CN1613171A - 过电压保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种过电压保护装置，包括第一电极(1)；第二电极(2)；火花隙(3)，空气通过该火花隙(3)流通，并且该火花隙(3)工作于所述两个电极(1，2)之间；以及用于容纳所述电极(1，2)的外壳(4)。当所述火花隙(3)点火时，在两电极(1，2)之间产生电弧(5)。本发明的过电压保护装置具有特别高的网络持续电流抑制能力，同时容易构建，这是由于与所述火花隙(3)并联的阻抗(6)以及与火花隙(3)和阻抗(6)的并联连接进行串联的绝缘间隙(8)的作用。
Description
本发明涉及一种过电压保护装置，包括第一电极，第二电极，以及存在于或工作于该两电极之间的空气击穿火花隙；还进一步包括容纳所述电极的外壳；以及在所述空气击穿火花隙点火时在两电极间形成的电弧。
电气测量尤其是电子测量、控制和开关电路、还有主要是电信设备和系统，对瞬态过电压非常敏感，而瞬态过电压尤其会在大气放电时产生，以及在电源系统的电路短路和开关操作时产生。随着电子元件尤其是晶体管和晶闸管的使用，这种敏感问题也随之增强；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。
电路在其标称电压，也即额定电压(通常近似于线电压)下一般可以正常工作。当出现过电压时情况却不同。过电压是指高于额定电压容许上限值的所有电压。这主要包括瞬态过电压，瞬态过电压不仅由大气放电产生，还可以在电源系统的开关操作或电路短路时产生。这种过电压可以通过电流、电感或电容耦合到电路中。为保护电路或电子电路、尤其是电子测量、控制和开关电路、以及尤其是电信设备和系统免受瞬态过电压的影响而不论它们运用在何处，二十多年来开发了很多过电压保护装置并投入使用。
本文讨论类型的过电压保护装置中的一个重要元件包括至少一个火花隙，其在超过一定过电压，即火花放电电压时发出电弧，由此可防止在由过电压保护装置保护的电路中产生高于该火花隙火花放电电压的过电压。
文首提及，根据本发明的过电压保护装置具有两个电极和存在于或工作于该两电极间的空气击穿火花隙。“空气击穿火花隙”应理解为广义上的击穿火花隙，因此也应包括两电极间不是空气，而是其它气体的击穿火花隙。除了具有空气击穿火花隙的过电压保护装置外，还有具有空气飞弧火花隙的过电压保护装置，其中在火花隙放出电弧时，发生沿面放电。
与具有空气飞弧火花隙的过电压保护装置相比，具有空气击穿火花隙的过电压保护装置的优点在于其更大的冲击电流承载能力，而其缺点在于火花放电电压较高并且不是特别稳定。因此，过去已经提出多种针对火花放电电压进行改进的具有空气击穿火花隙的过电压保护装置。这里，在电极间的区域中或者工作于电极间的空气击穿火花隙区域中，以各种不同方式实现了点火辅助装置，例如，在电极间至少设置一个可触发沿面放电的点火辅助装置，该装置至少部分突出到空气击穿火花隙中。该点火辅助装置以塑料横杆的形式制造(例如未审查的德国早期公开专利申请号41 41 681或44 02615)。
上述的在已知的过电压保护装置中设置的点火辅助装置如从前一样可以称之为“被动点火辅助装置”，这是因为它们自身并不“主动”放出电弧，而仅是响应主电极处出现的过电压。
