CN113765083B - 一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器 - Google Patents

一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于石墨‑金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，多层间隙过电压保护器为固定多层间隙部分和可控多层间隙部分串联连接而成，智能可控开关并联连接在可控多层间隙部分两端；智能可控开关的自动耦合过电压的能量而输出触发脉冲，引发智能可控开关导通，致使多层间隙的可控部分短路，从而使得多层结构的过电压间隙具有交、直流耐受电压高、雷电电压保护水平高、响应时间快、抗工频或直流后续电流能力强等显著特点，可以用于通信领域、乃至电力领域等应用场合的直接雷击和雷电感应过电压的防护。

Description

一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过 电压保护器
技术领域
本发明涉及一种过电压保护器件，特别涉及一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器。
背景技术
随着高压输电线路中开关设备的应用以及电子与信息化系统的技术进步提升，过电压对敏感、抗扰度能力弱的电子设备、通信装置的影响和危害日益加剧，过电压防护是电力、通信系统安全运行的重要保障。
自德国的凤凰接触公司羊角电极结构的过电压保护火花间隙和奥宝贝特曼股份有限公司的叠层石墨结构的过电压保护产品问世以来，国内诸多研究机构、生产企业基于叠层结构过电压保护间隙无电弧外泄、后续电流抑制能力强的优点，均采用这种主体结构的过电压保护间隙，在外围均压电路、失效指示等方面，发明了不少有特定功能的过电压保护间隙，比如：ZL 02107856.4一种承载雷电流的火花间隙装置，ZL 200710049004.9高效层叠式石墨放电间隙装置等。
叠层石墨结构的过电压保护间隙一定程度上解决了单间隙(比如羊角间隙)的抑制后续电流能力差的技术难题，但存在以下缺陷：
(1)由于石墨材料的脆性，机械加工和安装难度大，组装效率低；
(2)叠层石墨结构的过电压保护间隙的引出电极，由于引出金属电极与石墨电极的电气连接不可靠，致使引出电极与石墨电极的接触电阻大，在雷电流流经时，接触处容易因过热而出现故障，严重影响过电压保护间隙工作的可靠性和使用寿命。
(3)为了提高多层石墨间隙抑制工频或直流后续电流的能力，通常通过增加多层石墨间隙的放电间隙个数，使得交流和直流耐受电压升高，但造成的结果是雷电保护电压水平的降低，无法解决交直流耐受与雷电电压保护水平之间相互制约的技术问题。
发明内容
本发明目的在于针对现有叠层石墨间隙存在的缺陷，提出一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，显著提升多层过电压保护间隙的防护性能，有效解决过电压保护间隙的交直流电压耐受能力、抗续流能力与雷电过电压保护水平相互制约的技术问题，同时还可以有效解决石墨间隙与外部引出电气连接金属电极可焊性差的致命缺陷。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，包括固定多层石墨-金属镀层间隙单元、可控多层石墨-金属镀层间隙单元和智能可控开关；
固定多层石墨-金属镀层间隙单元、可控多层石墨-金属镀层间隙单元均由设置在绝缘外壳中的多个石墨-金属材料电极构成的多层放电间隙串联而成，且固定多层石墨-金属镀层间隙单元和可控多层石墨-金属镀层间隙单元串联连接；
智能可控开关输入端能够自动耦合来自过电压的能量，智能可控开关输出端与可控多层石墨-金属镀层间隙单元并联，当对操作过电压和雷电过电压时，智能可控开关能够迅速导通短路可控多层石墨-金属镀层间隙单元。
进一步，设置在绝缘外壳中的多层放电间隙的相邻两个电极之间用绝缘介质材料进行绝缘隔离后通过贯穿各电极和绝缘介质材料的绝缘连杆串联连接，绝缘介质材料为环形结构；
固定多层石墨-金属镀层间隙单元最上层电极和可控多层石墨-金属镀层间隙单元最下层电极分别引出绝缘外壳作为上引出电极和下引出电极，固定多层石墨-金属镀层间隙单元和可控多层石墨-金属镀层间隙单元共用的石墨-金属材料电极引出绝缘外壳作为触发电极，各引出电极对应焊接在各石墨-金属电极的金属层上，智能可控开关输出端与触发电极和下引出电极连接。
