具有消电离室的角形火花隙避雷器

摘要

本发明涉及一种角形火花隙避雷器，它包括消电离室（6），该消电离室用于在壳体（1）中消弧和控制内部气流，以便调节一方面在脉冲电流加载时形成的电弧以及另一方面由工频续流引起的电弧的不同特性。为此，角形火花隙的对置的各电极面在触发区域中的间距保持非常狭小并且向角形火花隙端部方向只有轻微的间距扩大，以便防止在闪电脉冲电流时电弧的不期望的转移。此外这样设置气体循环，使得通过由闪电脉冲电流引起的电弧产生的压力波由消电离室（6）和/或流动阻碍物反射并且抵抗电弧运动。穿过消电离室（6）的时间上延迟的气流经由转向构件至少部分地被导回到触发区域和引导到存在于电极中的流动开口，以便支持在工频续流时向消电离室（6）方向的电弧运动（9），为此，流动开口朝消电离室（6）的方向处于触发区域的上方。

说明书

技术领域

本发明涉及一种角形火花隙避雷器，其包括按非排气结构形式的消电离室，该消电离室用于在壳体中消弧和控制内部气流；以及包括用于调节一方面在脉冲电流加载时形成的电弧以及另一方面由工频续流引起的电弧的不同特性的措施。

背景技术

由DE4435968C2已知一种基于角形火花隙的用于导出瞬时过压的过压保护元件。在那里角形火花隙的每个电极具有接头元件和角形火花隙元件，彼此间隔开设置的电极的角形火花隙元件形成空气击穿火花隙。此外在过压保护元件的壳体的内部设有消弧片组件，其具有多个消弧片并且与电极的远离接头元件的端部相对地、与电极的该端部间隔开地设置。

已知的火花隙实施为排气式的并且由此需要耗费的和占空间的保护措施。为了实现足够的电流限制以及关于出现的热负荷和机械负荷的老化稳定性，按照DE4435968C2的火花隙具有电弧的划分，具体说是在利用两个消电离室的情况下进行，这同样导致附加的成本。

需要现代的避雷器在串联安装壳体中适用于低压应用，它们封装地构成。这种避雷器需要高工频续流熄灭能力和高工频续流限制。

在EP1535378B1中或者EP0860918B1中给出了可承载闪电电流的火花隙，它带有用于串联安装仪器的消电离室，它实施为排气式的，但是在其中所排出的气体至少部分地被消离子处理。这些火花隙也不能实现在出现的脉冲电流和工频续流之间进行功能划分。

原则上借助消电离室使用在低压范围中流行的原则来限制工频续流对于避雷器是有问题的。在使用消电离室时的有效工频续流是基于电弧迅速进入相应的消弧室。如果可实现触发部位与消电离室之间的微小距离和高的电弧行进速度，则直至进入消弧室中的时间是比较小的。但是电弧的行进速度取决于许多的参数，而且另外取决于电极的材料、流动阻力、设置结构和作用于电弧的相应作用力。

因为在较强的工频续流限制的目标中，工频续流的瞬时值大小必定始终小于施加的脉冲电流的大小，就此而言形成矛盾，因为电弧运动的支持力随着电流的大小按照洛伦兹原理升高。

这在已知的角形火花隙中导致，在工频续流迅速进入消弧室中并且良好限制工频续流时，持续较长时间的脉冲电流和由此还有充满能量的闪电脉冲电流同样进入消电离室中。也就是说，所采用的消电离室必须关于所施加的脉冲电流在热方面和相应地在动力学方面设计。

通过划分为多个分电弧，电弧电压和由此相应角形火花隙的功率转化显著提高，因为在施加的脉冲电流情况下不导致电流限制。避雷器的所有部件的负荷因此明显增强。同样在封装的结构中是特别关键的，因为功率转化完全在避雷器的内部实现。与此相反，在排气式的避雷器中直至90%的功率转化被输出到环境。

抵抗避雷器内部这种强烈负荷的一种可选方案是，通过增大的间距或距离来在时间上延迟电弧进入所述室中。由此虽然脉冲电流电弧被防止进入电弧室中，但是在这里产生的工频续流限制是不可接受的。为此请参见DE2419731B2。

发明内容

因此由前述出发，本发明的目的在于，提供一种改进的具有消电离室的角形火花隙避雷器，它一方面具有优化的工频续流限制并且另一方面避免所施加的具有高电流幅值的脉冲电流进入消电离室中，使得得到高的寿命和耐老化性。