未审查的德国早期公开专利申请号198 03 636同样描述了一种具有两个电极、工作于两电极间的空气击穿火花隙以及点火辅助设置的过电压保护装置。与上述的触发沿面放电的点火辅助装置不同，该已知的过电压保护装置中的点火辅助装置设计为“主动点火辅助装置”，即除了被称为主电极的两个电极外，另外设置两个点火电极。这两个点火电极形成作为点火火花隙的第二空气击穿火花隙。在该已知过电压保护装置中，点火辅助装置除了包括点火火花隙外，还包括与点火开关元件结合的点火电路。当在该已知的过电压保护装置处出现过电压时，具有点火开关元件的点火电路引发点火火花隙放出电弧。所述点火火花隙，即两个点火电极，相对于两个主电极以如下方式设置，即使得点火火花隙放出电弧会引发两个主电极间的空气击穿火花隙(称之为主火花隙)也放出电弧。点火火花隙放出电弧使空气击穿火花隙内的空气电离，从而在点火火花隙放出电弧后，两个主电极之间的空气击穿火花隙，即主火花隙也突放电弧。
前文所述已知类型的具有点火辅助装置的过电压保护装置中，点火辅助装置实现了改进的、也即更低更稳定的点火电压。
所讨论类型的过电压保护装置中，无论使用或不使用点火辅助装置，空气击穿火花隙点火时形成的电弧在两电极间产生一个低阻抗的连接。开始期望放电电流经过该低阻抗连接进行放电。然而，在存在线电压时，不需要的线路持续电流通过该低阻抗连接随之产生，因而期望在放电过程一结束就尽快地将电弧熄灭。实现该目的的一种方式是增加电弧长度，并从而升高电弧电压。
未审查的德国早期公开专利申请号44 02 615中所知的过电压保护装置中实现了一种在放电过程后熄灭电弧，即增加电弧长度并从而升高电弧电压的方法。该未审查的德国早期公开专利申请号44 02 615中描述的过电压保护装置具有两个狭长的成角的电极，每个电极具有电弧臂(arcinghorn)和与其成角的连接脚。另外，电极的电弧臂在与它们的连接脚邻近的区域中设置一个孔。所述电极的电弧臂中设置的孔可以确保在过电压保护元件放电，亦即点火的瞬间，所产生的电弧通过热压效应而“运动”，使其离开其原始位置。由于电极的各个电弧臂之间设置成V型，因此由电弧桥接的间隙在电弧移动时增加，从而也增加了电弧电压。然而，这具有一个缺陷，即为了获得所需的电弧长度的增加，电极的几何尺寸必须随之增加，从而使得过电压保护装置整体受到一定的几何要求的限制。
另外一种在放电过程结束后熄灭电弧的可能方法是通过绝缘墙的冷却作用和使用可放出气体的绝缘材料将电弧冷却。在这种情况下，需要强大的熄弧气流，要求高度的结构复杂性。
另外，还可能通过增加压力来增加电弧电压。在这方面，德国专利DE196 04 947 C1提出了按如下方式选择外壳内部的体积，即通过电弧将压力增加到大气压的数倍。在这种情况下，通过依赖于压力的电弧场强的影响，可以获得对持续电流抑制能力的增加。然而，为了使该过电压保护设备以可靠的方式工作，一方面，需要高度耐压的外壳，另一方面，必须非常精确知道线电压，以能够以此度量外壳内的体积。
当所讨论的过电压保护装置中的电弧被熄灭后，事实上，两个电极间的低阻抗连接最初被中断，但两电极间区域却几乎完全充满了等离子。然而，等离子的存在降低两电极间的火花放电电压到如此程度，即工作电压的存在已经可能导致空气击穿火花隙重新点火。当过电压保护装置具有密封或半开放的外壳时，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，也即空气击穿火花隙再次点火过去采取了多种措施以将电离气体云从点火电极驱散出去或对之进行冷却。为此，采用了结构复杂的迷宫式密封和散热片，使过电压保护装置的生产成本更昂贵。
因此，本发明的一个目标是提供一种前文所述类型的过电压保护装置，其特点在于具有高度的线路持续电流抑制能力，但其仍然可以以一种结构简单的方式实现。
根据本发明的过电压保护装置，其中实现了上述目标，其首要并最重要的特点在于将一个阻抗与空气击穿火花隙并联，以及将一个绝缘间隙与空气击穿火花隙和所述阻抗的电路串联。
