005b上方移动。

在一些实施方式中，导体1005a、1005b被耦合到支柱1012a、1012b。支柱1012a、1012b由刚性、绝缘材料形成，并且被配置为保证当电弧存在时电极不会移动。在一些实施方式中，支柱1012a、1012b还被额外耦合到另外的刚性外部结构。

导体1005a、1005b被连接到导电总线1007a、1007b。在一些实施方式中，雅各布天梯1004与要被保护的装置并联连接。在一些实施方式中，导体1005a、传导总线b中的一个导体被连接到要被保护的电气装置的高电平侧，并且另一个导体被连接到地面。

在一些实施方式中，过压保护组件1000还包括盖布瑞尔电极1010c。其他的实施方式不包括盖布瑞尔电极1010c。

现在参考图10B，示出了过压保护组件1000的特写立体图。在所示的实施方式中，过压保护组件1000包括作为集成的“盖布瑞尔”电极1010c。

在图10A-10B中所示的实施方式中，盖布瑞尔电极1010c被设置在电极1010a、1010b之间的火花隙1006中。在一些实施方式中，盖布瑞尔电极1010c是远小于电极1010a、1010b的导电点。盖布瑞尔电极1010c被配置为在受控电压下起动电弧。盖布瑞尔电极1010c允许在相当低的击穿电压下起动电弧，并且允许较大的间隙以承受高电流电弧的能量消散。在一些实施方式中，盖布瑞尔电极1010c被设置并且被牢牢地保持在相比电极1010b更靠近电极1010a的位置。在这些实施方式中，跨过火花隙1006的电弧的起动依赖于电极1010a的顶端和盖布瑞尔电极1010c的顶端之间的距离。此外，在这些实施方式中，跨过火花隙1006的电弧的起动较少依赖于电极1010a和电极1010b之间的距离。因此，包括盖布瑞尔电极1010c的实施方式对环境、材料和制造差异有较大的耐受性。

在所示的实施方式中，盖布瑞尔电极1010c是被设置在绝缘材料1011中的导体。绝缘材料1011将盖布瑞尔电极1010c保持在适当的位置。盖布瑞尔电极1010c的顶端被放置在两个电极的间隙中，以致盖布瑞尔电极1010c的顶端提供距离电极之一较短的间隙距离，从而相比不存在盖布瑞尔电极的情况，将在较低的电压下发生电击穿。盖布瑞尔电极1010c通过串联电阻器(未显示，但是通常为近似为几兆欧姆的电阻)连接。盖布瑞尔电极1010c的功能是在更加精确的电压电平下起动气体电离柱，以在间隙中开始形成电弧。电阻器继而通过此电极限制电流，从而电弧电流被承载通过雅各布天梯1004的导体1005a、1005b。盖布瑞尔电极1010c因此提供较小的电压范围，在该电压范围内火花隙1006起火，并且组件1000进入它的保护模式。

图10C是过压保护组件1000的另外的立体图。支柱1012a、1012b被耦合到支撑元件1013a、1013b。通常地，支撑元件1013a、1013b是刚性的并且由绝缘材料形成，比如混凝土。支柱1012a、1012b和支撑元件1013被配置为固定导体1005a、1005b。这有助于抵抗电弧电流形成时产生的力而稳定导体1005a、1005b。因此，在跨过火花隙的电流例如高达60000安培或更高的情况下，这样的支柱1012a、1012b和支撑元件1013的使用可以是有益的，不然该情况可能产生巨大的洛伦兹力并且对组件造成损坏。

此外，在所示的实施方式中，导体1005a、1005b之间的间距进一步通过绝缘体1014a、1014b被固定。绝缘体1014a、1014b是刚性的并且由绝缘材料形成，比如混凝土。绝缘体1014a、1014b被配置为固定导体1005a、1015b间的间距，并且因此固定火花隙1006的宽度。

根据示例实施方式，现在参考图11A-11B，示出了雅各布天梯1100的导体1101a、1101b。导体1101a、1101b具有电极(在图11B中被详细显示)，并且被配置为被使用在贯穿本申请所描述的过压保护系统中。导体1101a、1101b包括下部1102a、1102b以及上部1103a、1103b。

通常，被选择用于导体1101a、1101b的材料应该至少具有以下一些性质：高导电性，刚性，承受在电弧现象期间将被消散的等离子体能量的高熔点，以及被成型为雅各布天梯1100的能力。例如，一些具有不同程度的这些性质的材料包括钨、钨/铜合金、铌以及铜。因为对被使用在下部1102a、1102b中的材料需求与对被使用以形成上部1103a、1103b的材料的需求是不同的，相比被用于形成上部1103a、1103b，不同的材料可能被用于形成下部1102a、1102b。

