基于火花隙的封装的过压放电器
阅读：25发布：2020-05-11
专利汇可以提供基于火花隙的封装的过压放电器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种基于 火花隙 的封装的过压放电器(2)，包括：两个至少部分地对置的主 电极 (4；5)以及至少一个触发或点燃辅助电极(3)和存在于所述主电极之间的 电弧 燃烧室 (6)。根据本发明，电弧燃烧室主要由内置件构成，所述内置件在其内部中具有至少一个间隙式的电弧通道(7)，所述电弧通道的间隙长度为间隙高度或间隙直径的多倍，并且所述内置件至少部分地由释放气体的材料组成，使得实现向电弧通道中释放气体。，下面是基于火花隙的封装的过压放电器专利的具体信息内容。
1.基于火花隙(2)的封装的过压放电器，包括：两个至少部分对置的主电极(4；5)以及至少一个触发或点燃辅助电极(3)和存在于所述主电极(4；5)之间的电弧燃烧室(6)，其特征在于，所述电弧燃烧室(6)由内置件组成或具有内置件，所述内置件在其内部中具有至少一个间隙式的电弧通道(7)，所述电弧通道的间隙长度为间隙高度或间隙直径的多倍，并且所述内置件至少部分地由释放气体的材料组成，从而实现向所述电弧通道(7)中释放气体。
2.根据权利要求1所述的过压放电器，其特征在于，所述间隙式的电弧通道(7)具有转向结构(10)和/或所述间隙式的电弧通道螺旋形或作为蛇形结构在所述内置件中延伸。
3.根据权利要求1或2所述的过压放电器，其特征在于，在所述内置件与所述主电极(4；
5)朝向电弧燃烧室(6)的表面侧之间保留间隔空间，所述至少一个间隙式的电弧通道(7)在所述间隔空间中开始和/或结束。
4.根据上述权利要求之一所述的过压放电器，其特征在于，所述内置件主要由释放灭弧气体的材料组成。
5.根据权利要求4所述的过压放电器，其特征在于，释放灭弧气体的材料比例至少为
50％。
6.根据上述权利要求之一所述的过压放电器，其特征在于，所述内置件具有夹层式结构，耐灼烧和释放灭弧气体的材料在所述夹层式结构中交替设置。
7.根据上述权利要求之一所述的过压放电器，其特征在于，所述内置件由多孔的、耐灼烧的材料组成。
8.根据权利要求7所述的过压放电器，其特征在于，释放灭弧气体的材料被引入到通过多孔性形成的空腔中。
9.根据上述权利要求之一所述的过压放电器，其特征在于，至少一个所述主电极(4；5)具有空心电极形式的凹部(15)，所述间隙式的电弧通道(7)在所述凹部中开始或结束。
10.根据上述权利要求之一所述的过压放电器，其特征在于，在电弧燃烧室的区域中构成用于压力补偿的通风机构(9)。
11.根据上述权利要求之一所述的过压放电器，其特征在于，在所述主电极(4)的区域中构成用于压力补偿的通风机构(8)。
12.根据权利要求2至11之一所述的过压放电器，其特征在于，所述间隙式的电弧通道(7)在所述转向结构(10)的区域中由耐灼烧的材料形成或由这种耐灼烧的材料限定。
13.根据上述权利要求之一所述的过压放电器，其特征在于，所述触发或点燃电极(3)紧邻一个所述主电极(5)地伸入所述电弧燃烧室(6)中。
14.根据权利要求1至12之一所述的过压放电器，其特征在于，所述触发或点燃辅助电极(3)被引入单独的空间(11)中，所述空间经由通道(12)与所述电弧燃烧室连接，所述主电极(5)的一个部段限定所述单独的空间(11)，并且所述单独的空间(11)与通风机构(13)连接。
15.用于确定用于根据权利要求1至14中的一项或多项所述的无续流的封装的过压放电器的电弧通道尺寸的方法，其特征在于，实现将干扰导致的电弧的电场强度调整到至少
60伏特/毫米，所述电弧通道的高度或直径位于在0.1至1毫米之间的范围中，并且所述间隙的长度或宽度为至少十倍，并且所述触发机构构造成，使得在所述主电极之间的火花隙的点燃仅在预定大小的脉冲电流负载下出现，所述大小确保了，点燃电压需求高于相应的电网电压。
