CN1097903A - 过电压保护元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用来释放瞬态过电压的过电压 保护元件，它有两个电极(2)、一个介于电极(2)之间 的有效空气击穿火花隙(3)和一个装电极(2)用的外 壳(4)，其中每个电极(2)都有一个连接臂(5)和一个 与连接臂(5)成一锐角的火花角(6)，两个相隔一定距 离的电极(2)的火花角(6)共同构成空气击穿火花隙 (3)。

Description

本发明涉及一个用来释放瞬时过电压的过电压保护元件，它由两个电极、一个介于电极之间的有效空气击穿火花隙和一个电极外罩组成，每个电极都有一个连接臂和一个与连接臂成一锐角的火花角。两个相隔一定距离的电极之火花角共同构成空气击穿火花隙。

电（特别是电子）测量、控制、调节和形状电路，特别是通信设备对大气放电以及电网的短路和操作所引起的过电压都比较敏感，特别是使用电子元件，尤其是晶体管和晶闸管时，这种敏感性有所增加;瞬时过电压对日益增多的集成电路已构成严重危害。

除了带有一个空气击穿火花隙的过电压保护元件（见德国专利DE-C-3716997）外，也有一些带有一空气闪络火花隙的过电压保护元件，它们在动作时产生沿面放电（见德国专利DE-A-2718    188、DE-A-2934236和DE-A-3101354）。

带有一个空气击穿火花隙的过电压保护元件与带有一个空气闪络火花隙的过电压保护元件比较，前者的优点是，能承受较大的冲击电流，缺点则是动作电压较高，而且不特别恒定。

针对动作电压较高这个缺点，人们曾提出了带一个空气击穿火花隙的各种过电压保护元件（见德国专利DE-A-4141681、DE-A-4141682、和DE-A-4244051）。

本发明的任务在于提出一个全面改进过电压保护特性的过电压保护元件，特别是改进它的动作电压，雷电冲击电流和工频续流承受特性以及工频流灭弧特性。

本发明是通过各种技术方案来解决上述问题的。而且，这些技术方案既可单独采用也可同时采用。

本发明的第一个技术方案是，电极的火花角在其与连接臂相邻的范围内有一个贯穿连接臂的孔，此孔的作用是在过电压保护元件动作的一瞬间改进起弧特性和电弧移动特性，特别是使孔附近的电弧通过热气吹弧“拉动起来”。

本发明的第二个技术方案是，在两个电极连接臂对应端之间考虑了一个（释放沿面放电的）辅助起弧。在按此方案实施的过电压保护元件的空气击穿火花隙的最窄部分即实现动作的部位犹如加了一个辅助空气闪络火花隙。这个辅助空气闪络火花隙与真正用作过电压保护的空气击空火花隙比较具有相当恒定的特别小的动作电压。一旦在这个相当恒定的很小的动作电压下动作后，已点火的辅助空气闪络火花隙便导致具有相当高的电流承受能力即具有相当高的雷电冲击电流和工频续流承受能力的空气击穿火花隙“突然”起弧。也就是说，本发明的过电压保护元件的这种结构形式兼有空气击穿火花隙和空气闪络火花隙之优点，而同时却摒弃了它们的缺点。

本发明的第三个技术方案是，外罩至少部分地采用在燃烧时不产生碳的塑料做成，或至少部分地用这种塑料覆盖。由一个空气击穿间隙构成的带有火花角的电极一般都是装在一个相当小的塑料外壳中，这种塑料在受热或燃烧时产生碳，特别在动作后产生很热的电弧使塑料燃烧，从而产生大量的碳，致使电极污染，绝缘强度消失。此外，混合气体中含大量的碳也会损害电极的灭弧特性。如果按本发明外壳至少部分地用一种在加热或燃烧时不产生碳的塑料做成，或外壳至少部分地用这样一种塑料覆盖，当然不出现上述缺点。

本发明的第四个技术方案是，外壳的侧壁相当靠近电极的火花角，因而对电弧产生特别好的气吹作用，电弧在火花角端部迅速移动，亦即不是固定燃弧区。

本发明的第五个技术方案是，与电极火花角相邻的外壳盖用导电材料，最好用铜钨合金，且与外壳盖相邻的电极火花角之端部和外壳盖之间的距离一般是这样选择的，即电弧可能在与外壳盖相邻的火花角之端部和外壳盖之间产生。在本发明的过电压保护元件中，电弧首先从起弧区移动到火花角的端部，然后在火花角端部和用导电材料作成外壳盖之间形成两个电弧。此时建立的导线回线把两个电弧驱动到火花角后面，其结果是，产生两个电弧，它们在工频续流的情况下导致很高的燃弧电压。这反过来又导致了工频续流情况下的灭弧特性的明显变化，亦即形成了一个准耐受短路电流的放电间隙。由于这两个电弧位于火花角后面，所以介于火花角之间的敏感的起弧区受到了特别好的保护。

