CN105900299B - 具有火花隙的过压保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种过压保护装置，具有火花隙(9)和用于触发火花隙的激光器(210)。所述激光器(210)与光学的延展元件(218)的入口(226)相连接，所述延展元件(218)用于在时间上延长由激光器产生的激光脉冲(310)。延展元件(218)的出口(230)与光学的传导纤维(15’)的端部、尤其与光波导体(15’)的端部相连接。传导纤维(15’)的第二端部与光学的压缩元件(238)的入口(234)相连接，所述压缩元件(238)用于在时间上压缩激光脉冲(410)，并且压缩元件(238)的出口(242)与所述火花隙(9)相连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有火花隙和用于触发火花隙的激光器的过压保护装置。
背景技术
由公开文献DE 10 2004 002 582 A1已知这样的过压保护装置。在这种已知的过压保护装置中，在电绝缘设计的平台上设置火花隙，其中，这种平台处于高压电位。为了触发火花隙将激光脉冲借助光波导体导向火花隙。但是，这里存在的问题是，高能量的激光脉冲(其对于触发火花隙是必需的)通过较高的局部强度能够损害光波导体。为了避免光波导体受损，在已知的过压保护装置中必须使用能负载高能量的、并因此较贵的光波导体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供上述类型的过压保护装置和用于触发火花隙的方法，它们是成本低廉的。
所述技术问题根据本发明通过一种过压保护装置解决，所述过压保护装置具有火花隙和用于触发火花隙的激光器，其中规定，
-所述激光器与光学的延展元件的入口相连接，所述延展元件用于在时间上延长由激光器产生的激光脉冲，
-延展元件的出口与光学的传导纤维的端部、尤其与光波导体的端部相连接，其中，所述传导纤维无激光活性介质
-传导纤维的第二端部与光学的压缩元件的入口相连接，所述压缩元件用于在时间上压缩激光脉冲，并且
-压缩元件的出口与所述火花隙相连接，并且所述压缩元件作为所述火花隙的部件。
所述技术问题根据本发明还通过一种借助激光器触发火花隙的方法解决，其中，通过前述类型的过压保护装置实施所述方法，在所述方法中，
-在时间上延长由所述激光器产生的激光脉冲，
-借助光学的传导纤维、尤其借助光波导体传送在时间上被延长的激光脉冲，其中，所述传导纤维无激光活性介质，
-在传送完成后，将在时间上被延长的激光脉冲在时间上压缩，并且
-将在时间上被压缩的激光脉冲导入所述火花隙。
在此公开了一种过压保护装置，其具有火花隙(它具有相互对置的电极)和用于触发火花隙的激光器，其中，所述激光器与光学的延展元件的入口相连接，所述延展元件用于在时间上延长由激光器产生的激光脉冲，延展元件的出口与光学的传导纤维的端部、尤其与光波导体的端部相连接，传导纤维的第二端部与光学的压缩元件的入口相连接，所述压缩元件用于在时间上压缩激光脉冲，并且压缩元件的出口(光学地)与所述火花隙相连接。在此特别有利地是，光学的传导纤维只需要传递在时间上被延长的激光脉冲。以这种方式，在光学的传导纤维中出现的最大局部能量密度(相对于在时间上未延长的激光脉冲的传导)被明显地减少了。因此，避免了光学的传导纤维的损伤和/或延长了传导纤维的使用寿命。此外有利地是，在传导纤维的第二端部上安置光学的压缩元件，该压缩元件在时间上压缩激光脉冲。因此，在压缩元件的出口处形成这样的激光脉冲，它再次具有较大的最大能量密度。因此，能够借助这种激光脉冲安全地触发火花隙。
如此设计过压保护装置，使得所述压缩元件的(光学)出口朝向火花隙的至少一个电极或者朝向在火花隙的两个电极之间的空隙定向。通过压缩元件的这样的定向能够有利地确保，借助压缩的激光脉冲能够安全地和可靠地触发火花隙。