本发明的上述目的通过按照权利要求1教导的特征组合解决，从属权利要求给出至少适宜的设计和扩张方案。

在按本发明的角形火花隙避雷器中，即使按照非排气结构形式，也实现在工频续流和脉冲电流情况下的不同特性。由此可成本有利地和节省空间地设计消电离室以及角形电极，这能够降低避雷器的热负荷和机械负荷、减少用于避免排气现象的花费以及提高寿命。也能够实现简单的廉价和节省空间的、按触发电极形式的触发辅助器结构。

通过按照本发明的解决方案，降低直至完全避免由于施加的闪电电流对消电离室的负荷。在本发明的第一种实施形式中，在非排气式的即封装的角形火花隙中通过触发区域的特殊的设计和有意地控制火花隙内部的压力反射，把脉冲电流电弧几乎固定在角形电极的触发区域中，而工频续流电弧可以在明显较短的持续时间内进入电弧室中并且被限制。

按照本发明，从这样的角形火花隙避雷器出发，它包括消电离室，该消电离室用于在按非排气结构形式的壳体中消弧和控制内部的气流，用于调节一方面在脉冲电流加载时形成的电弧以及另一方面由工频续流引起的电弧的不同特性。

为此，角形火花隙的对置的各电极面在触发区域中的间距保持非常狭小，以便防止在闪电脉冲电流时所不期望的电弧迁移。此外对置的各电极面在触发区域中的结构基本上平行地延伸或者向角形火花隙端部的方向只有微小的间距扩大。通过在触发区域中的这种几何措施，使得对脉冲电流电弧的力作用最小化。附加地，通过在闪电脉冲电流放电时在角形火花隙触发区域中形成的电弧在流动障碍物处所产生的压力波在消电离室前面、在消电离室处或者也在消电离室后面发生确定的反射。被反射的压力波的力作用被用来进一步降低或补偿可能促使闪电脉冲电流电弧向消电离室方向不期望地运动的电力。这种压力反射对于滞留电弧的有效性特别是限于由闪电引起的脉冲冲击电流并且在时间上也是有限的。通过闪电脉冲电流的强度、持续时间和能量水平，在所采取的措施中反射前沿的有效作用力的强度和持续时间这样控制，使得特别是关键的能量充足的闪电脉冲冲击电流被非常有效地强制滞留在触发地点。

上述措施也可以被应用在完全封装的、具有消电离室的角形火花隙中，该消电离室用来限制续流电弧的电流，而促进续流运动性的内部气体循环也不会推动闪电脉冲冲击电流进入到消电离室中。在这种火花隙中时间上延迟的、穿过消电离室的气流经由转向构件至少部分地被导回到火花隙的电弧行进区域。

如上所述，在触发区域中可设置触发电极。

触发电极包括导电元件，该导电元件由一个表面放电路段包围或具有多个相邻的表面放电路段，表面放电路段由绝缘材料或半导体材料制成。

触发电极或者在触发区域中安装在两个电极之一中或者设置在角形火花隙的两个电极之间，而且优选设置在触发区域的下部区域中。

所述表面放电路段非对称地设置或构成。

借助按照本发明的解决方案，通过触发区域的特殊设计和充分利用避雷器内部的压力反射而达到，由于电流幅值对闪电脉冲电流的作用力最小化。

脉冲电流电弧在其形成初始倾向于发散特性。该特性有利于存在多个电弧根点和还不强烈收缩的电弧。通过邻接元件如滑移辅助器、壳体壁、陶瓷板或类似部件在电弧的起始阶段内对电弧非常强烈的收缩或冷却，这提高等离子体的功率转化并且电弧被更快速地转入热等离子体的状态。在该状态中，电弧收缩明显较强并且电弧强烈地暴露于对其作用的作用力，该作用力有利于利用施加的闪电脉冲电流加载期间所不期望的迁移。

上述效用通过把各电极在触发区域中的间距降低到小于1.2mm，优选0.8mm的数值被抵制。此外，有效的各电极面在触发区域内部大致相同地间隔。该大致相同的间隔特别是沿电弧行进方向位于触发部位上方的区域中。通过微小的起始扩大、也就是通过在发散的各电极之间的最小的间距变化，防止或者限制电弧离开。发散的各电极之间的间距的起始扩大的程度应最大为50%。

