CN1797878B - 过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明示出并描述了一种尤其用于低压电网供电的过电压保护装置，其包括外壳(2)、第一电极(3)、至少一个第二电极(4)、在外壳(2)的内部在两个电极(3，4)之间构成的电弧燃烧室(5)，以及在两个电极(3，4)之间构成的击穿火花隙，其中当击穿火花隙引燃时，在两个电极(3，4)之间形成电弧。为了在过电压保护装置中更加可靠地防止电网续流的产生和击穿火花隙的再次引燃，提出了在外壳(2)中构成至少一个流出和冷却通道(6)，热的等离子体可通过该通道从电弧燃烧室(5)中流出，其中该流出和冷却通道(6)沿着外壳(2)的纵向延伸并构造成螺旋形。

Description

过电压保护装置

技术领域

本发明涉及一种尤其在低压电网的供电中使用的过电压保护装置，其包括壳体、第一电极、至少一个第二电极、在壳体内部在两个电极之间构成的电弧燃烧室以及在两个电极之间构成的击穿火花隙，其中当击穿火花隙引燃时，在两个电极之间形成电弧。 

背景技术

电路，尤其是电子测量、控制、调节和开关电路，特别是通信装置和设备，对诸如尤其可由大气放电和供电电网中的换向操作或短路而引发的瞬态过电压很敏感。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性就越强；特别是，使用上不断增多的集成开关电路在很大程度上受到瞬态过电压的威胁。 

电路在其设定的电压即额定电压下通常都可正常工作。然而在出现过电压时情况并非如此。过电压是指高于额定电压的上限值的所有电压。其中尤其包括瞬态过电压，其可由大气放电和供电电网中的换向操作或短路而引发，并通过电流、电感或电容耦合进入电路。为保护电路或电子电路，尤其是电子测量、控制、调节和开关电路，特别是通信装置和设备，使得不论它们应用于何处都能够免受瞬态过电压的影响，已经开发了许多过电压保护装置并且在二十多年来已经为人所知。 

这里所说类型的过电压保护装置的基本组成部分至少包括一个火花隙，该火花隙在一定的过电压即起动电压下起动，并且由此防止在过电压保护装置所保护的电路中出现比火花隙的起动电压更高的过电压。 

在本文的开篇中提到，本发明的过电压保护装置设有两个电极和在该两个电极之间存在的或起作用的击穿火花隙。击穿火花隙既可以是空气击穿火花隙，也可以是在两电极之间存在的不是空气而是其它气体的击穿火花隙。除了带击穿火花隙的过电压保护装置外，还存在带飞弧火花隙的过电压保护装置，这种过电压保护装置在起动时会发生表面放电。 

与带飞弧火花隙的过电压保护装置相比，带击穿火花隙的过电压保护装置的优点在于其抗冲击电流能力较高，而其缺点在于起动电压较高且不是很稳定。因此，已经提出了针对其起动电压进行了改进的各种带击穿火花隙的过电压保护装置。此时，在电极区域或在电极之间起作用的击穿火花隙的区域中以各种不同的方式实现了引燃辅助装置，例如在电极之间至少设置一个可引发表面放电的引燃辅助装置，该装置至少部分地伸入到击穿火花隙中，其构造成隔片状并由塑料构成(比较DE 4141681A1或DE 4402615A1)。 

设于已知过电压保护装置中的前述引燃辅助装置似乎可称为“被动式引燃辅助装置”，称之为“被动式引燃辅助装置”是因为它们自身并不“主动”起动，而只是通过出现在主电极上的过电压来起动。 

从DE 19803636A1中已知了一种具有两个电极、在两电极之间起作用的击穿火花隙和引燃辅助装置的过电压保护装置。在该过电压保护装置中，引燃辅助装置构造成“主动式引燃辅助装置”，这是通过除了两个被称为主电极的电极外还设置两个引燃电极来构成的。这两个引燃电极形成用作引燃火花隙的第二击穿火花隙。在该过电压保护装置中，除了引燃火花隙外，引燃辅助设置还具有带引燃开关元件的引燃回路。当过电压保护装置上加有过电压时，带引燃开关元件的引燃回路便导致引燃火花隙起动。两个引燃电极相对于两个主电极这样地设置，使得引燃火花隙起动后，两个主电极之间的击穿火花隙也起动。 