如此实现过压保护装置，即激光器是脉冲激光器、尤其飞秒激光器。借助脉冲激光器、尤其借助飞秒激光器能够产生非常短的激光脉冲，因而有效地应用激光脉冲在时间上的延长和激光脉冲随后在时间上的压缩。
如此实现过压保护装置，即所述传导纤维无激光活性介质。由此可以使用简单且成本低廉的传导纤维、尤其使用简单且成本低廉的光波导体。
如此实现过压保护装置，使得所述火花隙和压缩元件安置在电绝缘设计的平台上，所述平台处于(电气)高压电位(并且该平台设置用于支承至少一个电气构件，该电气构件被保护免受高压)，并且所述激光器与地电位相连。在此特别有利地是，处于地电位的激光器能够被简单地和成本低廉地供应电能。例如，这种激光器能够连接在通常的交流电-能量供应网络上，并且以这种方式和方法被供应电能。随后，激光脉冲通过传导纤维、尤其通过光波导体被传递到平台。由于通过传导纤维/光波导体实现的电流分离，则不会在处于地电位的激光器和处于高压电位的平台之间造成不希望的影响。
如此实现过压保护装置，使得所述延展元件安置在所述平台的外部，并且所述传导纤维将所述延展元件与所述平台、尤其与所述压缩元件相连接。在此，借助传导纤维实现在安置在平台外部的延展元件和平台之间的电流隔离。
如此实现过压保护装置，即在压缩元件和火花隙之间安置用于聚焦被压缩的激光脉冲的光学器件。借助这种光学器件能够将激光脉冲/激光辐射聚焦在火花隙上，从而能够安全地和可靠地触发火花隙。
还如此实现过压保护装置，使得压缩元件刚性地(即尤其不可运动地)连接在火花隙上。在压缩元件和火花隙之间的这种刚性联接具有这样的优点，即在恶劣条件的日常运行中(其中例如可能存在震动或者颤抖)激光辐射/激光脉冲始终安全地导入火花隙中。通过在压缩元件和火花隙之间的刚性连接还可确保，激光辐射总是以相同的角度入射在火花隙的电极之间的空间中或射到电极上。这样的在压缩元件和火花隙之间的刚性或不可运动的连接还能够被称为“准单片集成的”联接。
还如此实现过压保护装置，即所述火花隙是用于触发主火花隙的触发电路的一部分。由此能够有利地实现，借助激光器首先触发较小功率的火花隙，随后该火花隙用于触发较大功率的主火花隙。
此外还公开了一种借助激光器触发火花隙(它具有相互对置的电极)的方法，其中，在所述方法中，在时间上延长由所述激光器产生的激光脉冲，借助光学的传导纤维、尤其借助光波导体传送在时间上被延长的激光脉冲，在传送完成后，将在时间上被延长的激光脉冲在时间上压缩，并且将在时间上被压缩的激光脉冲导入所述火花隙。
如此设计这种方法，即，将在时间上被延长的激光脉冲借助光学的传导纤维传送到电绝缘设计的平台上，所述平台处于高压电位(并且该平台设置用于支承至少一个电气构件，该电气构件被保护免受高压)
如此设计所述方法，即，所述火花隙和压缩元件安置在所述平台上，并且所述激光器与地电位相连。
这种方法变形方案具有同样的优点，与在上面结合过压保护装置给出的优点一样。
附图说明
下面根据实施例详细地阐述本发明，在附图中：
图1示出根据现有技术的过压保护装置，
图2示出根据本发明的过压保护装置和方法的实施例，
图3示出示例性的激光脉冲，
图4示出示例性的被延长的激光脉冲，和
图5示出示例性的被延长和再次被压缩的激光脉冲。
具体实施方式
在图1中示出由公开文本DE 10 2004 002 582 A1已知的过压保护装置1。这种过压保护装置1具有配备两个主电极3的主火花隙2。过压保护装置1被安置在电绝缘设计的平台4上，该平台通过柱形的(图中未示出)绝缘体支承在处于地电位的外部环境中。下部的主电极3与平台4处于相同的电势，例如与平台4的高压电势电联接。上部的主电极3处于另外的电势，例如处于高压三相电网的高压电位。在主电极3之间存在处于例如几百kV数量级的电压，例如160kV。
