CN1552117B - 过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述和图示的过电压保护装置，包括一个第一电极(1)，一个第二电极(2)，和一个存在于两个电极之间的有效空气击穿间隙(3)，且空气击穿间隙点火时在两电极间形成电弧，其特征在于：由一个电压开关单元(4)和一个点火单元(5)构成的串联电路与该两电极相串联，且点火单元(5)和与点火单元(5)相连的电极(2)之间持续存在过渡电阻。

Description

过电压保护装置

技术领域

本发明涉及一过电压保护装置，包括第一电极，第二电极，以及一存在于两电极之间的有效空气击穿间隙，且此空气击穿间隙点火时，在两电极间形成一电弧。

背景技术

电气设备，特别是电子测量、控制、调节、开关电路，尤其是通信装备和设备，对瞬态过电压非常敏感。大气放电、开关过程及供电电网的短路可引发瞬态过电压。电子元件，尤其是晶体管和晶闸管用得越多，对瞬态过电压的敏感度就越增强。尤其是使用日益广泛的集成电路在很大程度上受到瞬态过电压的威胁。

电路通常在其标称电压，也即额定电压下正常工作。当过电压出现时情况却完全不同。过电压是指高于额定电压上限值的所有电压，包括本文所指的瞬态过电压。该过电压由大气放电、开关过程或供电电网的短路而生成，并通过电流耦合、电感耦合或电容耦合进入电路。为保护电器或电子电路，特别是电子测量、控制、调节和开关电路，尤其是通信装置和设备，不论它们运用在何处，免受瞬态过电压的影响，许多过电压保护装置得以研发并在二十多年来为人所知。

本文涉及的过电压保护装置的最基本构成至少包括一间隙。此间隙在一定的电压，也即点火电压下启动。由此可防止在过电压保护装置保护的电路中出现比间隙点火电压高的过电压。

文首提及，根据本发明的过电压保护装置带两个电极和一存在于两电极间的有效空气击穿间隙。空气击穿间隙是指广义上的击穿间隙，也应包括两电极间不是空气，而是其它气体的击穿间隙。除了带空气击穿间隙的过电压保护装置外，还有带空气火花放电间隙的过电压保护装置，在空气火花放电间隙点火时，出现表面放电现象。

与带空气火花放电间隙的过电压保护装置相比，带空气击穿间隙的过电压保护装置的优点在于其抗冲击电流能力较高，而其缺点在于点火电压值较高且该电压值不是特别稳定。因而已经有不同的建议对带空气击穿间隙的过电压保护装置针对其点火电压进行改进：在电极及电极间有效空气击穿间隙区域以各种不同方式实现了点火辅助装置。如在电极间至少设置一个可引发表面放电的点火辅助装置，该装置至少部分伸入空气击穿间隙，为间隔状，由塑料构成(比较德文公开文本41 41 681或44 02 615)。

在已知的过电压保护装置中设置的、前文所述的点火辅助设置可以称之为“被动点火辅助装置”，称之为“被动点火辅助装置”是因为它们自身并不“主动”点火，而是当过电压作用在主电极上时才点火。

从德文公开文本198 03 636同样可知有一带两个电极、两电极间的有效空气击穿间隙和点火辅助设置的过电压保护装置。在该已知过电压保护装置中，其点火辅助装置与前文所述相反，为一可引发表面放电的点火辅助装置。除了两个被称为主电极的电极外，另外设置两个点火电极，由此构成“主动点火辅助装置”的设置。该二点火电极形成一用作点火间隙的第二空气击穿间隙。在此已知过电压保护装置中，除了点火间隙外，还有一带点火开关单元的点火回路从属于点火辅助设置。当一过电压加至此过电压保护装置时，带有点火开关单元的点火回路启动点火间隙。点火间隙及两个点火电极与两主电极设置成如下形式，使得点火间隙启动，主电极间的空气击穿间隙(称之为主间隙)也启动。点火间隙启动使空气击穿间隙内的空气迅速电离化，以至于点火间隙启动之后，两个主电极之间的空气击穿间隙，也即主间隙立即启动。

前文所述已知过电压保护装置实施例中，所带点火辅助装置实现了更好的，也即低值稳定的点火电压。

在本文所述的过电压保护装置中--无论带或不带点火辅助装置--空气击穿间隙点火启动时所生成的电弧在两电极间构成一低阻抗的连接，雷电电流一开始经过该低阻抗连接放电--这也正是所希望达到的效果。但在加有电网电压的情况下，通过过电压保护装置的这一低阻抗连接却流有不希望出现的续流。因而在放电过程一结束，就希望尽快地将电弧熄灭。为实现这一目的，一种可能性即在于将电弧长度拉长因而使电弧电压升高。

