CN1707704A - 用于封装式电涌放电器的有源器件 - Google Patents

Abstract

一种用于封装式电涌放电器的有源器件(2)，其包括变阻器列(3)、可接高电位的电极(4)以及可接地电位的电极(5)。另外，有源器件包括场控制元件(6)，该场控制元件(6)连接所述高压电极(4)并且设置为在有源器件插入电涌放电器封装后位于变阻器列(3)和封装之间，该场控制元件用于在电涌放电器工作时控制封装(1)内的电场。场控制元件(6)固定在变阻器列(3)上并包括含有聚合物基质及嵌于聚合物基质内填料的复合材料。复合材料在100Hz交变电场的电负载下的介电常数在5至45之间和/或具有非线性电流－电压特性。由于此结构，场控制元件(6)可非常靠近变阻器列(3)。从而有源器件(2)垂直变阻器列(3)的直径较小并可使封装(1)的尺寸较小。

Description

用于封装式电涌放电器的有源器件

技术领域

本发明涉及权利要求1的前序部分所述的用于封装式电涌放电器的有源器件。本发明还涉及用于制造此类有源器件的方法，同样还涉及带有此种有源器件的封装式电涌放电器，其用于限制中压和高压输电线路或系统中的电压。

背景技术

此种有源器件在制造电涌放电器的过程中插入到一个被保护的封装中，其中所述封装通常由金属(例如铝、铝合金或钢)、覆有导电层的绝缘材料或导电塑料构成。所述有源器件包含一个可连接至高压的电极(高压电极)和一个可连接至地电位的电极(接地电极)，以及一个或多个设置在所述两个电极之间的变阻器列。

所述变阻器列通常包含几个彼此叠置的、基于掺杂氧化锌的圆柱形变阻器。也可以在至少两个变阻器之间设置用于吸收热量或延伸所述列的金属元件。如果设置有两个或更多的变阻器列，还可以在两个变阻器之间设置绝缘元件。然后不同列的变阻器可以串联连接。

所述封装充有可以是固体、液体或气体的绝缘材料。采用此封装保护电涌放电器免遭意外接触。为了使封装的尺寸保持较小同时使各个变阻器承受均匀的负载，所述封装还容置有一个连接至高压电极的元件，该元件用于在电涌放电器工作的时候，控制作用于封装内部的电场。

在所述有源器件的制造中，一叠变阻器以及两个接触电极(其中一个是高压电极)被夹紧在一起，从而形成一个含有变阻器列或此列之一部分的预装配单元，其中，所述场控制元件接着固定在预装配单元上。在电涌放电器的制造中，预装配的有源器件和场控制元件插入到封装内。

在专利文献EP 0 036 046 B1、EP 0 050 723 B1、EP 0 630 030 B1以及US 5,585,996A中描述了最初所述类型的有源器件。这些有源器件安装在电涌放电器内，该电涌放电器各自带有充有绝缘气体(例如SF₆)或者绝缘油的金属封装。根据需限制的电压，在金属封装中设置一个变阻器列或几个串联的变阻器列。为了使封装的尺寸保持相当小，在每一个电涌放电器中，在封装壁和变阻器列之间分别设置有一个场控制元件，即使得该场控制元件环绕所述列。在电涌放电器工作时所述场控制元件使得作用在封装内部的电场均匀，从而设置在变阻器列内的变阻器承受或多或少均匀一些的负载。场控制元件可以由导电电容膜构成，其中导电电容膜相对于列轴线而同轴设置并保持在绝缘元件中(EP 0 036 046B1)；场控制元件可以包括沿着列轴线设置并在轴线方向彼此间隔开的电容屏蔽(EP 0 050 723 B1)；场控制元件还可以由带有维持在高电位的球形曲面部分的屏蔽电极构成。