与主火花隙2并联这样的电气或电子构件，其借助主火花隙2能够被过压保护。这些构件例如可以是电容器(这些待保护的构件在附图中未示出)。
为了触发主火花隙2，设置了带有触发电极6的触发电路5，其中，触发电路5具有配备第一电容器7和第二电容器8(触发电容8)的电容分压器。第二电容器8能够通过并联支路被桥接。在并联支路中安置火花隙9(触发火花隙9)和与之串联的欧姆电阻10。为了实现触发火花隙9的触发，设置光纤激光器17，它的激光脉冲借助光波导体15被传导到触发火花隙9。
保护设备13和泵浦激光器14处于地电位。泵浦激光器14用于泵浦光纤激光器17。保护设备(保护技术设备)13与图中未示出的测量传感器/感应器，例如电压传感器相连接，从而能够将在待检测的构件上的电压降的测量数值传导给保护设备13，并且能够识别保护设备13的过压。
光纤激光器17的激光脉冲称为触发光。激光脉冲通过光波导体15给传送给触发火花隙9。该激光脉冲具有如此强度，使得可以在触发火花隙9中产生光学击穿，并且由此激发触发火花隙。为了避免光波导体15被这种强度的和高能量的激光脉冲损伤，光波导体15必须进行相应的加强和能量稳定，由此造成光波导体15的高昂成本。
在图2中示出根据本发明的过压保护装置200的实施例。这种过压保护装置200具有与图1所示相一致的主火花隙2、上部和下部主电极3、平台4(高压平台4)、触发电路5、触发电极6、第一电容器7、第二电容器8、火花隙9(触发火花隙9)、欧姆电阻10和保护设备13。此外，过压保护装置200还具有激光器210，它与(未单独示出的)泵浦源都处于地电位260。激光器210例如是脉冲激光器、尤其飞秒激光器(它是一种激光器，发送在时长在飞秒范围内的激光脉冲)。激光器210处于地电位260，并且位于平台4的外部。激光器210的泵浦源能够设计为通常的泵浦源，它例如借助激光二极管产生泵浦光线。
与根据图1所示的过压保护装置不同之处在于，由激光器210产生的激光脉冲借助光学的延展元件218在时间上被延长。为此，将激光器210的出口222与延展元件218的入口226光学连接。延展元件218的出口230与光学传导纤维15’的端部相连接。光学传导纤维15’的第二端部与光学压缩元件238的入口234相连接。借助这个压缩元件238将延伸的激光脉冲在时间上压缩，从而激光脉冲(在理想情况下)再次回到它的原始形式。压缩元件238的出口242与触发火花隙9相连接，压缩元件238的出口242尤其光学地联接在触发火花隙9上。压缩元件238直接地安置在触发火花隙9上，从而被压缩元件238压缩的激光脉冲直接地到达火花隙9。
压缩元件238联接在火花隙9上。有利地是，压缩元件238刚性地(即不能运动地)联接在火花隙9上，从而激光辐射始终在相同的条件下(相同的入射角等)射入火花隙。压缩元件238甚至能够作为火花隙9的部件。压缩元件238在火花隙9上刚性的(准单片集成的)固定保证了在火花隙内的激光聚焦位置上尽可能不受外部(例如震动)影响。
火花隙9可以是封闭的火花隙，它被安置在壳体内。火花隙9具有第一电极246和第二电极248；电极246和248相互对置。在第一电极246和第二电极248之间能够激发电弧。压缩元件238刚性地与火花隙9相连接。在此，压缩元件238的光学出口242朝向第一电极246和/或朝向第二电极248指向；压缩元件238的光学出口242还能够朝向在火花隙9的电极246和248之间的空隙指向。因此，由压缩元件238辐射出的激光辐射(压缩的激光脉冲)到达电极246和/或248，或者进入在电极246和248之间的空隙内。