如同现有技术一样，根据本发明的过电压保护设备与待保护的电路或系统或设备的输入端并联。因此，两极过电压保护装置电气耦合，或者更准确地说，是电流耦合到在正常操作中出现线电压的导线或接线端。如通常一样，第一导线或第一接线端在下文中称为“火线”，而第二导线或第二接线端同样称为“地线”。使用这样的术语，通常假定过电压保护装置的第一电极连接到或将要连接到火线或火线端，并且过电压保护装置的第二电极连接到或将要连接到地线。当然，根据本发明的过电压保护装置的连接同样可以以其他方式实现，且根据本发明的过电压保护装置也不仅仅用于保护线电压为AC电压的电路，根据本发明的过电压保护装置在待保护电路的线电压为DC电压时可以毫无问题的使用。
与空气击穿火花隙并联的阻抗其自身会导致，当由该过电压保护装置保护的电路的额定电压(线电压)存在时，该过电压保护装置整个会变得可导，因为在线电压下并不具有导电性的空气击穿火花隙会由于并联阻抗而发生“短路”。然而，由于绝缘间隙与空气击穿火花隙和阻抗的并联电路相串联，可以保证该过电压保护装置整个在额定电压存在时不会具有导电性。在这种情况下，该绝缘间隙设计为在额定电压下不具有导电性，但是当产生过电压时变得具有导电性。
如果现在高于火花放电电压的过电压产生在根据本发明的过电压保护装置上，那么与阻抗并联的空气击穿火花隙变得具有导电性，也就是说，在该空气击穿火花隙的两个电极之间形成电弧。开始，放电电弧电流通过产生的低阻抗连接而流通。
当存在线电压时，那么不需要的线路持续电流会通过两个电极之间的低阻抗连接而流通。然而，由于先前存在的过电压，现在绝缘间隙也变的可导。开始，这导致线路持续电流在空气击穿火花隙和阻抗之间分配。这样的结果是，仅有一部分线路持续电流流过空气击穿火花隙，结果这会导致电弧电流的减小，并进而导致电弧阻抗的增加。当电弧阻抗增加以及进而空气击穿火花隙阻抗增加，那么这分别会使得线路持续电流通过并联阻抗流通的部分增加，并且通过空气击穿火花隙流通的部分进一步减小，从而电弧电流也进一步减小，结果最终使得电弧完全熄灭。
在根据本发明的过电压保护装置的一个优选实施例中，阻抗是由定位在两个电极之间的放电空间中的电阻形成的。绝缘间隙可以在结构上以特别简单的方式实现，即通过在第一电极和电阻之间设置第三电极，从而在第一电极和第三电极之间形成作为绝缘间隙的第二空气击穿火花隙。
另外，根据本发明的过电压保护装置的另一个可替换实施例中，绝缘间隙通过电压开关元件实现。
所述电压开关元件选择或设计为使得其在额定电压下不导电，但在该过电压保护装置的操作电压下变得可导，即“开关切换”。变阻器、抑制二极管、或者充气过电压保护器可以设置作为电压开关元件。然而，还可能通过将变阻器和抑制二极管结合，将变阻器和充气过电压保护器结合，将抑制二极管和充气过电压保护器结合，或者将变阻器、抑制二极管和充气过电压保护器结合等形式设置所述电压开关元件。
通过所述电压开关元件的选择和设计，因此可以以很简单的方式使并行切换的阻抗适应两个参数，即额定电压和操作电压。
形成阻抗的电阻由具有导电性和抗电弧性的材料组成，从而在该过电压保护装置中产生电弧时，它不会被毁坏。该电阻优选的由导电塑料，或金属材料，或导电陶瓷材料组成。例如，该电阻可以由POM Teflon塑料制造，该材料可以通过添加碳黑而使其具有所需的导电性。另外，该电阻也可以由呈现非线性阻抗特性的材料制造。
特别地，根据本发明的过电压保护装置可以以多种方式实施和精选。在这点上，一方面，参考了权利要求1的各项从属权利要求，并且另一方面，结合附图参考了优选的示例性实施例。附图中显示了：
图1显示了根据本发明的过电压保护装置中阻抗设置的大大简化的操作原理；
图2是根据本发明的过电压保护装置的第一示例性实施例的示意图；