在带有引燃辅助装置的过电压保护装置的前述公知的实施形式中，引燃辅助装置实现了更好的、即更低且更稳定的起动电压。 

在本文所述类型的过电压保护装置中，无论带或不带引燃辅助装置，在击穿火花隙引燃起动时通过所生成的电弧在两个电极之间形成了低阻抗的连接。流过该低阻抗连接的首先是要泄放掉的瞬态冲击电流，这也是所希望的。但是在加有电网电压时，流经过电压保护装置的低阻抗连接的还跟随有不希望的电网续流，因此，希望在放电过程结束后尽可能快地使电弧熄灭。为实现该目的，一种可能性在于在火花隙起动后将电弧长度拉长，因而使电弧电压升高。 

在放电过程之后熄灭电弧的另一种可能性在于，通过绝缘材料壁的冷却作用来冷却电弧，以及采用可放出气体的绝缘材料。此时熄弧气体的气流必须很强，这要求很高的构造费用。 

在本文所述类型的过电压保护装置中，当电弧被熄灭后，虽然两个电极之间的低阻抗连接首先被中断，但两个电极之间的空间即电弧燃烧室却仍几乎充满了等离子体。等离子体的存在降低了两个电极之间的起动电压，使得即使在加上工作电压时，击穿火花隙也会再次引燃。当过电压保护装置设有密封或半开式壳体时这一问题尤其严重，因为基本密封的壳体阻止了等离子体的冷却和逸出。 

为了防止过电压保护装置也即击穿火花隙再次引燃，迄今为止采取了多种措施以将电离气体雾从引燃电极间驱散出去或对之进行冷却。但是在此必须考虑到，不允许将热的等离子体简单地从壳体中吹出，这是因为否则的话可能会毁坏相邻的设备部分，并且存在着在高压下流出的热等离子体可能使附近人员受伤的危险。因此，已知的过电压保护装置通常具有多个腔室，热的等离子体在引燃后可以排入这些腔室中，或者通过鼓风主动地吹入这些腔室中。然后，等离子体可在这些腔室中冷却。但是，这种设有相应腔室的过电压保护装置的缺点在于，当这些腔室应当完全封闭时就需要有非常大的体积，因此过电压保护装置的尺寸整体上明显增大。 

发明内容

本发明的任务是对本文开篇所述类型的过电压保护装置进行改进，以便更加可靠地防止电网续流的产生和击穿火花隙的再次引燃。 

该任务在本文开篇所述的过电压保护装置中是这样实现的，即在壳体中构成至少一个流出和冷却通道，热的等离子体可通过该通道从电弧燃烧室中流出，其中流出和冷却通道沿着壳体的纵向延伸并构造成螺旋形。流出和冷却通道的螺旋形构造使其能够具有比壳体的长度大几倍的长度。由此实现的吹出路径的延长会对热的等离子体产生较大的制动作用，从而从壳体内部向外出来的压力波很小，防止了对邻近设备部分的损坏。 

通过流出和冷却通道的螺旋形构造和由此实现的对热等离子体的较大制动作用，流出和冷却通道就可具有相对较大的横截面，从而可以快速降低壳体内部的高压，因此可以迅速实现内部区域的压力平衡。通过向外部快速排出壳体中所包封的热能，就可防止设在壳体内部中的部件、尤其是塑料部件受到损坏。 

根据本发明的过电压保护装置的一个尤其优选的设计结构，流出和冷却通道通过使壳体由两个部分构成来实现，其中两个壳体部分彼此同轴地设置，并且两个壳体部分之间的间隔构造成用于电离气体的流出和冷却通道。优选的是，此时内壳体部分设有外螺纹，而外壳体部分设有相应的内螺纹，这样，在过电压保护装置完成装配后的状态下，内壳体部分旋拧在外壳体部分中。通过壳体的呈两部分的特征以及利用或构造内壳体部分和外壳体部分之间的螺纹线作为流出和冷却通道，就提供了用于冷却热的等离子体的最大表面。此外，通过在两个壳体部分之间实现的流出和冷却通道，使得热等离子体在流出时不再接触一般设置在壳体内部中的塑料部件，由此，如上所述，可以防止塑料部件受到损坏，此外，可以避免由塑料离解时释放气体所引起的压力的额外升高。 

为了进一步降低从壳体中出来的气体的压力和温度，根据本发 明的一个优选的设计结构，将内壳体部分的外螺纹和/或外壳体部分的内螺纹设计成是部分中断的，从而在内壳体部分和外壳体部分之间构成了一个或多个腔室。这样，等离子体可以在这些构成于两个壳体部分之间的腔室中进一步冷却，而不要求为此在过电压保护装置的内部提供相应的额外体积。如果两个壳体部分由钢制成，那么壳体相对于过电压保护装置的其它构件而言具有最大的质量来暂时储存热能。此外，与壳体内部中的用作绝缘的塑料部件相比，钢制壳体具有明显更大的热容量和更高的耐热强度，因此，与钢制壳体或两个壳体部分的较大表面相结合，不仅可以在过电压保护装置的外部区域中很好地暂时储存热能，而且可以将能量直接释放到周围环境中。 

