CN1163012A

CN1163012A - 电涌放电器

Info

Publication number: CN1163012A
Application number: CN 95196157
Authority: CN
Inventors: A·C·埃文斯; J·P·麦克维彻; C·J·麦米尔斯; K·N·梅尔顿; J·S·梅提斯
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1995-11-06
Publication date: 1997-10-22

Abstract

一种防止配电设备过电压的电涌放电器具有一个作为灵敏电涌放电元件的可变电阻器。即使一个持续过电压，一个与可变电阻器串联连接的非晶体金属导体加热到或超过一个极限温度，在该温度上非晶体金属导体的抗拉强度显著地下降。非晶体金属导体断开，引起一系列动作,这些动作包括闭合一个开关来产生一个永久短路接地、操作网络过电流保护来释放放电器和相关保护的设备，并且防止电网由于持续的或永久的工频过电压状态引起的绝缘损坏和/或破坏。

Description

电涌放电器

具有对过电压灵敏的接地开关的电涌放电器

技术领域

本发明涉及用于保护电网中的设备的电涌放电器，该电涌放电器具有对过电压灵敏的接地开关。

发明背景

电涌放电器被用于防止与配电网连接的设备受到由雷击、开关电涌、不正确的连接和其它异常状态或故障引起的过电压情况的损坏。

在一个电涌放电器中的灵敏元件是一个可变电阻器，也被称为一个非线性电阻器，因为它呈现出一个非线性的电流—电压关系。如果施加的电压小于一个确定的电压(开关或钳位电压)，那么该可变电阻器基本上是一个绝缘体并且只有小的漏电流流过可变电阻器。如果施加的电压大于开关电压，那么可变电阻器阻值下降，允许增加的电流流过可变电阻器。也就是：一个可变电阻器在低于它的开关电压时是高电阻的，而在超过它的开关电压时是明显导通的。在Honl et al.，US5,299,088(1994)；Koch et al.，EP 0,230,103 A2(1987)；Koch et al.，EP0,299,464 A1(1987)；Mikli，US 5,325,087(1994)；和Wiseman et al.，WO93/26017(1993)中公开了典型的电涌放电器的设计。

通常电涌放电器方式连接到电力系统上，它的一端与电力系统的一相导体连接，而它的另一端接地或与中性线连接。在正常的系统电压上，电涌放电器阻止电流流过(除了漏电流之外)。但是，如果超过开关电压的一个过电压状态产生，那么电涌放电器变为导通并且使电涌能量接地同时“钳位”或把系统电压限制到一个值，该值能够由被保护的设备容忍而不被损坏。

即使一个持续的工频过电压，设备绝缘的耐电压时效能够超过损坏极限，导致故障。虽然放电器能够防止由雷击(几十到几百微秒)或开关电涌(几千微秒)产生的相对短时间周期的损坏，但是即使具有可变电阻器的电压限制，一个持续的或永久的工频过电压状态能够导致设备绝缘的损坏和/或故障。虽然一个典型电涌放电器的目的是限制瞬时过电压状态，但是它的目的并不是防止持续的或永久的工频过电压状态。在这种工频过电压状态下，希望电涌放电器产生一个永久的低电阻接地通路，以便产生一个有意的短路电路，该短路电路将导致有意的过电流保护操作，这种操作将分段和断开放电器和被保护的设备，以便避免其它可能的损坏状态。

发明概述

供一种电涌放电器，包括：

(a)一个第一连接器，用于把电涌放电器与电力系统的一相导线电连接；

(b)一个第二连接器，用于把电涌放电器与电力系统的一个中性线或接地线电连接；

(c)一个电涌放电元件，它与第一和第二连接器电连接并且包括至少一个由可变电阻材料构成的部件；

(d)一个开关，它与第一和第二连接器连接并且与电涌放电元件并联连接，当该开关处于闭合位置时，它构成在第一和第二连接器之间的一个短路通路并且把电涌放电元件旁路；

(e)非晶体金属元件，它被设置在第一和第二连接器之间并且与电涌放电元件串联连接，该非晶体金属元件具有极限温度，在该极限温度或在该极限温度之上非晶体金属元件的抗拉强度显著地下降；和