本发明所采取的各个改进方案一方面可参见列在权利要求1和10后面的各项权利要求，另一方面可参见结合附图进行说明的一个特别优选的实施例。

图1本发明过电压保护元件的一个电极的第一个优选结构形式之侧视图，

图2本发明过电压保护元件的一个电极的第二个优选结构形式之侧视图，

图3按图1所示两个共同作用的电极的侧视图，

图4图3所示电极的Ⅳ-Ⅳ剖面图，

图5本发明过电压保护元件一种优选结构形式的横断面示意图，

图6图5所示过电压保护元件的纵断面图，

图7本发明过电压保护元件的一种优选结构的纵断面详图，

图8图7所示过电压保护元件的平面图，部分为剖面图，

图9图7所示过电压保护元件的剖面图（沿图8Ⅸ-Ⅸ剖开），

图10图7所示过电压保护元件的剖面图（沿图8Ⅹ-Ⅹ剖开）。

在分部图1至图4或在总体图5和图6以及图7至图10所示的本发明过电压保护元件1用来释放瞬时过电压和限制冲击电流，其基本结构由两个电极2、一个介于电极2之间的有效空气击穿火花隙3和一个安装电极2的外壳4组成。每个电极2都有一个连接臂5和一个与连接臂5成一锐角的火花角6。如图1至图3和图6所示，介于连接臂5和火花角6之间的锐角是对火花角6的功能面而言的。两个相隔一定距离的电极2之火花角6共同构成空气击穿火花隙3。由于电极2的火花角6按前述方式与连接臂5成一锐角，所以空气击穿火花隙3是锐角;电极2的相向火花角6之间的锐角最好为30°左右。

特别是如图1、图2和图4所示，电极2的火花角6在其与连接臂5相邻的范围内有一个平行于连接臂5的孔7，在实施例中，此孔位于电极2的火花角6之中心（见图4和图5）。

在图1所示本发明的过电压保护元件1的电极2上，火花角6只有一个孔7，而图2所示电极2的火花角6则有上下两个孔7;即与图1的电极2比较，图2的电极2在图1电极2孔7的下方还有一个孔7。

本发明的过电压保护元件1的电极2火花角6的孔7有这样的作用，即在过电压保护元件1动作的一瞬间，亦即在起弧的一瞬间，在孔7周围产生的电弧通过一个热和/或电和/或磁的压作用和/或力作用“拉动起来”，即电弧离开起弧点。

此外，从图中还可看出，在所示的实施例中，电极2的火花角6两侧都有一个倒棱8，在火花角相向的一侧构成凸起，而在其相背的一侧则带有垂直于火花角6纵向延长线的槽9;也可用纵向槽代替图中所示的横向槽。电极2的火花角6的倒棱用来阻止在火花角6的边缘棱角上发生材料损耗。电极2的火花角6在其相向的一侧上构成凸起这个有利措施，使得本发明的过电压保护元件在动作后产生的电弧主要出现在火花角6的中心范围，并沿中心移动到火花角6的端部或顶部，最后，借助于电极2火花角6相背侧上的槽9达到了这样的目的，即到电弧弧根的电流必须精确流线V形空气击穿火花隙的轮廓，从而在对面的电极2上产生磁吹以吹动电弧的根部。此外，槽9还有这样的优点，即剩下的材料起到特别有效的冷却体的作用，亦即电极2的火花角6可同时从后面通风。

在图中所示本发明过电压保护元件1的实施例中，在两个电极2连接臂5的对应端之间有一个释放沿面放电的起弧辅助件10，它最好用某种绝缘材料作成，这种绝缘材料在状态变化时例如在加热时不产生损害功能的大量的碳，而且起弧辅助件10很小，最好等于或大于0.1mm，并伸入电极2火花角6构成的空气击穿火花隙3中;实际上，起弧辅助件10伸进空气击穿火花隙3的孔7的中心。此外，如图4和图5所示，起弧辅助件10面向空气击穿火花隙3的一侧呈V形，并有一个窄槽11伸到空气击穿火花隙2。起弧辅助件10的窄槽11对动作电压有利。