进一步，智能可控开关包括自动能量耦合触发电路和触发型开关，自动能量耦合触发电路由上耦合电容C1、下耦合电容C2和一只连接在上耦合电容C1和下耦合电容C2之间的隔离间隙及脉冲变压器T组成；
自动能量耦合触发电路的两个输入端分别与上引出电极和下引出电极相连或者分别与触发电极和下引出电极相连，触发型开关输出端连接在触发电极和下引出电极之间。
进一步，所述石墨-金属材料电极是通过在石墨棒材外表面喷溅金属材料后切割成的片状电极，金属层位于片状电极水平方向外侧。
进一步，所述石墨-金属材料电极为圆形、方形或椭圆形，电极外侧喷溅金属的厚度为50-300μm。
进一步，所述石墨-金属材料电极水平方向的一侧喷溅有金属层、另一侧未覆盖金属层。
进一步，相邻两石墨-金属材料电极之间的间隙为0.5-1.5mm，各石墨-金属材料电极之间的绝缘介质材料厚度与电极之间的间隙距离一致。
进一步，喷溅的金属镀层材料是铝、铜或铝锌合金。
进一步，可控多层石墨-金属镀层间隙单元的放电间隙个数占电压保护器总间隙数量的10-30％或者50％以上。
本发明基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，固定多层石墨-金属镀层间隙单元、可控多层石墨-金属镀层间隙单元均由设置在绝缘外壳中的多个石墨-金属材料电极构成的多层放电间隙串联而成，采用了石墨-金属材料作为多层间隙过电压保护器的电极材料，使得过电压保护器的引出电极与多层过电压保护器具有优良的可焊接性，彻底解决了目前石墨多层间隙过电压保护器因引出电极可焊性差导致的性能不可靠甚至失效而造成雷击事故发生的严重缺陷。
固定多层石墨-金属镀层间隙单元和可控多层石墨-金属镀层间隙单元串联连接，智能可控开关输出端与可控多层石墨-金属镀层间隙单元并联，正常工作状态下，智能可控开关不会对多层保护间隙可控部分的工作状态造成影响，整个多层间隙承担交直流工作电压，运行的安全性很好；当对操作过电压和雷电过电压时，智能可控开关能够迅速导通短路可控多层石墨-金属镀层间隙单元，有效改善了多层过电压保护间隙的伏安特性，有效改善了多层过电压保护间隙的伏安特性，提升了多层过电压保护间隙的工频耐压特性和雷电电压保护水平。
本发明在多层间隙结构中增加触发电极和智能可控开关，通过采用智能可控开关对多层间隙过电压保护器可控部分的控制，使得基于石墨-金属镀层的可控多层间隙过电压保护器不仅具有对外电气连接电极的可焊性，而且这种多层结构的过电压间隙具有交直流耐受电压高、雷电电压保护水平高、响应时间快、抗工频或直流后续电流能力强等显著特点，很好地解决了多层间隙过电压保护器工频、直流耐受与雷电电压保护水平差相互制约的技术难题，可以用于通信领域、乃至电力领域等应用场合的直接雷击和雷电感应过电压的防护。
采用铝、铜或者铝锌合金材料喷溅在石墨电极一侧或两侧形成金属层，比现有全石墨电极具有优良的可焊接性能，更有效避免了电接触不可靠而造成防护性能下降的缺陷。
附图说明
图1a是本发明石墨-金属镀层材料结构示意图一；
图1b是本发明石墨-金属镀层材料结构示意图二；
图1c为矩形石墨-金属镀层材料的横截面示意图；
图1d为圆棒石墨-金属镀层材料的横截面示意图；
图2a是本发明的多层间隙过电压保护器的石墨-金属镀层电极结构示意图一；
图2b是本发明的多层间隙过电压保护器的石墨-金属镀层电极结构示意图二；
图3a是本发明中一个放电间隙的结构示意图一；
图3b是本发明中一个放电间隙的结构示意图二；
图4是本发明基于石墨-金属镀层材料的高可焊性多层间隙过电压保护器的结构示意图；
图5是本发明的原理示意图；
图中：1-上引出电极；2-下引出电极；3-触发电极；4-绝缘外壳；5-绝缘连杆。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
参见图1a-图1d，本发明基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其中石墨-金属电极材料是通过在石墨棒材外表面喷溅金属材料，如图1a 和图1b所示可以是双侧喷溅金属材料也可以是单侧喷溅金属，石墨棒材可以是圆形棒材或矩形或方形棒材，其石墨-金属材料的矩形截面和圆形截面分别如图1c和图1d 所示；喷溅的金属材料可以是铝、铜或其它材料，金属喷溅层的厚度D可以控制在 8-20mm，金属喷溅通过电弧喷涂设备实现。
