CN108604792B - 用于利用对使用的火花隙的响应和剩余电压的调节来电流分离地驱控触发的火花隙的布置系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用对使用的火花隙的响应和剩余电压的调节来电流分离地驱控触发的火花隙(FS)的布置系统，该火花隙具有两个主电极和至少一个触发电极(3)，此外，所述电流分离借助于变压器(10)实现，以及火花隙以其主电极与要保护免于过压事件的电子部件(18)连接。按照本发明，设有与火花隙的主电极连接的旁路电路(BP)，该旁路电路构成为被动式或主动式电子结构元件与变压器的初级侧(4.1)的串联电路。所述变压器的次级侧(4.2)通到半导体开关(5、6)的控制输入端上，此外，该半导体开关设置在火花隙的主电极(1)之一与触发电极(3)之间。在变压器的次级侧与半导体开关的控制输入端之间设有复位环节(RS)，用于与火花隙的特性无关地恢复所述半导体开关的关断状态。

Description

用于利用对使用的火花隙的响应和剩余电压的调节来电流分 离地驱控触发的火花隙的布置系统

技术领域

本发明涉及一种用于利用对使用的火花隙的响应和剩余电压的调节来电流分离地驱控触发的火花隙的布置系统，该火花隙具有两个主电极和至少一个触发电极，此外，所述电流分离借助于变压器实现，以及火花隙以其主电极与要保护免于过压事件的电子部件连接。

背景技术

由于在终端设备或类似的配电装置中加强使用了电子部件，而存在对降低过压保护机构、尤其是闪电电流放电器的保护电平的要求。由于分散式电流供应，也提高了在所使用的过压放电器对暂时的电网波动、对高频负载以及由参考电位的偏移所决定的和在电网故障时的不灵敏性方面的要求。

在具有高幅度的瞬态事件情况下保护电平的所应用且期望的降低和另一方面相对于由运行决定的或暂时的电压过高的期望的不灵敏性是自身矛盾的并且导致在闪电和过压保护的领域中新的要求。

在瞬态过压保护应为被动的电压与尽可能无延迟地响应并且应阻止进一步的电压升高的电压之间的差仅略微不同。

已知的是，将基于氧化锌的火花隙或可变电阻用作过压放电器。在可变电阻中，在一千或几千安培的电流幅度下产生的保护电平比允许的保持电压的幅度高200至300％。带有火花隙的过压保护装置为了低响应电压通常具有触发电路。这样的触发电路一般基于气体放电放电器与可变电阻的串联电路。不过，上述构件具有在±20％范围内的制造公差。在电压和电流斜度与过压保护的范围相关的情况下，即使在相对小的电流负载下，这些构件的保护电平与额定值同样相差大于100％。

附加地，已知的触发电路包括保险装置、变压器、辅助电极和另外的构件、几何上需要的内部的和外部的连接和类似物，它们不能与火花隙无关地优化，并且在点燃空气火花隙且电流流动经由触发电路降低或中断之前上述器件在电流流动时由于它们的阻抗而导致进一步显著的电压降。

在交流电压为大约230V的低压电网中，已知的火花隙一般具有大约1.5kV的保护电平，尽管触发电路的静态响应电压部分位于仅大约800V的范围内。

从现有技术中已知目的在于减少这些装置的响应电压变化的措施。因此，已知以补充或结合气体放电放电器的方式使用抑制二极管或者但也使用开关半导体以降低公差。

抑制二极管在相对小的电流的情况下在电流流动时关于保持电压或响应电压具有小的剩余电压。因此，在mA至几A的范围内的弱电流负载的情况下并且在没有值得注意的老化或变化的情况下，响应电压与保护电平的比例可以处于<100％。在kA范围内的高电流负载的情况下，如其对于火花隙的点火所必要的那样，剩余电压强烈升高，并且自身需要非常耗费的并联电路以支配上述电流。