德文公开文本44 02 615公开了一种过电压保护装置，它实现了拉长电弧长度因而使电弧电压升高，进而在放电过程结束后熄灭电弧的这种可能性。德文公开文本44 02 615公开的这种过电压保护装置带有两个狭长的电极，各成角状，各带一个火花角及与之成一定角度的连接臂。另外电极的火花角上与连接臂相邻近的区域带有一钻孔。在电极火花角上所设置的钻孔，能使过电压保护装置启动也即点火瞬间所形成的电弧通过热压力作用而“被推动”，也即运动远离其生成的位置。由于电极的火花角互相设置成“V”形，因而电弧在向外运动时所需桥接的距离变长，由此使电弧电压升高。

另外一种放电过程结束随即熄灭电弧的可能性，为通过绝缘墙的冷却作用将电弧冷却，或使用可放出气体的绝缘体。此时熄弧气体的气流必须很强，要求构造花费昂贵。

本文所述过电压保护装置的电弧被熄灭后，虽然两电极间的低阻抗连接被中断，但两电极间区域，也即空气击穿间隙所在区域，却充满了等离子。等离子的存在极大地降低了两电极间的点火电压。即使加上工作电压，空气击穿间隙也会重新点火。当过电压保护装置带一密封或半开式的外壳时，这个问题特别严重。因为基本密封的外壳阻止了等离子的冷却和逃逸。

为了防止过电压保护装置，也即空气击穿间隙再次点火，迄今为止采取了多种措施以将电离子云雾从点火电极间驱散出去或对之进行冷却。为此，需采用构造昂贵的迷宫式结构和冷却体，使过电压保护装置的生产成本增高。

德国公开文本100 40 632公开了一种过电压保护装置，能在放电过程结束后有效地防止空气击穿间隙重新点火，同时结构又简单。这个已知的过电压保护装置包括一主间隙，一启动主间隙的次间隙，一个包容主间隙和次间隙的外壳。其中主间隙带第一主电极，第二主电极和一个存在于两个主电极之间的有效空气击穿间隙。空气击穿间隙点火时在第一主电极和第二主电极之间生成一电弧。同时次间隙带第一次电极，第二次电极和一存在于两次电极之间的有效第二空气击穿间隙。该第二空气击穿间隙的点火导致第一空气击穿间隙点火，且第二次电极通过至少一个阻抗，直接或间接与第二主电极连接。

美国专利US 5,436,608公开了一种过电压保护装置，其启动电压或称点火电压利用一硅片的几何尺寸来预设。点火电压由硅片上的一个突起的高度来决定，且该突起设置为和电极及硅片相绝缘。这种设置的缺点在于：点火电压由突起高度的精确实现来确定。这就要求生产精确度非常高，且事后要调节点火电压值是不可能的。另外此设置所要求的绝缘层可能在对某一过电压放电的过程中受到损坏甚至被摧毁，以至于过电压保护装置的点火电压值改变很大，使保护装置不再起作用。

由日本专利JP 0926 6052的摘要可知一过电压保护装置，它由两个特殊形状的相对的电极构成，两电极间连有容性阻抗，最好是一个电容和一个电阻。但该设置只能对较小的过电压进行放电，也即在相对的电极间未生成电弧的情况下放电。为使位于相对电极间的间隙点火，需达到或超过间隙的点火电压值。

由德国专利DE 19510181 C1可知一过电压保护装置，其中第一间隙用来实现对第二间隙，也即主间隙进行击穿点火。此处通过调节第一间隙电极间距和与之串联的阻抗来确定第一间隙的点火电压。在此设置中也需精确确定第一间隙电极之间的间距才能调节点火电压。

由法国专利FR 1105378 A可知一过电压保护装置，它包括一主间隙和一与之平行设置的带电容的次间隙。次间隙与电容相连。但由特定的几何构造使得次间隙点火时主间隙不点火。此处次间隙用来对较低值的过电压进行放电，而主间隙在出现高的过电压时无须点火辅助装置帮助自行点火。

