CN112534522B - 用于保护多个导体免受电力浪涌影响的压敏电阻器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置。一种装置包括位于所述装置的第一表面上的第一电极、位于所述装置的所述第一表面上的第二电极以及位于所述装置的第二表面上的浮置电极。所述第一电极被配置为从第一导体接收浪涌电流。所述浪涌电流通过所述装置从所述第一电极行进到所述浮置电极并从所述浮置电极行进到所述第二电极。

Description

用于保护多个导体免受电力浪涌影响的压敏电阻器装置

相关申请

本申请要求在2018年7月18日提交的美国临时申请第62/699,897号的权益，所述申请的全部内容通过引用方式并入本文中。

技术领域

本文描述的实施例涉及一种用于保护多个导体免受电力浪涌或电噪声影响的压敏电阻器装置，并且更具体地涉及一种具有两个以上电极的压敏电阻器装置。压敏电阻器装置在施加的电压与通过所述装置的电阻性(同相)泄漏电流之间表现出非线性关系，并且这种非线性对于所述装置的功能很重要。金属氧化物压敏电阻(“MOV”)是浪涌放电器中使用的压敏电阻器装置的一个示例。

发明内容

高压电路和低压电路中的浪涌保护可以通过利用一个或多个压敏电阻器装置的浪涌放电器来提供。单个MOV用作压敏电阻器装置。当用于抑制噪声时，压敏电阻器装置的电抗(电容)也很重要，并且所述装置可以用作具有压敏泄漏电流的电容器。现有浪涌放电器中的多个压敏电阻器装置可能在物理上是分开的，或者可以分开制造并组装在一起成为单个零件。浪涌放电器的保护级别被定义为特定浪涌事件(例如，在10,000A时产生8x20μs波)期间的电压与装置的最大连续工作电压(“MCOV”)的比率。包含MOV的次级浪涌放电器通常放置在配电变压器的低压侧上。次级浪涌放电器可能需要同时保护多个导体免受电力浪涌影响。然而，标准的单个MOV只能在一个导体与参考电压(例如，地线、零线或另一相)之间提供浪涌保护。因此，标准的单个MOV无法完全保护利用两个以上导体的系统。

先前的解决方案利用每个浪涌放电器内的多个MOV来防止可能在任何导体上或同时在多个导体上发生的电力浪涌。例如，可以在每一对导体之间放置一个MOV，以限制这两个导体之间的相对电压。对于具有三个导体的系统，所有对导体之间的完整浪涌保护可能需要三个MOV。这种情况可能适用于具有三个导体(例如，火线、零线和地线)的单相系统。在此类情况下，可以使用三个MOV来钳制火线对零线电压、地线对零线电压以及火线对地线电压。替代地，可以将MOV放置在每个导体与地线导体之间，使得限制每个导体的绝对最大电压。以这种方式进行浪涌保护可能需要的MOV数量等于电路中的导体的数量。这种情况可以适用于具有三个有源导体(例如，L1、L2和L3)的三相系统或具有两个有源导体(例如，L1和L2)的分相电力系统。在这种配置中，每个MOV的地线导体可以与放电器装置连接。在这种配置中，可以自动地提供相间浪涌保护，其中最大相间电压被限制为残余相对地线电压的大约两倍。

本文描述的实施例涉及利用单个压敏电阻器装置向多个导体提供浪涌保护。具体地，压敏电阻器装置可以包括具有两个以上有源电极的单个整体零件。本文描述的压敏电阻器装置减少了相关联的浪涌放电器的零件的数量。另外，可以显著减小有源压敏电阻器材料的体积，同时对单个相提供相同的保护级别。因此，本文描述的压敏电阻器装置降低了原材料成本。因此，本文描述的实施例提供了保护多个导体免受电力浪涌影响的压敏电阻器装置。在一些实施例中，压敏电阻器装置由具有两个以上电极表面的单个MOV组成。

例如，一个实施例提供了一种用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置。所述装置包括位于所述装置的第一表面上的第一电极、位于所述装置的所述第一表面上的第二电极以及位于所述装置的第二表面上的浮置电极。所述第一电极被配置为从第一导体接收浪涌电流。所述浪涌电流通过所述装置从所述第一电极行进到所述浮置电极并从所述浮置电极行进到所述第二电极。

