CN116979373A - 多重火花隙 - Google Patents

Abstract

示出并描述了过电压保护装置的多重火花隙，其具有多个电极和布置在其间的绝缘元件，各两个电极形成一个单火花隙并且这些单火花隙串联，该多重火花隙具有两个导电接触元件，第一接触元件与第一电极电触点接通并且第二接触元件与最后一个电极电触点接通，多重火花隙具有控制电路，其具有多个控制元件，它们与除了第一电极之外的各个电极连接。多重火花隙具有高的电网续流抑制能力和相对低的保护电平，第一电极与相邻的第二电极之间的距离x₁大于其它相邻电极之间的距离x₂，提供点火辅助装置，其至少具有电阻式点火元件和限压元件，点火元件与第一单火花隙的电弧燃烧室保持连接，而且在一侧与第一电极并在另一侧经由限压元件与第二接触元件电连接。

Description

多重火花隙

技术领域

本发明涉及一种用于过电压保护装置的多重火花隙，该多重火花隙具有多个电极和布置在这些电极之间的绝缘元件，其中各两个彼此相对的电极形成一个单火花隙并且这些单火花隙串联。为了电连接，该多重火花隙具有两个导电接触元件，电极布置在这两个导电接触元件之间，使得第一接触元件与该多重火花隙的第一电极电触点接通并且第二接触元件与该多重火花隙的最后一个电极电触点接通。

背景技术

过电压保护装置从现有技术中大量已知并且用于保护电气设备或线路以防例如可能由于雷击或技术系统中的缺陷所造成的过电压。在此，在电气设备和系统的过电压保护领域，具有多个电极的火花隙装置已经使用了几十年。

为了在确保高的电网续流抑制能力的同时使高的过电压放电，通常使用多重火花隙，所述多重火花隙由于其结构而通常也称为堆叠式火花隙。此类堆叠式火花隙由多个电极和多个绝缘体组成，这些绝缘体布置在各个电极之间，使得在两个电极之间各有一个绝缘体，该绝缘体在中间具有开口，使得两个电极形成一个单火花隙。在此，这些电极通常被设计成圆形或矩形石墨盘，接着在这些石墨盘之间相对应地布置环形或框状绝缘体。在此，这些绝缘体通常被设计成由塑料、例如PTFE制成的薄绝缘盘或绝缘膜。

为了影响多重火花隙的点火特性，从现有技术中公知的是：提供具有多个被动控制元件的控制电路。这样，DE 19742302A1公开了一种多重火花隙，该多重火花隙由多个串联的单火花隙组成，其中这些单火花隙，除了在放电情况下首个响应的单火花隙之外，通过分级的电阻器网络来接线，使得这些单火花隙依次接通。在此，每个单火花隙都与电阻器串联，并且所有单火花隙的电阻器都彼此串联接地。在此，为了使该多重火花隙的响应电压不超过例如为4kV的最大值，第一单火花隙的两个电极之间的距离应该相对应地被选择得小。

通常还使用电容、尤其是电容器，作为多重火花隙中的控制元件，其中每个电容器都以一个连接端来与电极触点接通，而且所有电容器以它们的第二连接端彼此导电连接并且与多重火花隙的第二连接端或第二接触元件连接。由此，分别得到电容式分压器，该电容式分压器将所施加的电压集中于一个单火花隙上。如果该单火花隙已经点火，则总电压附在下一个单火花隙上，该总电压仅减少了第一单火花隙的电弧电压，使得这些单火花隙依次接通。

关于可以如何连接各个电极和各个绝缘体以形成多重火花隙，实践中公知不同的变体。为此，通常使用大面积的接触板作为接触元件，这些接触板形成多重火花隙的端侧并且经由多个导向杆沿轴向方向通过螺旋拧紧来彼此拉紧，使得各个电极和各个绝缘体以其堆叠式布置被夹在这些接触板之间。如果布置在这些接触板之间的导向杆在外侧被引导经过各个电极，则这会导致所需的结构空间比较大。

DE 10 2011 102 864 A1公开了一种堆叠式火花隙，其具有多个串联的单火花隙，其中各个电极分别布置在绝缘体中。这些绝缘体分别具有：用于容纳盘状电极的留空部；和用于控制元件的容纳部，其中用于该控制元件的容纳部与用于该电极的留空部连接。在此，控制元件经由接触弹簧与该电极的边缘连接，使得经由控制元件可以实现对该堆叠式火花隙的各个电极的触发。