基于火花隙的封装的过压放电器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种根据权利要求1所述的基于火花隙的封装的过压放电器，所述过压放电器包括：两个至少部分地对置的主电极以及至少一个触发或点燃辅助电极和存在于主电极之间的电弧燃烧室，本发明还涉及一种根据按权利要求15的教导的用于确定无续流的过压放电器的电弧通道尺寸的方法。
背景技术
[0002] 已知的是，过压保护装置在电气和信息技术系统和网络中用于包括保护耗电器或终端装置的设备。
[0004] 在出现过压事件时，通过在横向路径中并因此一般而言并行于耗电器连接端地导出脉冲电流来实现限压。作为过压保护装置和在这里应用的保护元件，已知火花隙、压敏电阻、抑制二极管、气体放电器、电容和非线性电阻以及其组合。
[0007] 但具有低保护电平的简单的火花隙具有如下缺点：在导出脉冲电流之后可能出现电网频率的续流。这种续流在耗电器网络中导致不期望的干扰并且在额定电流强度较小的电网中可能会导致不期望地触发过流保护机制或其他的监控装置。
[0008] 为了解决所述续流问题，在现有技术中可发现不同的方案。
[0009] 如此，DE 102 11 795 A1、DE 199 52 004 A1和DE 102 45 144 B3给出了用于实现低保护电平的用于火花隙的触发电路，同时与自身没有脉冲电流能力的简单触发电路不同地，所述触发电路同时防止火花隙的主放电间隙点燃，直至出现高能量的干扰量。
[0010] 通过这样的措施，对于低能量的负载避免了出现电网频率的续流，并且保护相应配备的火花隙，防止受到附加的和不必要的负载影响。
[0011] DE 102 11 795 A1公开了，在完全单独的并联的放电路径中对相应的干扰变量进行复杂的评估。在对干扰变量进行分析处理之后，才在真正的火花隙中进行电离。
[0012] DE 199 52 004 A1示出类似的解决方向。此外，该文献还公开这样的可能性，即直接激活在主火花隙中的辅助火花隙，并根据分火花隙的电离的持续时间或程度来设计主火花隙的点燃。
[0013] 根据DE 10 2004 006 988 A1或DE 101 40 950 A1已知的是，在部分地由主放电隙隔离或后移的空间中进行辅助放电的移动。但在主放电隙点燃时仍可能出现电网频率的续流。
[0014] 为了限制或避免在火花隙中出现电网续流，例如应参考DE 102011 102 864 A1。这里记载了一种用于可靠地避免续流的堆叠式布置结构。这里将多个单火花隙串联连接，使得阳极和阴极下降电压的总和已经高于电网电压。这里不利的是，用于实现低的保护电平的费用以及高的空间需求。
[0015] DE 196 55 119 A1公开一种火花隙，其中在封装的布置结构中出现的电网续流导致压力提高并且这种压力升高限制了续流。
[0016] 按照DE 101 64 025 A1，通过限制在通道中的电弧和通过通道材料附加的气体释放而明显限制了续流。此外，通过符合目的的气体流出可以延长电弧。在该文献中还记载了在使用灭弧气体的情况下在脉冲电流承载能力、续流性能与火花隙的机械或热负载之间的关系。
[0017] 原则上，对于具有高脉冲电流承载能力的火花隙，除了复杂的堆叠式火花隙之外，几乎不能确保避免出现续流(Folgestrom)。
[0018] 在火花隙的设计中，电网的额定电压、预期的电网短路电流还有最大的脉冲电流负载是已知的。但在低保护电平的火花隙中激活火花隙的原因是非常不同的，并不一定与具有高能量的过压有关。因此脉冲电流的高低、持续时间和波形是非常不同的。