有效的各电极面的宽度在优选的实施形式中确定为最小2mm。在直至50kA的脉冲电流情况下，有效的电极宽度优选为2mm至6mm并且就足够。

已经确定，在通常的空气环境条件下关于所施加的脉冲电流可实现小于2kA/mm²、优选1kA/mm²的电流密度，以便在结构上避免电弧在形成区域中的收缩。

通过足够大的电极面、微小的收缩和微小的电弧长度，特别是在在达到热平衡之前的电弧阶段中可以降低导致电弧不期望地迁移到消电离室中的作用力。电弧在空气中的热时间常数由此可以为大约10μs至100μs。

因为通过上述措施可以并非无限地延迟由脉冲电流引起的电弧的收缩，电弧最迟在在达到热平衡之后的闪电脉冲的推动中收缩并且遭受到增强的力作用。在该关键的阶段中，按照本发明，通过上述的障碍物在气体循环中的设置，压力波的反射起作用。

除了降低电力在用于脉冲电流电弧的角形结构内的作用外，在带有内部气体循环的上述避雷器中，流动横截面和流动阻力如此设计，使得通过脉冲电流本身产生的压力波的反射抵抗电弧的运动。

为此作为反射前沿，可以在消电离室的入口区域中提高流动阻力，但是还有消电离室排气时流动阻力也用于此目的。

为了最优地设计压力反射的作用，要考虑压力波在相应介质中的传播速度。第一反射的压力波在此应不必一定在达到还与材料有关的直至几十μs的固有滞留时间之前遇到电弧。有效的是避免明显大于100μs的时间或者大于闪电电流脉冲的返回半值时间。

通过火花隙触发区域中的几何设计，如上所述，只还有最小的作用力作用于闪电脉冲电流电弧，该作用力将会促使电弧向消电离室方向运动。在流动阻碍物处产生的反射导致反射波，该反射波最迟在固有滞留时间之后到达闪电脉冲电流电弧并且尽可能也直至达到脉冲电流的返回半值时间是起作用的，以及通过它们的相反力作用可以足够地补偿驱动电弧的作用力。为了达到该目的，可以在一个或多个依照流动路径构成梯级的流动阻碍物处有意地产生反射波。通过该措施可以产生具有不同行进时间或频率的压力反射并且可以利用它们在时间上构成梯级的单作用力或者还有这些作用力在关键时间段上的重叠。

附图说明

下面借助实施例以及参考附图要详细描述本发明。在附图中：

图1a示出按本发明的角形火花隙避雷器的原理图，包括角形元件的布置结构和消电离室的原理性布置；

图1b示出角形火花隙的电极的触发区域的详细视图；

图2示出按图1a的视图的侧视图，包括示出的返回到角形火花隙的电极中的流动开口的气流；

图3示出通常封装的具有消电离室的角形火花隙在脉冲E和工频续流负载F时的电流和电压曲线的重叠；

图4示出类似于按图3的但是为按本发明的角形火花隙的电流和电压曲线的视图；

图5示出带有触发电极的角形火花隙的触发区域的视图，该触发电极被安装到角形火花隙的电极之一中；

图6示出按本发明的角形火花隙避雷器装置的触发区域的视图，包括在两个微小发散的主电极之间的触发电极。

具体实施方式

图1a可见按本发明的角形火花隙避雷器装置的原理性的实施方式。该火花隙装置在这里集成在串联安装壳体1中并且拥有两个接线端子2。

火花隙具有两个微小发散的电极3和4，电极带有用于气体循环和续流电弧流过的空隙5。

在电极3和4的强烈发散的区段之间在电极端部区域中存在消电离室6，该消电离室带有用于气体循环的开口。

电弧在触发区域（参见按图1b的详细视图）与消电离室6之间的行进区域在侧面由绝缘用的各个板限定（参见图2，附图标记8）。

消电离室6优选具有各个消电离室区段的交替排气。这些开口不仅在侧面而且在消电离室6的端侧处定位。

气体在火花隙的行进区域中经由提及的电极3和4中的侧面的空隙5被导回。这些侧面的流动开口或空隙5在此位于在加载闪电脉冲电流期间电弧滞留的区域的上方（参见图1b）。

为了有针对性地划分回流的气流到各单个的空隙或流动开口5上以便更好地支持在工频续流时的电弧运动，从消电离室6流出的气体量通过分流器7分为多个单个的气流。

此外该分流器7防止气流直接从消电离室6进入侧面的空隙5中，由此即使在非常强烈的电弧加载情况下也没有还被加热的和/或电离的气体被导回到行进区域中。此外，抑制了燃烧产物或相应的燃烧颗粒的输入。