另一个实施例提供了一种用于保护多个导体免受电力浪涌影响的浪涌放电器。所述浪涌放电器包括装置。所述装置包括位于所述装置的第一表面上的第一电极、位于所述装置的所述第一表面上的第二电极以及位于所述装置的第二表面上的浮置电极。所述装置被配置为从所述多个导体中的至少一者接收浪涌电流。

又另一个实施例提供了一种用于保护多个导体免受电力浪涌影响的金属氧化物压敏电阻装置。所述装置包括位于所述装置的第一表面上的第一电极、位于所述装置的所述第一表面上的第二电极以及位于所述装置的第二表面上的浮置电极。所述装置被配置为从所述多个导体中的至少一者接收浪涌电流。

本发明的其它方面将通过考虑具体实施方式和附图变得显而易见。

附图说明

图1A是根据一些实施例的用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置的俯视图。

图1B是根据一些实施例的图1A的装置的侧视图。

图1C是根据一些实施例的图1A的装置的仰视图。

图2A是根据一些实施例的用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置，其中所述装置具有与所述装置的顶表面相关联的两个电极。

图2B是根据一些实施例的用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置，其中所述装置具有矩形物理形状和与所述装置的顶表面相关联的不同面积的三个电极。

图2C是根据一些实施例的用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置。

具体实施方式

在详细解释本申请的任何实施例之前，应当理解，本申请在其应用中并不限于具体实施方式中阐述的或以下附图中所示的部件的构造和布置的细节。本申请能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或执行。

如上所述，本文描述的实施例提供了一种保护多个导体同时免受电力浪涌影响的压敏电阻器装置。在一些应用中，压敏电阻器装置可以充当具有火线、零线和地线导体的单相电路上的次级浪涌放电器。在其它应用中，压敏电阻器装置可以充当具有三个导体的三相电路上的次级浪涌放电器。在甚至其它应用中，压敏电阻器装置也可以用作多个导体之间的噪声滤波器。压敏电阻器装置包括具有两个以上有源电极的单个整体零件。应当理解，压敏电阻器装置被制造为单个实体，并且不是组装在一起的多个压敏电阻器装置的复合物。

例如，图1A-1C示出了根据一些实施例的用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置100。在一些实施例中，装置100是整体压敏电阻器装置。如上所述，装置100包括具有多个电极的单个整体零件。单个整体零件可以由表现出强非线性电阻行为的材料构成。例如，单个整体零件可以由包括大约75-99％的氧化锌和各种掺杂剂元素的组合物制成，以提供特定的电属性。在一些实施例中，单个整体零件由致密陶瓷材料形成。陶瓷材料可以由包括大约85-95％的氧化锌并且其余部分由锰、钴、镍、时间锑、铋、银和硼的氧化物组成的组合物制成。尽管本文公开了单个整体零件的示例性组合物(包括示例性范围的氧化锌)，但是应当理解，单个整体零件可以由其它组合物(包括如本领域普通技术人员所认识的其它范围的氧化锌)形成。因此，在一些实施例中，单个整体零件(例如，MOV)由75-99％的氧化锌的单个陶瓷预成型件制造。

如图1A-1C所示，装置100具有三维圆盘的物理形状。在所示的示例中，装置100包括第一表面110(例如，顶表面)和第二表面115(例如，底表面)。在一些实施例中，如图1A-1C所示，第一表面110与第二表面115相对。如图1C所示，第一表面110和第二表面115可以通过第三表面120(例如，侧表面)连接。如图1C所示，第三表面120可以具有厚度T。

如上所述，装置100包括多个电极。装置100的每个电极可以是相对于装置100的单个整体零件导电的连续区域。在一些实施例中，多个电极中的一者或多者被施加到单个整体零件的表面。例如，装置100的每个电极可以是通过电弧喷涂工艺沉积到装置100的表面(例如，沉积到单个整体零件)的铝金属。在其它实施例中，多个电极中的一者或多者是单个整体零件的具有比单个整体零件本身更高的电导率的区域。