(f)一个弹簧，当非晶体金属元件处在低于极限温度的一个温度上时，该弹簧把不足以使非晶体金属元件断开的一个拉力施加给非晶体金属元件，而当非晶体金属元件处在等于低于或高于极限温度的一个温度上时，该弹簧把足以使非晶体金属元件断开的一个拉力施加给非晶体金属元件；当非晶体金属元件没有被断开时该弹簧把开关保持在打开位置，而当非晶体金属元件被断开时该弹簧把开关移动到闭合位置，以便构成在第一和第二连接器之间的电路通路。

在使用中，该电涌放电器被连接作为在电力系统的相导线和中性导线和/或接地导线之间的旁路装置。通常，由于施加的电压小于可变电阻材料的转换电压并且由于弹簧把开关保持在打开位置，所以除了漏电流流过电涌放电元件之外，在电网和接地导线之间没有电流流过。即使一个过电压，可变电阻材料变得显著地导电，增加的电流通过可变电阻材料和与可变电阻材料串联连接的非晶体金属元件在相导线和接地导线或中性导线之间流动。利用这种方法，过电压能量被旁路接地，并且防止了在电网上的设备被损坏。如果过电压持续，那么持续的电流流过非晶体金属元件并且使其加热。在一个足够高的电流密度持续足够长的时间周期时，非晶体金属元件被加热到它的极限温度或超过它的极限温度，导致了非晶体金属元件的抗拉强度的显著下降。由弹簧施加的拉力使非晶体金属元件断开或其它的方式使非晶体金属元件遮断，由此使弹簧释放以便把开关移动(正向的或反向的)到它的闭合位置，实现在第一和第二连接器之间的短路通路。在同时，借助于电涌放电元件和非晶体金属元件，在第一和第二连接器之间的通路被旁路。因此，产生一个接地的永久旁路短路通路。在一个优选的实施例中，电涌放电器提供一个可见记号，该记号表示接地机构已经被断开，并且向系统操作人员发出警报信号。

附图简述

图1a是一个表示本发明的电涌放电器与配电网连接的电路图。

图1b是表示相同的电路图，但它是在响应一个超过工频过电压状态之后，具有在闭合位置中永久短路开关接地的状态。

图2a是表示本发明的电涌放电器。

图2b是表示相同的电涌放电器，但具有绝缘击穿的非晶体金属元件。

图2c是表示图2a和2b的电涌放电器，但它表示分解图。

优选实施方案描述

本发明的电涌放电器的操作和它与常规电涌放电器相比具有的优点通过参照附图和下列的详细描述将变得更明显。应该理解的是：一个常规电涌放电器执行一个单一的功能，即防止电压电涌，而本发明的装置不仅执行相同的功能，而且即使在一个稳定的工频过电压状态下还具有设置一个永久短路接地的能力。因此本发明的装置在广义的范围内被称为“电涌放电器”。

图1a是一个表示本发明的电涌放电器与电网10连接的电路图，在电网10中由线电压11来的电力被提供给一个负载12。电涌放电器13把电网10与地14连接。一个接地14的电通路是借助于可变电阻器15和非晶体金属元件16串联连接构成的通路a，它们串联连接的顺序是不重要的。对于正常的操作，本发明是不受位置影响的，即使可变电阻器15是在非晶体金属元件16的电源侧也不要紧，反之依然。在正常工作状态下，可变电阻器15是处在它的高电阻状态，以致于流过地的电流仅是小的漏电流.即使在一个过电压状态下，以致于可变电阻器15的转换电压被超过，可变电阻器15实际上变为导通和增加的能量借助于可变电阻器15和非晶体金属元件16被分流到地14。电网10应该具有一个过电流保护装置17，例如一个熔丝或用于系统过电流保护的断路器。电涌放电器13还设置有用于接地14的另一个通路b。然而，在正常工作状态或瞬态电压电涌状态下的电涌放电器13中，由于开关触点18a和18b被保持分离，所以通路b是开路的。弹簧20施加一个趋向使开关触点18a和18b彼此相对的力，来使通路b闭合，但是由非晶体金属元件来防止进行这种操作(弹簧20是电绝缘的并且不形成一个接地的电通路。)。