在EP 1 083 579 A2中已经公开的封装式电涌放电器中，场控制元件能够省去，因为适当设计的壳体使得可以使变阻器列的高压部分内的电场均匀。

还已知使用电压控制材料来进行电压控制，该材料特别是基于聚合物和填充于聚合物内的适当填料的复合物。在此方面，我们参引由R.Strümpler等著的“智能变阻器复合物(Smart Varistor Composite)”，第8届CIMTEC材料研讨会陶瓷会议和论坛论文集(1994)(Proceedings of the 8^thCIMTEC Ceramic Congress and Forum on Material Symposium(1994))，以及US 6,124,549A和EP 1 337 022 A1。在此情况下，填料由小的、基本上为球形的氧化锌颗粒形式的微变阻器组成。这些颗粒掺杂有不同的金属氧化物，例如Sb₂O₃、Bi₂O₃、Cr₂O₃以及Co₃O₄，并且在900℃至1300℃的温度之间烧结。类似于一个变阻器，烧结的颗粒具有取决于电场强度的非线性的电特性。所述颗粒在低电场强度下性能类似于绝缘体，并且随着电场强度增大导电性逐渐增强。由于该非线性的电特性，所述聚合物具有良好的场控制特性。

发明内容

在权利要求中指出的本发明的特征基于开发用于封装式电涌放电器的最初所述类型的有源器件的目的，其具有简单的设计，其封装具有显著减小的尺寸，另外给出了一种用于简单地与廉价地制造此种有源器件的方法。

在根据本发明的有源器件中，场控制元件固定至变阻器列并包括一个由聚合物基质和嵌入在所述基质内的填料构成的复合物。当施加一个频率达100Hz的交变电场时，此复合物具有5和45之间的电容率和/或非线性电流-电压特性。所述由复合物制造的场控制元件的导电性低于通常由金属或导电塑料制造的场控制元件的导电性。这意味着，场控制元件能够定位为非常靠近变阻器列。相应地，有源器件在垂直于变阻器列方向的直径较小，并且能够减小封装的尺寸和用于固定有源器件的绝缘物的尺寸。场控制元件的相对高的电容率和/或非线性电流-电压特性还导致电场的均匀化，从而防止变阻器列的各个变阻器过载。如果场控制元件具有非线性电流-电压特性，根据本发明的有源器件具有特别高的浪涌能力，例如，电涌放电器绝缘型式试验中所需的浪涌能力。

能够得到用于多种应用场合的一个足够的场控制，如果填料包含带有高导电性的材料，特别是导电炭黑(conductive soot)、和/或具有高电容率的材料，诸如钛酸盐(优选钛酸钡(barium titanate))、和/或微变阻器。

如果至少部分填料含有微变阻器，那么根据本发明的有源器件或含有此有源器件的电涌放电器的电气特性分别能够很好地再现。这是因为微变阻器(特别是，以掺杂和烧结氧化锌为基础的微变阻器)的电气特性能够根据填料的化学成分和烧结条件进行调整。相应地，形成所述场控制元件之聚合物复合物(the polymer composite)的电气特性，特别是其电阻作为场强度的函数，可以通过选择适当的微变阻器以及选择微变阻器在聚合物中的适当浓度而进行调整。既然电阻是微变阻器的固有特性，并且不取决于(或仅仅非常轻微地取决于)微变阻器在聚合物基质内的分散度，微变阻器的此特性能够以高度可再现的方式进行调整。良好的可再现性另外还可以由于下面的原因而得到提高：填充有微变阻器的聚合物具有比未填料的聚合物或绝缘气体更高的热传导性。如果变阻器列承受更高的负载，此良好的热传导性也有助于热量从变阻器列传出。

为了解决困难的场控制任务，如果根据本发明的有源器件或含有此有源器件的电涌放电器分别延伸于变阻器列的纵向至少一部分就可实现，所述纵向部分典型地达到变阻器列整个长度的四分之一并连接至高压电极。

为了以足够的精度控制变阻器列的其余部分，场控制元件优选地延伸于变阻器列的整个长度。此种场控制元件在制造工艺方面也具有一定的优点，即，因为其能够容易地用邻近有源器件的两个电极的铸模制造。这相应地减少有源器件的制造成本。

如果至少一部分的场控制元件位于变阻器列的表面区域上，那么能够降低空间需求并且使场控制元件的效率特别高。以此方式有效地防止了在变阻器列区域内的局部场不均匀。

然而，如果场控制元件由保持或固定在变阻器列的表面区域上的绝缘元件承载，通常也可获得适当的场控制特性。一个这样设计的有源器件在制造工艺方面也具有一定的优点，即，因为通过将一个无填料的聚合物(能够容易地处理)铸造至一个变阻器列上(或如果可行的话，铸造至几个变阻器列上)而得到一个固体圆柱。在此情况下，场控制元件通过卷绕或喷施至包括填料和聚合物的复合物上而能够容易地施加至此固体圆柱上。