激光器210和延展元件218在空间上与平台4、压缩元件238和火花隙9远离地布置。这个空间上的距离借助传导纤维15’桥接。传导纤维15’在实施例中是光波导体15’。在此特别有利地是，光波导体15’不必传导激光器210的极短的、具有较高能量密度的激光脉冲。更确切地说，有利地利用光波导体15’只将时间上延长的激光脉冲传导到平台上，这种激光脉冲具有相对较低的能量密度。因此，光波导体15’能量技术上相对较轻地被负载，从而能够使用成本低廉的光波导体。作为这样的光波导体15’不具有激光活性介质，光波导体不具有激光活性介质。因此，在此能够使用成本低廉的光波导体。
根据图2所示在将延长的激光脉冲传导到平台4上的情况，在光波导体15’内的激光脉冲的局部强度、相对于根据图1所示传导激光辐射的情况下在光波导体15内的局部强度，被明显降低。因此，能够使用成本低廉的光波导体和/或基于较低的损耗延长光波导体的纤维的使用寿命。作为在光波导体15’的端部上的独立构件的与光波导体15’无关的激光器210和压缩元件238的设计方案，还能够实现更好的可调节性和维修操作、并且使得压缩元件和/或激光器的更换或维修更简单。
过压保护装置的部件的部分冗余的设计能够更容易实现。例如，出于安全原因能够从延展元件218到平台4铺设两个冗余的光波导体15’，其中，在平台4上只存在一个压缩元件238。可选地，光波导体15’(例如借助另外的激光器不同的波长)能够监视是否存在击穿。这种监视可特别简单地实现，因为光波导体15’没有激光活性介质。
可选地，在压缩元件238上能够设置用于聚焦激光脉冲/激光辐射的光学器件252(该光学器件例如包括一个或多个聚焦透镜)，从而能够目标精确地将激光辐射引入火花隙9中。但是，还能够省略光学器件。同样可选地是，还能够使用激光器的作为这种已知的自聚焦性。
电绝缘设计的、处于高压电势的平台4承载火花隙9以及压缩部件238。此外，这种平台4承载电气或电子构件，该构件借助过压保护装置得到过压保护。通过将激光器20设置在地电位260，则不需要激光器210的(昂贵的和成本高的)电能存储装置处于平台4的高压电势256。这也会导致明显的成本优势。
过压保护装置200或用于触发火花隙9的方法都关注于：一旦保护设备13识别到在待保护的构件上的过压，则保护设备向激光器210输出信号，由此激光器210形成具有较高能量密度的短激光脉冲。这样的较短的激光脉冲在图3中被示出。这种激光脉冲被朝向延展元件218，并且在延展元件中被在时间上延长。在延展元件218的出口230处，时间上被延长的激光脉冲随后具有在图4中所示的形式。这种被延长的激光脉冲随后被输送到光波导体15’中并且被传送至平台4。延长的激光脉冲由此到达压缩元件238。压缩元件238在时间上压缩激光脉冲，从而在压缩元件的出口242处的激光脉冲具有如图5所示的形式。在理想情况下，在压缩元件238的出口242处的激光脉冲再次具有与在延展元件238的出口242处的相同的形式。激光脉冲由此能够可选地借助光学器件252被聚焦。激光脉冲随后被输送到火花隙9内。由于激光脉冲/激光辐射255触发了火花隙9，即它开始点燃了在火花隙的第一电极246和第二电极248之间的电弧。
通过这种被触发的火花隙9(即通过点燃的电弧)桥接触发电路5的第二电容器8。因此，触发电极6几乎处于平台4的电势。因为在触发电极6和上部主电极3之间的距离小于在两个主电极3之间的距离，所以电弧开始在上部主电极3和触发电极6之间点燃。由于这种电弧第一电容器7被桥接，因此第二电容器8能够被再次放电。一旦第二电容器8具有足够高的电容电压，则电弧开始在触发电极6和下部主电极3之间点燃，因而现在主火花隙2被完全地点燃。因此，与主火花隙2并联的待保护的构件(它在图2中未示出)得到过压保护。
由激光器210产生的激光脉冲也在进入传导纤维15’之前被在时间上延长。因此，在传导纤维15’内的激光脉冲的最大能出现的局部能量密度被降低，从而避免了对传导纤维的损伤。
