CN1902795A - 具有被同时触发的并联火花隙的电涌保护设备 - Google Patents

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文森特·安德烈·吕西安·克勒弗纳
鲍里斯·戈蒂埃
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Abstract

本发明涉及用于防护电涌的保护设备，所述电涌保护设备包括：第一火花隙(E1)；第一预触发系统(2)，以能够在第一火花隙(E1)中放出电弧的方式与第一火花隙(E1)电连接；和控制设备(4)，以能够激活第一预触发系统(2)的方式与第一预触发系统(2)电连接，所述电涌保护设备的特征在于，其包括与所述的第一火花隙(E1)并联连接的至少一个第二火花隙(E2)，并且第二火花隙(E2)与第二预触发系统(3)电连接，使得控制设备(4)能够同时激活第一和第二预触发系统(2，3)，以同时触发第一和第二火花隙(E1，E2)。本发明还涉及用于防护电涌的设备。

Description

具有被同时触发的并联火花隙的电涌保护设备
技术领域
本发明涉及用于保护电气设备免受电压浪涌(特别是由于闪电引起的瞬变电涌)危害的设备的通用技术领域。
更具体地说，本发明涉及火花隙避雷器型电涌保护设备，所述电涌保护设备包括：
第一火花隙；
第一预触发系统，以能够在其中放出电弧的方式与第一火花隙电连接；和
控制设备，以能够激活第一预触发系统方式与第一预触发系统电连接。
背景技术
用于保护电气设备免受电涌危害的设备被广泛使用，并且通常被称为“避雷器”。其基本目的是使闪电电流传送到地，并且还可以将由闪电电流引起的附加峰值电压限制在与“避雷器”相连的设备和装置可以承受的水平。
使用火花隙避雷器来保护电气设备免受电涌危害是已知的。于是将火花隙连接在要保护的相线(phase)与地线之间，使得在电涌情况下，可以将闪电电流传送到地。
火花隙是公知的设备，其包括彼此面对面放置并且以电介质分开的两个电极。所述两个电极之一与要保护的相线电连接，另一电极与地线电连接。在由闪电电流到达而引起的电涌的情况下，随着达到所谓的“触发”阈值，在火花隙的电极之间放出电弧，从而在相线与地线之间产生短路。于是，闪电电流从相线流到地线，从而保护了电气设备。
电弧不会自发地消失，因此持续地传送短路电流，被称为“续流(follow current)”。优选地应在不打开诸如断路器的电气设备的中断设备的情况下中断该续流，以避免使电气设备断电。
火花隙避雷器通常只具有一个火花隙(与预触发系统(触发电极)相关联的)，和对电压敏感的、与预触发系统电连接以激活它的控制设备。
尽管该单一火花隙设备因为其设计特别简单而具有优点，但是它们也存在一定缺点，特别是传送闪电电流的能力有限，以及切断续流的能力有限。
为了减轻这些缺点，已知可并联地连接两个或多个火花隙，以在并联火花隙之间分更好地分布闪电电流和续流，从而提高避雷器传送闪电电流和切断续流的总体性能。
这种带有并联火花隙的避雷器通常依赖下述概念。
并联连接两个火花隙并且每一个都串联一个相应的电感线圈。因此，当在两个火花隙中的一个中放出电弧时，在与其串联连接的电感线圈中流过的电流在该电感线圈的端子之间产生电压，该电压施加在第二火花隙的端子之间，从而使其放出电弧。
尽管这种保护设备提供了比单一火花隙设备更好的保护，但是也存在如下几个缺点。
首先，当流过第一火花隙的电流低于预定值时，在电感线圈的端子之间产生的电压不足以在第二火花隙中放出电弧。在这种情况下，电流不分布在两个火花隙之间，从而该设备传送闪电电流的能力基本上相当于第一火花隙本身所提供的传送闪电电流的能力。
相反地，当流过第一火花隙的电流量很高时，电感线圈的端子之间的电压变得很大，并且叠加到火花隙的端子之间的电压上，从而降低了火花隙进行的峰值限制质量，由此降低了其提供的保护水平。
