CN105981242B - 充气火花隙 - Google Patents
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Abstract
一种充气火花隙，包含一限制内部机壳(11)的中空圆筒状绝缘机壳(6)，两个以气密方式配置于绝缘机壳上的密封法兰(25)，两单片金属电极(12)，每个电极包含有以连接杆(8)延伸的一主体(14)，一与电极连接杆相对的端面，端面限制了在内部机壳内分隔两电极的一空气隙(23)，两电极的每个连接杆穿过其中一个法兰的贯穿孔，法兰以气密方式配置于电极上，一种惰性气体充于内部机壳内。
Description
技术领域
本发明涉及所有类型电气线路的防过电压充气火花隙领域，例如极高功率下能源运输电路，或如用于光电装置或者高功率的保护设备。本发明尤其涉及稀有气体的火花隙的领域，用于防止在其它事件中雷击引起的过压的电路保护。
背景技术
任何电源或数据传输网络都会遭受在很多情况下瞬时的过电压。瞬时过电压可以有各种原因，例如雷击，具有不同电压的或工业干扰电力线的损坏，等等。这些网络并未设计为可承受这些瞬时过电压。因此通过在网络的上游安装合适的保护设备来保护它们是必要的。
这种用于供电网络的保护设备一般包含充有稀有气体的火花隙。充气火花隙是在供电网络正常运行下，换句话说在缺乏过电压的情况下，一种通常表现为较高阻值且被看作近乎无限的绝缘电阻的电气元件。当它承受瞬时过电压时，瞬时过电压的值超过某一限定值，限定值被称为火花隙击穿电压，充气火花隙瞬间损毁(击穿)且变为以较低阻抗值导电。那么充气火花隙就等于短路因此允许一个大的对应于瞬时过电压的放电电流短路，以便接地。因此保护位于火花隙下游的电路防止瞬时过电压是可行的，对应于瞬时过电压产生的电流由火花隙引入地下。
发明内容
根据一个实施例，本发明提供一种适合作为电路保护设备的充气火花隙。充气火花隙包含：
-一个中空圆筒状绝缘机壳在两相对端处开口。绝缘机壳由高度绝缘材料制成以抵御电弧的极高温，绝缘机壳例如由陶瓷制成。绝缘机壳限制了充气火花隙的内部机壳，
-两个密封法兰，以气密方式分别配置于绝缘机壳的两相对端，为了以气密方式封闭绝缘机壳的开口。不管怎样，每个法兰都包含一个贯穿孔。
-两单片金属电极。每一片电极包含一个沿外部连接杆延伸的主体。每一片电极的主体都可容纳于绝缘机壳的内部机壳内。每一片电极包含一个与连接杆相对的端面，两电极的端面之间有设于内部机壳内的分隔两电极主体的空气隙。电极的外部杆中的任一个穿过其中一个法兰的贯穿孔，法兰以气密方式配置于电极上以便使气体以气密方式封入内部机壳。外部杆伸出法兰上的密封绝缘机壳外。
-一种惰性气体封于充气火花隙的内部机壳内，也包括在放电隙内。优选的，气体在设定气压下密封。
根据实施例，这样的气密火花隙应包含以下的一个或多个特征。
根据一实施例，任一电极端面的外围部分与绝缘机壳内表面构成一定角度，所述角度向其中一个电极的方向倾斜，通过这样的方式偏转材质凸起至所述电极方向。
根据一实施例，法兰由具有一定膨胀系数的材料制成，膨胀系数接近于外部机壳绝缘材料的膨胀系数。法兰的材料与绝缘机壳的材料膨胀系数的差别举例应少于2×10-6每开尔文(K-1)，优选的少于或等于1×10-6K-1。
根据一实施例，第一电极的端面包含一凹处，且第二电极的端面包含一凸起。
根据一实施例，电极的端面包含互补形状的表面。
封于绝缘机壳的气体应从稀有气体或化学性质不活泼的气体中选取。在一特定实施例中，封于绝缘机壳的气体从包含氮气、氩气、氖气、氢气、氦气、稀有气体以及这些气体的混合物的集合中选取。
电极可由多种金属制成。在一特定实施例中，取决于技术要求电极由从包含铜、钨、铁、它们的合金或其他金属的集合中选取。