发明内容

因此，本专利的任务是提供一种文首所描述的过电压保护装置，其点火辅助装置作用特别简单，且设置此点火辅助装置特别便捷。

本发明的任务可通过根据本发明的过电压保护装置来实现。此保护装置的基本特征在于：一个由电压开关单元和点火辅助单元构成的串联电路设置在两电极间。

由此实现了一种带点火辅助装置的全新的过电压保护装置以及一种用于过电压保护装置的全新的点火辅助装置。其功能详见下文描述：

选定电压开关单元，使之在过电压保护装置的点火电压下变为导通，也即“动作”。电压开关单元可设置为压敏电阻、抑制二极管或气体放电器，也可将电压开关单元设置为压敏电阻与抑制二极管的组合，压敏电阻与气体放电器的组合，抑制二极管与气体放电器的组合或压敏电阻、抑制二极管与气体放电器的组合。至于点火单元须由导电材料构成且耐电弧。另外须保证点火单元不会和与之相对应的电极，也即与该点火单元电气相连的电极，相熔焊。点火单元和/或与该点火单元相应的电极最好由导电陶瓷材料，由不熔焊的金属材料或/和由导电的塑料构成。另外最好注意保证在点火单元和与该点火单元相连接的电极间持续有一过渡电阻存在。

若有一过电压出现在根据本发明的过电压保护装置中，且此过电压等于或大于通过电压开关单元预设的点火电压，则此电压开关单元启动，使放电电流通过下述串联通道：第一电极--电压开关单元--点火单元--第二电极流走。能量较小的过电压就可通过上述串联电路放电。若加在过电压保护装置上的过电压的能量较大，则相应放电电流值也较大。由于点火装置和相连接电极连接处过渡电阻较大，导致放电电流在该连接处放电，放电又促使连接处区域预电离化，以至生成一电弧，此电弧将连接处桥接起来。由于点火单元的阻抗并非不大，电弧移向点火单元为将此阻抗桥接起来。这一机制最后导致两电极间的空气击穿间隙点火，也即两电极间生成一电弧。

根据本发明得到一种带点火辅助装置的过电压保护装置，可用简单的方式在很宽的区域内仅带很小的误差对点火电压进行调节，也即通过选定电压开关单元即可调点火电压。根据本发明的过电压保护装置的点火辅助装置必须对机械负荷和热作用不敏感，该点火辅助装置必须能放在两电极构成的间隙中，这非常重要。另外在根据本发明的过电压保护装置中所实现的是“被动点火辅助装置”，它不需要额外的能生成点火脉冲的点火电路。

附图说明

具体而言，有多种可能来实现根据本发明的过电压保护装置。为此一方面须参照主权项1后各项权利要求，另一方面须参照下述优选实施例的描述，并参照附图说明。

图1：根据本发明的过电压保护装置的第一实施例的原理图；

图2：根据本发明的过电压保护装置的第二实施例的原理图。

图1和图2分别为根据本发明的过电压保护装置的原理结构图。图示的过电压保护装置各包括一个第一电极1，一个第二电极2，和一个存在于两个电极之间的有效空气击穿间隙3。对于本发明的过电压保护装置，当电极1和2之间的空气击穿间隙3点火时，将产生一电弧(图中未显示)。

具体实施方式

根据本发明，由一电压开关单元4和一点火单元5构成的串联电路与该二电极1和2相连。

图1和2仅简单示出了电压开关单元4。由电压开关单元4给定根据本发明的过电压保护装置的启动电压，电压开关单元可设为一压敏电阻，一抑制二极管或一气体放电器。但也可设为一压敏电阻和一抑制二极管的组合，或为一压敏电阻和一气体放电器的组合，或为一抑制二极管和一气体放电器的组合，或为一压敏电阻、一抑制二极管和一气体放电器的组合。

和电压开关单元4一样，图1和图2仅简单示出了根据本发明的过电压保护装置的点火单元5。点火单元5由可导电的耐电弧材料制成，而且要保证点火单元5不会在与电极2的连接处6与电极2相熔焊。点火单元5或/和与点火单元5相应的电极2最好由导电陶瓷材料，由不熔焊的金属材料或/和由导电的塑料材料构成。

另外点火单元5和与点火单元5相应的电极2之间持续存在过渡电阻。这样，两者的连接处6持续存在过渡电阻。这一过渡电阻，可以通过适当选择点火单元5或/和与点火单元5相应的电极2的材料的导电性，最好通过适当选择点火单元5的材料来实现。持续存在于连接处6的过渡电阻，可以通过适当选择点火单元5或/和与点火单元5相应的电极2的材料的导电性，也可通过选择点火单元5的与相应电极2连接处6所在部位的适当的几何构造，或/和通过选择相应电极2的与点火单元5连接处6所在部位的适当的几何构造，最好通过较小的接触面积来实现。

