CN100414794C - 多极电涌保护系统以及安全操作多极电涌保护系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于多相供电网络的多极过电压保护系统，该系统具有四个过电压保护元件(1)，由此在所述供电网络的每个分支线路(2，3，4，5)中设置一个过电压保护元件(1)。根据本发明，操作可靠、结构简单的多极过电压保护系统可通过互相耦合单独的过电压元件来产生，其中耦合方式要使得，一旦一个过电压保护元件(1)点火，所有其他的过电压保护元件(1)也点火。

Description

多极电涌保护系统以及安全操作多极电涌保护系统的方法
技术领域
本发明涉及一种用于多相供电网络、尤其用于低电压网络的多极电涌保护系统，该系统具有至少两个电涌保护元件，其中在供电网络的每个分支线路中设置一个电涌保护元件。另外，本发明还涉及一种用于安全操作所述多极电涌保护系统的方法。
背景技术
电气的尤其是电子的测量，控制，调节，以及开关电路，还有电信元件和部件，容易受到瞬态过电压的影响，瞬态过电压通常称为功率电涌，例如可以通过大气放电产生，或者还可以通过开关动作或供电网络中的电路短路产生。这种易感性越来越多的在电子元件中利用，尤其是晶体管和晶闸管；最重要的是，集成电路越来越多地受到瞬态功率电涌的威胁。
电路工作于特定电压，即额定电压，通常不会出现问题。但发生功率电涌时情况就不是这样。功率电涌是处于额定电压上限值之上的所有电压。在这方面，考虑到瞬态功率电涌，其基于大气放电，以及开关动作或者电路短路而产生，可以出现于供电网络中，并且可以在电路中发生电流耦合、电感耦合或者电容耦合。为了保护电气或电子电路尤其是电子测量、控制、调节和开关电路，以及电信元件和部件及其使用之处，使它们不受功率电涌影响，已经开发了功率电涌保护元件并已经问世超过20年。
此处所述类型的功率电涌保护元件通常称为避雷器，其关键部件是至少为一个的火花隙，其通过确定的功率电涌激发工作电压，并以此阻止高于该火花隙工作电压的功率电涌出现在受功率电涌保护元件保护的电路中。
开始所谓的功率电涌保护元件的火花隙的主要形式为空气击穿火花隙，也就是说，其具有两个电极，其间设置空气击穿火花隙。对于空气击穿火花隙来说，一般表示击穿火花隙，包括通常的在电极间设置的不是空气而是其他气体的击穿火花隙。除了具有空气击穿火花隙的功率电涌保护元件来说，也可以使用具有空气飞弧(air flashover)火花隙的功率电涌保护元件，其一旦激发，即产生漏电电荷。
与具有空气飞弧火花隙的功率电涌保护元件相比，具有空气击穿火花隙的功率电涌保护元件具有电涌电流承载能力更高的优点，然而也具有工作电压更高而且不稳定的缺陷。因此，已经提出了不同的具有空气击穿火花隙的功率电涌保护元件，其针对工作电压作了改进。以这种方式，在电极区域或者电极间的有效的空气击穿火花隙中，通过各种方式实现了打火花或者点火辅助装置，例如，在电极之间至少设置一个释放漏电电荷的点火辅助装置，其至少部分投射到空气击穿火花隙中，并被设计为渐变的(graduated)，且由塑料制造(例如对比德国公开文本41 41 681或者44 02 615)。
前述已知的功率电涌保护装置所带的点火或打火花辅助装置可以被称为“被动打火花辅助装置”，因为它们自身“被动”地激发而被称为“被动打火花辅助装置”，而是仅仅通过功率电涌的方式，所述功率电涌作用在主电极上。