图1b是表示当一个异常高的和/或持久工频过电压状态存在时获得的位置情况。如果这个过电压情况没有被抑制，那么这个过电压足以使可变电阻器15和/或电网10上的设备损坏或破坏。但是，在损坏能够发生之前，由通过电通路的电流或通过由可变电阻器15产生的热，或由在两种情况结合产生的热使非晶体金属元件16被加热到非晶体金属元件16的极限温度或在其之上的一个温度。由于在这个温度上非晶体金属元件16的抗拉强度被减小，所以非晶体金属元件16由弹簧20断开，同时使开关触点18a和18b相互接触。因此，接地的通路a被断开而闭合接地通路b。由于一个过热的可变电阻器可以由突发力来断开，所以防止了设备和人员被损害或伤害。在持续的过电压状态已经被消除之后，通过替换非晶体金属元件16可以重新设置电涌放电器13。此外，电涌放电器13可以被设计成一个可处理的单元，在这种情况下整个单元被替换。

图2a表示本发明的一个电涌放电器13的机械特征截面图。夹在金属接触盘32a和32b(例如由黄铜制成)之间的可变电阻器15被包含在一个绝缘座34的里面。为了更好的电接触，可变电阻器15面对金属接触盘32a和32b的面可以被涂上一种导电材料(例如银涂料)或可以通过溅射在其表面上淀积像铝这样的金属。通过在可变电阻器15和金属接触盘32a和32b之间插入一个薄锌片或一层锡/焊接镀层(没有示出)可以在它们之间设置一个软金属界面。绝缘座34也包含有由金属或其它导电材料构成的外壳30。由第一和第二紧固部件36a和36b(由金属或其它导电材料构成的)、非晶体金属元件16和绝缘管38组成的一个组件通过在绝缘座34中的一个开口与绝缘座34配合，以致于紧固部件36a接触金属接触盘32a。非晶体金属元件16通过螺杆35a和35b分别被紧固地连接到紧固部件36a和36b上。紧固部件36a和36b和在绝缘管38中的开口能够是矩形的，以便防止紧固部件36a和36b和非晶体金属元件16旋转。在绝缘管38的周围设置有弹簧20。在另一端上，端部塞40、套管42和第一连接器44在外壳30中保持配合结合在它们的位置上。端部塞40和第一连接器44是由金属或其它导电材料构成的，而套管42是由介电材料构成的。在正常工作状态下，由于由弹簧20施加的力不足以使非晶体金属元件20断开并把绝缘座34和可变电阻器15向右推，所以弹簧20被保持在压缩状态。第一连接器44设置有一个用于与地或中性点连接的装置，而第二连接器46设置有一个用于与电网电连接的装置。然而，应该理解的是：本发明的装置不受位置影响，即连接可以是反向的，第一连接器44与电网连接，第二连接器46与地或中性点连接，而没有功能性的损失。比弹簧20更弱的接触弹簧50起着保证金属接触盘32a和32b紧固地压着可变电阻器15和保证在它们之间具有良好的电接触的功能，而它与可变电阻器15的厚度无关。O形环48和48a提供了一个周围密封。由第一连接器44、金属接触盘32b、可变电阻器15、金属接触盘32a、紧固部件36a、非晶体金属元件16、紧固部件36b、外壳30和第二连接器46形成了一个与图1a中的通路a对应的电通路。

图2b表示当一个异常高的或持久工频过电压状态存在，使非晶体金属元件16达到或超过它的极限温度时获得的位置情况。随着抗拉强度的下降，由弹簧20施加的力足够使非晶体金属元件16断开和把绝缘座34向右推，以致于金属接触盘32b接触端部塞40。用这种方法，经过可变电阻器15的原始电通路被打开，而一个与通路b对应并且把可变电阻器15旁路的新的电通路被接通。这个新的电通路是由第一连接器44、金属接触盘32b、端部塞40、外壳30和第二连接器46构成的。第一连接器44的移动使O形环48暴露出来，以便提供一个可见的记号，该记号表示已经转换到通路b。此外，弹簧20、第一连接器44或其它可移动部件中的一个部件的移动能够被用来驱动(机械的、电的或液的)像一个符号、标志和继电器触点这样的一些其它记号的显示。