通常，在公开的实施方式中，下部1102a、1102b是圆柱形的、包括成角度的部分并且被配置为在其之间形成火花隙1106。在一些实施方式中，下部1102a、1102b的直径是3/8英寸。采用其他截面形状或者用不同直径的电极的其他实施方式是可能的。在一些实施方式中，在间隙1106下方的导体1101a、1101b的对角大于间隙1106上方的导体1101a、1101b之间的对角，从而电弧将沿着梯“向上”移动。在间隙1106上方的导体的对角应该足够小以保证电弧实际上是从装置被保护的连接处移开。例如，间隙1106上方的导体1101a、1101b之间的在50至80度范围中的对角将适用于大多数高电流电弧应用。在一些实施方式中，下部1102a、1102b由铜形成，因为通过模制和冲压技术，它适合于形成下部的成角度形状。使用钨、钨/铜合金或者铌形成下部1102a、1102b的形状的方法更加困难。

通常，上部1103a、1103b是圆柱形的、直的，并且被配置为承受通过电弧现象所消散的能量。在一些实施方式中，上部1103a、1103b的直径是3/8英寸。其他的实施方式是可能的。在一些实施方式中，上部1103a、1103b由钨形成，因为钨具有高熔点。在其他的实施方式中，上部构件由钨/铜合金或铌形成。钨、钨/铜合金和铌比铜具有更高的熔点且更加坚硬，并且因此相比许多其他的导电材料(比如铜)，允许上部1103a、1103b更好地承受通过电弧现象所消散的能量。

在所示的实施方式中，通过使用银钎焊工艺，下部1102a、1102b被连接到上部1103a、1103b。上部1103a、1103b的下端1105a、1105b被加工为具有球形表面。下部1102a、1102b的上端被加工为接收上部1103a、1103b的下端的球形表面。如此，使用两种不同的材料、采用共同的制造技术形成导体1101a、1101b。此外，相比导体1101a、1101b由铜单独形成的情况，导体1101a、1101b具有承受由电弧现象所消散能量的较好的能力。

图12是根据另一个示例实施方式的过压保护组件1200的立体图。组件1200包括导体1201a、1201b以及火花隙1206。

通常，导体1201a、1201b是具有电极端部1202a、1202b的大直径、圆柱形杆，该电极端部1202a、1202b具有球形表面。基于过压保护组件1200的给定应用的预期电弧电流来选择导体1201a、1201b的直径。导体1201a、1201b被水平地设置，以致电极端部1202a、1202b彼此接近。电极端部1202a、1202b通过火花隙1206被分隔。在一些实施方式中，导体1201a、1201b由钨形成。在其他实施方式中，导体1201a、1201b由具有高熔点的不同材料形成，比如钨/铜合金或者铌。在其他的实施方式中，也可以使用其他的材料。由于导体1201a、1201b的电极端部1202a、1202b的球形表面，电弧将围绕球形表面移动并且将不会消融表面上的单个点。因此，在此实施方式中，过压保护组件1200具有较长寿命且可以被重复利用于许多接地故障现象。在一些实施方式中，盖布瑞尔电极被包括在火花隙1206中以起动电弧，如以上所述。

在其他实施方式中，导体1201a、1201b不被水平地设置，而是关于彼此被成角度设置。如此，由于以上描述的洛伦兹力，当电弧形成在火花隙1206中时，电弧将在球形表面上向上移动。电弧的这种运动将允许电弧能量的更好消散以及电极材料的更少烧蚀。在一些实施方式中，盖布瑞尔电极也被包括在火花隙1206中以在给定的电压下起动电弧，如上所述。

在一些实施方式中，弹簧1203a、1203b被用于将导体1201a、1201b安装到各自的底座1204a、1204b中。在这样的实施方式中，弹簧1203a、1203b可以压缩及允许导体1201a、1201b彼此反弹远离。在正常操作期间，两个弹簧1203a、1203b将导体1201a、1201b保持在正常的位置，导体1201a、1201b指向彼此，在其之间具有初始的较小的间隙。在电极之间较大的电动力发生时，电极之间的力将造成电极反弹，以允许电效应的更快消散，或者在电极之间形成电弧。在形成电弧的情况中，这将提供额外的保护防止损坏电极。

图13A是根据另一个示例实施方式的过压保护组件1300的立体图。组件1300包括雅各布天梯1304、火花隙1306以及支撑结构1312。

雅各布天梯1304包括导体1305a、1305b，导体1305a、1305b形成电极1310a、1301b。雅各布天梯1304类似于参考图10A-10B被更加详细说明和描述的雅各布天梯1004。在一些实施方式中，导体1305a、1305b具有1-1.5英寸的直径以及10-18英寸的长度。在一些实施方式中，导体1305a、1305b由铜/钨合金形成。

在所示的实施方式中，火花隙1306类似于参考图10A-10B被更加详细说明和描述的火花隙1006。在组件1300的一些实施方式中，火花隙1306的宽度是2-3mm。

在示例的实施方式中，支撑结构1312是由刚性绝缘材料形成的物理结构，比如陶瓷或模压混凝土，并且被配置为支撑导体1305a、1305b。在大的接地故障电流期间，导体1305a、1305b可以承载极其大的电流(比如，高达60,000安培或更高)，这将在导体1305a、1305b上产生大的洛伦兹力。支撑结构被配置为支撑和稳定导体1305a、1305b，以致导体1305a、1305b不容易通过洛伦兹力被推开或扭曲。另外地，支撑结构1312被配置为防止导体1305a、1305b移动或扭曲或者使得导体1305a、1305b的移动或扭曲最小化。支撑结构1312增加雅各布天梯1304的机械稳定性，并且因此产生更加稳定的火花隙距离以及更加恒定的间隙击穿电压。