用于在时间上延长激光脉冲的这种已知的方法是所谓的“啁啾”(Chirpen)：短的激光脉冲由较宽的彩色光谱组成。在“啁啾”中，在穿过不同的媒介时使用单一颜色的不同的运行时间。在较短的激光脉冲穿过特定的格栅装置或者棱镜装置或者借助特别的混合镜子(“啁啾镜子”)时，形成所谓的“负啁啾”的脉冲，它的长波(红色)的频率部件在短波(蓝色)的频率部件后面运行。这种“负啁啾”脉冲在时间上被延长，参见图4。这种格栅装置、棱镜装置或者混合镜子也是延展元件218的示例。在图2中，延展元件218就表示为棱镜装置。
在激光脉冲穿过离散的媒介(例如穿过石英)时形成所谓的“负啁啾”脉冲，它的短波(蓝色)频率部件在长波(红色)频率部件之后运行。这种“负啁啾”的脉冲在时间上被压缩，参见图5。较薄的石英块是用于压缩元件238的示例。
作为压缩元件238也能够将简单的光学构件安置在光导纤维的端部上，该光学构件例如包括薄的石英块。可选地是，在石英块上安置聚焦透镜。在较大的脉冲波长的情况下，但是例如还能够使用声光学上的分散过滤器作为压缩元件和/或延展元件。
在图3中示出在激光器210的出口22上的示例性的激光脉冲310的原理图。在此，强度I(即每单位时间和面积的能量)关于时间t的变化被标示。
图4示出时间上被延长的激光脉冲410的示例图，如在延展元件218的出口230上出现的激光脉冲。很明显可以看到激光脉冲410的时间上的延长。这种激光脉冲410的时间上的延长会导致，最大强度I相对于图3的未延长的激光脉冲310被明显地降低。
图5示出例如时间上被压缩的激光脉冲255的示意图，如在压缩元件238的出口242上出现的一样。很明显可以看到，以图4的激光脉冲410相比，激光脉冲255在时间上被压缩。这种激光脉冲255的时间上的压缩会导致，最大强度I与图4的被延长的激光脉冲410相比再次被放大。这种时间上被压缩的激光脉冲在实施例中还与原始的激光脉冲310相一致。
在另外的(图中未示出)实施例中，借助激光器210还能够直接地触发主火花隙2。因为在主火花隙2中能够出现比在火花隙9中更高的能量(尤其有更大的电流和出现更高的温度)，所以在这种情况下压缩元件238相应地免受过热。
尤其能够使用所述的过压保护装置保护构件/结构元件(例如电容器或者导体)，这些构件/结构元件与主火花隙2并联布置。例如，在用于高压交流电网的成批部件设备中，这样的具有火花隙的过压保护装置被用于保护电容器台和/或导体台。成批部件设备以及火花隙在此位于相对于地势绝缘的高压平台4上。具有监视电子件的线路维护装置(例如保护设备)在此不位于平台4上，而是位于地面258上，即处于地电位260。激光器210同样地被安装在地面258上，即处于地电位260。
在所述的过压保护装置中，激光脉冲在接入传导纤维15’中之前受控地借助延展元件218在时间上被延长。以这种方式，通过激光脉冲在光波导体15’中形成的最大局部能量密度被降低，由此避免光波导体的不可逆的损伤或者延长了光波导体15’的使用寿命。在被延长的激光脉冲穿过传导纤维15’(在此穿过光波导体)之后，在压缩元件238内的激光脉冲再次在时间上被压缩/减短。因此，通过这种时间上被压缩的激光脉冲所出现的局部能量密度再次被满足，以便触发火花隙9。压缩元件238和可选地在此安置的光学器件252能够在传导纤维的端部上以端部块的形式实现，其刚性地(即尤其不可运动地)安置在火花隙9上。
激光脉冲在光波导体/传导纤维15’的局部强度或局部能量密度在传导被延长的激光脉冲410时相对于在传导未延长的激光脉冲310时、即相对于激光器210的原始的激光脉冲310的传导被明显地降低。
在此描述了具有火花隙的过压装置以及用于触发火花隙的方法，借助它们以成本低廉的方法和方式触发火花隙，并且由此能够实现构件的过压保护装置。
Claims (15)