附加地，已知的触发电路必须能实现与后置的过压放电器的协调。这决定了相应响应电压的强制确定，该响应电压在过压放电器过载之前必须低于该过压放电器的剩余电压。除了响应电压之外，该剩余电压还必须低于放电器的剩余电压，以便不仅确保该放电器的放电而且确保所需的火花隙点火。这不仅涉及带有用来产生火花隙用的提高的点火电压的变压器的触发电路，而且也涉及不使用提高的点火电压的火花隙。

在带有变压器的触发电路中附加地存在如下缺点，即为了实现用于火花隙的足够的触发电压还需要最小电流水平和斜度，所述最小电流水平和斜度同样与触发电路的构件和自身不可确定的后置的放电器有关。

上述内容导致强制地限制要期望的可能使用的后置的过压保护装置的触发电路的规格。因为这些基于上述构件实现，所以不能全面地确保和实现所期望的改进。

发明内容

因此本发明的任务是，提出一种进一步改进的用于利用对使用的火花隙的响应和剩余电压的调节来电流分离地驱控触发的火花隙的布置系统，借助于该布置系统可以构成带有火花隙的过压放电器，其中保持电压的与频率无关的幅度(亦即被动特性的频率)比放电器的响应电压和保护电平仅低基本上30％的范围内变动。

本发明的任务通过用于利用对使用的火花隙的响应和剩余电压的调节来电流分离地驱控触发的火花隙的布置系统解决，该火花隙具有两个主电极和至少一个触发电极，所述电流分离借助于变压器实现，以及火花隙以其主电极与要保护免于过压事件的电子部件连接，其中，设有与火花隙的主电极连接的旁路电路，该旁路电路构成为被动式或主动式电子结构元件与变压器的初级侧的串联电路，所述变压器的次级侧通到开关的控制输入端上，此外，该半导体开关设置在火花隙的主电极中之一与触发电极之间，其中，所述开关构成为半导体开关，并且所述变压器的次级侧与用于电流分离的外部触发的器件连接。

因此，基于用于电流分离驱控触发的火花隙的布置系统，其中火花隙的特性是已知的。该布置系统包括调节所使用的火花隙的响应和剩余电压的可能性，该火花隙具有两个主电极和至少一个触发电极。此外，设有借助于变压器的电流分离，并且火花隙以其主电极与要保护免于过压事件的电子部件或电网连接。

按照本发明，设有与火花隙的主电极连接的旁路电路，该旁路电路构成为被动式或主动式电子结构元件与变压器的初级侧的串联电路。

变压器的次级侧通到半导体开关的控制输入端上，此外，该半导体开关设置在火花隙的主电极之一与触发电极之间。

在变压器的次级侧与半导体开关的控制输入端之间设有复位环节，用于与火花隙的特性无关地恢复半导体开关的关断状态。

在本发明的一种优选实施方案中，在火花隙的主电极之一与半导体开关之间的电路路径中设有例如以电阻的形式的限制电流流动的器件。

上述复位环节包括用于调节复位时间的一个或多个RC组合。

变压器的次级侧可以与用于电流分离的外部触发的器件连接。

带有被动电子元件的旁路电路具有至少一个气体放电器与至少一个可变电阻的串联电路，所述气体放电器和可变电阻为了控制电压而与电阻分压器和电容分压器并联连接。

带有主动式电子结构元件的旁路电路具有至少一个抑制二极管，所述至少一个抑制二极管通到至少一个IGBT、双极晶体管或MOSFET的控制输入端，所述至少一个IGBT、双极晶体管或MOSFET与变压器的初级侧串联，其中，串联电路与火花隙的主电极连接。