支撑结构1312包括基体1313、支撑壁1314a、1314b、下夹具1315a、1315b、中间夹具1316a、1316b以及上夹具1317a、1317b。另外地，在一些实施方式中，支撑壁1314a、1314b包括孔1318a、1318b。在一些实施方式中，基体1313、支撑壁1314a、1314b以及下夹具1315a、1315b由刚性导电材料形成。中间夹具1316a、1316b由电绝缘材料形成。上夹具1317a、1317b由刚性导电或绝缘材料一体成型。在其他的实施方式中，支撑结构1312由多个独立的构件形成，该多个独立的构件通过一个或更多紧固件(比如粘合剂或螺丝钉)被耦合在一起。

在实施方式中，基体1313是提供强度以抵抗弯曲的刚性结构，以致导体1305a、1305b不能由导体1305a、1305b之间产生的洛伦兹力推开。

支撑壁1314a、1314b由刚性绝缘材料形成，并且被配置为支撑和固定下夹具1315a、1315b、中间夹具1316a、1316b以及上夹具1317a、1317b。另外地，支撑壁1313a、1313b提供侧部支撑，以防止当经受洛伦兹力时导体1305a、1305b扭曲。

孔1318a、1318b是在支撑壁1314a、1314b中的开口。孔1318a、1318b邻近火花隙1306，并且被配置为允许通过火花隙1306中形成的初始电流产生的等离子体爆炸逸出。如此，孔1318a、1318b允许消除通过等离子体爆炸产生的压力而不损坏支撑结构1312。

图13B是过压保护组件1300的内部立体图。在此图中，支撑壁1314a没有被显示，以致过压保护组件1300的内部是可见的。

下夹具1315a、1315b是固定导体1305a、1305b的底部的装置。在一些实施方式中，下夹具1315a、1315b各自包括孔，各自的导体1305a或1305b的底部被设置在孔中。如此，下夹具1315a、1315b各自完全地围绕在各自的导体1305a或1305b周围，以提供增加的稳定性和对于洛伦兹力的抵抗力。

在一些实施方式中，下夹具1315a、1315b通过间隙1319被分隔。间隙1319足够大以防止跨过此间隙在下夹具1315a、1315b之间形成电弧。

中间夹具1316a、1316b是固定导体1305a、1305b的中部的装置。在一些实施方式中，中间夹具1316a、1316b包括一个或更多支撑表面，该支撑表面被配置为抵靠导体1305a、1305b的表面。在一些实施方式中，支撑表面抵靠导体1305a、1305b的大约一半的外部表面。如此，中间夹具1316a、1316b支撑导体1305a、1305b，但是不干扰火花隙1306中电弧的形成或者阻碍电弧向导体1305a、1305b上方移动。另外地，在一些实施方式中，中间夹具1316a、1316b在火花隙1306处不抵靠导体1305a、1305b。如此，中间夹具1316a、1316b允许等离子体爆炸从火花隙1306逸出的空间。

上夹具1317a、1317b是固定导体1305a、1305b的顶部或者顶部附近区域的装置。在一些实施方式中，上夹具1317a、1317b包括被配置为抵靠导体1305a、1305b表面的一个或多个支撑表面。在一些实施方式中，支撑表面抵靠导体1305a、1305b的外部表面的大约一半。如此，上夹具1317a、1317b支撑导体1305a、1305b，而不阻碍电弧向导体1305a、1305b上方移动。

在一些实施方式中，多个组件，比如组件1300，被设置在容器中并且与相同的导电总线并联连接。在大的接地故障电流期间，跨过其中一个组件的火花隙形成电弧电流。在组件中以最低的击穿电压形成电弧电流。电弧电流可以消融电极邻近火花隙的部分，造成火花隙变宽并且击穿电压增加。在一些情况中，击穿电压增加超过其他组件之一的击穿电压。在第二大接地故障电流期间，继而跨过其他组件之一的火花隙形成电弧电流。如此，相比单个组件的可能情况，在更长的寿命范围内提供过压保护。包括并联火花隙的示例实施方式参考图14A-14D被更详细地说明和描述。

此外，在组件1300的一些实施方式中，导体1305a、1305b由多种材料形成并且通过使用银钎焊被连接，如同参考图11A-11B被更加详细地说明和描述的那样。

图14A是根据另一个实施方式的过压保护组件1400的立体图。组件1400包括多个部件1401a、1401b、1401c和电路引线1402a、1402b。部件与电路引线1402a、1402b被并联连接。此外，每个部件1401a、1401b、1401c包括火花隙1406a、1406b、1406c。虽然在此图中被显示有三个部件，但是其他实施方式包括更多或更少的部件。