根据德国公开文本198 03 636，同样可知一种具有两个电极的功率电涌保护元件，其在所述两个电极之间具有有效的空气击穿火花隙以及点火或者打火花辅助装置。对于该已知的功率电涌保护元件，与先述类型的打火花辅助装置相比，其打火花辅助装置形成释放漏电电荷的打火花辅助装置而作为“主动打火花辅助装置”，也就是说，除了在这里称为主电极的两个电极之外，还设置了另外两个打火花电极。这两个打火花电极形成第二空气击穿火花隙，作为点火火花隙而工作。对于该已知的功率电涌保护元件，隶属于点火辅助装置的点火电路位于点火火花隙之外，并具有点火开关元件。一旦接触到对于该已知功率电涌保护元件的功率电涌，具有点火开关元件的点火电路为点火火花隙提供激发。所述点火火花隙或者两个点火电极参考两个主电极而设置，以便在激发点火火花隙后，两个主电极间称为主火花隙的空气击穿火花隙也激发。点火火花隙的激发导致空气击穿火花隙中空气的电离，从而在点火火花隙激发后，两个主电极之间的空气击穿火花隙即主火花隙也突然的激发。
对于前述已知具有点火辅助装置的功率电涌保护元件的实施例，采用点火辅助装置可以实现改善的，尤其是更低并且更稳定的工作电压。
对于来自更低电压网络中中心电流源的功率电涌的保护，已知有三极或四极电涌保护设备，其中单独的功率电涌保护元件互连到电涌保护系统，并被置于一个共用的外壳中。所述单独的电涌保护元件仅仅分别保护供电网络的单个分支线路。通过这种方式，依赖于电涌保护设备的开关，所提供的保护级别仅仅在有源相导体(L1，L2，L3)和中性导体(N)之间，或者在中性导体(N)和地线(PE)之间，或者在有源相导体(L1，L2，L3)和地线(PE)之间得以确保。具体地，在各个单独的有源相导体(L1，L2，L3)之间，不能确保保护级别。
根据英国公开文本GB 2,179,214A，公知一种电涌保护系统，其由一个或多个圆柱形气体放电管组成。主电极设置在圆柱形放电管的两个外端，并且另外起到点火辅助作用的点火电极共轴地设置在两个电极之间的内部。为了架线连接两个有效的相导体，多个这种圆柱形气体放电管共轴地连接。在所描述的这种情况下，要架线连接超过两个有源相导体是不能的，因为一个点火电极的中心设置受限于仅能为两个有源相导体的外部电极提供点火辅助。
然而，在对于仅仅一个线路分支中发生的电涌的电感耦合或电容耦合(感应干扰)的基础上，在另一个线路分支发生了电涌，即使当这个电涌很小时，也不会引起该线路分支的电涌保护元件开关切换。另外，对于有效的类似设计的电涌保护元件和类似设计的线路分支，在发生电涌时，会产生总电涌电流的非一致分裂，特别是当单个电涌保护元件以延迟方式开关切换或者单个电涌保护元件根本不进行开关切换。实际上，现在已经提供了对于确定大小的总电涌电流具有分流或者超前(leading off)能力的多极电涌保护设备，然而对于这些多级电涌保护设备，单个电涌保护元件仅仅能分流提供的总电涌电流的相应部分(对于三个或四个分支线路为1/3或者1/4)。如果这仅仅产生于多极电涌保护设备的非对称电流分布，那么这会导致单个电涌保护元件的过载。
发明内容
本发明基于实现一种多极电涌保护系统的目标，其中通过该电涌保护系统在所有的线路分支之间确保所需的保护级别，并且制造起来构建容易且成本合算。另外，本发明的目标还要提供一种用于安全操作多极电涌保护设备的方法，通过该方法可以确保实现多相供电网络所有线路分支之间的所需级别的保护。
本发明的多极功率电涌保护系统，通过该系统解决了前述的目标，其特征在于单个电涌保护元件与其他电涌保护元件互相耦合，从而一旦一个电涌保护元件点火，其他所有的电涌保护元件同样点火。如果高于工作电压的电涌作用在本发明的多极电涌保护系统的一个线路分支中，这会引起该线路分支中的电涌保护元件点火。由于该单个电涌保护元件以本发明的方式耦合到其他电涌保护元件，那么其他线路分支中的电涌保护元件点火将会自动发生。通过这种方式，确保了所有线路分支之间的所需级别的保护，并且确保了总电涌电流的对称分布。