石墨-金属镀层材料的制作流程如下：①将圆棒或矩形石墨棒安装在能够旋转的机构上；②将圆棒或矩形石墨棒的外表面进行粗化处理；③使用电弧喷射设备在经过粗化的石墨棒表面喷射金属材料，通过石墨棒的旋转和电弧喷射设备的自动控制和往复移动，在石墨棒表面形成具有一定厚度的金属层。
参见图2a和图2b，基于电弧喷涂工艺形成的石墨-金属镀层材料，将石墨-金属镀层电极材料机械加工成多层石墨间隙过电压保护器所需结构的多层电极，每层石墨 -金属电极可以是如图2a所示的双侧均喷射金属或合金层的电极或如图2b的所示的单侧喷射金属或合金层的圆形、方型或其它形状的电极组成。
参见图3a和图3b，图2a或图2b所示的电极可以组成多层间隙过电压保护器的 1个放电间隙，其中图2a或图2b所示的电极的中心可以设计有一圆孔，圆孔的直径可以控制在3-5mm，其作用是形成初始触发载流子在不同电极形成的间隙之间进行移动，改善多层过电压间隙的防护特性。多层间隙过电压保护器的每相邻电极之间的间隙距离分别为Dg1、Dg2、……、Dgn，其量值可以控制在0.5-1.5mm之间；相邻两电极之间分别通过绝缘介质隔离I1、I2、……、In绝缘隔开，其中绝缘隔离I1、I2、……、 In的高度为Hg1、Hg2、……、Hgn，与相邻两电极之间的间隙距离匹配。绝缘介质隔离的形状是具有中孔的圆形、方形或椭圆形结构，与电极的圆形、方形或椭圆形结构相适应。
参见图4，本发明一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，主要由多层间隙和智能可控开关组成，其中多层间隙包含固定多层间隙部分和可控多层间隙部分，固定多层间隙部分和可控多层间隙部分串联连接，智能可控开关与可控多层间隙部分并联连接。
基于高可焊性的可控多层间隙过电压保护器的多个放电电极、多个绝缘介质隔离等安装在绝缘外壳4内，相邻两个电极之间用绝缘介质进行绝缘隔离后通过贯穿各电极和绝缘介质材绝缘连杆5串联连接，形成多层间隙G1、……、Gn的固定多层间隙部分和可控多层间隙部分。放电间隙G1(第1个间隙的上、下电极E1u，E1d)、……、 Gn(第n个间隙的上、下电极Enu，End)均有多个相邻的电极组成，相邻两石墨-金属镀层材料电极之间依次构成放电间隙G1、……、Gn，其间隙距离分别为Dg1、……、 Dgn；相邻两电极之间通过绝缘介质隔离I1、……、In实现电气绝缘，绝缘隔离的高度分别为Hg1、……、Hgn。为简便期间，相邻两个放电间隙的下电极和下面间隙的上电极可以共享。
参见图4，本发明的一种基于高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，将所有的多层电极构成的G1、……、Gn多个间隙分成固定多层间隙和可控多层间隙两部分，其中固定和可控多层间隙部分中，可控多层间隙的放电间隙个数可以控制在总间隙数量的10-30％(或50％等更高占比)。多层间隙过电压保护器的固定多层间隙部分和可控多层间隙部分串联连接，固定多层间隙的下电极和可控多层间隙上电极电气连接形成多层间隙的触发电极或者固定多层间隙的下电极和可控多层间隙的上电极共用一个电极，共用电极作为触发电极，固定多层间隙的上电极、可控部分的下电极以及触发电极形成多层间隙的三个电气连接端。
参见图5，本发明的智能可控开关的电气原理图，其包括触发型开关和自动能量耦合触发电路。智能可控开关是一个包含有自动雷电过电压耦合电路和触发型开关的二端口电路网络。智能可控开关的两个输入端可以电气连接在如图4所示的可控多层间隙的两端，也可以电气连接在如图4所示的整个多层间隙的两端，其输入端能够自动耦合来自过电压的能量，输出端与多层间隙可控部分并联。
智能可控开关的自动雷电过电压耦合电路由上耦合电容C1、下耦合电容C2、隔离间隙和脉冲变压器T组成。
在雷电过电压或操作过电压作用下，下耦合电容C2上的电压使得隔离间隙导通，在脉冲变压器T的原边中由于脉冲电流通过而在两端感应出脉冲电压，经脉冲变压器 T(升压变压器)放大后输出触发过电压，给触发型开关提供足够的触发电压和导通用的带电粒子，加速了智能可控开关的导通速度，从而使得智能可控开关具有比被动型(无触发电极)多层间隙更优良的过电压保护性能，智能可控开关的脉冲击穿电压与直流击穿电压的比值可以调控到接近1甚至远小于1。