本发明的优点是：把电涌放电器13设计成在起动接地功能中具有一个或两个周波的延迟来避免由于干扰引起的断路。最好电涌放电器13被设计成在持续的工频过电压状态的10个周波之内接地。同样应该理解的是：当非晶体金属元件16被断开时，弹簧20使通路b接通需要占用有限的时间量，该时间量是在几分之一周期(假设频率为50到60Hz)的数量级上，并且在产品设计中可以考虑这样的延迟。

图2c示出了图2a和2b中的元件，但是为了更清楚看到单个元件它给出的是分解图。

在现有技术中有时候非晶体金属(或合金)被称为一个金属玻璃、玻璃非晶体金属(或合金)或玻璃金属(或合金)。非晶体金属可以从AlliedSignal Inc.，Morritown，New Jersey，U.S.A.，商号为Metglas^TM得到。而利用带状形式的金属导体是更合适的，像导线、板状、叶片和类似形状的其它形状也可以被利用。

典型的非晶体金属是通过快速冷却或淬火制成的一种合金的过冷熔料，该合金包括像铁、钴和/或镍这样金属的60-90原子百分比和像硼、磷和/或碳这样的非金属元素的30-10原子百分比。像铬、钼或铝这样的其它元素可以选择地利用。以像铍、锆和钛这样的其它金属为基础的非晶体金属合金也是适用的。可以认为：可溶解在金属中的非金属元素影响金属的结晶并且根据快速冷却使亚稳非晶体状态形成。实际上利用X-光照射能够检测非结晶度。

在非晶体金属经过由于合成、冷却、抛光和后处理引起的变化的条件下，非晶体金属总是具有在1,500-3000MPa或更高的范围之内的抗拉强度。当非晶体金属被加热到一个极限温度或超过这个极限温度，该温度典型地是在200和400℃之间时，虽然由于像非晶体金属随时间变化和非晶体金属的结构这样因素的原因不可能精确地预测抗拉强度的减小量，但是非晶体金属的抗拉强度减小到原始抗拉强度的大约25％或更小。总之，抗拉强度的下降总是急速并且是非常大的，类似一个阶跃函数，而抗拉强度的下降与其精确量无关。这种下降陡度使得与像熔丝连接这样的其它材料相比非晶体金属更引起注意，所述其它材料反应更慢并且多半不能及时防止可变电阻材料被损坏。同样，常规(结晶)金属连接呈现出抗拉强度的下降依赖时间-温度的关系，虽然没有超过一个预定极限温度，但是由于延长了暴露于适当温度的时间，这种关系使它们对遮断敏感。在Melton et al.，US 4,263,573(1981)；Narasimhan，US 4,142,571(1979)；Chen et al.，US3,856,513(1974)；和Metglas Products的题为“MetGlas Amorphous MagneticAlloys”的说明书(Allied Signal)中能够找到更多的关于非晶体金属的信息，在此参照这些公开的文件。

在上述Melton中已经假设：在极限温度上非晶体金属变换成一种更低强度的结晶形式。另外，在Wu et al.，inPhilos.Mag.B，1991，Vol.61，No.4，pp.739-750中假设：在极限温度上抗拉强度的下降与随着温度的增加而增加的原子迁移率有关。这些对于抗拉强度下降的解释是值得注意的，但是本发明的实施不依赖于它们任何一个(或甚至一些其它还未系统说明解释)的正确性。最重要的是：在极限温度上或超过极限温度时抗拉强度下降并且是急速的下降。