[0019] 在根据DE 101 64 025 A1的火花隙中，在闪电流负载最大时，机械和热负载最高。这特别是涉及电弧腔的几何结构和材料。但电弧腔的设计对于限制或避免续流也是有决定性意义的。对于最高脉冲负载的优化通常对于限制或避免续流产生不利影响。
[0020] 最后应确定的是，特别是在火花隙中存在低能和的小脉冲电流时用于避免电网续流的费用是非常高的，并且除了受限的脉冲电流稳定性之外，也不利地影响寿命、保护电平和排空性能(Ausblasverhalten)。
[0021] 相反，在高的脉冲电流的情况下，特别是对于封装和触发的火花隙的对所有构件提出极其高的要求。
[0022] 现有技术的已知解决方案的目的因此在于实现折中方案。
发明内容
[0023] 出于上述原因，本发明的目的在于，提出一种改进的基于火花隙的封装的过压放电器，所述过压放电器包括：至少两个部分地对置的主电极以及至少一个触发或点燃辅助电极，所述触发或点燃辅助电极可以从一开始就设计成无续流的。
[0024] 要实现的解决方案应在火花隙的工作电压下与触发脉冲的大小无关地可靠确保无跟随电流，并且在高脉冲负载下将构件出现的磨损限于可控的值。
[0025] 本发明目的的解决方案通过按照根据权利要求1的特征组合的基于火花隙的封装的过压放电器以及通过按照根据权利要求15的教导的用于确定无续流的封装的过压放电器的电弧通道尺寸的方法实现。
[0027] 按照本发明提出，使导致火花隙的主放电隙的点燃的最小比能量与火花隙的结构和功能方式相协调，使得电弧的电压需求高于运行电压或电网电压。
[0028] 这样来确保实现火花隙的无续流的性能，即仅在从相应的大小或能量起的脉冲电流负载下才实现主电极之间火花隙的点燃，使得在火花隙的主通道中相应的脉冲放电期间和直接在所述脉冲放电之后，用于电弧的电压需求高于电网电压。
[0029] 与此相关地改进了火花隙的电弧区域的触发方法和电弧区域的构成。
[0030] 这里，这种触发使得能实现对脉冲电流的能含量或大小进行评估。火花隙的电弧区域是间隙式的并且设计成使用释放气体的材料。
[0032] 通过释放气体和与此相关的由于至少可预期的脉冲能导致的压力升高实现进一步提高电场强度。所述压力升高使得已经倍增的电场强度至少再次翻倍。
[0033] 在基于火花隙的封装的过压放电器中首先以两个至少部分地对置的主电极为基础。此外，还存在至少一个触发或点燃辅助电极和存在于主电极之间的电弧燃烧室。
[0034] 电弧燃烧室由内置件组成或通过这种内置件形成，所述内置件在其内部中具有至少一个间隙式的电弧通道。
[0035] 该间隙长度为间隙高度或间隙直径的多倍，所述内置件至少部分地由所述释放气体的材料制成，使得实现或可以向电弧通道中释放气体。
[0036] 在本发明的一个优选改进方案中，间隙式的电弧通道具有转向结构、具有螺旋形或作为蛇形结构在内置件中延伸地实现。
[0037] 按照本发明，在内置件与主电极的朝向电弧燃烧室的表面侧之间保留间隔空间，所述至少一个间隙式的电弧通道在相应的间隔空间中开始和/或结束。
[0038] 所述内置件可以主要由释放气体的材料组成，释放灭弧气体(Hartgas)的材料的比例至少为50％。
[0039] 此外，所述内置件可以具有夹层式结构，在所述夹层式结构中，耐灼烧和释放灭弧气体的部段交替设置。
[0040] 在一个备选方案中，所述内置件可以由多孔的、耐灼烧的材料组成。
[0041] 此时，可以将释放灭弧气体的材料引入到通过多孔性形成的空腔中。
[0042] 至少一个所述主电极具有空心电极形式的凹部。这样，间隙式的电弧可以在所述凹部或空心电极腔中开始或结束。
[0043] 此外，电弧燃烧室具有用于压力补偿的通风机构。在至少一个所述主电极的区域中可以存在另外的通风机构。可以使用常规固定螺纹按已知的方式将通风通道实现为小横截面的通道。在转向结构的区域中，间隙式的电弧通道优选由耐灼烧的材料、例如陶瓷材料形成。
[0044] 触发或点燃辅助电极与一个所述主电极紧邻地伸入电弧燃烧室中。