相对于单火花隙，多重火花隙的优点在于改善了电网续流抑制能力。在此，抑制电网续流的能力随着单火花隙的数量增加而提高。然而，随着单火花隙的数量增加，同时也会提高多重火花隙的响应电压。因而，由多个单火花隙组成的多重火花隙虽然具有高的电网续流抑制能力，但是同时也具有对于低电压应用来说通常过高的保护电平。

发明内容

因而，本发明所基于的任务在于：说明一种多重火花隙，该多重火花隙不仅具有高的电网续流抑制能力而且具有尽可能低的保护电平。

在开头描述的多重火花隙的情况下，该任务利用专利权利要求1的特征来被解决。在此，在共同形成第一单火花隙的第一电极与相邻的第二电极之间的距离x₁大于在形成其它单火花隙的其它相邻电极之间的相应距离x₂。还提供用于使第一单火花隙点火的点火辅助装置，该点火辅助装置至少具有电阻式点火元件和限压元件，其中该点火元件与第一单火花隙的电弧燃烧室保持连接，而且在一侧与第一电极电连接并且在另一侧经由该限压元件与第二接触元件电连接。

按照本发明的多重火花隙至少在功能上分成两个区域。第一区域包括第一单火花隙，并且第二区域包括其余的单火花隙。借此，第二区域包括除与第一接触元件导电连接的第一电极之外的所有电极，而第一区域只包括这两个第一电极。与第一电极相邻的第二电极和该第一电极一起形成第一单火花隙，在此，该第二电极不仅被分配给第一区域而且被分配给第二区域，原因在于该第二电极与下一个电极也形成另一单火花隙，即第二单火花隙。

形成其它单火花隙的相邻电极之间的相应距离x₂相比于通常的单火花隙的距离而言的减小会引起在该区域内的响应电压的减小。虽然这一点对于多重火花隙的期望的尽可能低的保护电平是有利的，但是同时会导致在该区域内的绝缘强度的不期望的降低，尤其是当在使该多重火花隙点火之后在相应的绝缘间隙处发生污染时随着运行的持续而在该区域内的绝缘强度的不期望的降低。

为了确保按照本发明的多重火花隙仍然具有足够高的绝缘强度，在第一电极与相邻的第二电极之间的距离x₁被选择得大得使得第一单火花隙具有对于相应的系统电压来说足够的绝缘强度。由于共同形成第一单火花隙的第一电极与相邻的第二电极之间的相对应地大的距离x₁会导致响应电压远高于市场普遍要求，所以按照本发明的多重火花隙附加地还具有用于使第一单火花隙点火的点火辅助装置。

在此，该点火辅助装置至少由电阻式点火元件和限压元件、例如变阻器组成。该点火元件在一侧与第一电极保持电连接，并且在另一侧经由限压元件——直接或间接——与第二接触元件保持电连接。此外，该点火元件与第一单火花隙的电弧燃烧室在空间上保持连接，即该点火元件以端侧伸入电弧燃烧室或者布置在电弧燃烧室的边缘处。在出现大于响应电压的过电压时，电流首先从第二接触元件经由限压元件和电阻式点火元件流到相邻的第一电极并且流到第一接触元件。在此，流经点火元件的电流会引起在该点火元件的表面处的放电，使得在电弧燃烧室内的与该点火元件相邻的点火区域产生电离气体，该电离气体在电弧燃烧室内扩散开。这会引起第一单火花隙的击穿电压的减小，使得第一电极与相邻的第二电极之间的第一单火花隙点火。

因此，按照本发明的多重火花隙的响应电压由点火辅助装置的响应电压所决定而不是由第一单火花隙的响应电压所决定，使得尽管第一单火花隙的距离x₁增加，仍能实现多重火花隙的足够低的响应电压。尤其可能的是：由于利用按照本发明的多重火花隙来形成多个单火花隙，实现了高的电网续流抑制能力并且同时实现了相对低的保护电平。这样，在该多重火花隙被设计用于230/400V系统的情况下，能实现例如为1.5kV的保护电平。

前面已经提到：电阻式点火元件在一侧与第一电极电连接，并且在另一侧经由限压元件——直接或间接——与第二接触元件电连接。这意味着：电阻式点火元件不必直接并且持久地经由限压元件来与第二接触元件导电连接。更确切地说，还可能的是：在由点火元件、限压元件所构成的串联电路中还布置有属于该点火辅助装置的其它电器件。

