一种基于铜铬合金材料的具有高可焊性的智能多层间隙过电压保护器

摘要

本发明公开一种基于铜铬合金材料的具有高可焊性的智能多层间隙过电压保护器，由多个铜铬合金材料制成的电极组成的多层放电间隙安装在一个具有绝缘外壳内，每个电极之间用绝缘介质进行绝缘隔离，在多层间隙的最下面一个电极间隙处设计了触发电极，触发电极可以自动感知并耦合接收雷电过电压的能量，并触发多层间隙的最下面的一个电极间隙及其它间隙快速导通，因而使得这种这能多层间隙结构的三端过电压保护间隙具有直流击穿电压高、电压保护水平高、响应时间快和抗工频或直流后续电流能力强等显著特点，该智能多层间隙过电压保护器可以用于通信领域、乃至电力领域等应用场合的直接雷击和雷电感应过电压的防护。

说明书

技术领域

本发明涉及一种过电压保护器件，特别涉及一种用于电力领域、通信领域的一种基于铜铬合金材料的具有高可焊性的智能多层间隙过电压保护器。

背景技术

随着高压输电线路中开关设备的应用以及电子与信息化系统的技术进步提升，过电压对敏感、抗扰度能力弱的电子设备、通信装置的影响和危害日益加剧，过电压防 护是电力、通信系统安全运行的重要保障。

自德国的凤凰接触公司羊角电极结构的过电压保护火花间隙和奥宝贝特曼股份有限公司的叠层石墨结构的过电压保护产品问世以来，国内诸多研究机构、生产企业 基于叠层结构过电压保护间隙无电弧外泄、后续电流抑制能力强的优点，均采用这种 主体结构的过电压保护间隙，在外围均压电路、失效指示等方面，发明了不少有特定 功能的过电压保护间隙，比如：ZL 02107856.4一种承载雷电流的火花间隙装置，ZL 200710049004.9高效层叠式石墨放电间隙装置等。

叠层石墨结构的过电压保护间隙一定程度上解决了单间隙(比如羊角间隙)的抑制后续电流能力差的技术难题，但存在以下缺陷：

第一、叠层石墨结构的过电压保护间隙的引出电极，由于引出金属电极与石墨电极的电气连接不可靠，致使引出电极与石墨电极的接触电阻大，在雷电流流经时，接 触处容易因过热而出现故障，严重影响过电压保护间隙工作的稳定可靠性和使用寿 命。

第二、为了提高叠层石墨间隙的抗后续工频续流的能力，常常通过增加叠层石墨间隙的间隙数来实现，结果导致在增加了正常工作下的可靠性和提升了抗后续工频续 流能力的同时，造成叠层石墨间隙冲击击穿电压的提升，过电压保护水平相应降低， 也就是说间隙型过电压保护器的抗后续工频能力与电压保护之间相互制约的技术问 题没有得到有效的解决。

发明内容

本发明目的在于针对现有叠层石墨间隙存在的缺陷，提出一种基于铜铬合金材料的具有高可焊性的智能多层间隙过电压保护器，显著提升多层过电压保护间隙的防护 性能，有效解决过电压保护间隙的交直流电压耐受能力、抗续流能力与电压保护水平 相互制约的技术问题，同时，可以显著改善石墨多层间隙与外部金属电极可焊性致使 过电压保护间隙工作可靠性差的知名缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术申请：

一种基于铜铬合金材料的具有高可焊性的智能多层间隙过电压保护器，由设置在绝缘外壳中的多个铜铬合金电极构成的多层放电间隙串联而成，多层放电间隙设置的 上引出电极、下引出电极和触发电极之间连接有自动过电压能量耦合触发机构，利用 铜铬合金的高可焊性以及自动过电压能量耦合触发机构输出触发脉冲至触发电极，致 使触发电极与下引出电极之间优先形成触发放电，进而引发多层间隙过电压保护器各 层放电间隙快速导通。

进一步，设置在绝缘外壳中多个铜铬合金电极组成的n对放电间隙，相邻两个电极之间用绝缘介质材料进行绝缘隔离后通过贯穿各电极和绝缘介质材料的绝缘连杆 串联连接，绝缘介质材料为环形结构，其外轮廓与电极外形相同；