在一些实施方式中，火花隙1406a、1406b、1406c的宽度大致相同。当大的接地故障电流触发其中一个火花隙1406a、1406b、1406c的击穿电压时，围绕火花隙周围的相应电极的部分烧蚀，并且火花隙的宽度增加。此火花隙宽度的增加会导致击穿电压的相应增加。在一些情况下，在由较大接地故障电流引起的烧蚀之后，火花隙的击穿电压将大于其他火花隙中的一个火花隙的击穿电压。因此，在下一个较大接地故障电流期间，将在不同的火花隙处起动电弧。以这种方式，组件1400将有增加的寿命，并能承受更大量的较大接地故障电流。

图14B是组件1400的部件1401a的侧视图。部件1401a包括底座1404a、1404b、导体1405a、1405b、电极1410a、1410b、绝缘体1414a、1414b以及圆柱形防护件1416a、1416b、1416c、1416d。

底座1404a、1404b是被配置为将导体1405a、1405b固定和支撑在需要的角度的刚性支撑结构。在一些实施方式中，底座被配置为将导体1405a、1405b定位在与垂直方向成2.5-20度的角度。底座1404a、1404b被配置为在电弧电流被形成时承受在导体1405a、1405b之间产生的洛伦兹力。

一般来说，导体1405a、1405b是大直径、圆柱形杆，该大直径、圆柱形杆具有形成电极1410a、1410b的锥形端。基于过压保护组件1400的给定应用的预期电弧电流来选择导体1405a、1405b的直径。导体1405a、1405b朝向彼此成角度，以致电极1410a、1410b彼此相邻。在一些实施方式中，导体1405a、1405b之间的对角是5-40度。电极1410a、1410b通过火花隙1406a分离。

在一些实施方式中，导体1405a、1405b和电极1410a、1410b由具有高熔点的刚性导电材料一体成型。例如，在一些实施方式中，导体1405a、1405b和电极1410a、1410b由铜/钨合金形成。在其他实施方式中，导体1405a、1405b和电极1410a、1410b由不同材料形成，如钨、铜和铌。在一些实施方式中，盖布瑞尔电极被包括在火花隙1406中以起动如上面描述的电弧。

此外，通过绝缘体1414a、1414b，电极1410a、1410b间的间距被进一步固定。绝缘体1414a、1414b是刚性的并且由绝缘材料形成，比如混凝土。在一些实施方式中，绝缘体1414a、1414b具有圆柱形形状。绝缘体1414a、1414b被配置为固定底座1404a、1404b、导体1405a、1405b和电极1410a、1410b间的间距，并且因此也固定火花隙1406的宽度。

在一些实施方式中，包括圆柱形防护件1416a、1416b、1416c、1416d。圆柱形防护件是被设置在绝缘体1414a、1414b周围的空心圆柱体，并且被配置为干扰沿绝缘体1414a、1414b表面(通过在电弧期间排出的沉积的碳或材料)形成导电路径。在一些实施方式中，每个圆柱形防护件1416a、1416b、1416c、1416d的半径是0.5-1英寸，该半径大于绝缘体1414a、1414b的半径。

图14C是根据另一个示例实施方式的过压保护组件1400的立体图。被显示在图14C中的组件1400类似于被显示在图14A-14B中的组件1400，除了它不包括圆柱形防护件1416a、1416b、1416c、1416d。

图14D是根据另一个示例实施方式的过压保护组件1400的立体图。图14C中所示的组件1400类似于图14A-14B中所示的组件1400，除了它还包括挡板1417a、1417b。

挡板1417a、1417b是由绝缘材料形成的物理结构，并且被配置为将部件1401a、1401b、1401c彼此分隔。在一些实施方式中，挡板1417a、1417b被配置为防止电弧电流形成在部件1401a、1401b、1401c之间。另外，在一些实施方式中，挡板1417a、1417b被配置为在防止在电弧电流期间从一个部件1401a、1401b、1401c排出的等离子体和其他材料到达其他的部件1401a、1401b、1401c。

图14E是根据另一个示例实施方式的导体1455a、1455b、电极1460a、1460b以及火花隙1456的侧视图。导体1455a、1455b是导体1405a、1405b的替选实施方式，电极1460a、1460b是电极1410a、1410b的替选实施方式，并且火花隙1456是火花隙1406a的替选实施方式。在组件1400的一些实施方式中，一些或者所有组件1401a、1401b、1401c包括导体1455a、1455b、电极1460a、1460b以及火花隙1456，而不包括导体1405a、1405b、电极1410a、1410b以及一个火花隙1406a、1406b、1406c。

导体1455a、1455b包括上部1468a、1468b和下部1469a、1469b。另外地，导体1455a、1455b形成电极1460a、1460b，其确定火花隙1456a。上部1468a、1468b彼此成角度分离，以致在电弧形成在火花隙1456a之后，电弧将爬升上部1468a、1468b并且当电弧这样做时将消散更多的能量。在一些实施方式中，上部1468a、1468b具有2.5英寸的长度。在其他的实施方式中，上部1468a、1468b更短或者更长。在一些实施方式中，相比下部1469a、1469b，上部1468a、1468b由不同材料形成。在这些实施方式中，通过使用银钎焊工艺，上部1468a、1468b被连接到下部1469a、1469b，如同参考图11A-11B所说明和描述的那样。