这样，按照本发明的一个有利的设计方案，该点火辅助装置还具有电压切换元件，该电压切换元件与电阻式点火元件和限压元件串联布置。在此，该电压切换元件不仅可以布置在该电阻式点火元件与该限压器件之间而且可以布置在该限压元件与该第二接触元件之间。接着，点火辅助装置的响应电压由电压切换元件的响应电压所决定，原因在于点火电路只有在过电压大于电压切换元件的响应电压时才导通。该点火辅助装置的另一优点在于：在该多重火花隙处存在的外部电压在点火过程期间已经受到点火电路、即由电压切换元件、限压元件和电阻式点火元件构成的串联电路的限制，直至该多重火花隙已完全点燃为止。在此，在点火时的电压峰值受到该点火电路的限制。

还特别优选的是：电压切换元件例如可以是气体放电管(GDT)，该电压切换元件布置在第二接触连接端与限压元件之间，使得该电压切换元件同时也电地布置于第二接触元件与用于控制其它单火花隙的点火特性的控制电路之间，使得该控制电路只有在放电情况下、即当该电压切换元件已经做出响应时才与第二接触元件导电连接。

按照本发明的多重火花隙的一个设计方案，该控制电路具有电容器作为控制元件，其中各一个电容器以其第一连接端与其它单火花隙的电极电触点接通，而且各个电容器以其第二连接端彼此电连接并且与第二接触元件电连接。在这种情况下，关于这些控制元件或这些电容器的第二连接端的连接，还适用的是：这些第二连接端不仅可以与第二接触元件直接连接而且可以与第二接触元件间接连接。按照先前提到的有利的设计方案，间接连接可以通过如下方式来实现：在这些控制元件或这些电容器的第二连接端的公共参考点与第二接触元件之间布置有电压切换元件。这具有如下优点：该控制电路只有在放电情况下、即只有当在该多重火花隙处存在的过电压大于电压切换元件的响应电压时，才与第二接触元件导电连接。这会引起该多重火花隙的绝缘特性的改善。

前面已经提到：为了确保足够高的绝缘强度，在第一电极与相邻的第二电极之间的距离x₁被选择得大得使得第一单火花隙具有对于相应的系统电压来说足够的绝缘强度。当在低压电网的电源中正常使用该多重火花隙时，该距离x₁优选地至少为0.5mm，尤其是在1mm与2mm之间。在第一单火花隙的两个电极之间的这种相对大的距离通常会导致如此高的保护电平，以至于该多重火花隙不会满足如今对电涌放电器的普遍要求。然而，由于在该多重火花隙中按照本发明地使用的至少具有电阻式点火元件和限压元件的点火辅助装置，可以显著降低该多重火花隙的响应电压并且借此显著降低该多重火花隙的保护电平。

另一方面，其它单火花隙的相邻电极之间的距离x₂明显小于距离x₁。按照一个优选的设计方案，距离x₂至多为0.2mm，尤其是在0.05mm与0.15mm之间。因此，在按照本发明的多重火花隙的优选尺寸的情况下，距离x₁至少是距离x₂的5倍。即使原则上在其它单火花隙的相邻电极之间的距离x₂可能彼此有偏差，从制造技术的角度也有利的是：在其它单火花隙的相邻电极之间的距离x₂相同或者在常见的制造公差的范围内基本上相同。

因此，按照本发明的多重火花隙利用了具有多个单火花隙的多重火花隙的优点、即这些单火花隙的高的电网续流抑制能力，其中同时消除了原本在这种多重火花隙中存在的保护电平比较高的缺点。多重火花隙的各个电极优选地被设计成由碳制成的矩形或圆形薄盘。在此，电极盘的厚度优选地小于1mm、尤其是小于0.75mm，例如仅为大约0.5mm至0.6mm。

原则上，该多重火花隙的各个电极之间的绝缘元件可以由各个绝缘盘或绝缘膜组成，这些绝缘盘或绝缘膜分别被设计成环形或框状。然而，有利的是，各个绝缘元件是共同的绝缘和保持装置的一部分，在该绝缘和保持装置中不仅布置有各个电极而且布置有这两个接触元件。那么，该绝缘和保持装置同时也确保了该多重火花隙的各个电极的可靠的机械固定。

替代于此，各个绝缘元件也可以分别是绝缘和保持框架的一部分，其中接着这些单独的绝缘和保持框架彼此连接、尤其是彼此螺旋拧紧或锁定。接着，这些单独的绝缘和保持框架可以分别具有用于容纳控制元件的容纳孔。