当串联电路设置为具有多个抑制二极管时，这些抑制二极管可单个或成组地通过开关装置桥接并且因此被激活或停用以用于调节火花隙的响应电压。

利用按照本发明的措施强化的并且因此适用于开头所描述的特别的应用情况的火花隙可与使用的复杂的过压放电器的响应电压或剩余电压无关地构成。用于激活相应使用的火花隙的使用的构件如此选择，使得所述构件仅遵循相应火花隙的参数。放电器的响应电压和剩余电压通过并联于火花隙的旁路实现。用于激活触发的信号输出借助于提及的变压器实现，该变压器位于在旁路中。变压器、尤其是其初级侧具有仅非常小的阻抗。相应绕组的初级和次级线圈的数量非常小并且几乎相等。

此外引起了，在旁路中电流陡且高(例如在12.5kA)时由于变压器自身的阻抗的电压降仅为几个伏特，从而由此不发生放电器剩余电压的提高。变压器即使在<1A的电流下并且尽可能与电流斜率无关地能够给出用于触发电路的足够的激活信号。在次级侧，由变压器产生的电压用于驱控至少一个可开关的半导体。驱控在这个意义中电流分离地实现。可开关的半导体在一侧与电网连接，并且在在另一侧与火花隙的触发连接端连接。作为半导体开关优选使用带有续流二极管的反串联晶体管。

为了限制电流流动，可以在半导体开关的前述路径中使用如下阻抗，该阻抗可以构成为电阻、电容、PTC元件或类似物。在一种备选方案中存在如下可能性，即电流限制直接通过半导体自身进行、亦即经由对半导体开关的栅极电压的示例性调节进行。

用于在火花隙的触发路径中的半导体开关的驱控信号在借助于RC环节而可调节的时间之后复位，由此关断状态也与火花隙的特性无关地重新建立。

与来自旁路的信号输出无关地，可以基于电流分离和用于驱控所需的少的能量实现外部驱控。外部驱控因此与旁路的激活无关地可供使用，并且可以用于接入外部过压保护设备或终端设备。

为了旁路的水平和时间负载即使在高的瞬态脉冲电流下也保持得小，应考虑如下方面。

首先，在电流在旁路中流动时，使用的半导体开关必须在触发电路中几乎无延迟地激活。构件变压器、时间环节的协调以及半导体开关的选择一方面必须实现对EMV和电网干扰的不灵敏性，另一方面必须确保：半导体开关的激活在几十ns至几百ns内实现。在激活半导体开关之后必须同样无延迟地出现在触发电极与主电极之一之间的火花隙内的离子化电流。即使在强烈受限的电压下，空气火花隙也必须快速点火。

优选地，因此在间隔小并且使用所谓的等离子射流触发时，具有发散的主电极的空气火花隙考虑作为火花隙。在多个kA的脉冲电流的范围内空气火花隙可以在1μs内点火。除了非常快速的点火，在这样的火花隙中由于小的电弧电压在点火之后立刻减轻触发支路并且因此旁路的负担，由此这些火花隙直接在点火之后并且与其他措施无关地自动转变到初始状态、亦即关断状态中，所述转变还在达到波形为8/20μs和10/350μs的常见脉冲电流的峰值之前进行。

通过火花隙快速减轻辅助支路的负担能实现优化的功能分配以及将具有低的功率能力的构件用于提出的布置系统。除了低的能量负载，使用的构件在辅助电路中也无须具有关于相关的低压电网的要求的自身的灭弧能力。

通过脉冲电流以及可能的电网续流的灭弧的动态且能量的负载主要由使用的火花隙承载。

附图说明

本发明应在以下根据实施例以及借助于附图更详细阐明。在此，示出：

图1示出按照本发明的用于电流分离地驱控触发的火花隙的布置系统的视图，该布置系统带有旁路、复位电路和半导体开关，所述半导体开关通到火花隙的触发电极上，其中，旁路具有主动式结构元件；