若点火单元5与电极2相应的末端为刃状或点状，而电极2的朝向点火单元5的一侧为凹陷状，则点火单元5和对应的电极2之间的连接处6的接触面积特别小。在利用选择几何构造来实现点火单元5和对应的电极2之间的连接处6部位时要注意，根据本发明的点火单元5和电极2之间的连接处6部位的空气间隙必须满足两条基于电学方面考虑的标准：首先，空气间隙必须足够大，这样当加有一个能量较小的过电压时，放电电流仅通过连接处6，也就是说，连接处6周围的区域不被预电离化。另外，空气间隙必须足够小，这样当过电压的能量比较大时，放电电流引发连接处6周围接触区域的预电离化。图示实施例实现了同时满足上述两个标准的解决方案。在实施例中，与电极2对应的点火单元5的末端为锥状的凸起，而与点火单元5对应的电极2的一侧为凹陷状。

图1和图2示出根据本发明的过电压保护装置的优选实施例，点火单元5和相应电极2间的接触压力为可调。在实施例中，这是通过作用于点火单元5上的压力弹簧7来实现的，使用不同种类的弹簧作为压力弹簧7就可以得到不同的接触压力。另外，还有未图示的方法使得点火单元5和对应的电极2之间的接触压力可调，即通过将点火单元5的材料选择为可机械逆形变材料，或/和至少将一个电极，最好是与点火单元5相应的电极2的材料选择为机械逆形变材料，来实现。

如上所述，根据本发明的过电压保护装置，由一电压开关单元4和一点火单元5构成的串联电路与该二电极1，2相连，即它是电气意义上的串联，而不一定是纯机械的、或空间、几何上的排列。

图1所示根据本发明的过电压保护装置的实施例中，电压开关单元4和点火单元5设置在两电极1，2之间的区域。图2所示另一种实施例中，电压开关单元4设置在两个电极1，2之外的区域内。此实施例中，设置在两个电极1，2之外的区域内的电压开关单元4，其一侧通过一个外部的连接单元8与电极1相连接，在另一侧，通过一个连接棒9与可导电的压力弹簧7连接，由此也和点火单元5连接。

Claims (10)

1.过电压保护装置，包括第一电极、第二电极、以及一个存在于两电极间的有效空气击穿间隙，且空气击穿间隙点火时在两电极间形成电弧，其特征在于：由一个电压开关单元(4)和一个点火单元(5)构成的串联电路与该两电极相串联，且点火单元(5)和与点火单元(5)相连的电极(2)之间持续存在过渡电阻。

2.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于：电压开关单元(4)设为压敏电阻，或抑制二极管，或气体放电器，或为压敏电阻和抑制二极管的组合，或为压敏电阻和气体放电器的组合，或为抑制二极管和气体放电器的组合，或为压敏电阻、抑制二极管和气体放电器的组合。

3.如权利要求1或2所述的过电压保护装置，其特征在于：点火单元(5)或/和与点火单元(5)相连接的电极(2)由导电陶瓷材料，由不熔焊的金属材料或/和由导电的塑料材料构成。

4.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于：点火单元(5)和与点火单元(5)相连接的电极(2)之间的过渡电阻，通过适当选择点火单元(5)或/和与点火单元(5)相连接的电极(2)的材料的导电性来实现。

5.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于：点火单元(5)和与点火单元(5)相连接的电极(2)之间的过渡电阻，通过点火单元(5)和与其相连接的电极(2)的连接处(6)中点火单元所在部位的适当的几何构造，或/和通过点火单元(5)和与其相连接的电极的连接处(6)中相连接电极所在部位的适当的几何构造来实现。

6.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于：点火单元(5)和与其相连接的电极(2)间的接触压力为可调。

7.如权利要求6所述的过电压保护装置，其特征在于：通过作用在点火单元(5)上的压力弹簧(7)，或/和通过将点火单元(5)的材料选择为可机械逆形变材料，或/和至少将一个电极的材料选择为机械逆形变材料来调节接触压力。

8.如权利要求7所述的过电压保护装置，其特征在于：将与点火单元(5)相连接的电极(2)的材料选择为机械逆形变材料。

9.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于：电压开关单元(4)和点火单元(5)设置在两电极(1，2)之间的区域。

10.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于：电压开关单元(4)设置在两电极(1，2)之外的区域。

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