图3是根据本发明的过电压保护装置的第二示例性实施例的示意图。
图1显示了根据本发明的过电压保护装置的一部分的大大简化的等效电路图。如同在图2和图3中一样仅参考其基本设计而显示的该过电压保护装置，包括第一电极1，第二电极2，以及存在于或工作于该两个电极1和2之间的空气击穿火花隙3。另外，该过电压保护装置具有容纳电极1、2的外壳4(图1中未显示)。在根据本发明的过电压保护装置中，正如同作为本发明基础的过电压保护装置个例一样，当空气击穿火花隙点火时，在两个电极1和2之间形成电弧5(仅在图1中显示)。根据本发明，阻抗6也定位于外壳4中，其与空气击穿火花隙3并联，并且绝缘间隙8与空气击穿火花隙3和阻抗6组成的并联电路串联。
根据图2和3中的实施例，阻抗6由定位在外壳4内的放电空间10中的电阻9形成。绝缘间隙8是通过在第一电极1和电阻9之间设置第三电极11而实现的，从而作为绝缘间隙8的第二空气击穿火花隙12存在于或工作于第一电极1和第三电极11之间。
在根据本发明的过电压保护装置中，因为阻抗6与空气击穿火花隙3并联，所以线路持续电流IF被阻止，或者产生的线路持续电流IF被抑制。如果在根据本发明的过电压保护装置中产生了等于或高于选定火花放电电压的过电压，那么空气击穿火花隙3和绝缘间隙8(即第二空气击穿火花隙9)均变得可导，这是由于电弧以根据图1的简化操作原理而形成于第一电极1和第二电极2之间，或者分别形成于第一电极1与第三电极11之间和第三电极11与第二电极2之间。由于阻抗6与空气击穿火花隙3并联，流过的线路持续电流IF被分割为两个部分电流IL(电弧5的电流)和IR(经过阻抗6的电流)。该线路持续电流IF的分割将导致电弧5电流IL的第一次减小。
由于电弧的负微分电阻，电弧5电流IL的减小导致电弧5(即空气击穿火花隙3)阻抗的增加。如果现在由空气击穿火花隙3形成的并联电路7的脚阻抗增加，那么这使得通过阻抗6的电流IR相对于电弧5电流IL而增加。因此，线路持续电流IF流经并联阻抗6的部分增加。结果使得电弧5电流IL进一步减小，并导致电弧5(即空气击穿火花隙3)阻抗的进一步增加，直到电弧5最终完全熄灭。阻抗6将电流限制为如下程度，即使得绝缘间隙8被抑制，结果使得整个过电压保护装置不再具有导电性，并且因此线路持续电流IF被抑制。
已知电弧5的特性，本领域技术人员可以考虑过电压保护装置的体积，电极1、2和11的空间大小，线电压，以及所需的电路短路电流而以这样的方式选择电阻9，即线路持续电流IF完全被阻止(如果可能的话)，或者产生的线路持续电流IF在可能的最短时间内被抑制。电阻9可以由导电塑料，或者金属材料，或者导电陶瓷材料组成，并且在一方面设置为具有所需的导电性，在另一方面通过适当的添加物设置为具有所需的电弧电阻。
从图2和图3中的优选示例性实施例的图示，可以看到第一电极1与第三电极11间的距离小于第三电极11与第二电极2之间的距离；然而，同样可能选择不同的电极之间的距离。根据两个图示图2和图3的两个实施例彼此不同，首先，在根据图3的过电压保护装置实施例中，第三电极11导电性连接到点火开关元件13。结合点火开关元件13，第三电极11可以设计为点火辅助装置，在此种情况下，第三电极11与点火开关元件13一起组成“主动点火辅助装置”，如同在较晚公开文献DE 101 46 728中所描述的。
根据图3，还可以看到第一电极1与第三电极11之间的空间14通过开口15连接到第三电极11与第二电极2之间的放电空间10。两个空间10、14的这种连接在空气击穿火花隙3、12中的一个已经点火时将促进空气击穿火花隙12、3中的另一个点火。