其中两个壳体部分彼此同轴设置的上述壳体分成两部分的特征还提供了这样的可能性，即壳体部分在最大的长度上相互旋拧在一起。这样，除了延长了在壳体外部分的内螺纹和壳体内部分的外螺纹之间所构成的吹出路径外，还提高了过电压保护装置尤其在轴向上的耐压强度。 

可通过有利的方式进一步提高壳体的压力承受能力，即，内壳体部分具有至少部分是锥形的外周面，而外壳体部分具有至少部分是锥形的内周面，这样，在内壳体部分和外壳体部分之间构成了锥形的旋拧结构。旋拧结构的这种锥度使得可以这样来构造内壳体部分和外壳体部分，即两个壳体部分在它们相互背离的端部上具有最大的壁厚，其中在这两个端部上两个壳体部分必须独立地承受压力。相反，内壳体部分和外壳体部分的壁厚朝着另一端部逐渐减小，使得在各个壳体部分受到的压力负荷最小的地方其壁厚也最小。 

除了提高了壳体的最大耐压强度以外，通过两个壳体部分的锥形结构还实现了壳体在整体上不仅具有恒定的内径，而且具有恒定的外径，由此可以实现现有体积的高利用率，因而在一定要求下可以实现很小的结构尺寸。 

具体而言，存在多种用于构造和改进根据本发明的过电压保护装置的可能。为此，可参阅下文中结合附图对优选实施例的描述。 

附图说明

在图中： 

图1显示了根据本发明的过电压保护装置的一个实施例的局部纵剖视图， 

图2显示了根据本发明的过电压保护装置的壳体的局部纵剖视图，和 

图3显示了根据本发明的过电压保护装置的两个壳体部分在未相互旋拧起来的状态下的透视图。 

具体实施方式

图1显示了根据本发明的过电压保护装置1的一个实施例，其包括在图2和3中更详尽示出的壳体2。过电压保护装置1除了壳体2以外还尤其具有两个电极3和4，其中这两个电极3和4彼此相对地设置，在它们之间构成了电弧燃烧室5。此时，电弧燃烧室5构造成使得两个电极3和4相互连接，其中电弧燃烧室5在过电压保护装置1的纵向延伸方向上部分倾斜地分布，但这在图1的剖视图中未示出。由此提供了倾斜于所施加电网电压的电场方向而分布的放电空间或放电通道，因此，两个电极3和4之间的电弧所跨过的距离具有相对于电场的横向分量。这就导致施加在两个电极3和4上的电压不再能够在引燃击穿火花隙后使电弧燃烧室中含有的自由载流子穿透地从一个电极加速运动到另一个电极，由此可以熄灭电弧。 

由于电弧熄灭后电弧燃烧室5中还充满热的等离子体，这使两个电极3和4之间的起动电压显著下降，使得在施加工作电压后可能引起击穿火花隙的再次引燃，因此在壳体2中构造了流出和冷却通道6，热的等离子体可通过该通道从电弧燃烧室5中流出。在壳体2的内部中与电弧燃烧室5连接的螺旋形的流出和冷却通道6在本发明的过电压保护装置1是这样实现的，即壳体2设有第一内壳体部分7和第二外壳体部分8，两个壳体部分7和8之间的间隔构成了流出和冷却通道6。 

不仅从图1中、而且从图2和3中都能够看到内壳体部分7设有外螺纹9，外壳体部分8设有相应的内螺纹10，这样，在图1所示的完成装配后的状态下内壳体部分7旋拧在外壳体部分8中。流出和冷却通道6的螺旋形构造使其具有远大于过电压保护装置1的壳体2的长度的长度。由此实现了在流出和冷却通道6内对热等离子体的较大制动作用，这样，流出和冷却通道6可以具有相对较大的横截面，同时不存在来自过电压保护装置1的气体使邻近的设备部分受损或人员受伤的危险。 

为了进一步提高对位于由金属构成的壳体部分7和8之间的热等离子体的冷却，内壳体部分7的外螺纹9是部分中断的，从而在内壳体部分7和外壳体部分8之间构成了多个腔室11。显然，作为另选或附加，也可以使外壳体部分8的内螺纹10具有相应的无螺纹部分。 