因此可以看到，提供设计简单而便宜但是可以表现出提高的传送闪电电流和切断续流的能力的电涌保护设备是有优点的。
发明内容
因此，本发明的目的是消除上述的各种缺点，并且提供一种新颖的电涌保护设备，该保护设备在传送闪电电流和切断续流的能力方面表现出提高的性能。
本发明的另一目的是提供一种具有非常好的保护水平的新颖的电涌保护设备。
本发明的又一目的是提供一种设计特别简单的新颖的电涌保护设备。
本发明的再一目的是提供一种采用标准电气组件的新颖的电涌保护设备。
通过一种火花隙避雷器型电涌保护设备实现了本发明的上述目的，该电涌保护设备包括：
第一火花隙；
第一预触发系统，以能够在其中放出电弧的方式与第一火花隙电连接；和
控制设备，以能够激活第一预触发系统的方式与第一预触发系统电连接；
该电涌保护设备的特征在于，其包括至少一个与第一火花隙并联连接的第二火花隙，并且以如下方式与并联连接于第一预触发系统的第二预触发系统电连接：使得控制设备能够同时激活第一和第二预触发系统，以同时触发第一和第二火花隙。
附图说明
通过参照附图阅读以下说明，可以显见并发现本发明的其他特点和优点，该说明完全是非限制性的例示，在附图中：
图1是示出根据本发明的、用于与电气设备电连接的电涌保护设备的原理的电路图；
图2是示出根据本发明的、用于与电气设备电连接的电涌保护设备的实施例的具体电路图；
图3是根据本发明的电涌保护设备的另一实施例的具体电路图；以及
图4是根据本发明的电涌保护设备的又一实施例的具体电路图。
具体实施方式
根据本发明的电涌保护设备1用于与要保护的电气设备或者装置并联连接。
术语“电气装置”指可能遭受电压，特别是由于闪电引起的瞬变电涌扰动的任何类型的仪器或者网络。
参照图1和2描述该设备。
优选地，电涌保护设备1连接在要保护装置的相线L和地线T之间。
然而，在不超过本发明的范围的情况下，除了在相线L和地线T之间并联连接之外，该设备还可以在中线和地线之间连接，或者在相线T和中线之间连接，或者直接在两个相线之间连接(用于差动保护)。在所有情况中，本发明的保护设备1都优选地组成单电极保护设备。
出于单纯为例示和说明的原因，下面的说明涉及连接在要保护的相线L和地线T之间的保护设备1。
因此，属于各种火花隙避雷器型的根据本发明的设备包括第一火花隙E1和第一预触发系统2，第一预触发系统2以能够在其中放出电弧的方式与第一火花隙E1电连接。
本发明的保护设备1还包括与第一预触发系统2电连接的控制设备4，优选地，将控制设备4布置在第一预触发系统2的上游，以将其激活。
根据本发明，保护设备1还包括至少一个第二火花隙E2，与第一火花隙E1并联连接。第二火花隙E2与第二预触发系统3电连接，第二预触发系统3与第一预触发系统2并联连接，因此同样地以能够使第一预触发系统2和第二预触发系统3被同时激活的方式与控制设备4电连接。
通过这种方式，控制设备4同时激活第一和第二预触发系统2和3，以同时触发第一火花隙E1和第二火花隙E2。
因此，通过同时触发并联连接的第一火花隙E1和第二火花隙E2(将二者称为“主”火花隙)的方式，保护设备1使得闪电电流能够在两个主火花隙E1与E2之间分布，从而提高了设备传送闪电电流的能力。
在本发明中，术语“并联”指对火花隙E1和E2施加相同的电压。因此，当将火花隙E1和E2接通时，它们都表现得像并联连接的无源两端子电路，其中对相同符号端子施加相同的电势。
按照相同的方式，当并联连接的预触发系统2和3通过电流时，对它们施加相同的电压。
该设计还能够提高保护设备1切断续流的能力，因为每一主火花隙E1和E2都仅“经历了(see)”续流总量的一半，这使得容易通过在每一火花隙E1和E2中设置的电弧消除装置来切断所述的电流。