在本发明过电压保护元件1的实施例中，通过前面所述的措施犹如在空气击穿火花隙3的最窄部位即动作或起弧部位并入了一个辅助空气闪络火花隙。这个辅助空气闪络火花隙比真正用作过电压保护的空气击穿火花隙3具有相当恒定的、特别小的动作电压。一旦在相当稳定的和相当低的起动电压下实现了起动，这个已起弧的辅助空气闪络火花隙就使具有相当大电流承受能力的空气击穿火花隙“突然”起弧。

如图5和图6以及图7至图10所示，本发明过电压保护元件1的实施例对外壳4也采取了特殊的措施，即在图中没有表示出来：外壳4有一部分用塑料作成或用塑料覆盖起来这种塑料在加热或燃烧时不产生碳。这样，就避免了上面提到的塑料外壳加热或燃烧时产生碳的问题。

如图5和图6以及图7至图10所示，在本发明过电压保护元件1的实施例中，外壳4的侧壁12伸到靠近电极2的火花角6，从而使电弧具有特别好的拉动特性;电弧很快拉动到火花角的顶部。

在图5和图6所示的本发明过电压保护元件1的实施例中，与电极2火花角6相邻的外壳盖13用导电材料，最好用耐烧损的材料，特别是用铜钨合金作成。电极2的火花角6与外壳盖13相邻的端和外壳盖13之间的距离是这样选择的，即电弧能够在与外壳盖13相邻的火花角6的端部和外壳盖13之间产生。通过上述措施，本发明的过电压保护元件1在动作后产生的电弧首先从起弧区移动到火花角6的顶部，然后在火花角6的顶部和用导电材料作成的外壳盖13之间形成两个电弧。这就形成一个导电回路，从而把两个电弧驱动到火花角6的后面。总的来说，产生了这样的效果：形成两个电弧，使工频续流情况下产生特别高的燃弧电压，从而导致了工频续流情况下的灭弧特性的明显变化，亦即形成了一个准耐受短路电流的放电间隙。

还要指出，本发明的过电压保护元件1的实施例图2所示电极的每个火花角6都有两个上下孔7，当介于电极2的连接臂5之间的起弧辅助件10烧损时，第二孔即下孔7便起作用。也就是说，第二孔7似乎是对本发明过电压保护元件1在这种情况下也能工作起到一定的保证作用。

图5和图6只是本发明的过电压保护元件1的一个优选结构形式的示意图，而图7至图10则是本发明过电压保护元件1这样一个优选结构形式的详图。首先应当指示，图1至图6的电极2是这样表示的，即空气击穿火花隙3是自下而上张开的，而在图7至图10所示结构详图中，电极2则是这样布置的，即空气击穿火花隙3是自上而下张开的。此外，在图7至图10所示的本发明过电压保护元件1的结构详图中，主要功能元件即带有火花角6的电极2和起弧辅助件10在结构上与前面结合图1至图6分别述及的基本上相同，所以没有必要结合图7至图10来详述它们的结构。易言之，图7至图10主要是表示外壳4的详细结构。

如图7和图10所示，外壳4有一个特殊形状的壳盖13，盖13状如钟罩14，电极2的支座15装在此罩中。盖13用内部螺丝16与外壳2连接。

如前所述，外壳4至少一部分用一种在加热或燃烧时不产生碳的塑料作成，或至少一部分用这种塑料挡住。图7至图10所示结构形式选用了第二方案，即外壳4有一块塑料挡板17，这种塑料在加热或燃烧时不产生碳。

如上所述，在图5和图6中，外壳4的侧壁12靠近电极2的火花角6，从而使电弧产生特别好的拉动特性。在图7至图10所示的本发明过电压保护元件1的详细结构形式中，通过对火花角6构成的空气击穿火花隙3增设侧面的挡板元件18而达到了同样好的电弧拉动特性。

此外，在上述图5和图6中，与电极2火花角6相邻的外壳盖13用导电材料制成，其中电极2的火花角6与外壳盖13相邻端和外壳盖13之间的距离是这样选择的，即在火花角6与外壳盖13相邻端和外壳盖13之间可产生电弧。在图7到图10结构详图所示的实施例中，通过在电极2火花角6对面的外壳4上增设一块用导电材料、最好用耐烧损的材料作成的衬垫19而达到了同样的效果。