在图14E中，电极1460a、1460b具有弯曲的表面，该弯曲的表面具有半径R。在一些实施方式中，半径R是2英寸。在其他的实施方式中，半径R是1-3英寸。在电极1460a、1460b的另外的实施方式中，半径R更小或者更大。

电极1460a、1460b被配置为在超过火花隙1456a的击穿电压时跨过火花隙1456a起动电弧电流。如前面所述，火花隙1456a的击穿电压基于它的宽度。通常，来自电极1460a、1460b的材料通过由电弧电流产生的热和等离子体被烧蚀。这造成火花隙1456a变宽并且因此造成击穿电压增加。由于电极1460a、1460b的弯曲表面，电弧将在弯曲表面周围移动并且将仅最低程度地烧蚀表面上的单个点。因此，在此实施方式中，电极1460a、1460b可以具有长寿命并且可以被重复利用于许多接地故障情况。

图14F是根据另一个示例实施方式的导体1475a、1475b、电极1480a、1480b和火花隙1476的侧视图。导体1475a、1475b是导体1405a、1405b的替选实施方式，电极1480a、1480b是电极1410a、1410b的替选实施方式，并且火花隙1476是火花隙1406a的替选实施方式。在组件1400的一些实施方式中，一些或者所有组件1401a、1401b、1401c包括导体1475a、1475b、电极1480a、1480b和火花隙1476，而不包括导体1405a、1405b、电极1480a、1480b以及一个火花隙1406a、1406b、1406c。

导体1475a、1475b包括上部1488a、1488b和下部1489a、1489b。图14F中所示的实施方式类似于图14E中所示的实施方式，除了电极1480a、1480b的表面是平坦的而不是弯曲的。在一些实施方式中，电极1480a、1480b的顶部通过比电极1410a、1410b的底部更小的距离被分隔。例如，在一些实施方式中，电极1480a、1480b的顶部通过宽度W1被分隔并且电极1480a、1480b的底部通过稍微较大的第二宽度W2被分隔。在一些实施方式中，宽度W1是3.9毫米并且宽度W2是4.3毫米。在一些实施方式中，电极1480a、1480b的平坦的表面具有高度H。在一些实施方式中，高度H是1英寸。然而，具有其他高度和其他第一和第二宽度的其他实施方式也是可能的。在初始高接地故障电压期间，电弧电流将形成在电极1480a、1480b的顶部。由于在高接地故障电流情况期间材料被烧蚀，电弧将在火花隙1476中的较低的位置开始。

图15A是根据另一个实施方式的过压保护组件1500的立体图。组件1500是圆形的并且包括多个部件1501a、1501b、1501c、电路引线1502a、1502b、下板1503、上板1504、支柱绝缘体1507a、1507b、1507c和下绝缘体1523a、1523b、1523c。部件1501a、1501b、1501c围绕组件1500被相等地间隔开，互相分隔120度的角度，并且与电路引线1502a、1502b并联连接。另外，每个部件1501a、1501b、1501c包括形成成对的电极以及火花隙1506a、1506b、1506c的成对的导体(这些元件在图15B中被最佳地显示)。虽然三个部件被显示在此图中，但是其他的实施方式包括更多或更少的部件。

下板1503是由刚性导电材料形成的圆盘状结构。类似地，上板1504也是由刚性导电材料形成的圆盘状结构。在一些实施方式中，下板1503和上板1504中的一个或两个不是圆的而是具有不同的形状，比如矩形。部件1501a、1501b、1501c被配置和固定在下板1503和上板1504之间。

支柱绝缘体1507a、1507b、1507c是由刚性绝缘材料形成的刚性结构并且被配置为将上板1504固定到下板1503上。通过支柱绝缘体1507a、1507b、1507的高度c，上板1504与下板1503分隔。在一些实施方式中，支柱绝缘体1507a、1507b、1507c是8英寸高并且直径为4英寸。在其他的实施方式中，支柱绝缘体1507a、1507b、1507c更高或更矮或具有不同的直径。

下绝缘体1523a、1523b、1523c是由刚性绝缘材料形成的刚性结构，并且被配置为支撑组件1500。下绝缘体1523a、1523b、1523c被固定到下板1503。

图15B是过压保护组件1500的另一个立体图。在图15B中，上板1504没有被显示以提供部件1501a、1501b、1501c和支柱绝缘体1507a、1507b、1507c的更加清晰的视图。同样显示的是圆柱形防护件1513a、1513b、1513c和绝缘盘1514a、1514b、1514c。