图2示出按照图1的按照本发明的布置系统的一种实施形式，然而具有经由带有另外的变压器的外部触发器进行电流分离的外部驱控的简单可能性；

图3示出类似于根据图2的那一种实施形式的视图，其带有外部触发以及通过一次或动态地桥接一个或多个所使用的抑制二极管来调节响应电压的可能性；

图4示出基于根据图1的解决方案的按照本发明的布置系统的视图，该布置系统具有外部触发和在旁路中仅使用被动元件的可能性；

图5示出过压放电器的电压和电流变化曲线；和

图6示出旁路与火花隙的触发装置直至在几个微秒内点燃在主电极之间的电弧的相互作用的示图。

具体实施方式

关于用于在高的被动保持电压的情况下实现期望的低保护电平的旁路BP的设计，多种方案是可能的。

在旁路BP中最大的电流幅度由放电器的寻求的limp值产生。在用于大约12.5kA至50kA的火花隙的常见规格下，在直至点燃火花隙的<1μs的延迟时间下可以从1至几kA的负载出发。

按照本发明的布置系统的基本构造应根据图1阐明。

在图1中，旁路BP构成为连接到火花隙FS的主电极1、2上的串联电路。该串联电路包括一个或多个抑制二极管15和变压器4的初级侧4.1。抑制二极管与基于例如IGBT的电子电路连接。IGBT为了达到所使用的二极管或串联电路的响应电压而以线性运行模式接通。这样的激活不需要外部电压供应部和逻辑组件。由抑制二极管和IGBT或者说晶体管或MOSFET的组合产生的剩余电压在直至kA范围的电流的情况下明显位于二极管的特性曲线之下。因此得到具有二极管的响应电压的解决方案，其中，电压限制特性曲线具有非常平的走向，这即使在高电流的情况下也确保旁路以及整个放电器的响应电压与电网电压之间的期望的比例。附图标记18表示要保护的用电器。

因为所使用的IGBT或者说晶体管16未在开关运行中运行，所以产生相对高的损耗功率。为了限制有关的负载，可以将可变电阻19串联连接。可变电阻19的测量在这里根据其在最大要期望的电流值的情况下的剩余电压进行。如果例如在旁路负载低于1kA时引起火花隙的点火，那么对于1kA来确定规格。在该电流下，例如S20K95型可变电阻具有<320V的剩余电压。因此，IGBT在寻求的保护电平为800V的情况下具有<480V的调节范围，而不是否则需要的800V。

在基于230V交流电的电网电压、响应电压大于例如440V的相间电压以及剩余电压(亦即在放电器的25kA的保护电平为<800V、系数1.25)而示例性地确定规格的情况下，所使用的二极管的响应电压位于大约622V至<680V的范围内。

在示出的视图中，相应的电路双极地示出。所使用的晶体管5、6和16分别具有一个续流二极管。为了避免干扰、例如由于补偿和再充电流，在涉及的IGBT或半导体开关的输入端设有具有高并联电阻的小电容。在一种实施形式中，在图1中示出的与IGBT 16串联的可变电阻具有并联电阻，该并联电阻可以在较长的负载和较小的幅度的情况下减轻可变电阻的负担。在暂时过压的情况下，该过压部分高于在旁路的响应电压，因此较小的能量一般可以在不激活火花隙FS的情况下在较长的时间间隔内导出。在该情况下有利的是，设有半导体开关的或者说IGBT 16的被动冷却。

图2补充地示出如下可能，即通过布置另一变压器10确保与旁路BP的作用无关的外部触发。

图3示出带有主动式旁路BP的布置系统，其中并联于由2至n个抑制或Tranzorb二极管15.1至15.3构成的串联电路而分别设有可单独操作的开关17.1、17.2。

根据图3的布置系统可以用于对于不同的响应电压的一次性非常精细的调节。根据图3的解决方案的特别的优点在与可驱控的并且可变的操作如闭合或打开开关17.1和17.2的组合中得出。这允许根据当前电网电压来尽可能自动匹配放电器的响应电压以及保护电平。这样的自动调节不仅可以关于对电网的一次性匹配实现，而且也可以在几个ms内实现在电网中电压匹配的范围内的或者但也在电压暂时波动范围内的匹配。