[0045] 在一个备选实施形式中，触发或点燃辅助电极导入单独的空间中，所述单独的空间经由通道连接与电弧燃烧室，与此相关地在空间上最近的主电极的一个部段限定所述单独的空间，并且所述单独的空间与另一个通风机构连接。
[0046] 在用于确定无续流的封装的过压放电器的电弧通道尺寸的方法中，实现将干扰导致的电弧的电场强度调整到至少60伏特/毫米，所述电弧通道的高度或直径位于在0.1至1毫米之间的范围中，并且所述间隙的长度或宽度为至少十倍。
[0048] 下面应根据实施例以及参照附图来详细说明本发明。其中：
[0049] 图1示出按照本发明基于火花隙的过压放电器的第一实施形式的纵向剖视图，其中包括内置件的夹层式结构；以及
[0050] 图2示出与根据图1的视图相似的视图，但带有由多孔材料组成的内置件以及触发或点燃电极，所述触发或点燃电极导入单独的空间中，该空间经由通道与真正的电弧燃烧室连接。
具体实施方式
[0051] 在图1和2中示出的原理图(纵向剖视图)基于这样的构思，即，使导致火花隙的主放电隙的点燃的最小比能量与火花隙的结构和功能方式相协调，使得产生电弧的电压需求高于工作电压或电网电压，从而存在无续流性。
[0052] 电弧的电压需求简化地由电极下降电压与电弧的电场强度和其长度的乘积的和得出。
[0053] 电极下降电压在一定的范围内与电流强度和所使用的电极材料相关。其大小在简单的火花隙和通常的材料的情况下在11至20V之间波动，并且因此在例如230/400V的交流电网中的应用中几乎是无关紧要的。
[0054] 自由燃烧的火花隙的电场强度在约0.8至3V/mm之间。电弧的长度线性地带入所述的加数中。
[0055] 因为在直列式安装装置中尺寸是受到限制的，并且在主电极之间非常大的间距也需要用于电离并且因此用于保持保护电平的耗费较高，在火花隙中通常将电弧长度限制在少数几个10mm。
[0056] 在不采取其他措施的情况下，在这样的长度下，仅得到低于100伏的电弧电压。在火花隙中有足够的能量输入和在电弧室中使用灭弧气体时，动态的压力升高可以非常快速地导致电弧的电场强度倍增。
[0057] 在根据现有技术的解决方案中，不仅通过脉冲电流而且也通过电网续流实现能量输入。在脉冲电流较小时，续流的用于使压力升高的比例提高，而在脉冲电流较高或对于高能量的脉冲电流，必要的续流的比例下降。上述情况伴随着续流的剧烈减小。
[0058] 但使主火花隙点燃的脉冲电流的大小或能量不确定的。建立压力此外还必然导致不可忽略地释放灭弧气体并且因此导致火花隙的老化。
[0059] 如例如在同类的DE 101 64 025 A1中所提出的那样，在空腔中限制电弧特别是在小的电流的情况下非强制性地导致电场强度并因此电弧电压的大幅提高。对于所谓的壁稳定化(wandstabilisierten)的电弧，电场强度提高的有效性与电流密度相关。对于低能量或电流弱的脉冲，得到少数几个10μm的通道。在这些情况下，在火花隙的简单和经济的设计中的单个通道中的机械和热负载在存在最大可控制脉冲的情况下过高。
[0060] 与干扰量的大小和能量无关地这样来确保火花隙希望的无续流的性能，即，使得仅在高于相应的大小或能量的脉冲电流负载下才实现按照本发明的在主电极之间的火花隙点燃，所述大小或能量确保了，用于产生电弧的电压需求高于电网电压。
[0061] 为了实现这个基本构思，对火花隙的触发与电弧区域的构成进行协调。这种触发使得能对脉冲电流的能含量或大小进行评估。
[0062] 按照本发明的火花隙的电弧区域设计为间隙式地带有释放气体的材料，优选是POM。
[0063] 在脉冲有最小水平和这里通过所述协调得到的最小电流密度时，放电通道中的电场强度提高到自由放电的多倍，但至少是10倍。