分流器7例如可实施为弯折的小的分离壁并且处于用于气体卸载的区域中，也就是在这样的区域中，气体从行进区域和电弧室流入到该区域中。分流器7在该区域中用作用于气体的分离壁或转向壁，来自电弧室的气体还以高的温度供应并且气体通过电极中两侧的槽重新被供应给电弧行进区域。来自电弧室的相对直接的气流成束地碰到分流器并且被细分为具有较长行程的两股流动，还用来冷却和在发散流动的意义上进行分配，这两股流动到达电极区域中的气体输入开口中。也就是说，还被加热的气体在两侧划分为两股流动、被冷却和附加地防止松散的、引导的颗粒带入到电极区域中。存在的分流器支持均匀地划分被冷却的气体到电弧行进区域中所有的回流开口上。这种均匀的划分对于最优地支持续流电弧的行进特性是有重要意义的。在利用例如只一个引回开口的情况下，相对狭窄的续流电弧可以容易地避开有目的的内部的气体循环的支持运动的作用。这将会不离地导致电弧从触发地点直至电弧室的非常长的行进时间或者甚至导致电弧的滞留，由此火花隙可能失效。也即是说，分流器支持对于角形火花隙封装的主要的基本功能性，亦即内部的有目的的气体循环，用来保证续流电弧的行进特性和由此续流限制和消除。

电极中的空隙5的横截面与消电离室6的排气口相比选择为非常小并且在示例的实现方案中为小于排气的开口横截面的10%。

图1b详细示出电弧的触发区域，该触发区域在电极3和4之间在用于气体循环的空隙5的下方形成。

电弧的触发可以主动地或被动地进行。

在这里电弧在区域A中在电极3和4之间形成。

在区域A中电极的间距在本实施例中位于0.8mm与1.2mm之间。

电弧在通过闪电脉冲电流加载期间滞留的表面最大延伸直至区域B。发散的各电极的间距的扩大相对于区域A在位置B最大为50%。

在区域A与B之间所形成的电极面积最小等于这样的面积，它由所施加的脉冲电流的最大幅值与优选1kA/mm²的电流密度相除的商得到。

图2示出消电离室的横截面以及优选反射区域的定位。

在这里也重新从这样的串联安装壳体1出发，该串联安装壳体带有火花隙和可见的电极4以及用于在消电离室6与电弧行进区域之间的气体循环的侧面的空隙5。

电弧行进区域通过绝缘用的覆盖板8界定。

工频续流电弧9沿着发散的电极3、4延伸直至消电离室6的入口区域C并且然后划分为各单个的室区段。消电离室6拥有侧面的和端侧的排气口（箭头表示），在具有消电离室V形切口的单片之间的区域通过这些排气口交替排气。带有V形切口的各个单片在消电离室6中用虚线示出。

在消电离室的端侧上，排气也沿着室的轴向方向通过绝缘板条10分开。

在消电离室6的入口区域C中的流动阻力，除了各单片的间距选择、V形切口的设计和消电离室相应第一单片与相应电极或导片3、4的距离之外，还可以通过其他的措施加以影响。

消电离室的V形切口可以附加地借助绝缘体来阻挡。

在电弧的行进区域的侧面的绝缘板8处，可以在消电离室6的下方设置附加的收缩部作为流动障碍物。

消电离室6的排气区域D中的流动阻力可以通过排气口的数量、大小和形状加以影响和预定。

在消电离室下方设置流动障碍物的上述可能性用来在闪电脉冲电流的滞留区域的附近产生反射前沿。同时通过该措施实现续流电弧加速进入消电离室中。电弧行进区域中上述的在两侧设置的楔形收缩部可以通过改变楔形状直至实心的大块和剩余通道宽度而非常可变地被利用来控制流动阻力。

但是流动阻力也可以通过在消电离室6的旁边和上方的回流通道的体积和几何形状加以改变。原则上，不仅在入口区域C中而且在排气区域D中压力波的反射都适用于优化脉冲电流电弧直接在电极3、4的触发区域附近（参见图1b）的滞留。按照火花隙的设计结构，对于选择比较有利的反射区域决定性的是，关于脉冲可承载性和工频续流时灭弧能力方面的要求。