根据一实施例，外部杆伸出密封绝缘机壳外且位于法兰之上的一部分设置有螺纹。
根据一实施例，外部杆伸出密封绝缘机壳外且位于法兰之上的无螺纹部分设置有阻断螺旋转动的平坦部分。
根据一实施例，绝缘机壳的开口端包含例如覆盖有镍层的钼锰层，也称为钼-锰，法兰与绝缘机壳的密封由钎焊形成。
根据一实施例，法兰由镍铁合金制成。
根据一实施例，法兰与电极的密封由银铜钎焊形成。
根据一实施例，在环境温度下，法兰的贯穿孔内径大于外部杆外径，以提供膨胀裕量以便允许外部杆的热膨胀大于法兰的热膨胀。
在本发明的特定方面出于在过电压时为充气火花隙提供更好的散热的想法。本发明一方面基于通过作为单片伸出机壳外穿过密封法兰的电极的使用在高强度脉冲时散去产生热量的想法，实际应避免热屏障配置于几种金属部件的交界处。
本发明另一方面是确定由流经火花隙的大电流引起的金属原子凸起的累积位置。超过火花隙一半的定位允许外部中空圆筒状机壳的内表面的另一半从凸起释放。这个定位的重要结论是在两火花隙的连接杆之间保持绝缘特性完整。
本发明另一方面是避免绝缘机壳的损坏。本发明的一个想法是限定在法兰和绝缘机壳间的共同收缩/膨胀应力。
附图说明
在下面仅通过非限制实施例的方式描述本发明的几个特定实施例的过程中，参考附图将更好地理解本发明，且以下的其他的目标、细节、特点和优点将变得更加明显。
-图1是包含用于供电网络保护设备的供电网络的示意图。
-图2A和2B是根据第一实施例用于供电网络的充气火花隙的示意图，分别为示意性透视图与纵向截面图。
-图3是根据第二实施例充气火花隙的剖视图，第二实施例的中空气隙允许金属离子凸起定位到外部机壳的一部分，以大大延长火花隙的使用寿命。
具体实施方式
参考图1，被保护电路1通过保护设备4连接到另一电路3，例如接地。
电路1属于为光电设备的使用设计的较高功率电力传输网络，例如，高压电网、通讯网络、中压电网抑或低压电网。电路1传输交流或直流电压。
特定事件导致电路1上的瞬时过电压，瞬时过电压表现为电压突增或短时强电流的形式。电压突增或强电流导致线路1供电的设备与供电网络本身发生大量的损坏情况。
保护设备4以例如充气火花隙4的形式。充气火花隙4因此，在一方面，连接到电路1而且，在另一方面，连接到地线或其他放电线路，例如网络的其他电路。
在瞬时过电压的情况下，充电火花隙4存在较大的隔离电阻，可视为接近无限大。当其承受瞬时过电压时，其值超过一定阈值(充气火花隙4的损坏或击穿电压)，充气火花隙4击穿且变为较低阻抗，等同于短路以强放电电流短接地线3。所选击穿电压自然稍高于所保护的电路1的正常工作电压。根据本发明所述的充气火花隙，例如，其峰值电流运行容量为100kA，10/350μs。充气火花隙4的动作允许冲击由线路1转移到接地线路3而不会对所保护的供电网络产生损坏。
图2A显示了根据本发明第一实施例充气火花隙4的透视图。
充气火花隙4的两相对端有接线端8以分别连接充气火花隙4到电路1与放电线路3。端子8,、电路1以及接地3间各自的连接都以任意合适的方式连接，例如通过包含通过螺母(未给出)固定到充气火花隙4的金属凸耳(未给出)的电缆的方式。有利地，端子8包含阻塞平面部分以在螺母拧紧时通过扳手固定端子8。
图2B显示了图2A中火花隙的剖视图。陶瓷圆筒6中空且形成用于两电极12的内部机壳11。
任一电极12包含容纳于基本代表了内部机壳一半的陶瓷圆筒6的内部机壳11的各自部分的主体14。电极12的主体14为圆筒形状。陶瓷圆筒6与电极12的主体14同轴。电极12的第一端16形成从相对方向伸出陶瓷圆筒6外的连接端8。端子8大致为圆柱形且与主体14同轴。端子8包含与主体14相对具有螺纹且设计为与螺母相匹配的部分以及与主体14相连接且包含上述阻塞平面部分的部分。