1.一种过压保护装置，具有火花隙(9)和用于触发火花隙的激光器(210)，其特征在于，
-所述激光器(210)与光学的延展元件(218)的入口(226)相连接，所述延展元件(218)用于在时间上延长由激光器产生的激光脉冲(310)，
-延展元件(218)的出口(230)与光学的传导纤维(15’)的端部相连接，其中，所述传导纤维(15’)无激光活性介质
-传导纤维(15’)的第二端部与光学的压缩元件(238)的入口(234)相连接，所述压缩元件(238)用于在时间上压缩激光脉冲(410)，并且
-压缩元件(238)的出口(242)与所述火花隙(9)相连接，并且所述压缩元件(238)作为所述火花隙(9)的部件。
2.根据权利要求1所述的过压保护装置，其特征在于，延展元件(218)的出口(230)与光波导体的端部相连接。
3.根据权利要求1所述的过压保护装置，其特征在于，所述压缩元件(238)的出口(242)朝向火花隙(9)的至少一个电极(246、248)或者朝向在火花隙(9)的两个电极(246、248)之间的空隙定向。
4.根据权利要求1所述的过压保护装置，其特征在于，所述激光器(210)是脉冲激光器。
5.根据权利要求1所述的过压保护装置，其特征在于，所述激光器(210)是飞秒激光器。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的过压保护装置，其特征在于，所述火花隙(9)和压缩元件(238)安置在电绝缘设计的平台(4)上，所述平台(4)处于高压电位(256)，并且所述激光器(210)与地电位(260)相连。
7.根据权利要求6所述的过压保护装置，其特征在于，所述延展元件(218)安置在所述平台(4)的外部，并且所述传导纤维(15’)将所述延展元件(218)与所述平台(4)相连接。
8.根据权利要求7所述的过压保护装置，其特征在于，所述传导纤维(15’)将所述延展元件(218)与所述压缩元件(238)相连接。
9.根据权利要求1所述的过压保护装置，其特征在于，在所述压缩元件(238)和火花隙(9)之间安置有用于聚焦被压缩的激光脉冲(235)的光学器件(252)。
10.根据权利要求1所述的过压保护装置，其特征在于，所述压缩元件(238)刚性地连接在所述火花隙(9)上。
11.根据权利要求1所述的过压保护装置，其特征在于，所述火花隙(9)是用于触发主火花隙(2)的触发电路(5)的一部分。
12.一种借助激光器(210)触发火花隙(9)的方法，其中，通过按照权利要求1至11之一所述的过压保护装置实施所述方法，在所述方法中，
-在时间上延长由所述激光器(210)产生的激光脉冲(310)，
-借助光学的传导纤维(15’)传送在时间上被延长的激光脉冲(410)，其中，所述传导纤维(15’)无激光活性介质，
-在传送完成后，将在时间上被延长的激光脉冲(410)在时间上压缩，并且
-将在时间上被压缩的激光脉冲(255)导入所述火花隙(9)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，借助光波导体传送在时间上被延长的激光脉冲(410)。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将在时间上被延长的激光脉冲(410)借助光学的传导纤维(15’)传送到电绝缘设计的平台(4)上，所述平台(4)处于高压电位(256)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述火花隙(9)和压缩元件(238)安置在所述平台(4)上，并且所述激光器(210)与地电位(260)相连。
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