所述的各个单个的电涌保护元件之间的互相耦合可以通过不同特征实现。根据本发明的电涌保护系统的第一个优选实施例，每个单个电涌保护元件具有点火辅助装置，并由此各个单个点火辅助装置互相耦合。对于点火辅助装置，上面描述的“被动点火辅助装置”以及前面描述的“主动点火辅助装置”均可以使用。如果使用了“主动点火辅助装置”，其具有带有点火开关元件的点火电路以及点火电极，那么单个点火辅助装置的单个点火元件互相之间电连接。
根据本发明的多极电涌保护系统的一个可替换实施例，提供了中心点火辅助装置，通过该装置所有的电涌保护元件均电连接。该实施例的优点在于需要更少的部件，从而所述电涌保护系统可以制造得成本更低廉并且尺寸更小。如果所述中心点火辅助装置形成为“主动点火辅助装置”，那么优选地，其具有多个点火电极和与这些点火电极连接的一个中心点火开关，由此每个点火电极分别对应电涌保护元件而协同工作。
根据本发明的多极电涌保护系统的一个特别优选的具体实施例，所有的电涌保护元件，并且还有所有的点火辅助装置，均被设置在共用的外壳中，从而所述多极电涌保护系统结合为多极电涌保护设备。通过这种方式，单个电涌保护元件优选地具有第一电极、第二电极以及设置在两个电极之间的存在的或有效的空气击穿火花隙，由此单个电涌保护元件的电极相对于其它电极而设置，从而一旦一个电涌保护元件的空气击穿火花隙点火，其他电涌保护元件的空气击穿火花隙通过所提供的等离子体的方式同时点火。如前所述的单个电涌保护元件具有第一电极和第二电极，这在功能上特别地意味着对于每个电涌保护元件，不需要设置第一电极和单独的第二电极，而是可以设置一个电极，其服务于多个电涌保护元件或者对于所有的电涌保护元件其作为第二电极。
对于前面描述的用于安全操作多相供电网络中的多极电涌保护系统的方法，所述多相供电网络特别指低电压网络，对于该网络所述电涌保护系统具有至少两个电涌保护元件，每个电涌保护元件被分别设置在该供电网络的每个线路分支中，前面提到的本发明的目标得以解决，即一旦单个电涌保护元件点火，所有其他电涌保护元件也点火。
对于所述方法的第一实施例，其中每个单个电涌保护元件具有点火辅助装置，一旦一个电涌保护元件的点火辅助装置点火，剩下的电涌保护元件的所有其他点火辅助装置也点火。根据所述方法的一个可替换实施例，其中单个电涌保护元件中存在空气击穿火花隙，并各个单独的电涌保护元件被设置在共用的外壳中，通过一个电涌保护元件的一个空气击穿火花隙的点火产生的等离子体，剩下的电涌保护元件的空气击穿火花隙的点火自动发生。
具体地，提供了多种可能，以设计并进一步实现本发明的多极电涌保护系统或者用于安全操作多极电涌保护系统的方法。关于这一点，一方面参考了依赖于权利要求1和12的权利要求，并且另一方面，参考了接下来的对于优选实施例的结合附图的描述。
附图说明
图1显示了从本领域现状所知的具有两种不同网络形状的已知多极电涌保护系统的两个简化示意图；
图2显示了根据本发明的多极电涌保护系统的第一实施例的简化示意图；
图3显示了根据本发明的多极电涌保护系统的第二实施例的简化示意图；
图4显示了根据本发明的多极电涌保护系统的第三实施例的简化示意图；
图5显示了根据图4所示的示意图对应的多极电涌保护设备的实施例的部分截面。
具体实施方式
图1a和1b各自显示了从本领域现状所知的对于三相供电网络的多极电涌保护系统的简化示意图，其具有总共四个电涌保护元件1，由此根据图1a的示意图示例了“3+1开关切换”，而图1b表示“4+0开关切换”。
在图1到图4中，L1、L2和L3表示低电压网络中的有源相导体，N表示相关联的中性导体。在该低电压网络中的每个线路分支2、3、4和5中，设置了电涌保护元件1。