例如，如图1A所示，装置100包括第一电极125、第二电极130和第三电极132。第一电极125、第二电极130和第三电极132与装置100的第一表面110相关联。如图1A所示，第一电极125的面积(例如，第一面积)、第二电极130的面积(例如，第二面积)和第三电极132的面积(例如，第三面积)大致相同。然而，在一些实施例中，如图2B所示，第一电极125的面积、第二电极130的面积和第三电极132的面积不同。

装置100可以包括绝缘区域135。绝缘区域135可以是被施加到装置100的非电极部分的绝缘介电材料的区域。如图1A所示，绝缘区域135可以与装置100的第一表面110相关联。绝缘区域135可以位于第一电极125、第二电极130和第三电极132之间。因此，如图1A所示，绝缘区域135将第一电极125、第二电极130和第三电极132彼此分开。如图1A所示，绝缘区域135具有宽度B。在一些实施例中，绝缘区域135的宽度B是第三表面120的厚度T的至少两倍。

装置100可以包括边界区域140。如图1A的实施例中所示，边界区域140位于多个电极(例如，第一电极125、第二电极130和第三电极132)与第一表面110的边缘之间。边界区域140可以具有宽度C。在一些实施例中，边界区域140的宽度C是第三表面120的厚度T的至少一半。

图1C示出了根据一些实施例的装置100的仰视图。如图1B所示，装置100包括浮置电极145。浮置电极145可以与装置100的第二表面115相关联。如在图1A和1C1B的实施例中看到的，浮置电极145的面积与第一电极125、第二电极130和第三电极132的面积不同。在一些实施例中，浮置电极145没有电连接。浮置电极145可以用于将电流从一个区域传送到另一区域。例如，浮置电极145可以将电流从第一电极125传送到第二电极130或第三电极132。因此，诸如在电力浪涌期间，浮置电极145以电串联方式放置空间上远离的区域。在一些实施例中，浮置电极145被放置为与导电金属盘接触，以减小浮置电极145的表面上的远点之间的有效电阻。

在操作中，第一电极125、第二电极130和第三电极132分别连接到第一导体、第二导体和第三导体。第一导体、第二导体和第三导体可以取决于使用装置100的特定应用。例如，当装置100用于保护单相电路时，第一导体可以是“火线导体”，第二导体可以是“零线导体”，并且第三导体可以是“地线导体”。换句话说，当装置100用于保护单相电路时，第一电极125可以连接到火线导体，第二电极130可以连接到零线导体，并且第三电极132可以连接到地线导体。当装置100用于保护三相电路时，第一导体可以是“火线1”，第二导体可以是“火线2”，并且第三导体可以是“火线3”。因此，当装置100用于保护三相电路时，第一电极125可以连接到携带AC电压的第一导体，第二电极130可以连接到携带具有大约相同峰值的AC电压且具有约120度相移的第二导体，并且第三电极132可以连接到携带具有大约相同峰值的AC电压且与第一导体和第二导体两者约120度相移的第三导体。

下面描述当装置100用于保护单相电路时装置100的操作。

在正常操作(没有电力浪涌)下，第一电极125(连接到火线导体)可以在标称线路电压下通电，而第二电极130(连接到零线导体)和第三电极132(连接到地线导体)处于大约零电势。浮置电极145的电势可以介于第一电极125处的大约三分之一电势与一半电势之间。在正常操作期间，小的泄漏电流从第一电极125通过装置100(例如，单个整体零件)流到浮置电极145，流过浮置电极145，并通过装置100(单个整体零件)流回第二电极130和第三电极132。

当发生电力浪涌时，浪涌电流通过第一导体、第二导体、第三导体或它们的组合行进到装置100。随着浪涌电流到达相关联的电极(例如，第一电极125、第二电极130、第三电极132或它们的组合)，装置100的电阻率下降以限制相关联的浪涌电压。浪涌电流从具有最高电势的电极(例如，第一电极125)通过装置100(单个整体零件)行进到另外两个电极(例如，第二电极130和第三电极132)。浮置电极145的电势可以为装置100的第一电极125、第二电极130和第三电极132的最高电势与最低电势之间的大约一半电势。