自然地，为了进一步提高保护设备1的能力，还可以构想在不超出本发明的范围的情况下并联连接多于2个的火花隙，例如3个、4个或更多个。
由于2个火花隙保护设备1的特性显然可以转换成具有并联的更多个火花隙的设备，因此下面的描述仅仅涉及并联连接的2个主火花隙。
在本发明的背景下采用的火花隙可以是本领域的技术人员所公知的任何类型，例如它们可以是充空气的火花隙或者充气火花隙。
火花隙E1和E2优选地为充气火花隙，更优选地为充空气火花隙。它们表现出完全相同的特性，特别是触发阈电压值，首先这确保了它们同时放电，其次它们能够表现出相同的闪电电流传送能力。因此，当它们被接通时，火花隙E1和E2传送完全相同的电流，基本上相当于保护设备1所传送的总电流的一半。
在传统方法中，各火花隙E1、E2均包括：与要保护的相线L电连接的第一主电极11，和与地线T电连接的第二主电极12(图1)。
因此，在本发明中，术语“并联”指在并联连接的火花隙的主电极11与12之间施加大致相同电压的事实。
下面，参照图2和3描述本发明的实施例。
在本发明的第一实施例中，如图2所示，优选地通过具有触发电极5、6和变压器TX1、TX2的电子系统形成各预触发系统2、3。
触发电极5、6是传统类型的，具体用于电离包含在火花隙腔隙中的气体或者空气，从而导致在火花隙的主电极11与12之间形成电弧，随之使它们接通。
在特别优选的方式中，将各触发电极5、6与相关联的变压器TX1、TX2的次级电路S1、S2电连接。
在本发明的变型例中(图中未示出)，将变压器TX1、TX2的次级电路S1、S2直接连接在火花隙E1、E2的主电极11上，以触发它。在该变型例中，预触发系统2、3就不需要配备额外的触发电极5、6了，并且由包括变压器TX1、TX2和火花隙E1、E2的主电极11的电气系统形成预触发系统2、3，然后所述的主电极11形成触发电极。
如图2所示，优选地将分别对应第一预触发系统2和第二预触发系统3的变压器TX1、TX2的初级电路P1、P2并联连接。
此外，变压器TX1、TX2的初级电路P1、P2分别电连接在控制设备4的输出端s上。
通过这种特定的配置，控制设备4可以同时激活触发电极5、6，从而使主火花隙E1和E2能同时放出电弧。
优选地，控制设备4是电压敏感的，例如可以由保险丝7、变阻器8和火花隙9组成。
对于本领域的技术人员，这种电压敏感的设备是公知的，并且还可以使用诸如削峰二极管的其他非线性元件。
在优选的方式中，为了从所述两种技术的优点中获益，可以将例如火花隙9和变阻器8的多个元件串联连接在一起。
控制设备4的输入端e优选地与要保护的相线L电连接。
在常规操作中，控制设备4的阻抗可以防止从相线L到保护设备1的电流通过，从而使保护设备绝缘。
相反地，当出现电涌时，控制设备4能够从非常高的阻抗状态变成几乎短路的状态，从而使得电流能够流入保护设备1中。
优选地，各变压器TX1、TX2的初级电路P1、P2与电容器C1、C2电连接，电容器C1、C2在控制设备4的控制下充电。
在特别优选的方式中，保护设备1包括与电容器C1、C2并联连接的第三火花隙E3。
通过这种方式，当电容器C1和C2的端子之间的电压达到第三火花隙E3的触发阈值时，就会使电容器C1、C2短路，然后放电到变压器TX1、TX2的初级电路P1、P2。
在第一变型实施例中，保护设备1可以具有优选地连接在控制设备4的输出端s与地线T之间的单电容器C1。这样，第三火花隙E3与电容器C1并联连接并且与并联连接的变压器TX1、TX2的每一个的初级电路P1、P2电连接。
在本发明的优选变型例中，保护设备1具有第一电容器C1和第二电容器C2，第二电容器C2与第一电容器C1并联连接，并且电容器C1、C2类似地与第三火花隙E3并联连接。
在该变型例中，第一电容器C1和第二电容器C2的每一个都与相关联的变压器TX1、TX2的初级电路P1、P2电连接。因此，第一电容器C1可与变压器TX1的初级电路P1连接，而第二电容器C2与变压器TX2的初级电路P2连接(图2)。