一个优选的可变电阻材料是由氧化锌作为一个主要金属氧化物和加上少量附加的金属氧化物构成的。附加金属氧化物可以是：Al₂O₃、B₂O₃、BaO、Bi₂O₃、CaO、CoO、Co₃O₄、Cr₂O₃、FeO、In₂O₃、K₂O、MgO、Mn₂O₃、Mn₃O₄、MnO₂、NiO、PbO、Pr₂O₃、Sb₂O₃、SiO₂、SnO、SnO₂、SrO、Ta₂O₅、TiO₂、或它们的混合物。用于制造可变电阻材料的一个优选方法是在Thompson et al.，US5,039,452(1991)中公开的淀积方法，这个公开的专利文件作为本发明的引用文件，在这个方法中附加的金属氧化物被淀积在氧化锌粉末上。可以被使用的其它公开说明的可变电阻材料包括在Matsuoka et al.，US3,496,512(1970)；Eda et al.，US 4,551,268(1985)；和Levinson，US4,184,984(1980)中公开的材料。另外，也可以利用以除了氧化锌之外的材料为基础的可变电阻材料，例如炭化硅、二氧化钛、氧化锶或钛酸锶可变电阻器，氧化硒或氧化亚铜整流器，和锗或硅p型结二极管。

为了制造上的便利，尤其是为了制造具有一个预定转换电压的电涌放电元件，可以利用多个可变电阻器部件端对端的叠加安装在一起来代替单个的可变电阻器部件。因此，本领域里的技术人员应该理解：虽然在上述图中可变电阻器15作为一个单个结构被描述，但是可以利用一组可变电阻器。

上述对本发明的详细描述包括主要的或仅仅涉及本发明的特殊部分和方面的段落。应该理解的是：这是为了清楚和方便起见，一个特征可以与多个所公开的段落相关，并且在此所公开的内容包括在不同段落中找到的所有信息的适当组合。类似地，虽然本发明的各种各样特征和说明涉及了本发明的特殊实施例，但是应该理解的是：通常在本发明中，在一个特定图的范围之内公开的一个特定特征在适当的范围内能够在另一个图的范围之内被利用、或与另一个特征相结合。

Claims

1.一种电涌放电器，包括：

(f)一个弹簧，当非晶体金属元件处在低于极限温度的一个温度时，该弹簧把不足以使非晶体金属元件断开的一个拉力施加给非晶体金属元件，而当非晶体金属元件处在等于或高于极限温度的一个温度上时，该弹簧把足以使非晶体金属元件断开的一个拉力施加给非晶体金属元件；当非晶体金属元件没有被断开时该弹簧把开关保持在打开位置，而当非晶体金属元件被断开时该弹簧把开关移动到闭合位置，以便构成在第一和第二连接器之间的电路通路。

2.根据权利要求1的电涌放电器，进一步包括一个用于提供一个可见记号的装置，该可见记号表示非晶体金属元件已经被断开和短路通路已经形成。

3.根据权利要求1的电涌放电器，其中电涌放电元件包括可变电阻材料构成的多个部件，这些部件被端对端地叠加设置在一起。

4.根据权利要求1的电涌放电器，其中可变电阻材料包括作为主要金属氧化物的氧化锌和至少从下列组中选择的一种附加的金属氧化物，该附加金属氧化物可以是：Al₂O₃、B₂O₃、BaO、Bi₂O₃、CaO、CoO、Co₃O₄、Cr₂O₃、FeO、In₂O₃、K₂O、MgO、Mn₂O₃、Mn₃O₄、MnO₂、NiO、PbO、Pr₂O₃、Sb₂O₃、SiO₂、SnO、SnO₂、SrO、Ta₂O₅、和TiO₂。

5.根据权利要求4的电涌放电器，其中可变电阻材料是通过把至少一种附加金属氧化物沉淀到氧化锌粉末上制造的。

6.根据权利要求1的电涌放电器，其中非晶体金属包括60-90原子百分比的金属和30-10原子百分比的非金属，其中金属是从由铁、钴、镍、和它们的组合物构成的组中选择的，而非金属是从由硼、磷、碳和它们的组合物构成的组中选择的。

7.根据权利要求1的电涌放电器，还包括弹簧装置，用于把压力施加到可变电阻材料上并且保持良好的电接触。