多层放电间隙的最上层和最下层电极分别引出绝缘外壳作为上引出电极和下引出电极，引出电极焊接在铜铬合金电极上，第n个放电间隙之间设置触发电极并引出 绝缘外壳外，触发电极与第n个放电间隙的上电极和下之间用绝缘介质隔离，触发电 极为环形结构，其外部轮廓与放电间隙各电极外形相同；

自动过电压能量耦合触发机构连接在上引出电极、下引出电极和触发电极之间。

进一步，自动过电压能量耦合触发机构由串联的上耦合电容、下耦合电容和连接在上耦合电容和下耦合电容之间的一只隔离间隙组成，自动过电压能量耦合触发机构 的两个输入端分别与上引出电极和下引出电极相连，输出端连接在触发电极和下引出 电极之间。

进一步，所述铜铬合金电极为圆形棒材或矩形棒材切割成的片状电极，铜铬合金电极为圆形、方形或椭圆形，其结构尺寸可以在20mm-60mm或等更大的范围内。在 铜铬合金电极的中心，可以开设有圆形或方形的孔，开孔的尺寸范围可以为3-5mm 或其他值。

进一步，相邻两铜铬合金电极之间的间隙为0.2-1.5mm，相邻两电极之间的间距是等距的或是也可以是不等距的，各铜铬合金电极之间的绝缘介质材料厚度与电极之 间的间隙距离相对应，绝缘介质材料环宽为5-10mm，且在绝缘介质内侧开设有深度 为1.5-3mm的水平方向环槽。

进一步，所述触发电极材料为石墨材料、铜或铝锌合金。

进一步，触发电极与第n个放电间隙的上电极和下之间的绝缘介质为陶瓷。

进一步，触发电极和触发电极与第n个放电间隙上电极和下之间的绝缘介质环宽为各放电间隙电极尺寸宽度的1/4到1/3。

本发明基于铜铬合金材料的具有高可焊性的智能多层间隙过电压保护器，多层过电压保护间隙由多个电极组成，相邻两电极之间用绝缘介质材料绝缘隔离，且绝缘介 质隔离的高度与多层间隙过电压保护器的相邻电极的间隙距离相匹配，利用铜铬合金 的高良好的导电、导热能能、高硬度、耐磨抗爆以及可加工性和可焊性制作而成的工 程化多层结构过电压保护间隙，彻底解决了目前石墨多层间隙过电压保护器因引出电 极可焊性差导致的性能不可靠甚至失效而造成雷击事故发生的严重缺陷。

本发明减少了多层过电压保护器的放电间隙的数量、增大第n个间隙距离Dgn 并在第n个间隙的上、下两电极之间增加触发电极和自动过电压能量耦合触发机构的 设计思想，雷电过电压发生时，触发电极可以自动感知并耦合接收雷电过电压的能量， 输出触发脉冲至触发电极，致使触发电极与下引出电极之间优先形成触发放电，使第 n个放电间隙快速击穿，进而引发多层间隙过电压保护器的其它放电间隙发生快速击 穿。有效解决了多层间隙过电压保护器工频耐受电压、抗续流能力与雷电冲击电压保 护水平、响应时间相互制约的难题，使得多层结构的过电压保护间隙具有直流击穿电 压高、电压保护水平高、响应时间快、抗工频或直流后续电流能力强等显著特点。

相邻两电极之间的间距可以是等距的，也可以是不等距的，各铜铬合金电极之间的绝缘介质材料厚度与电极之间的间隙距离一致，绝缘介质材料环宽为5-10mm，且 在介质内侧中间高度部位开设有深度为1.5-3mm水平方向的环槽，特别是在相邻两电 极之间的间隙距离较大的情况下，可以防止过电压保护间隙通过大电流时，金属蒸汽 对绝缘介质内侧的污染。

触发电极和触发电极与第n个放电间隙上电极和下之间的绝缘介质环宽为各放电间隙电极尺寸宽度的1/4到1/3，且在触发电极所在位置，放电间隙的上电极、下 电极之间的间隙距离可以显著大于其它电极之间的间隙距离。