对于一定的场控制任务，可以利用具有至少两个由电绝缘层彼此分隔开的场控制层的场控制元件。其优点在于：这些层具有不同的电气特性和/或在变阻器列上延伸不同长度。

由于制造工艺方面的原因，所述场控制元件在垂直于列轴线方向的厚度通常大致在变阻器列的长度上恒定。然而，如果所述厚度在变阻器列的长度上变化以执行一定的场控制任务，这可以是有利的。例如，能够有利地增加在有源器件的一端的电传导性——如果场控制元件在此位置的截面面积更大并且截面面积在有源器件的长度上连续减小。

在用于制造根据本发明的有源器件的方法中，一叠变阻器以及两个接触电极夹紧在一起，从而形成一个包含变阻器列或此列之一部分的预装配单元。接下来，通过将场控制元件施加至变阻器列上或一个环绕此变阻器列的绝缘元件上，而将场控制元件固定至预装配单元上。由于此应用通过铸造或注射模制已填料的聚合物，或通过热装或卷绕支持构件(支持构件承载所述已填料聚合物)而有利地发生，有源器件能够低成本地批量制造。

为了使含有根据本发明有源器件的电涌放电器具有高的电绝缘强度，在将有源器件插入封装后剩余的容积能够填充固体、液体和/或气体绝缘材料。

附图说明

下面将参考附图对本发明的具体实施例进行更详细的描述。在所述附图中：

图1是一个电涌放电器的轴向延伸侧视截面图，该电涌放电器带有圆柱形对称的封装以及设置在所述封装内的、根据本发明的有源器件，其中，所述有源器件含有一个场控制元件，该场控制元件覆盖高压电极以及位于邻近该高压电极的变阻器列的一部分；

图2是图1中电涌放电器的侧视截面图，其中，与图1中的实施例不同，场控制元件覆盖了整个变阻器列以及接地电极的一部分；

图3是图1中电涌放电器的侧视截面图，其中，与前述实施例不同，场控制元件设置在环绕所述变阻器列的绝缘元件上；

图4是图1中电涌放电器的侧视截面图，其中，与前述实施例不同，场控制元件垂直于变阻器列轴线的厚度从高压电极处开始而在所述列轴线上减小；

图5是图1中电涌放电器的侧视截面图，其中与前述实施例不同，场控制元件含有两个由一绝缘层彼此分隔开的、并沿变阻器列轴线延伸了不同长度的场控制层；以及

图6是一个电涌放电器的轴向延伸部分的侧视截面图，该电涌放电器带有圆柱形对称的封装，具有设置在所述封装内的根据本发明的有源器件，并带有两个(替代地，带有三个)变阻器列和一个场控制元件。

具体实施方式

在所有附图中，相同作用的元件用相同的标号指示。在图1至图5中示出的电涌放电器分别包含一个圆柱形对称的金属封装1，金属封装1的形式为一个开口的罐并且其中设有一个有源器件2。该有源器件包含一个变阻器列3、一个可以连接至高电位的电极4(高压电极4)、一个可以连接至地电位的电极5(接地电极5)、以及一个用于在电涌放电器工作时控制作用于封装1内部之电场的场控制元件6，其中所述元件设置在变阻器列3和封装1之间，并且以导电方式连接至高压电极4。

变阻器列3包括几个固体圆柱形式的变阻器元件7，所述变阻器元件7彼此叠置并包括非线性高电阻率材料，例如基于金属氧化物(特别是适当掺杂ZnO)的材料。变阻器列3借助于电绝缘环型夹8而保持机械稳定，电绝缘环型夹8以一定的预应力支撑在两个电极4和5上(图1-3和图5)或支撑在两个任意的电极上，一个可以是高压电极4，另一个可以是接地电极5(图4)，即由此形成稳定的预装配单元。