如在图4中所示的带有在用作限制器的旁路BP中的被动构件的布置系统在旁路中包括气体放电器11和可变电阻12的串联电路。气体放电器11的相应的响应电压或可变电阻12的mA点分别低于寻求的最小响应或保持电压，整个放电器直至该最小响应或保持电压都表现是被动的。为了可实现这一点，根据图4的串联电路在支路BP中具有控制元件，该控制元件不仅在静态的而且在动态的负载下如此分配在构件11和12上的电压，使得阻止旁路的响应。即使直接接通在峰值中的保持电压的情况下，也可靠地避免响应。该电压控制优选利用电阻分压器13和电容分压器14实现，其中，考虑到气体放电器11的和可变电阻12的自身阻抗也可以省去单独的构件。

根据图4的电路布置系统构成特别简单的解决方案，由此实现一种节省空间且价格便宜的变型方案。

根据图4的布置系统在对不同电压范围的匹配方面的缺点在所描述的解决方案中利用主动式旁路来克服，该匹配由于构件仅可以在确定的离散级中实现。

对于与抑制二极管连接的电子电路的作用应参照下文。根据按照本发明的教导的寻求的效果基于：抑制二极管已经在相对小的电流下形成非常高的不期望的剩余电压，所述非常高的不期望的剩余电压与寻求的响应电压小于保持电压的1.3倍的目标是不可协调一致的。此外，抑制二极管的功率能力是受限的，从而脉冲电流尽管已经在1μs之后驱控火花隙，对于寻求的直至50kA的脉冲电流仍必须选择已经非常大且成本密集的构件。为了避免这些缺点，通过抑制二极管仅驱控半导体开关16，所述半导体开关立即减轻二极管的负担并且已经在寻求的线性运行中也能实现明显更低的剩余电压。线性运行相对于原本对于IGBT常见的低阻抗切换是有利的，因为由此即使在没有附加阻抗的情况下也提供对于点燃空气火花隙所需的电压需求，该电压需求低于整个布置系统的期望的剩余电压。除了附加的阻抗之外，在该运行模式下也省去对IGBT或半导体开关16的主动驱控以及使该状态复位的耗费。

寻求的保持电压表征如下电压的水平，整个放电器直至该水平都表现为被动的。在230V的例子中，保持电压选择为高于相间电压的峰值。

响应电压又表征如下电压，在该电压下放电器允许转换到主动模式中。该电压必须高于622V的保持电压并且在主动式旁路中经由抑制二极管的响应值确定。放电器的保护电平的水平由响应电压或剩余电压的最大值确定。根据按照本发明的目标设置，保护电平的水平应不大于保持电压的1.3倍。示例性的规格确定在这里基于622V至680V的响应电压和800V的保护电平。

图5示出过压放电器的电压和电流变化曲线。所示出的放电器设计用于230V额定交流电压。保持电压应大于相间电压(440V至622V的峰值)。过压放电器的保护电平直至例如25kA的脉冲电流负载都应低于800V。

在根据图5的视图中，示出最小保持电压和保护电平。保护电平在这里等于最小保持电压的多倍，其中系数小于1.3。

布置系统的在测量中得到的电压最大值大于保持电压并且小于保护电平。在主火花隙响应之后，剩余电压降低到几十V并且随着电弧进入灭弧室中才升高。电弧电压的高于电网电压的值导致电网续流的快速灭弧。电网续流的变化曲线如脉冲电流变化曲线一样在图5中示出。

图6用于说明旁路与火花隙的触发电路直至在几个微秒内在主电极之间点燃电弧的相互作用。

上面的曲线变化示出在整个放电器上直至在火花隙的主电极1与主电极2之间点火的电压变化曲线。

在t1时刻，在过压放电器上的电压达到旁路、例如抑制二极管15的响应电压。电流开始流经旁路。

在大约t2时刻，接通火花隙的触发装置的半导体开关5、6。电流现在在旁路与火花隙的触发路径之间分配。在t3时刻，触发火花隙的等离子射流导致在火花隙的触发电极与主电极2之间的电弧，由此引起较高的分电流到火花隙中。