[0064] 通过释放气体和与之有关的压力升高由于至少可预期的脉冲能而实现进一步提高电场强度。所述压力升高由于干扰量而使得电弧的已经倍增的电场强度至少再一次翻倍。
[0065] 通过上述措施确保达到至少60V/mm的电弧电场强度。在交流电压230V的额定电压和5mm的电弧长度下，这个大小足以实现无续流的性能。对于较高的电压或同样期望存在无续流性能的TOV负载，可以实现进一步提高电场强度或电弧长度。
[0066] 按照本发明的电弧区域优选主要构造成间隙式的，其中间隙的高度优选为小于1mm，但＞0.1mm。间隙的宽度或长度为其高度的多倍，优选至少为十倍。
[0067] 间隙区域至少由50％的释放灭弧气体的材料包围。
[0068] 所述间隙也可以局部或部分由耐灼烧的材料、例如陶瓷形成。同样也可以用释放气体的材料渗入具有开放式多孔性的陶瓷。
[0069] 所提出的布置结构使得可以限制由于再引导灭弧气体引起的通道几何结构的变化。这种再引导可以被动地通过加热表面实现，但例如也可以主动地利用所述材料的导热或辐射引导，用于再引导灭弧气体离开多孔材料或夹层式结构的较深的区域。
[0070] 所述的结构使得，可以在高负载下在通道几何结构较为恒定的同时限制释放气体的材料的比例并因此限制的压力升高，因为基本上作为辐射能释放的能量的一部分没有变得直接对于附加的灭弧气体生成有效。
[0071] 间隙式的电弧通道除了直线走向之外也可以包含转向结构，所述转向结构特别是在电流较小时和在发生老化时即使在没有用等离子体完全填充通道时也迫使在转向结构的区域中发生强烈的冷却。
[0072] 所述间隙使得即使在电弧仍具有近似圆形的能导电的横截面时也能强烈地冷却电流较弱的电弧并且使得带有椭圆形形状电弧横截面的进一步扩展，由此在高电流下保持限制火花隙的负载。
[0073] 根据开始所述的已知现有技术实现通过触发电路的评估干扰量的能量。这里既可以使用基于用于产生点燃脉冲的变换器的触发电路，也可以使用带有辅助火花隙的持续电离的火花隙，其中，首先干扰变量确定的持续时间和电流大小首次使得能实现充分的电离和主电极之间主电弧的点燃。
[0074] 作为用于使主放电间隙点燃的最小电流，优选选择脉冲波形为8/20μs的＞1kA的电流。由于作用时间短，相对于具有相同幅值的波形为10/350μs的脉冲，气体释放受到限制。
[0075] 因此，这种脉冲波形的导致火花隙点燃的脉冲可以在能含量相同的情况下在幅值上较小。
[0076] 在所述脉冲水平和在电弧燃烧室中电弧通道的所述通道几何结构下可以实现期望的无续流性。在通道几何结构较大时，在脉冲具有较高的能含量时才实现点燃。
[0077] 根据基于火花隙的过压放电器的原理构成的纵向剖视图，以触发电路1和火花隙2为出发点。
[0078] 触发电路1这里具有独立于实际的火花隙2的导出路径，所述导出路径例如包括压敏电阻。
[0079] 火花隙2的点燃通过存在于触发电路1中的变换器来实现，所述变换器在火花隙2的触发或点燃电极3上提供过高的点燃电压。
[0080] 从要导出的干扰变量的能量和/或水平的确定的最小值起，触发或点燃电极3才开始提供点燃电压。
[0081] 因此，在火花隙2中，对于低能的负载不进行电离。对于高能的负载，在使用触发电路1的情况下，相对于干扰变量导出的开始在时间上延迟地进行电离。
[0082] 火花隙2具有两个基本上对置的主电极4；5和一个已经提及的触发或点燃电极3，其中触发或点燃电极3与各主电极具有不同的距离。在所示示例中，触发或点燃电极3在空间上靠近主电极5，使得在辅助火花隙的点燃之后可以实现通过辅助火花隙和触发电路构件的电流。
[0083] 电弧室6由例如夹层式的内置件组成，包括多个片或部段。
[0084] 所述内置件或电弧室不是与电极直接邻接，从而在主电极4；5的表面的区域中可供电弧使用的横截面较大，由此能够降低电极中的电流密度并且电极区域中的功率转换保持受到限制。