附图说明

特别地，存在对按照本发明的多重火花隙进行扩展和设计的多种可能性。为此，不仅参考后面的专利权利要求书而且参考随后结合附图对两个实施例的描述。在附图中：

图1以截面图示出了多重火花隙的第一实施例的原理图；以及

图2以截面图示出了多重火花隙的第二实施例的原理图。

具体实施方式

这两张图分别示出了按照本发明的多重火花隙1的原理图，该多重火花隙具有多个电极2以及布置在这些电极2之间的绝缘元件3。在此，两个彼此相对的电极2分别形成一个单火花隙4，其中各个单火花隙4就其而言串联。在这些图上方示出的第一电极21与相邻的第二电极22形成第一单火花隙41，该第一单火花隙在其结构方面不同于其它单火花隙4。此外，第一电极21与第一接触元件5电连接，而第二接触元件6与多重火花隙1的最后一个电极23导电连接。因此，多重火花隙1的所有电极2、21、22、23都布置在这两个接触元件5、6之间。

此外，在多重火花隙1的两个所示出的实施例中，还提供控制电路7，用于控制多重火花隙1的点火特性，其中控制电路7具有多个被设计成电容器的控制元件8，这些控制元件与除了第一电极21之外的所有电极2、22、23连接。附加地，多重火花隙1具有点火辅助装置9，该点火辅助装置用于使第一单火花隙41点火。点火辅助装置9具有：电阻式点火元件10；以及由限压元件11和电压切换元件13构成的串联电路。尤其可以使用变阻器作为限压元件11，而且尤其可以使用气体放电管作为电压切换元件13。该点火元件10与第一单火花隙41的电弧燃烧室12保持连接。此外，该电阻式点火元件10在一侧与第一电极21电连接，并且在另一侧经由限压元件11和电压切换元件13所构成的串联电路来与第二接触元件6电连接。

按照本发明的多重火花隙1分成两个区域，即包括第一单火花隙41的第一区域和包括其余的单火花隙4的第二区域。此外，该第一区域还包括点火辅助装置9，该点火辅助装置具有伸入第一单火花隙41的电弧燃烧室12中的电阻式点火元件10，而且该第二区域还包括带有各个控制元件8的控制电路7。

如从这两张图中可见，在共同形成第一单火花隙41的第一电极21与相邻的第二电极22之间的距离x₁远大于在形成其它单火花隙4的其它相邻电极2、22、23之间的相应距离x₂。在第一电极21与相邻的第二电极22之间的距离x₁优选地在1mm与2mm之间，而在其它单火花隙4的其它相邻电极2、22、23之间的距离x₂优选地在0.05mm与0.15mm之间。因此，距离x₁优选地大约是距离x₂的十倍。

由于在第一电极21与相邻的第二电极22之间的距离x₁比较大，第一单火花隙41以及借此还有多重火花隙1整体上具有足够高的绝缘强度。同时，由于在其它单火花隙4的相邻电极2、22、23之间的距离x₂很小，在该第二区域内的响应电压显著减小。这样，由于附加地设计的点火辅助装置9，多重火花隙1具有非常低的保护电平，同时具有高的电网续流抑制能力。

不仅在按照图1的实施例中而且在按照图2的实施例中，控制电路7都具有电容器，作为控制元件8。然而，原则上，还可以使用其它控制元件。各个控制元件8的第一连接端14分别与电极2、22、23导电连接，而这些控制元件8的第二连接端15彼此电连接。在按照图1的实施例中，控制元件8的这些第二连接端15与第二接触元件6直接导电连接。

另一方面，在按照图2的实施例中，点火辅助装置9的电压切换元件13接在第二接触元件6与这些控制元件8的第二连接端15的公共电位18之间。这会引起：只有当电压切换元件13已经做出响应时，控制电路7或者各个控制元件8才与第二接触元件6导电连接。因此，控制电路7只有在放电情况下才与第二接触元件6电连接，由此，多重火花隙1在该第二区域内的绝缘特性被显著改善。

因此，在图1和2中示出的多重火花隙1的实施例的不同之处在于点火辅助装置9相对于控制电路7的具体布置。在按照图2的实施例中，电压切换元件13以其第一连接端16与第二接触元件6导电连接，并且以其第二连接端17不仅与限压元件11导电连接而且与这些控制元件8的第二连接端15的公共电位18导电连接。

在这两个实施例中，各个绝缘元件3是共同的绝缘和保持装置19的一部分，该绝缘和保持装置同时也用于各个电极的机械固定。附加地，这两个接触元件5、6也被该绝缘和保持装置19容纳，使得能实现相对紧凑的多重火花隙1。由于在形成其它单火花隙4的电极2、22、23之间的距离x₂很小，多重火花隙1可具有多个电极2、22、23，而多重火花隙1的在这两个接触元件5、6之间的尺寸不会由此变得太大。在此，对于本领域技术人员来说显而易见的是：在图1和2中所示出的电极2的数量仅仅是示例性的，并且按照本发明的多重火花隙1决不限于所示出的电极2的数量。