部件1501a、1501b、1501c包括上导体1505a、1505b、1505c、下导体1508a、1508b、1508c以及半圆柱防护件1512a、1512b、1512c。在一些实施方式中，上导体1505a、1505b、1505c和下导体1508a、1508b、1508c具有1-1.5英寸的直径。上导体1505a、1505b、1505c和下导体1508a、1508b、1508c被垂直地定向。上导体1505a、1505b、1505c的底部形成上电极1510a、1510b、1510c。类似的，下导体1508a、1508b、1508c的顶部形成下电极1511a、1511b、1511c。火花隙1506a、1506b、1506c是被形成在每个部件1501a、1501b、1501c中的上电极1510a、1510b、1510c和下电极1511a、1511b、1511c之间的垂直的间隙。通过下夹具1517a、1517b、1517c(在图15C-15D中被最佳地显示)，下导体1508a、1508b、1508c被固定到下板。下夹具1517a、1517b、1517c可以被用来单独地调节下导体1508a、1508b、1508c的高度，并且因此调节火花隙1506a、1506b、1506c的尺寸。在一些实施方式中，组件1500被配置为使得每个火花隙1506a、1506b、1506c具有不同的尺寸并且因此具有不同的击穿电压。另外，在一些实施方式中，代替升高或下降下导体1508a、1508b、1508c，或者除了升高或下降下导体1508a、1508b、1508c之外，通过使用上夹具1515a、1515b、1515c，上导体1505a、1505b、1505c被升高和下降。

半圆柱防护件1512a、1512b、1512c是具有中空半圆柱的形状的结构，并且由导电或绝缘材料形成。半圆柱防护件1512a、1512b、1512c被设置在上导体1505a、1505b、1505c的内侧周围。半圆柱防护件1512a、1512b、1512c被配置为防止来自一个部件的电弧在另一个部件中起动电弧。半圆柱防护件1512a、1512b、1512c也被配置为防止当电弧被形成时被排出的等离子体和材料到达支柱绝缘体1507a、1507b、1507c。另外，当电弧电流朝向组件1500外侧形成时，半圆柱防护件1512a、1512b、1512c引导产生的爆炸。半圆柱防护件1512a、1512b、1512c被垂直地定向并且被固定到上板1504且从上板1504垂悬。半圆柱防护件1512a、1512b、1512c不会延伸到下板1503，并且因此不会提供形成导电路径(即短路)的表面，在电弧现象期间，导电路径由被沉积的材料形成。

圆柱形防护件1513a、1513b、1513c是具有中空圆柱体形状的物理结构，并且由导电或绝缘材料形成。圆柱形防护件1513a、1513b、1513c被设置在支柱绝缘体1507a、1507b、1507c周围。当电弧被形成在部件1501a、1501b、1501c中时，圆弧形防护件1513a、1513b、1513c被配置为防止排出的等离子体和材料沉积在支柱绝缘体1507a、1507b、1507c上。圆柱形防护件1513a、1513b、1513c被垂直地定向且被固定到上板1504和从上板1504垂悬。圆柱形防护件1513a、1513b、1513c不延伸到下板1503，并且因此不提供形成导电路径(即短路)的表面，在电弧现象期间，该导电路径由沉积的材料形成。

绝缘盘1514a、1514b、1514c是被设置在圆柱形防护件1513a、1513b、1513c和上板1504之间的圆盘形物理结构，并且由绝缘材料形成。在一些替选实施方式中，其他类型的圆盘可以被使用，比如导电圆盘。在一些实施方式中，绝缘盘1514a、1514b、1514c是0.5-1英寸厚。绝缘盘1514a、1514b、1514c被配置为进一步使得导电路径形成的可能性最小化或者消除该可能性，由于在电弧现象期间排放的材料，该导电路径将形成在上板1504和下板1503之间。

图15C-15D是从组件1500下方观察的立体图。上板1504没有被显示在这些附图中。顶板1519和下夹具1517a的调节机构1518a被显示在此图中。

顶板1519是圆锥形物理结构并且被配置为防止雨水或雪进入组件1500。

调节机构1518a是下夹具1517a的构件并且被配置为可调地控制下夹具1517a的紧固性。当通过使用调节机构1518a放松下夹具1517a时，下导体1508a的位置可以被调节。当通过使用调节机构1518a紧固下夹具1517a时，下导体1508a被牢牢地保持在适合的位置，并且不能被移动或调节。在一些实施方式中，调节机构1518a包括翼形螺钉。调节机构1518a的其他实施方式也是可能的。下夹具1517b、1517c也包括调节机构。

图15E是从组件1500的顶板1519和笼1520下方观察的立体图。笼1520是围绕部件1501a、1501b、1501c的物理结构并且被配置为防止人和物接触部件1501a、1501b、1501c。在一些实施方式中，笼1520不是实心的，而是具有开口以允许在电弧现象期间释放的压力、材料和气体逸出。

图15F是组件1500的笼1520的立体图。笼由环1521a、1521b形成，环1521a和环1521b通过包括柱状体1522a、1522b、1522c的多个柱状体连接。笼1520的其他实施方式是可能的。

图16是根据另一个实施方式的过压保护系统1600的电路图。系统1600包括过压保护组件1601和自检组件1602。通过使用自检组件1602，电力系统操作者可以确定如果半导体闸流管(或者MOV)操作失败之后发生接地故障，则组件1601将提供保护。