借助于一个延伸穿过所述罐的开口的导电体9，高压电极4以导电的方式连接至设置在封装1外侧的插头型触点10。借助于一个延伸穿过设置在所述罐底部的开口并相对于封装1电绝缘的导电体11，接地电极5连接至设置在封装1外侧的接地电流连接件或端子12。一个绝缘体13(例如基于硅树脂)相对于封装1绝缘穿过所述罐开口的导电体9以及有源器件2。

场控制元件6直接或间接地固定在变阻器列上。其包括内嵌填料的聚合物基质形式的复合物。当充以达100Hz的交变电场时，此复合物的介电常数在5至45之间，优选地在8至30之间，并/或具有非线性电流-电压特性。

聚合物基质可以由基于固体硅树脂的弹性体形成，但是也可以由任何其它弹性体形成，例如EPDM或丁基橡胶。其它可以用于聚合物基质的聚合物是热塑性塑料(例如PE、PVC、PBT或EVA)、硬质体(例如环氧化物、聚氨脂)、或热塑性弹性体。聚合物基质可以由共聚物或不同聚合物成分的混合物组成。

微变阻器用作嵌入聚合物基质内的填料的材料。导电炭黑是另一种适合的填料，但是其嵌入聚合物中的浓度需要高达可以使所得复合物的介电常数或电容率在50Hz时大致在10到30之间。具有高的介电常数的陶瓷材料，例如钛酸钡，也适于用作填料。

微变阻器由掺杂或烧结氧化锌的颗粒构成。典型的组成成分、颗粒尺寸以及烧结条件公开在最初描述的现有技术中。掺杂氧化物(通常包括Bi、Co、Cr、Mn以及Sb的氧化物，以及诸如Al、B、Fe、Ni及Si的其它元素的氧化物)的ZnO颗粒在900℃至1300℃的温度之间烧结。在烧结过程中形成的微变阻器粉末被筛选至所需的颗粒尺寸级别，例如100μm。附加的金属填料可以选择性地混合至此粉末粒子中并烧结在微变阻器上。筛选出的粉末例如在磨粉机内掺入至所述聚合物基质(例如HTV硅树脂)。取决于弹性体的类型，其它的添加剂(例如辅助的交联剂、稳定剂)可以在此时加入。填料在复合物中的体积比率通常在20％至45％之间。

这样制造的复合物通过传统的注射模制方法而被施加到变阻器列3上或其一部分上，或者被施加到环绕所述变阻器列的绝缘元件14上(图3)，即使得形成场控制元件6。如果使用液态硅树脂，可以通过直接浇注而施加硅树脂填料混合物。由硅树脂形成的绝缘材料体13能够在复合物交联之后的第二工艺步骤中注射模制。

由所述复合物制造的场控制元件的导电性低于通常由金属或导电塑料制造的场控制元件的导电性。这意味着：所述场控制元件能够定位得非常靠近变阻器列6，并且在有源器件2安装到封装1内之后，该封装以及用于固定有源器件2的绝缘体的尺寸减小。所述场控制元件的相当高的电容率和/或非线性的电流-电压特性也导致电场均匀化，从而防止变阻器列3的各个变阻器7在电涌放电器工作的过程中过载。由于使用陶瓷微变阻器，所述场控制元件6复合物的热传导性相比于无填料的聚合物显著增加。因此，从变阻器列2向外的热传导得到改善，并且各个变阻器相应地能够承受更高的热负载。包含根据本发明的有源器件的电涌放电器与具有常规设计有源器件的电涌放电器相比，具有明显加大的浪涌能力(surge capacity)。结果，用减小的尺寸实现了相当的性能。

在根据图1的实施例中，场控制元件6还通过涂覆粘合剂设置在高压电极4的外表面上以及设置在连接至高压电极4的变阻器3的一部分表面上。既然场控制元件6延伸于有源器件2承受高电位的区域，那么在这些高应力区域的电场被均匀化。

场控制元件在变阻器列上的排列构成了节省空间的设计，有效地在变阻器列3的范围内防止局部场不均匀，并且同时良好地将变阻器列3内产生的热量传送到外部。

在根据图2的实施例中，施加在变阻器列3上的场控制元件6从高压电极4至接地电极5延伸遍布整个变阻器列3。因此，在整个变阻器列电场均匀分布，并且变阻器列内的所有变阻器7能够以高精确度的方式控制。另外，可以容易地制造一个带有一个此种类型场控制元件的有源器件，因为在模制的过程中能够使用邻近有源器件2的电极4和5的浇注模具。