[0085] 按照本发明间隙式的电弧通道7与这个前置的区域邻接。
[0086] 电弧通道7的壁材料由释放灭弧气体的材料组成或包含释放灭弧气体的材料。
[0087] 主电极4；5之间的通道几何结构在根据图1的视图中具有两个转向结构10。电弧通道也可以具有另外的转向结构，具有螺旋形或蛇形的走势。
[0088] 按照图1例如示出回转一周的简单的螺旋形的通道几何结构。
[0089] 电弧通道7具有例如＜1mm的高度和＜10mm的宽度或长度的几何结构。
[0090] 至少在主电极4的区域中，热气体可以流出到至少一个具有较小横截面和较高热容量和导热率的通道8中。
[0091] 除了这个通道8，在电弧燃烧室的区域中也可以设有另外的通风机构9。但这种通风机构也可以分散地由多孔材料制造。
[0092] 特别是在转向结构10的区域中，优选采用耐灼烧的材料。补充地可以在这些部段中设有散热结构。
[0093] 按照图1的内置件的夹层式结构具有堆叠布置形式，所述堆叠布置形式包括垂直于纵轴线的堆叠。备选地也可以考虑采用平行于过压放电器的纵轴线的由单片或单层组成的堆叠。
[0094] 按照根据图2用纵向剖视图示出的原理图以基于火花隙的封装的过压放电器为基础，其中触发器1不具有单独的导出路径。相反，在该实施形式中，在触发电路发生响应时使脉冲电流直接在触发或点燃电极3与主电极5之间流动。
[0095] 为了使主火花隙在主电极4；5之间即使小的低能的电流下也不点燃，提高在主电极之间的距离或者相对于至少一个所述主电极部分地遮挡辅助电弧，在示出的主电极5的示例中，使辅助电弧静止。
[0096] 按照根据图2的视图，辅助电弧在单独的空间11中生成，该空间仅通过所示通道12与主电极之间的电弧燃烧室连接。
[0097] 能通过通道12的尺寸、特别是横截面控制的是，从怎样的电流或能量起能实现主火花隙之间充分的电离。
[0098] 与此相关地，用于控制的另一个标准也可以使用通道12与电弧通道7的入口区域之间的间距和横截面。此外，通过在图2中示出的带有辅助电弧的空间11的附加通风机构13，可以影响电离的气体进入电弧通道7中的比例。
[0099] 附加地可以采用对带有辅助电弧的空间11进行的几何分割，从而有助于将电离的气体分配到用于触发的通道12中或用于未经利用地导出的通道13中。
[0100] 如上所述，按照图1电弧通道设计成夹层式地由耐灼烧地材料和释放灭弧气体的材料组成。
[0101] 根据图2，通道或内置件由耐灼烧的具有开放式多孔性的材料14组成。这里，孔隙至少局部地容纳释放灭弧气体的材料，例如POM。
[0102] 图2基于一种厚度或高度为1mm的间隙式的电弧通道7。示例性地设计成螺旋形的通道具有最高10mm的长度。
[0103] 通道7在凹部15中的电极4的区域中结束，所述凹部可以是空心电极的组成部分。
[0104] 此外，在该实施形式中也存在通风或导流通道8。通过通风通道的长度和数量，可以对所述生成的气体进行良好的冷却。特别是对于金属壳体，进入壳体中的通道引导结构可以为了更好的冷却而集成到壳体中。
[0105] 如图2中所示，存在这样的可能性，即在触发器电极3与主电极5之间设置导电或半导电的材料16，用于在较高电流下才实现火花形成。小的低能量的电流此时不会使火花隙激活。
[0106] 元件16可以部分伸入或装入电极5中。
[0107] 在触发电路1作出响应时，通过元件16能实现在触发器电极3与主电极5之间的通过电流。此时，在较高的电流下才出现伴随放电，并且最终通过元件16出现火花形成。由此在空间11中生成自由的载流子，所述载流子通过开口12进入通道7并用于使主放电间隙的点燃。开口或通道12可延伸通过元件16但是也可以在该元件旁边延伸，并且可以在构造上相应地进行设计。
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