组件1601是被配置为保护电力系统免于过压现象的系统。在一些实施方式中，组件1601附接变压器中性线。在一些实施方式中，组件1601是火花隙。在其他的实施方式中，组件1601是在此公开的其他组件之一。

自检组件1602包括电压源1603、电压探针1604、保险丝1605以及电流探针1606，一些实施方式不包括电流探针1606。

电压源1603是能够产生高压的电压源。在一些实施方式中，电压源1603是交流电压源。

在操作中，电压源1603被用来施加高电压和受限的电流到组件1601，以允许组件1601的击穿电压的测量。电压源1603随时间增大被施加到组件1601的电压。例如，在一些实施方式中，电压在0.2-0.5秒内被增加。当击穿发生时，只有来自电压源1603的受限的电流将被允许流动通过组件1601。在一些实施方式中，这通过使用不能够供应大电流的电压源1603而被实现，比如一些交流电压源。

火花隙的击穿电压可以随电压增加通过使用电压探针1604监测电压而被确定，以确定击穿电压发生的电压电平。以这样的方式，组件1601的操作可以被验证及确认以达到特定的击穿电压需求。在一些实施方式中，确定的击穿电压继而被发送到电力系统操作者和/或发送到管理控制和数据采集(SCADA)系统。

在罕见的情况下，组件1601通过电力系统接地故障被激活，保险丝1605打开以保护电压源1603。

在替选实施方式中，电压源1603是直流电压源，其也被配置为随时间(比如，在一些实施方式中在0.2-0.5秒内)增加电压。在此实施方式中，电流探针1606监测电流并且当电流被检测到时使电压源1603失效。

主要参考图1-16，应当注意的是，在替选实施方式中，一个或多个设置特征可以被排除。例如，在一个可能的实施方式中，电涌放电器和雅各布天梯可以被集成。在进一步的示例实施方式中，在没有从火花隙延伸的雅各布天梯构造的情况下，电涌放电器和火花隙可以被结合使用。在这样的实施方式中，形成在火花隙中的电弧可以被用来使电能放电，而一旦形成后不易于被传导离开火花隙。应当意识到的是可以开发此理念的其他实施，其原则上采用类似构件的一组或者子集，该类似构件的一组或者子集被并联电连接设置以提供其他构件的保护。

以上详述、示例和数据提供了本发明的组合的制造和使用的完整的描述。由于可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出本发明的许多实施方式，因此本发明归属于所附的权利要求。

Claims (11)

1.一种电气保护装置，包括：

第一电接线；

第二电接线；

第一放电装置，其包括：

被连接到第一电接线的第一导电总线以及被连接到第二电接线的第二导电总线，第一放电装置在第一导电总线的第一电极和第二导电总线的第二电极之间形成第一火花隙，第一电极和第二电极中的每一个至少部分地由消融弹力材料制造，第一电极和第二电极中的每一个具有预定直径的大致圆柱形结构并且汇聚以形成第一火花隙，第一火花隙包括：

击穿区域，其包括各自具有高度的、相对的第一平坦表面和第二平坦表面，其中第一平坦表面和第二平坦表面在顶部通过第一宽度被分隔，并且在底部通过第二宽度被分隔，第二宽度大于第一宽度，使得当高电压和高电流情况发生时，电弧和烧蚀在顶部发生，并且当接下来的高电压和高电流情况发生时，电弧和烧蚀在沿着第一平坦表面和第二平坦表面的最窄的位置处发生；以及

从第一火花隙成角度地延伸的一对招弧角，

其中，当第一导电总线和第二导电总线之间的电压差超过第一击穿电压时，第一电流在第一电极和第二电极之间穿过并且跨过一对招弧角在电力线路频率下、在多个周期内被释放；

第二放电装置，其包括被连接到第一电接线的第三导电总线以及被连接到第二电接线的第四导电总线，第二放电装置在第三导电总线的第三电极和第四导电总线的第四电极之间形成第二火花隙，第三电极和第四电极中的每一个至少部分地由消融弹力材料制造，第二火花隙包括：

第二击穿区域；以及

从第二火花隙成角度地延伸的第二对招弧角，

其中，第二放电装置具有第二击穿电压，其中，当第三导电总线和第四导电总线之间的电压差超过第二击穿电压时，第二电流在第三电极和第四电极之间穿过并且跨过第二对招弧角在电力线路频率下、在多个周期内被释放；以及