端子8与电极12的主体14形成为一体。单片电极12的使用避免了与几种金属部件之间的界面相关联的绝热层。因此，在高强度脉冲期间产生的热量迅速且易于消散。
在内部机壳11内，电极12的主体14由称作空气隙23的内部空间23隔开。隔开电极12的主体14的距离允许击穿电压定义在充气火花隙4动作的情况下，换句话说从充气火花隙4直接转移所述电流到接地线3的电流强度开始动作。电极12上超过一定电压值，放电击穿且电流在电极12间产生形成电弧，象征性表示为数字24，从由充气火花隙4保护的电路1转移所述电流。
为了立即限制电流，惰性气体充入陶瓷圆筒6中，也包括在空气隙23中。惰性气体是允许电极12间的电弧24断开或持续时间有限的例如氩气、氖气、氮气、氢气、氦气、这些气体的混合物或任意其他气体。惰性气体以低压形态封在充气火花隙4中，例如0.5巴的条件。低压影响充气火花隙的击穿电压。气体可在各种压力下封于充气火花隙内，取决于充气火花隙的期望击穿电压。
为了确保惰性气体封于充气火花隙内，内部机壳11气密密封。内部机壳11的密封由两个以气密方式配置于陶瓷圆筒6开口端的法兰25形成。
法兰25的形状具有与陶瓷缸套底座6相同的轮廓。任一法兰25包含大于端子8尺寸的贯穿孔29。
可使用任意合适的方法以提供法兰25与陶瓷圆筒6间的密封。例如，钼锰层可用于覆盖陶瓷圆筒6端部的部分30，钼锰层本身覆盖有镍层。法兰25与陶瓷圆筒6间的密封例如可由在法兰25与陶瓷圆筒6间钎焊形成。
提供电极12与法兰25间的密封也是必要的。由于电极12和法兰25由金属制成，电极12和法兰25间的气密密封可由任何已知的方式例如钎焊、激光焊接、耐热粘接或其他合适的方法制成。
为了提高充气火花隙4的击穿电压，陶瓷圆筒6的内表面3包含多个石墨小盘32。石墨小盘32有规律地分布于电极12的主体14上平行于陶瓷圆筒6的轴22。石墨小盘32不超出陶瓷圆筒6的整个长度，沿陶瓷圆筒6的轴22延伸。例如，在充气火花隙长50mm以及直径31.5mm的条件下，由于陶瓷气缸6长28mm，石墨小盘32的端部33与陶瓷圆筒6的端部的部分30相距1.6mm。
电极12通常由铜、铜合金以及钨或任意其他合适的金属或合金制成。
用于法兰25的材料膨胀系数等同于，或膨胀系数接近于陶瓷圆筒6的膨胀系数。法兰例如可由镍铁合金制成。因此，法兰25与陶瓷圆筒6以相同的方式延伸与连接这样它们在收缩/膨胀时相互施加的应力不会损坏陶瓷圆筒6。
充气火花隙的制造方法如下：
-第一步，法兰25安装于电极12上，电极12的端子8插入法兰25的通道29直到法兰25的内表面34与电极12的主体14的外表面35连接完成；
-第二步，第一热循环允许以气密方式在法兰25与电极12间形成连接。
-由电极12和法兰25形成的两零件以法兰25内表面34与陶瓷圆筒6相对端的部分30相连接的方式安装于陶瓷圆筒6中。
-由此形成的组件放置于受控大气压下的烘箱中。在第二热循环期间，将封于充气火花隙4中的气体被注入到烘箱中。直到法兰25和陶瓷圆筒6之间的密封形成，内部机壳11不是气密的，将可控大气压下的烤箱中的气体被注入到内部外壳11。在循环结束时，在更高的温度下，法兰25与陶瓷缸套6之间的密封是通过钎焊熔实现的。
由于法兰25和电极12是由金属制成的，在法兰25和电极12之间的钎焊接头断裂的风险很小。提供法兰25中的通道29是必要的，无论是在收缩状态，即在环境温度下，还是在膨胀状态，即在钎焊形成的温度下，通道29都有足够大的直径以容纳电极12的端子8。在法兰25和电极12之间的密封可以在法兰34的内表面25和电极12的主体14的外表面35间每一个接触点上形成。