在本发明的第二实施例中，如图3所示，通过火花隙E1、E2各自的触发电极5、6组成各预触发系统2、3。在该情况下，控制设备4优选地包括变压器TX1，其次级电路S1与预触发系统2、3中的每一个连接，例如与触发电极5、6的每一个连接。显然，在不超出本发明范围的情况下，可以构想：使变压器TX1的次级电路S1直接连接在并联连接的火花隙E1、E2的主电极11的一个上。在该变型例中(图中未示出)，主电极11形成了相关联的火花隙E1、E2的预触发系统。
通过这种特定的配置，控制设备4可以同时激活两个触发电极5、6，从而在主火花隙E1和E2中同时放出电弧。
在该实施例中，控制设备4的输出端s优选地对应于变压器TX1的次级电路S1的输出端。保护设备1，更具体地说控制设备4，优选地包括与变压器TX1的初级电路P1电连接的电容器C1。保护设备1，更具体地说控制设备4，优选地还包括与电容器C1并联连接的第三火花隙E3。
按照与所描述的第一实施例相同的方式，当电容器C1的端子之间的电压达到第三火花隙E3的触发阈值时，会使电容器C1短路，然后放电到变压器TX1的初级电路P1。
每一触发电极2、3都与控制设备4的输出端s连接，更精确地说，与次级电路S1的输出端连接，并且因此每一触发电极2、3都被同时施加了相同电势，因此每一触发电极2、3都用于在主火花隙E1、E2中同时放出电弧。
在如图4所示的本发明的第三实施例中，通过包括用于火花隙E1、E2中的每一个的触发电极5、6和变压器TX1各自的次级电路S1、S1’的系统来形成各预触发系统2、3。
在该变型例中，变压器TX1具有一个初级电路P1和两个分别与触发电极5、6连接的次级电路S1、S1’。
变压器TX1的初级电路P1优选地形成控制设备4的一部分，控制设备4还包括电容器C1和第三火花隙E3。通过这种方式，当电容器C1的端子之间的电压达到第三火花隙E3的触发阈值时，它使电容器C1短路，然后电容器C1通过变压器TX1的初级电路P1放电。
变压器TX1的次级电路S1、S2’优选地并联连接，并且优选地由相同的线圈构成，使得其端子之间产生的电压相同并且具有同时激活触发电极5和6的效果，从而同时在主火花隙E1、E2中放出电弧。
在变型实施例中(图中未示出)，变压器TX1的次级电路S1、S1’的输出端直接与各自的火花隙E1和E2的主电极11相连，以确保在其中同时放出电弧。在该变型例中，火花隙E1、E2没有触发电极5、6，通过包括变压器TX1的次级电路S1、S1’和对应的火花隙E1、E2之一的主电极11的系统形成各预触发系统2、3。
通过同时触发两个并联连接的主火花隙E1和E2，本发明的保护设备1由此大大提高了避雷器传送闪电电流和切断续流的能力。
根据本发明的保护设备1按照下面的参照图1、2、3和4描述的方式工作。
本发明的单级保护设备1并联连接在要保护的电气装置的相线L与地线之间，使得在出现闪电电流的时候能够将闪电电流传送到地。
在常规操作中，即，当相线L中没有电涌时，保护设备1通过控制设备4与电气装置隔绝，于是表现出非常高的阻抗。
相反地，在相线L出现电涌时，特别是瞬变原电涌，并且假定该电涌的幅值足以触发电压敏感的控制设备4(具体来说是触发位于所述控制设备中的火花隙9)时，控制设备4变为导通从而使得电流从相线L传送到保护设备1，从而对电容器C1进行充电或者使并联连接的电容器C1和C2基本上同时地充电。
由于第三火花隙E3与第一电容器C1并联连接，所以所述的第三火花隙E3的端子之间的电压(记作UE3)与电容器C1的端子之间的电压UC1基本相同。类似地，在如图1所示的第一实施例中，第二电容器C2的端子之间的电压(记作UC2)与第三火花隙E3的端子之间的电压UE3基本上相同。因此，视情况而定，当UC1和UC2达到第三火花隙E3的触发阈值时，在其中就会发生雪崩现象而使第三火花隙E3变得导通。