其次，在图7到图10中，特别是在图7到图9中，外壳4及其相应的外壳盖13是不对称的，亦即实际上，在垂直主平面的一端和另一端一方面用螺丝16把外壳盖13和外壳4连接在一起，而另一方面则用连接片20连接图中没有画出的导线。在连接外壳盖13和外壳4的螺丝16的下方有排气孔21。

图7至图10所示的外壳4的结构形状和外壳4或外壳盖3中的电极2的结构也属于本发明的组成部分，尽管只是在图7至图10中画出它们的详图，而在前面没有述及，特别是，尽管权利要求没有针对这些结构详图，但它们都属于本发明的一部分。

Claims (18)

1、释放瞬态过电压用的过电压保护元件(1)有两个电极(2)、一个介于电极(2)之间的有效空气击穿火花隙(3)和一个装电极(2)的外壳(4)，其中，每个电极(2)都有一个连接臂(5)和与连接臂(5)形成锐角的火花角(6)，而两个相隔一定距离的电极(2)的火花角(6)则共同构成空气击穿火花隙(3)，其特征是，电极(2)的火花角(6)在其与连接臂(5)相邻的范围内有一个穿过连接臂(5)的孔(7)，此孔的直径最好小于2mm，最好约为1.5mm。

2、根据权利要求1所述的过电压保护元件，其特征是，相向的火花角（6）之间的角度大约为30°。

3、根据权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征是，火花角（6）的宽度小于15mm，最好约为8mm。

4、根据权利要求1至3任一项所述的过电压保护元件，其特征是，孔（7）平行于连接臂（5）。

5、根据权利要求1至4任一项所述的过电压保护元件，其特征是，孔（7）位于火花角（6）的中心。

6、根据权利要求1至5任一项所述的过电压保护元件，其特征是，每个电极（2）的每个火花角（6）都有两个上下孔（7）。

7、根据权利要求1至6任一项所述的过电压保护元件，其特征是，电极（2）的火花角（6）两侧各有一个倒棱（8）。

8、根据权利要求1至7任一项所述的过电压保护元件，其特征是，电极（2）的火花角（6）在其相向的侧面有凸起部分。

9、根据权利要求1至8任一项所述的过电压保护元件，其特征是，电极（2）的火花角（6）在其相背侧有槽（9），槽（9）最好垂直于火花角（6）的纵向延长线。

10、具有权利要求1前序部分所述特征的过电压保护元件，特别是权利要求1至9任一项所述的过电压保护元件，其特征是，在两个电极（2）连接臂（5）面对的两端之间有一个（释放沿面放电的）起弧辅助件（10）。

11、根据权利要求10所述的过电压保护元件，其特征是，起弧辅助件（10）用一种塑料制成，这种塑料在状态变化时例如在加热时不产生大量的损害功能的碳。

12、根据权利要求10或11所述的过电压保护元件，其特征是，起弧辅助件（10）很小，最好为0.1mm或大于0.1mm，伸入由电极（2）的火花角（6）构成的空气击穿火花隙（3）中，最好伸入到孔（7）的中心，或稍微伸入空气击穿火花隙（3）。

13、根据权利要求10至12任一项所述的过电压保护元件，其特征是，起弧辅助件（10）在其面对空气击穿火花隙（3）的一端作成V形或凹面。

14、根据权利要求10至13任一项所述的过电压保护元件，其特征是，起弧辅助件（10）有一个伸进空气击穿火花隙（3）的槽（11）。

15、具有权利要求1前序部分所述特征的过电压保护元件，特别是根据权利要求1至14任一项所述的过电压保护元件，其特征是，外壳（4）至少有一部分用一种在加热或燃烧时不产生碳的塑料制成，或至少有一部分用这种塑料覆盖。

16、具有权利要求1前序部分所述特征的过电压保护元件，特别是根据权利要求1至15任一项所述的过电压保护元件，其特征是，外壳（4）的侧壁（12）相当接近电极（2）的火花角（6），最好靠扰电极（2）的火花角（6）。

17、具有权利要求1前序部分所述特征的过电压保护元件，特别是根据权利要求1至16任一项所述的过电压保护元件，其特征是，靠近电极（2）火花角（6）的外壳盖（13）用导电材料，最好用耐烧损的材料，特别是铜钨合金做成。

18、根据权利要求17所述的过电压保护元件，其特征是，电极（2）的火花角（6）与外壳盖（13）相邻的端部和外壳盖（13）之间的距离是这样选择的，即在与外壳盖（13）相邻的火花角（6）的端部和外壳盖（13）之间能产生电弧。

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