在一实施例中，具有8*10-6K-1到9*10-6K-1间的膨胀系数的陶瓷圆筒由氧化铝制成，且膨胀系数高于17*10-6K-1的电极由铜制成。在第二热循环中法兰和陶瓷圆筒间膨胀系数的差异因此小于1*10-6K-1以避免陶瓷圆筒6的损坏。此外，法兰的孔29具有，在环境温度下，直径12mm且电极12的端子8外径为10.8mm，以避免在热循环形成钎焊接头时法兰25和电极12之间过大的应力的产生。
因此，电极12的内表面36与26的外部区域15是平行的且轴对称，外部区域是平行的且位于相对于陶瓷圆筒6的内表面31倾斜的角度9。在充气火花隙4击穿时角度9为金属离子凸起导向。凸起方向限定了陶瓷圆筒6的内表面31上金属离子凸起到达位于仅面向一个电极的影响范围的区域，限定陶瓷圆筒6于电气隔离性能退化的位置。因此，由于外部端15的定位陶瓷圆筒6保存其完整性和绝缘性，外部端15具有将金属凸起导向两个电极中的一个或两个的效果。
作为一种变化，绝缘材料除了陶瓷可用于制造绝缘圆筒6。本文所描述的充气火花隙可用于任意类型的电路。
虽然本发明与几个特定的实施例有关联，如后者在本发明范围内本发明并不限于这些实施例且包括所有所述方法的技术的等同替换，以及它们的组合。
使用的动词“包含”或“包括”和它们的组合形式不排除元素的存在或步骤不同于权利要求中所述的部分。不确定冠词“一”或“一个”的使用不排除元素或步骤，除非另有说明，表示多个这样的元素或步骤的存在。
在权利要求中，括号间的参考符号不能解释为权利要求的限制。
Claims (8)
1.一种充气火花隙包含：
-一绝缘机壳(6)，为中空圆筒形状，在两相对端有开口，两相对端限定了一充气火花隙的内部机壳(11)，
-两密封金属法兰(25)，以气密方式各自配置于绝缘机壳上，位于绝缘机壳的两相对端，为了以气密方式密封绝缘机壳开口，每个法兰包含一贯穿孔(29)，
-两单片金属电极(12)，每个电极包含有从一外部连接杆(8)延伸的一主体(14)，每个电极的主体可容纳于绝缘机壳的内部机壳，每个电极包含与连接杆相对的一端面，两电极的端面间配置有分隔内部机壳内两电极主体的一空气隙，每个电极的外部杆穿过其中一个法兰的贯穿孔，法兰以气密方式配置于电极上，以便以气密方式封闭内部机壳，外部杆伸出绝缘机壳外且位于法兰之上，以及
-一惰性气体，以设定压力封于绝缘机壳的内部空间内，
其特征在于：每个电极端面的一外围部分(15)与绝缘机壳的一内表面形成一个角度(9)，所述角度在其中一个电极的方向上倾斜，以便在所述电极方向上偏转材质的凸起，并且其中法兰由与绝缘机壳材料的膨胀系数的差小于2*10-6K-1的材料制成，其中在环境温度下，法兰的贯穿孔具有比外部杆的外径大的内径，以形成膨胀区间，以便允许外部杆的热膨胀大于法兰的热膨胀。
2.如权利要求1中所述的充气火花隙，其特征在于：法兰由与绝缘机壳材料的膨胀系数的差别小于等于1*10-6K-1的材料制成。
3.如权利要求1或2所述的充气火花隙，其特征在于：封于绝缘机壳的气体从由氮气、氩气、氖气、氢气、氦气、稀有气体以及这些气体的混合物构成的集合中选取。
4.如权利要求1或2所述的充气火花隙，其特征在于：电极由铜、钨、铁以及它们的合金所构成的集合中选取的金属制成。
5.如权利要求1或2所述的充气火花隙，其特征在于：伸出绝缘机壳外位于法兰之上的外部杆的一部分设置有螺纹。
6.如权利要求1或2所述的充气火花隙，其特征在于：绝缘机壳的开端包含覆盖有镍层的钼锰层，法兰与绝缘机壳间的密封由钎焊形成。
7.如权利要求1或2所述的充气火花隙，其特征在于：法兰由镍铁合金制成。
8.如权利要求1或2所述的充气火花隙，其特征在于：法兰与电极间的密封由银铜钎焊制成。
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Patent Citations (1)
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