到达电极中的一者或多者(例如，第一电极125、第二电极130和第三电极132)的浪涌电流可以以可变比率耗散到其它电极中的任一者。浪涌电流的耗散取决于电力浪涌期间第一电极125、第二电极130和第三电极132的电势。这种划分是自动发生的，使得任何两个导体之间的最大电压都受到放电器的保护等级的限制。

下面描述当装置100用于保护三相电路时装置100的操作。

在正常操作(没有电力浪涌)期间，小的泄漏电流可能会在三相电路的所有三相(例如，第一电极125、第二电极130和第三电极132)与地线电极(例如，浮置电极145)之间流动。当发生电力浪涌时，浪涌电流通过第一导体、第二导体、第三导体或它们的组合行进到装置100。随着浪涌电流到达相关联的电极(例如，第一电极125、第二电极130、第三电极132或它们的组合)，装置100(单个整体零件)的电阻率下降以限制相关联的浪涌电压。浪涌电流可以根据浪涌的极性在任一方向上在相关联的电极(例如，第一电极125、第二电极130、第三电极132或它们的组合)与浮置电极145之间流过装置100。

浪涌电流可以被分配到浮置电极145、第一电极125、第二电极130、第三电极132或它们的组合，使得任何火线与地线之间的最大电压可能受到放电器的保护等级的限制。任意两个导体之间的最大电压可以被自动限制为任意导体与浮置电极145之间的电压的两倍。

尽管装置100在本文中被描述为具有与装置100的第一表面110相关联的三个电极(例如，第一电极125、第二电极130和第三电极132)和与装置的第二表面115相关联的一个电极(例如，浮置电极145)，但是应当理解，装置100可以包括与第一表面110、第二表面115或它们的组合相关联的附加的或更少的电极。换句话说，装置100可以被设计为具有任意数量的电极，以便保护不同的电路配置免受电力浪涌的影响。

例如，图2A示出了装置100的俯视图，所述装置被设计为保护由180度异相的两个导体(例如，用于住宅应用的240V分相电源)操作的单相AC装备。如图2A所示，装置100可以包括与装置100的第一表面110相关联的两个电极(诸如第一电极125和第二电极130)以及与第二表面115相关联的浮置电极132。

此外，装置100可以具有与图1A-1C所示的物理形状不同的物理形状。在一些实施例中，装置100的物理形状取决于装置100的预期应用。装置100的物理形状可以包括例如矩形、正方形、椭圆形、三角形、圆柱体等。例如，图2B示出了具有矩形物理形状的装置100。

在一些实施例中，装置100被设计为具有圆柱体(诸如中空圆柱体)的物理形状。在此类实施例中，装置100可以包括在圆柱体的内径或外径上的连续电极。装置100还可以在相对表面上包括多个电极(例如，第一电极125、第二电极130等)作为连续电极。

在其它实施例中，装置100被设计为矩形板，所述矩形板具有与一个表面(例如，第一表面)相关联的多个电极(例如，第一电极125、第二电极130和第三电极132)以及与另一个表面(例如，第二表面)相关联的单个电极(例如，浮置电极145)。当装置100被设计为矩形板(与圆盘相比)时，装置100的体积效率可以高于例如图1A-1C所示的装置100的体积效率。

装置100可以被设计为采用具有各种有源电极配置的各种三维形状。例如，图2C示出了被设计为保护三导体单相AC电路的装置100。图2C所示的实施例可能不需要浮置地线电极(例如，图1C的浮置电极145)。

在一些实施例中，多个电极(例如，第一电极125、第二电极130等)的面积可以不同，如上所述。例如，第一电极125的面积可以与第二电极130的面积不同。换句话说，可以在各种导体之间提供不同的保护等级。类似地，可以增加或减小装置的厚度T、隔离区域135的宽度B、边界140的宽度C或它们的组合以提供不同的保护等级。

因此，本申请尤其提供了一种用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置。本申请的各种特征和优点在下面的权利要求中阐述。