对带有一个根据图2的有源器件的电涌放电器的电涌能力按照IEC规范60099-4以及60071-1进行测试，并与采用相应的设计但是不含有场控制元件的电涌放电器相应测试得到的电涌能力进行比较。在此情况下，两种电涌放电器分别充以15个连续的1/50的高电压正极性脉冲和15个相应的负极性脉冲。脉冲的形状由1μs的上升至脉冲最大值的时间以及501μs的下降至最大脉冲一半的时间限定。此比较显示：带有根据本发明的有源器件的电涌放电器能够承受更高的电压，比不带场控制元件的电涌放电器高至少1.7倍。

在根据图3的实施例中，场控制元件6由固定在变阻器列表面区域上的绝缘元件14承载。一个此种设计的有源器件2在制造工艺方面具有优点，因为通过将无填料的聚合物(其容易进行处理)铸造到变阻器列3上而得到一个固体圆柱。所述场控制元件6然后能够容易地置于此固体圆柱上，例如，通过卷绕或喷施到复合物上，或热装在包含所述复合物的支撑构件上。

为了制造工艺方面的原因，所述场控制元件6在垂直于变阻器列3轴线方向的厚度通常在变阻器列的长度上是恒定的。然而，为了执行特定的场控制任务，所述场控制元件6的厚度在变阻器列3的长度上变化是有利的。例如，能够有利地增加在有源器件承受高电压(电极4)的一端的电传导性——如果场控制元件6在此位置截面面积更大，并且截面面积在有源器件2的一部分长度上(或如果需要的话，在整个长度上)连续减小。在图4中示出了此种实施例。此图还说明：变阻器列3可以包括两个预装配单元31和32，预装配单元31和32分别带有两个电极、一叠变阻器7’和7”，所述变阻器7’和7”分别设置在所述电极和一个环形夹紧元件8’和8”之间。在预装配单元31中，两个电极为高压电极4和中间电极15，其中，预装配单元32的两个电极是中间电极15和接地电极5。这意味着中间电极15能够以分隔开的方式实现，使得预装配单元31、32都能够分别地运输。在非常长的变阻器列3中，预装配单元仅仅含有中间电极。

在根据图5的实施例中，所使用的场控制元件6包含两个由一个电绝缘层61彼此隔离开的场控制层62和63。层62和63允许特别精确地场控制并且可以具有不同的电气特性和/或可在变阻器列3上延伸不同的长度，如所述附图所示。

根据图6的实施例说明：有源器件2可以不仅含有一个变阻器列，也可以含有两个变阻器列3’、3”，或者，如果可行也可以含有三个变阻器列(设置在列3’、3”后的变阻器列3”’)或更多变阻器列。由于在此实施例中两列的变阻器7通过连接件16串联连接，这些列不仅含有多个变阻器7以及在所述变阻器列的端部接通所述列的两个电极17’、17”、17”’，而且也含有分别将在所述列内彼此邻近设置的变阻器7的电位分隔开及将变阻器7与电极17”’的电位分隔开的多个绝缘部分18。上述的电极17’以导电的方式连接到高压电极4或者集成在其中，借助于在被穿过的绝缘体91的辅助下以电绝缘的方式导出封装1的导电件9，以导电的方式连接到诸如防止过电压的导线的高电压源。相应地，电极17”以电导通的方式连接至接地电极5或集成在其中，并且通过导电件11接地，该导电件11以绝缘的方式伸出封装1之外。

在此情况下，场控制元件6由包围电极4、17’以及17”’的一个部分场控制元件6’、以及包围变阻器列3’承受高电压之部分的一个相邻的部分场控制元件6”构成。如图所示，所述两个部分的场控制元件由不同的复合物材料构成。部分场控制元件6”’能够通过铸造施加，而部分场控制元件6”可以通过热装或卷绕形成。