在t4时刻，主火花隙在主电极1与主电极2之间跳火。在时刻t3之后，旁路通过在该时刻火花隙的低剩余电压而完全减轻负担。电流非常快速地完全转换到火花隙上。火花隙的剩余电压明显低于旁路的响应电压或保持电压。

由图6可以得知，过压放电器的保护电平几乎仅由旁路确定。通过火花隙快速减轻旁路的负担能实现旁路的相应构件的极其低功耗的设计，这导致更低的成本。

图6在上面的曲线中还示出放电器的响应和剩余电压的变化曲线、脉冲电流负载的变化曲线、如在触发支路(构件5、6至触发电极3)中电流的变化曲线以及在放电器的旁路中的电流的变化曲线。

Claims (9)

1.用于利用对使用的火花隙(FS)的响应和剩余电压的调节来电流分离地驱控触发的火花隙(FS)的布置系统，该火花隙具有两个主电极(1、2)和至少一个触发电极(3)，此外，所述电流分离借助于变压器(4)实现，以及火花隙(FS)以其主电极(1、2)与要保护免于过压事件的电子部件连接，其中，设有与火花隙的主电极(1、2)连接的旁路电路(BP)，该旁路电路构成为被动式或主动式电子结构元件与变压器(4)的初级侧(4.1)的串联电路，所述变压器(4)的次级侧(4.2)通到开关的控制输入端上，此外，该开关设置在火花隙(FS)的主电极中之一(1)与触发电极(3)之间，其特征在于，所述开关构成为半导体开关(5、6)，并且所述变压器(4)的次级侧(4.2)与用于电流分离的外部触发的器件(10)连接。

2.根据权利要求1所述的布置系统，其特征在于，在所述变压器(4)的次级侧(4.2)与所述半导体开关(5、6)的控制输入端之间设有复位环节(RS)，用于与火花隙(FS)的特性无关地恢复所述半导体开关(5、6)的关断状态。

3.根据权利要求1所述的布置系统，其特征在于，在所述火花隙(FS)的主电极之一(1)与所述半导体开关之间的电路路径中设有限制电流流动的器件(7)。

4.根据权利要求2所述的布置系统，其特征在于，在所述火花隙(FS)的主电极之一(1)与所述半导体开关之间的电路路径中设有限制电流流动的器件(7)。

5.根据权利要求2或4所述的布置系统，其特征在于，所述复位环节(RS)具有用于调节复位时间的RC组合(8、9)。

6.根据权利要求1至4之一所述的布置系统，其特征在于，带有被动式电子结构元件的旁路电路(BP)具有气体放电器(11)与可变电阻(12)的串联电路，所述气体放电器和可变电阻为了控制电压而与电阻分压器(13)和电容分压器(14)并联连接。

7.根据权利要求1至4之一所述的布置系统，其特征在于，带有主动式电子结构元件的旁路电路(BP)具有至少一个抑制二极管(15)，所述至少一个抑制二极管通到至少一个IGBT、双极晶体管或MOSFET(16)的控制输入端上，所述至少一个IGBT、双极晶体管或MOSFET在一侧与变压器(4)的初级侧(4.1)连接并且在另一侧与火花隙(FS)的主电极之一(1)连接。

8.根据权利要求7所述的布置系统，其特征在于，所述串联电路具有多个抑制二极管(15.1至15.3)，所述抑制二极管可单个或成组地通过开关装置(17.1；17.2)桥接以用于调节火花隙(FS)的响应电压。

9.根据权利要求7所述的布置系统，其特征在于，所述IGBT、双极晶体管或MOSFET(16)以线性运行布线。

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