支撑结构，其包括：

多个底座，其构造为在电力线路频率下的多个周期内承受基于跨过第一火花隙和第二火花隙中的至少一个发生的高电压和高电流情况所产生的洛伦兹力；以及

多个支撑绝缘体元件，其刚性地稳定第一放电装置和第二放电装置并且构造为承受洛伦兹力。

2.根据权利要求1所述的电气保护装置，其中，一对招弧角包括：

第一导体，其包括第一端部和第二端部，第一端部被连接到击穿区域的第一侧；

第二导体，其包括第一端部和第二端部，第一端部被连接到击穿区域的第二侧；并且

其中，第一导体的第二端部和第二导体的第二端部之间的距离大于第一导体的第一端部和第二导体的第一端部之间的距离。

3.根据权利要求1所述的电气保护装置，其中，第一电接线被连接到接地端子，并且第二电接线被连接到电力传输线或者被连接到变压器的中性点。

4.根据权利要求1所述的电气保护装置，其中，第一电接线和第二电接线被连接到电气系统。

5.根据权利要求1所述的电气保护装置，其中，第一电接线和第二电接线被连接到电容器组。

6.一种电气保护装置，包括：

第一电接线；

第二电接线；

第一火花隙，其被形成在第一电极和第二电极之间，第一电极和第二电极中的每一个具有预定直径的大致圆柱形结构，第一电极被连接到第一电接线且第二电极被连接到第二电接线，其中，第一火花隙包括各自具有高度的、相对的第一平坦表面和第二平坦表面，其中第一平坦表面和第二平坦表面在顶部通过第一宽度被分隔，并且在底部通过第二宽度被分隔，第二宽度大于第一宽度，使得当高电压和高电流情况发生时，电弧和烧蚀在顶部发生，并且当接下来的高电压和高电流情况发生时，电弧和烧蚀在沿着第一平坦表面和第二平坦表面的最窄的位置处发生；

第一对招弧角，其从第一火花隙延伸，并且被定位为在电力线路频率下的多个周期的释放持续时间内传导形成于第一火花隙的电弧远离第一火花隙；

第二火花隙，其被形成在第三电极和第四电极之间，第三电极被连接到第一电接线且第四电极被连接到第二电接线；

第二对招弧角，其从第二火花隙延伸，并且被定位为在电力线路频率下的多个周期的释放持续时间内传导形成于第二火花隙的电弧远离第二火花隙；以及

支撑结构，其被定位为支撑第一火花隙、第一对招弧角、第二火花隙以及第二对招弧角，该支撑结构被构造为在电力线路频率下的多个周期内承受由第一击穿电压或第二击穿电压的发生而产生的洛伦兹力，第一击穿电压或第二击穿电压响应于高电压和高电流情况的发生而发生。

7.根据权利要求6所述的电气保护装置，其中，第一电接线被连接到接地端子，并且第二电接线被连接到电力传输线或者被连接到变压器的中性点。

8.根据权利要求6所述的电气保护装置，进一步包括：

第一绝缘支撑结构，其中第一电极被安装在第一绝缘支撑结构中；

第二绝缘支撑结构，其中第二电极被安装在第二绝缘支撑结构中；以及

绝缘支柱，其中绝缘支柱被设置在第一绝缘支撑结构和第二绝缘支撑结构之间。

9.根据权利要求8所述的电气保护装置，进一步包括：

圆柱形防护件，其中，圆柱形防护件围绕绝缘支柱的部分，并且其中，圆柱形防护件不围绕整个绝缘支柱。

10.根据权利要求6所述的电气保护装置，进一步包括被设置在第一火花隙和第二火花隙之间的挡板，其中挡板由绝缘材料形成。

11.一种电气保护装置，包括：

第一电接线；

第二电接线；

第一火花隙，其被形成在第一电极和第二电极之间，第一电极和第二电极中的每一个具有预定直径的大致圆柱形结构，第一电极被连接到第一电接线且第二电极被连接到第二电接线，其中，第一火花隙包括各自具有高度的、相对的第一平坦表面和第二平坦表面，其中第一平坦表面和第二平坦表面在顶部通过第一宽度被分隔，并且在底部通过第二宽度被分隔，第二宽度大于第一宽度，使得当高电压和高电流情况发生时，电弧和烧蚀在顶部发生，并且当接下来的高电压和高电流情况发生时，电弧和烧蚀在沿着第一平坦表面和第二平坦表面的最窄的位置处发生；

第一雅各布天梯，其从第一火花隙延伸并且被定位为在电力线路频率下的多个周期的释放持续时间内传导形成于第一火花隙的电弧远离第一火花隙；

第二火花隙，其被形成在第三电极和第四电极之间，第三电极被连接到第一电接线且第四电极被连接到第二电接线，其中，第二火花隙具有被选择为响应于高电压和高电流情况而形成电弧的宽度；

第二雅各布天梯，其从第二火花隙延伸并且被定位为在电力线路频率下的多个周期的释放持续时间内传导形成于第二火花隙的电弧远离第二火花隙；

第三火花隙，其被形成在第五电极和第六电极之间，第五电极被连接到第一电接线且第六电极被连接到第二电接线，其中，第三火花隙具有被选择为响应于高电压和高电流情况而形成电弧的宽度；

第三雅各布天梯，其从第三火花隙延伸并且被定位为在电力线路频率下的多个周期的释放持续时间内传导形成于第三火花隙的电弧远离第三火花隙；

其中，第一电接线被连接到接地端子，并且第二电接线被连接到电力传输线或者被连接到变压器的中性点；

所述电气保护装置还包括支撑结构，其被定位为支撑第一火花隙、第一雅各布天梯、第二火花隙、第二雅各布天梯、第三火花隙以及第三雅各布天梯，以在电力线路频率下的多个周期内承受由高电压和高电流情况的发生而产生的洛伦兹力。