如果场控制元件6由仅仅一个部件构成，那么还可以实现为以铸造的方式包围所有的变阻器列3’、3”、3”’。

气密封装1的剩余容积19填充通常为SF₆的绝缘气体。

                附图标记表

1                              封装

2                              有源器件

3、3，、3″、3″‘             变阻器列

4                              高压电极

5                              接地电极

6、6，、6″                    场控制元件

7、7，、7″                    变阻器

8、8，、8″                    环型夹

9、11                          导电体

10                             插头型触点

12                             电流连接件、端子

13、14                         绝缘元件

15                             中间电极

16                             连接件

17、17’、17″、17″‘         电极

18                             绝缘部分

19                             剩余容积

31、32                         预装配单元

61                             绝缘元件

62、63                         场控制层

91                             被穿过的绝缘体

Claims (14)

1.一种用于封装式电涌放电器的有源器件(2)，包括至少一个变阻器列(3、3’、3″、3″’)、一个可以连接至高电位的电极(4)以及一个可以连接至地电位的电极(5)、以及一个用于在所述电涌放电器工作时控制作用于封装(1)内部之电场的场控制元件(6、6’、6″)，其中在有源器件(2)安装至电涌放电器的封装(1)中之后，所述场控制元件(6、6’、6″)位于所述变阻器列(3、3’、3″、3″’)和封装(1)之间，并且连接至所述高压电极(4)，其中所述场控制元件(6、6’、6″)保持在至少一个变阻器列(3、3’、3″、3″’)上，并含有包括聚合物基质及内嵌于其中的填料的复合物，所述复合物在承受100Hz的交变电场时的介电常数介于5至45之间，和/或具有非线性的电流-电压特性。

2.如权利要求1所述的有源器件，其中，所述填料包括具有高导电性的材料和/或具有高介电常数的材料和/或微变阻器。

3.如权利要求2所述的有源器件，其中，所述场控制元件(6、6’、6″)包括导电性炭黑或钛酸盐，特别是钛酸钡，并且其中至少一部分微变阻器由掺杂和烧结氧化锌形成。

4.如权利要求1-3中任一项所述的有源器件，其中，所述场控制元件(6、6’、6″)延伸于所述变阻器列(3、3’、3″、3″’)纵向的至少一部分，所述部分连接至高压电极(4)。

5.如权利要求4所述的有源器件，其中，所述场控制元件(6)延伸于所述变阻器列(3)的整个长度。

6.如权利要求4或5中任一项所述的有源器件，其中，所述场控制元件(6、6’、6″)的至少一部分位于所述变阻器列(3、3’、3″、3″’)的表面区域上。

7.如权利要求4或5中任一项所述的有源器件，其中，所述场控制元件(6)由一个保持在所述变阻器列(3)的表面区域上的绝缘元件(14)承载。

8.如权利要求4-7中任一项所述的有源器件，其中，所述场控制元件(6)含有至少两个通过一个电绝缘层(61)彼此分隔开的场控制层(62、63)。

9.如权利要求8所述的有源器件，其中，所述场控制层(62、63)具有不同的电气特性和/或在所述变阻器列(3)上延伸不同长度。

10.如权利要求4-9中任一项所述的有源器件，其中，所述场控制元件垂直于所述列轴线的厚度在变阻器列的长度上变化。

11.一种用于制造如权利要求1-10中任一项所述的有源器件(2)的方法，其中一叠变阻器(7、7’、7″)和两个接触电极(4、5、15、17、17’、17″、17’″)夹紧在一起，从而形成一个包含所述变阻器列(3、3’、3″、3″’)或此列之一部分的预装配单元(31、32)，并且场控制元件(6、6’、6″)随后固定至所述预装配单元(31、32)上，其中场控制元件(6、6’、6″)施加至所述变阻器列(3、3’、3″、3″’)或一个环绕所述变阻器列(3)的绝缘元件(14)上。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述场控制元件通过铸造或注射模制已填料的聚合物，或者通过热装或卷绕含有已填料的聚合物的支持构件而施加。

13.一种带有封装(1)的电涌放电器，所述封装(1)保护所述电涌放电器免遭意外接触，所述封装容置有如权利要求1-10中任一项所述的有源器件(2)。

14.如权利要求13所述的电涌放电器，其中，在所述封装(1)中，在该封装(1)和所述有源器件(2)之间的剩余容积(19)以固体、液体和/或气体绝缘材料填充。

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