Claims (19)

1.一种用于保护多个导体免受电力浪涌影响的装置，所述装置包含：

位于所述装置的第一表面上的第一电极；

位于所述装置的所述第一表面上的第二电极；以及

位于所述装置的第二表面上的浮置电极，

其中所述第一电极被配置为从第一导体接收浪涌电流，所述浪涌电流通过所述装置从所述第一电极行进到所述浮置电极并从所述浮置电极行进到所述第二电极，其中所述浮置电极所具有的电势值在所述第一电极和所述第二电极的最高电势值与最低电势值之间，且其中所述浮置电极与导电金属盘接触。

2.根据权利要求1所述的装置，进一步包含：

位于所述装置的所述第一表面上的边界区域；以及

位于所述装置的所述第一表面上的隔离区域，所述隔离区域将所述第一电极和所述第二电极分开。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置是包括在浪涌放电器内的金属氧化物压敏电阻元件。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电极与第一导体相关联，并且所述第二电极与不同于所述第一导体的第二导体相关联。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述装置的物理形状是选自由圆盘、圆柱体、矩形、正方形、椭圆形和三角形组成的群组中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电极的面积与所述第二电极的面积相同。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电极的面积与所述第二电极的面积不同。

8.根据权利要求1所述的装置，进一步包含位于所述装置的所述第一表面上的第三电极。

9.根据权利要求1所述的装置，其中当所述第一电极接收所述浪涌电流时，所述装置的电阻率减小。

10.一种用于保护多个导体免受电力浪涌影响的浪涌放电器，所述浪涌放电器包含：

装置，所述装置包括：

位于所述装置的第一表面上的第一电极；

位于所述装置的所述第一表面上的第二电极；以及

位于所述装置的第二表面上的浮置电极，

其中所述装置被配置为从所述多个导体中的至少一者接收浪涌电流；

其中当所述第一电极接收所述浪涌电流时所述装置的电阻率下降；

其中所述浮置电极所具有的电势值在所述第一电极和所述第二电极的最高电势值与最低电势值之间；且

其中所述浮置电极与导电金属盘接触。

11.根据权利要求10所述的浪涌放电器，其中所述装置被配置为在选自由所述第一电极和所述第二电极组成的群组中的至少一者处接收所述浪涌电流。

12.根据权利要求10所述的浪涌放电器，其中所述第一电极被配置为从第一导体接收浪涌电流，并且所述第二电极被配置为从第二导体接收浪涌电流。

13.一种用于保护多个导体免受电力浪涌影响的金属氧化物压敏电阻装置，所述装置包含：

位于所述装置的第一表面上的第一电极；

位于所述装置的所述第一表面上的第二电极；

位于所述装置的第二表面上的浮置电极，

位于所述装置的所述第二表面上的第三电极；以及

其中所述装置被配置为从所述多个导体中的至少一者接收浪涌电流；

其中所述浮置电极所具有的电势值在所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极的最高电势值与最低电势值之间；且

其中所述浮置电极与导电金属盘接触。

14.根据权利要求13所述的金属氧化物压敏电阻装置，其中所述装置被配置为在选自由所述第一电极和所述第二电极组成的群组中的至少一者处接收所述浪涌电流。

15.根据权利要求13所述的金属氧化物压敏电阻装置，其中所述第一电极被配置为从第一导体接收浪涌电流，并且所述第二电极被配置为从第二导体接收浪涌电流。

16.根据权利要求13所述的金属氧化物压敏电阻装置，其中所述第一电极连接到包括在所述多个导体中的第一导体，并且所述第二电极连接到包括在所述多个导体中的第二导体。

17.根据权利要求13所述的金属氧化物压敏电阻装置，其中所述装置由具有75-99％氧化锌的单个陶瓷预成型件制成。

18.根据权利要求13所述的金属氧化物压敏电阻装置，其中所述第一电极连接到包括在所述多个导体中的第一导体，并且所述第三电极连接到包括在所述多个导体中的第二导体。

19.根据权利要求13所述的金属氧化物压敏电阻装置，其中所述浮置电极是地线电极。