采用铜铬合金电极以及自动过电压能量耦合触发机构的结构设计，实现具有高通流能力和可焊性的智能多层间隙过电压保护器可以用于通信领域、乃至电力领域等应 用场合的直接雷击和雷电感应过电压的防护。

采用铜铬合金比现有全石墨电极具有优良的可焊接性能，更有效避免了电接触不可靠而造成防护性能下降的缺陷。

附图说明

图1a是本发明铜铬合金材料结构示意图；

图1b为铜铬合金材料的矩形横截面示意图；

图1c为铜铬合金材料的圆形横截面示意图；

图2是本发明中一个放电间隙的结构示意图；

图3是本发明基于铜铬合金材料的高可焊性的多层间隙过电压保护器的结构示意图；

图中：1-上引出电极；2-下引出电极；3-触发电极；4-绝缘外壳；5-绝缘连杆。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

参见图1，本发明的多层间隙过电压保护间隙的铜铬合金材料。其中，如图1a 铜铬合金棒材可以是圆形棒材或矩形或方形棒材，铜铬合金材料的矩形截面和圆形截 面分别如图1b和图1c所示。

参见图2和图3，智能多层间隙过电压保护器是由多个电极组成的多个间隙的串联连接组成而成。图2为本申请的多层间隙过电压保护器的最上面的一个放电间隙， 相邻电极之间的间隙距离分别为Dg1、Dg2、……、Dgn，其量值可以控制在0.5-1.5mm 之间；相邻两电极之间分别通过绝缘介质隔离I1、I2、……、In绝缘隔开，其中绝缘 隔离I1、I2、……、In的高度为Hg1、Hg2、……、Hgn，与相邻两电极之间的间隙 距离匹配。在多层过电压保护间隙的多个电极中心，可以开设具有3-5mm直径的圆 孔，可以便于导通载流子在不同间隙间的运动，改善过电压保护间隙的防护性能；绝 缘介质隔离的形状是具有中孔的圆形、方形或椭圆形结构，与电极的圆形、方形或椭 圆形结构相适应。

参见图3，本发明一种基于铜铬合金材料的具有高可焊性的多层间隙过电压保护器，相邻两个电极之间用绝缘介质材料进行绝缘隔离后通过贯穿各电极和绝缘介质材 料的绝缘连杆5串联连接。放电间隙G1、……、Gn多个电极、绝缘隔离I1、I2、……、 In等安装在绝缘外壳4中，相邻两石墨-金属镀层材料电极之间依次构成放电间隙G1 (第1个间隙的上、下电极E

为了解决多层间隙正常运行条件下工频耐受电压和雷电电压保护水平之间相互制约的难题，本发明在被动型多层间隙过电压保护器的基础上，通过减少被动型多层 过电压保护器的放电间隙数量(比如，可以将放电间隙数从10个减少到6个)并在 第n个间隙的上下两电极之间增加一个触发电极和自动过电压能量耦合触发机构。

触发电极的电极材料可以选用石墨材料或者选用金属或合金(如铜、铝锌合金)材料，触发电极与第n个间隙的上电极E

触发电极的结构和主要工作特点包括以下方面：

第n个间隙距离Dgn可以是其它间隙距离的2-4倍或更大，在该间隙中增加智能 触发电极，智能触发电极与第n个间隙的上电极E

自动过电压能量耦合触发机构可以由上耦合电容、下耦合电容和一只隔离间隙组成，自动过电压耦合触发机构与多层过电压保护间隙并联连接。。

具体地：自动过电压能量耦合触发机构的两个输入端分别与多层间隙过电压保护器的上引出电极1和下引出电极2相连，自动过电压能量耦合触发机构的输出端电气 连接在触发电极和下引出电极2之间。当雷电过电压发生时，自动过电压能量耦合触 发机构自动耦合过电压信号并在自动过电压机构的下电容上产生触发高压脉冲，自动 过电压能量耦合触发机构的隔离间隙迅速击穿导通，致使多层过电压保护器的触发电 极与第n个间隙的下电极E

参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范 围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本专利要求范围当中。