参见图4、图5，一种基于高可焊性的多层间隙可控过电压保护器的过电压保护原理是：正常情况下，多层间隙的固定部分和可控部分共同承受工频或直流运行电压，由于多层间隙的放电间隙数量较多，因而多层间隙过电压保护器具有极高的工作稳定性；在雷电过电压或操作过电压作用下，自动雷电过电压耦合电路自动耦合雷电过电压的能量而输出触发脉冲，使得触发型开关快速导通，从而将多层间隙的可控部分短路，因此，可控多层间隙过电压保护器的冲击残压为多层间隙固定部分的冲击残压与智能可控开关的触发型开关的电弧电压，在忽略智能可控开关的触发型开关的电弧电压的情况下，可控多层间隙过电压保护器的冲击残压近似为多层间隙固定部分的冲击残压，在多层间隙可控部分占比10-30％或更大的情况下，可控多层间隙过电压保护器的雷电击穿电压将下降10-30％或更高，大大提升了多层间隙过电压保护器的电压保护水平。
参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本专利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其特征在于：包括固定多层石墨-金属镀层间隙单元、可控多层石墨-金属镀层间隙单元和智能可控开关；
固定多层石墨-金属镀层间隙单元、可控多层石墨-金属镀层间隙单元均由设置在绝缘外壳（4）中的多个石墨-金属材料电极构成的多层放电间隙串联而成，且固定多层石墨-金属镀层间隙单元和可控多层石墨-金属镀层间隙单元串联连接；
智能可控开关输入端能够自动耦合来自过电压的能量，智能可控开关输出端与可控多层石墨-金属镀层间隙单元并联，当对操作过电压和雷电过电压时，智能可控开关能够迅速导通短路可控多层石墨-金属镀层间隙单元；
设置在绝缘外壳（4）中的多层放电间隙的相邻两个电极之间用绝缘介质材料进行绝缘隔离后通过贯穿各电极和绝缘介质材料的绝缘连杆（5）串联连接，绝缘介质材料为环形结构；
固定多层石墨-金属镀层间隙单元最上层电极和可控多层石墨-金属镀层间隙单元最下层电极分别引出绝缘外壳（4）作为上引出电极（1）和下引出电极（2），固定多层石墨-金属镀层间隙单元和可控多层石墨-金属镀层间隙单元共用的石墨-金属材料电极引出绝缘外壳（4）作为触发电极（3），各引出电极对应焊接在各石墨-金属电极的金属层上，智能可控开关输出端与触发电极（3）和下引出电极（2）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其特征在于：智能可控开关包括自动能量耦合触发电路和触发型开关，自动能量耦合触发电路由上耦合电容C1、下耦合电容C2和一只连接在上耦合电容C1和下耦合电容C2之间的隔离间隙及脉冲变压器T组成；
自动能量耦合触发电路的两个输入端分别与上引出电极（1）和下引出电极（2）相连或者分别与触发电极（3）和下引出电极（2）相连，触发型开关输出端连接在触发电极（3）和下引出电极（2）之间。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其特征在于：所述石墨-金属材料电极是通过在石墨棒材外表面喷溅金属材料后切割成的片状电极，金属层位于片状电极水平方向外侧。
4.根据权利要求3所述的一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其特征在于：所述石墨-金属材料电极为圆形、方形或椭圆形，电极外侧喷溅金属的厚度为50-300mm。
5.根据权利要求3所述的一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其特征在于：所述石墨-金属材料电极水平方向的一侧喷溅有金属层、另一侧未覆盖金属层。
6.根据权利要求3所述的一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其特征在于：相邻两石墨-金属材料电极之间的间隙为0.5-1.5mm，各石墨-金属材料电极之间的绝缘介质材料厚度与电极之间的间隙距离一致。
7.根据权利要求3所述的一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其特征在于：喷溅的金属镀层材料是铝、铜或铝锌合金。
8.根据权利要求3所述的一种基于石墨-金属镀层的具有高可焊性的可控多层间隙过电压保护器，其特征在于：可控多层石墨-金属镀层间隙单元的放电间隙个数占电压保护器总间隙数量的10-30%或50%以上。
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