通过两个壳体部分实现的壳体2分成两个部分的特征提供了这样的可能性，即两个壳体部分7和8通过其相应的螺纹9和10在最大的长度上相互旋拧在一起，由此还提高了壳体2在轴向上的耐压强度。其中，第一内壳体部分7具有大致锥形的外周面，第二外壳体部分8具有相应锥形的内周面，这样，在内壳体部分7和外壳体部分8之间整体上构成了锥形的旋拧连接结构。如从图1和2的剖视图中可以看到的那样，内壳体部分7和外壳体部分8在它们相互背离的端部12和13上各自具有最大的壁厚，而在朝向另一端部14或15的方向上，内壳体部分7和外壳体部分8的壁厚各自逐渐减小。这样，两个壳体部分7和8在它们必须独立承受压力的端部12和13 上就其壁厚而言是最大的。此外，通过两个壳体部分7和8的锥形结构还实现了壳体2整体上不仅具有恒定的内径，而且具有恒定的外径，由此便可在一定要求下实现具有很小结构尺寸的过电压保护装置1。 

从图1中可以看到，壳体内部衬有绝缘材料16，其中通过例如可以是热塑性塑料的绝缘材料16的构造确定了电弧燃烧室5的尺寸以及从电弧燃烧室5到流出和冷却通道6的连接通道的尺寸。此外，图1所示的过电压保护装置1还设有引燃元件17和引燃电极18，它们共同用作引燃辅助装置，通过该引燃辅助装置，必要时与引燃开关元件一起，就可将过电压保护装置1的起动电压调节到所希望的值。为了与设在壳体2的内部中的第一电极3电接触，设置了电极固定器19，它和电极4一样借助于绝缘件20与壳体2电绝缘。与一般由铜-钨构成的两个电极3和4不同，电极固定器19主要由黄铜构成。 

通过前面详细描述的壳体2的结构，尤其是两个壳体部分7和8的构造以及构造和利用两个壳体部分7和8之间的旋拧结构作为流出和冷却通道6，提供了一种过电压保护装置1，其能够更加可靠地防止在实际放电过程之后出现不希望的电网续流和击穿火花隙的再次引燃，此外，壳体2还具有非常高的耐压强度。 

Claims (10)

1.一种过电压保护装置，包括壳体(2)、第一电极(3)、至少一个第二电极(4)、在壳体(2)的内部在第一电极(3)和第二电极(4)之间构成的电弧燃烧室(5)，以及在第一电极(3)和第二电极(4)之间构成的击穿火花隙，其中，当击穿火花隙引燃时在第一电极(3)和第二电极(4)之间形成电弧，其特征在于，

在壳体(2)中构成了至少一个流出和冷却通道(6)，热的等离子体能够通过所述通道从电弧燃烧室(5)中流出，其中所述流出和冷却通道(6)在壳体(2)的纵向上延伸并构造成螺旋形；

所述壳体(2)由内壳体部分(7)和外壳体部分(8)构成，并且内壳体部分(7)和外壳体部分(8)彼此同轴地设置，内壳体部分(7)和外壳体部分(8)之间的间隔构造成所述流出和冷却通道(6)。

2.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，所述流出和冷却通道(6)具有相对较大的横截面。

3.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，所述内壳体部分(7)设有外螺纹(9)，所述外壳体部分(8)设有相应的内螺纹(10)，所述内壳体部分(7)旋拧在所述外壳体部分(8)中。

4.根据权利要求3所述的过电压保护装置，其特征在于，所述内壳体部分(7)的外螺纹(9)和/或所述外壳体部分(8)的内螺纹(10)是部分中断的，从而在所述内壳体部分(7)和外壳体部分(8)之间构成一个或多个腔室(11)。

5.根据权利要求3或4所述的过电压保护装置，其特征在于，所述内壳体部分(7)具有至少部分为锥形的外周面，所述外壳体部分(8)具有至少部分为锥形的内周面，这样便在所述内壳体部分(7)和外壳体部分(8)之间形成了锥形的旋拧结构。

6.根据权利要求5所述的过电压保护装置，其特征在于，所述内壳体部分(7)和所述外壳体部分(8)在它们的相互背离的端部(12，13)上各自具有最大的壁厚，所述内壳体部分(7)和所述外壳体部分(8)的壁厚分别朝向另一端部(14，15)逐渐减小。

7.根据权利要求1过电压保护装置，其特征在于，所述壳体(2)由钢制成。

8.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，所述电弧燃烧室(5)至少部分地衬有绝缘材料(16)，并且至少部分地在相对于过电压保护装置的纵向延伸方向的横向上分布。

9.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，所述过电压保护装置用于低压电网供电。

10.根据权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于，所述内壳体部分(7)和所述外壳体部分(8)由钢制成。

Images