附图标记

1 多重火花隙

2 电极

21 第一电极

22 第二电极

23 最后一个电极

3 绝缘元件

4 单火花隙

41 第一单火花隙

5 接触元件

6 接触元件

7 控制电路

8 控制元件

9 点火辅助装置

10 点火元件

11 限压元件

12 电弧燃烧室

13 电压切换元件

14 控制元件的第一连接端

15 控制元件的第二连接端

16 电压切换元件的第一连接端

17 电压切换元件的第二连接端

18 控制元件的第二连接端的公共电位

19 绝缘和保持装置

x₁ 第一单火花隙的电极的距离

x₂ 其它单火花隙的电极的距离

Claims (12)

1.一种用于过电压保护装置的多重火花隙(1)，所述多重火花隙具有多个电极(2)和布置在所述电极(2)之间的绝缘元件(3)，其中各两个彼此相对的电极(2)形成一个单火花隙(4、41)并且这些单火花隙(4、41)串联，

所述多重火花隙具有两个导电接触元件(5、6)，所述电极(2)布置在所述导电接触元件之间，使得第一接触元件(5)与所述多重火花隙(1)的第一电极(21)电触点接通并且第二接触元件(6)与所述多重火花隙的最后一个电极(23)电触点接通，而且

所述多重火花隙具有控制电路(7)，用于控制所述多重火花隙(1)的点火特性，其中所述控制电路(7)具有多个控制元件(8)，所述控制元件与除了所述第一电极(21)之外的各个电极(2、22、23)连接，

其特征在于，

在共同形成第一单火花隙(41)的所述第一电极(21)与相邻的第二电极(22)之间的距离x1大于在形成其它单火花隙(4)的其它相邻电极(2、22、23)之间的相应距离x2，而且

提供用于使所述第一单火花隙(41)点火的点火辅助装置(9)，所述点火辅助装置至少具有电阻式点火元件(10)和限压元件(11)，

其中所述点火元件(10)与所述第一单火花隙(41)的电弧燃烧室(12)保持连接，而且在一侧与所述第一电极(21)电连接并且在另一侧经由所述限压元件(11)与所述第二接触元件(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的多重火花隙(1)，其特征在于，所述点火辅助装置(9)具有电压切换元件(13)，所述电压切换元件与所述电阻式点火元件(10)和所述限压元件(11)串联布置。

3.根据权利要求1或2所述的多重火花隙(1)，其特征在于，各一个控制元件(8)以其第一连接端(14)与所述其它单火花隙(4)的电极(2、22、23)电触点接通，而且这些控制元件(8)以其第二连接端(15)彼此电连接并且与所述第二接触元件(6)电连接。

4.根据权利要求2和3所述的多重火花隙(1)，其特征在于，所述电压切换元件(13)以其第一连接端(16)与所述第二接触元件(6)导电连接，并且以其第二连接端(17)不仅与所述限压元件(11)导电连接而且与这些控制元件(8)的第二连接端(15)导电连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的多重火花隙(1)，其特征在于，在所述第一单火花隙(41)的所述第一电极(21)与相邻的第二电极(22)之间的距离x₁至少为0.5mm，尤其为1mm至2mm。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的多重火花隙(1)，其特征在于，在所述其它单火花隙(4)的相邻电极(2、22、23)之间的距离x₂分别至多为0.2mm，优选地为0.05mm至0.15mm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的多重火花隙(1)，其特征在于，在所述其它单火花隙(4)的相邻电极(2、22、23)之间的距离x₂基本上一样大。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的多重火花隙(1)，其特征在于，在所述第一单火花隙(41)的所述第一电极(21)与相邻的第二电极(22)之间的距离x₁是在所述其它单火花隙(4)的相邻电极(2、22、23)之间的距离x₂的至少5倍、优选地至少10倍。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的多重火花隙(1)，其特征在于，各个电极(2、21、22、23)被设计成由碳制成的薄盘。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的多重火花隙(1)，其特征在于，在各个电极(2、21、22、23)之间的所述绝缘元件(3)是共同的绝缘和保持装置(19)的一部分，在所述绝缘和保持装置中不仅布置有所述各个电极(2、21、22、23)而且布置有这两个接触元件(5、6)。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的多重火花隙(1)，其特征在于，在各个电极(2、21、22、23)之间的各个绝缘元件(3)分别是单独的绝缘和保持框架的一部分，而且所述单独的绝缘和保持框架彼此连接、尤其是彼此螺旋拧紧或锁定。

12.根据权利要求11所述的多重火花隙(1)，其特征在于，所述单独的绝缘和保持框架分别具有用于容纳控制元件(8)的容纳孔。