上述的按本发明的措施实现具有几ms的停留时间的闪电脉冲电流可靠地滞留在火花隙的区段A与区段B之间的触发区域中。

相反，在预料例如50kA的工频续流情况下，在最大1ms内进入消电离室6中和其边界。续流的瞬时值在此被限于几kA的数值。按本发明的措施的有效性借助按图3和4的视图的比较可以理解。

图3示出具有消电离室的通常的封装的角形火花隙在脉冲电流加载（E）和工频续流加载（F）情况下的电流曲线（上面）和电压曲线（上面）的重叠。

可看到，电弧在脉冲电流时由于高的电流陡度和幅值而非常迅速进入到消电离室中。消电离室的能量加载由于所施加的脉冲电流是非常高的，该脉冲电流实际上在进入室中时可能不受限制。整个火花隙的各个部件通过压力作用和热负荷而受到过度强烈的应力。在25kA10/350μs情况下消电离室中的能量转换位于直至7kJ的范围内。

通过实现的工频续流限制，在预料的工频续流为25kA时比能量仅仅为2kA²s。而在脉冲电流载荷为25kA10/350μs情况下该数值为约100倍。在按本发明的火花隙设计中，相反能够实现，电弧室或整个火花隙的各个部件是针对明显较低的能量负荷设计的。能量可强烈加载的和由此成本高的材料仅仅在角形火花隙的在区段A与B之间的触发区域中是需要的。

图4示出按本发明封装的角形火花隙的特性。电弧电压的曲线和工频续流负荷（F）时的电流限制对应于按图3的相当的曲线（F）。在加载脉冲电流（E）时，电弧按照本发明滞留在两个电极的触发区域中，使得整个火花隙的热负荷和动态负荷通过明显较低的电弧电压，依照按图3的曲线，降低到火花隙的负荷的一部分。

在按照本发明的火花隙实施形式中，与没有关于工频续流和闪电脉冲电流的相应功能分离的火花隙相比，在脉冲加载25kA脉冲波形10/350μs时的能量转换降低至少10倍。

通过按本发明实施可能的非排气式火花隙，由于封装100%而对火花隙的所有部件加载的能量转换急剧地降低。由此又能够降低结构尺寸并且结构费用较低。最终可以应用较简单的和由此较廉价的材料。

触发区域的构造在另一实施方式中可通过利用触发电极来实现。

在这里可见按图5实施为空气火花隙和/或按图6实施为表面放电火花隙。

图5示出带有在触发区域中的触发电极11的实施形式。触发电极11和表面放电路段12穿过在两个主电极3、4之一内或侧面的空隙引导。这种变型方案特别是适合于在两个电极3、4之间无表面放电路段的火花隙实施结构。

所示出的按图5的触发装置此外通过相应主电极的耐烧损的电极材料而在热和机械方面得到良好的保护并由此是特别耐老化的。这对于角形火花隙的上述实施形式是特别有利的，因为脉冲电流电弧在触发区域中的滞留也对触发电极较强烈地加载。通过上述实施形式的触发电极的布置，还能够特别简单地实现，在非常良好的绝缘值情况下在两个主电极3、4之间的对于上述实施形式所需要的微小间距。

取代触发电极1设置在两个发散的主电极之间，也可设想在侧面设置触发电极。

按照图6，触发电极11处于两个主电极3和4之间。触发电极11在此设置在两个表面放电路段13、14的内部。在优选的非对称的表面放电路段13、14设计结构中，也可以选择表面放电路段14的垂直超高和/或较厚的实施结构。由此也得到绝缘值的改善。一个或两个表面放电路段实施为空气隙同样位于本发明的范围内。

在火花隙触发时被击穿的表面放电路段12、13，可以按照现有技术实施为单纯的绝缘路段或者也实施为带有可忽略响应电压的绝缘路段与由电气材料构成的延长体的组合，该材料被电弧击穿。

在纯绝缘路段的情况下，通过使用触发传递器来保证提高的触发电压。在导电材料作为击穿辅助器的实施形式中原则上只需要一个电压开关元件。

在上述的触发器变型方案中适用的是，由于两个主电极3、4的按本发明较小的间距，整个火花隙的触发滞后时间按照需要可以选择为非常小的，由此能量负荷和由此还有结构尺寸同样是非常小的。主电极的较小的间距还保证例如在触发电路失效情况下被动式避雷器在最大4kV的保护电平时的功能。

在本发明的具有导电材料作为击穿辅助器的实施形式中，原则上只需要电压开关元件和/或限流元件如电阻、可变电阻、正温度系数半导体元件或类似器件。