然后，第一和/或第二电容器C1、C2可以通过相应的变压器TX1、TX2的初级电路P1、P2放电。然后，变压器TX1、TX2执行其放大电压的传统功能，使得在次级电路S1、S1’、S2的端子之间获得的电压的幅值的绝对值大于初级电路P1、P2的端子之间的电压。
然后，变压器TX1、TX2的次级电路S1、S1’、S2产生电压脉冲，并且触发电极5、6被同时施加相同的、引起在主电极11和12之间火花放电的电压，因此确保主火花隙E1和E2同时放电。
通过该方式，在两个主火花隙E1、E2之间分担了闪电电流，由此表现出优于单火花隙的特性。类似地，由于续流分布在两个主火花隙E1、E2之间，所以较容易消除。
工业适用性
本发明的工业应用是制造用于提供防护瞬变电涌的设备。

Claims (12)

1、火花隙避雷器型电涌保护设备，所述电涌保护设备包括：
第一火花隙(E1)；
第一预触发系统(2)，以能够在第一火花隙(E1)中放出电弧的方式与第一火花隙(E1)电连接；和
控制设备(4)，以能够激活第一预触发系统(2)的方式与第一预触发系统(2)电连接；
所述电涌保护设备的特征在于，其包括与第一火花隙(E1)并联连接的至少一个第二火花隙(E2)，并且第二火花隙(E2)与第二预触发系统(3)电连接，第二预触发系统(3)按如下方式与第一预触发系统(2)并联：使得控制设备(4)能够同时激活第一和第二预触发系统(2，3)，以同时触发所述的第一和第二火花隙(E1，E2)。
2、根据权利要求1所述的电涌保护设备，其特征在于，所述各预触发系统(2，3)由触发电极(5，6)形成。
3、根据权利要求1所述的电涌保护设备，其特征在于，所述各预触发系统(2，3)通过包括触发电极(5，6)和变压器(TX1)的次级电路(S1，S1’)的系统形成。
4、根据权利要求1所述的电涌保护设备，其特征在于，所述各预触发系统(2，3)是包括触发电极(5，6)和变压器(TX1，TX2)的电子系统。
5、根据权利要求2、3或4所述的电涌保护设备，其特征在于，所述各触发电极(5，6)电连接到相关联的变压器(TX1，TX2)的次级电路(S1，S1’，S2)。
6、根据权利要求4或5所述的电涌保护设备，其特征在于，将分别对应第一和第二预触发系统(2，3)的变压器(TX1，TX2)的初级电路(P1，P2)并联连接。
7、根据权利要求4至6中的任一项所述的电涌保护设备，其特征在于，所述变压器(TX1，TX2)的初级电路(P1，P2)电连接到所述控制设备(4)的输出端(s)。
8、根据权利要求3至7中的任一项所述的电涌保护设备，其特征在于，所述各变压器(TX1，TX2)的初级电路(P1，P2)电连接到在所述控制设备(4)的控制下进行充电的电容器(C1，C2)。
9、根据权利要求8所述的电涌保护设备，其特征在于，其包括以如下方式与电容器(C1，C2)并联连接的第三火花隙(E3)：当电容器(C1，C2)的端子之间的电压达到用于第三火花隙(E3)的触发阈值时，使电容器(C1，C2)短路，然后通过变压器(TX1，TX2)的初级电路(P1，P2)放电。
10、根据权利要求9所述的电涌保护设备，其特征在于，其具有与第三火花隙(E3)并联连接的第一和第二电容器(C1，C2)，并且第一和第二电容器(C1，C2)的每一个都电连接到相关联的变压器(TX1，TX2)的初级电路(P1，P2)。
11、根据权利要求1至10中的任一项所述的电涌保护设备，其特征在于，所述控制设备(4)是电压敏感的。
12、根据权利要求11所述的电涌保护设备，其特征在于，所述控制设备由保险丝(7)、变阻器(8)和火花隙(9)构成。
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