图2和图3还显示了两个不同的电阻9的优选几何形式。根据图2中的示例性实施例的电阻9大致设计为圆柱块，根据图3的电阻9设计为环。那么这分别会产生环形的放电空间10，或者圆柱形的放电空间10。如同从图2和图3均能看到的，与电极2和11机械接触的电阻9的边缘或边界16具有圆角或倒角。在这种方式下，间隙17在电阻9与电极2和11之间分别形成，这使得过电压产生期间在电阻9的边缘或边界16处的表面场强增强。但具有足够强电流的过电压产生时，由于增加了接触阻抗，该电流在电阻9的边缘16和相关联的电极2、11之间的接触点产生放电，该放电将接触区域预电离，从而形成桥接间隙17的电弧。然后该电弧可以沿电阻9的边缘移动，使得两个电极2、11之间的空气击穿火花隙3点火。因此，电阻9不仅仅能用于抑制不需要的线路持续电流IF，而且还可以用作过电压保护装置的点火辅助装置。
最后，图2和3还显示了外壳4，其优选设计为金属压力外壳，并具有内部绝缘壳18。在根据图3的示例性实施例中，第三电极11连接到金属压力外壳4。
Claims (13)
1、一种过电压保护装置，包括第一电极(1)，第二电极(2)，以及存在于或工作于两电极(1，2)之间的空气击穿火花隙(3)；并且进一步包括用于容纳所述电极(1，2)的外壳(4)；当所述空气击穿火花隙(3)点火时，在所述两个电极(1，2)之间形成电弧(5)，其中，有一阻抗(6)与空气击穿火花隙(3)并联；并有一绝缘间隙(8)与所述空气击穿火花隙(3)和阻抗(6)组成的并联电路串联。
2、如权利要求1所述的过电压保护装置，其中设置一电阻(9)作为所述阻抗(6)，该电阻(9)定位于所述两个电极(1，2，11)之间的放电空间(10)中。
3、如权利要求2所述的过电压保护装置，其中在所述第一电极(1)和电阻(9)之间设置第三电极(11)；通过第二空气击穿火花隙(12)实现的绝缘间隙(8)存在于或工作于所述第一电极(1)和第三电极(11)之间。
4、如权利要求3所述的过电压保护装置，其中所述第一电极(1)和第三电极(11)之间的距离小于所述第三电极(11)和第二电极(2)之间的距离。
5、如权利要求3或4所述的过电压保护装置，其中电阻(9)的阻值参考额定电压和所需的线路持续电流以如下方式设定，即使得由于所述线路持续电流在形成并联电路(7)的空气击穿火花隙(3)和阻抗(6)之间的分配，电弧(5)被完全熄灭。
6、如权利要求3至5中之一所述的过电压保护装置，其中所述第三电极(11)导电性连接到点火开关元件(13)。
7、如权利要求3至6中之一所述的过电压保护装置，其中所述第一电极(1)和第三电极(11)之间的放电空间(10)与所述第三电极(11)和第二电极(2)之间的空间(14)连接。
8、如权利要求1所述的过电压保护装置，其中设置电压开关元件作为所述绝缘间隙(7)。
9、如权利要求8所述的过电压保护装置，其中设置变阻器、抑制二极管、或者充气过电压保护器作为所述电压开关元件。
10、如权利要求2至9中之一所述的过电压保护装置，其中所述电阻(9)由导电塑料，或者金属材料，或者导电陶瓷材料组成，并且与至少一个电极(2，11)机械接触。
11、如权利要求1至10中之一所述的过电压保护装置，其中所述电阻(9)设计为大致方形或矩形块或者设计为环形。
12、如权利要求10或11所述的过电压保护装置，其中所述电阻(9)与电极(2，11)机械接触的至少一个边缘(16)或边界具有圆角或倒角。
13、如权利要求1至12中之一所述的过电压保护装置，其中所述外壳(4)设计为金属压力外壳，并且具有内部绝缘壳(18)。
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