对于根据图1a的“3+1开关切换”，在单个有源相导体L1、L2、L3和中性导体N之间，以及在中性导体N和地线PE之间的对应级别的保护通过各个分别的电涌保护元件1而确保。对于根据图1b的“4+0开关切换”，一方面在单个有源相导体L1、L2、L3和地线PE之间，另一方面在中性导体N和地线PE之间，通过单独的电涌保护元件1确保了各个保护级别。
根据图2，首先可以看出通过本发明的多极电涌保护系统，如本领域现有技术所知的，每个单个电涌保护元件1具有点火辅助装置6，由此根据本发明，各个单个点火辅助装置6互相耦合，即互相电连接，从而在发生于对应的线路分支2、3、4或5的功率电涌的基础上，一旦一个点火辅助装置6点火，其他点火辅助装置6自动点火。通过单个点火辅助装置6的开关切换，由此确保如果电涌作用在所述多极电涌保护系统上，所有的电涌保护元件1点火，从而在各个线路分支2、3、4、5之间的有害的电涌不会产生。
对于各图中显示的多极电涌保护系统或者对于图5中显示的多极电涌保护设备，其中单个电涌保护元件1设置在共用的外壳中，每个单个电涌保护元件1具有第一电极9、第二电极10以及在两个电极9、10之间存在或有效的空气击穿火花隙。除了具有空气击穿火花隙11(仅此处表示)的电涌保护元件1之外，还主要地存在使用具有空气飞弧火花隙的电涌保护元件的可能性，对于此，一旦激发，将产生漏电电荷。具有较大的电涌电流承载能力，对于现有的多极电涌保护系统使用了具有空气击穿火花隙11的优选的电涌保护元件1，其也被称为点火电流导体。
根据图2，可以进一步看出单个点火辅助装置6分别具有点火电极12和连接到点火电极12的点火开关13。在这种方式中，单个点火辅助装置6互相连接，从而单个点火开关13互相之间电连接。
与根据图2的实施例对比，其中每个点火辅助装置6具有点火电极12以及点火开关13，根据图3的实施例仅仅提供中心点火开关13’。该中心点火开关13’与单个线路分支2、3、4、5以及单个点火电极12相连接。一旦电涌保护元件1激发，其他电涌保护元件1通过该共用的点火开关13’同时点火。
在图4中，显示了进一步改进的多极电涌保护系统的示意图，其中不仅单个点火开关13被中心点火开关13’代替，另外还仅仅设置了中心点火电极12’而代替了单个点火电极12，从而该多极电涌保护系统总共也仅有一个中心点火辅助装置6’。
参考图4，同样很显然每个单个电涌保护元件1具有第一电极9L1、9L2、9L3以及9N，其具有单独的电涌保护元件，然而，每一个不具有其自身的第二电极，而是设置了一个“共用”的第二电极10PE。在这种方式下，例如，线路分支2的电涌保护元件1的空气击穿火花隙11，有源相导体L1形成电极9L1而作为第一电极，并且电极10PE形成为第二电极。
在图5中，显示了多极电涌保护系统的具体实施例，由此单独的电极9L1、9L2、9L3、9N、10PE以及共用的点火电极12’设置在外壳8中，从而总的产生了多极电涌保护设备。因此单独的电极9L1、9L2、9L3、9N以及10PE与共用的点火电极12’互相之间共轴设置并且分别具有圆形横截面。可替换地，单独的电极9L1、9L2、9L3、9N以及10PE、以及共用的点火电极12’也可以具有椭圆形或方形横截面。特别有利的是如果单独的电极9L1、9L2、9L3、9N以及10PE、以及共用的点火电极12’在整个长度上具有不同的横截面，那么电极9L1、9L2、9L3、9N以及10PE、以及共用的点火电极12’沿它们的长度横截面渐变，由此将作为空气击穿火花隙11的区域可以以特定方式在一侧设置。
外壳8的内室，其优选为压力密封并且是耐压的，具有衬套14，衬套14特别是由POM-Teflon制造。对于外壳8的压力密封的进一步改进，可以通过外围的压力圆筒将其包围(此处未显示)。最后，在图5中显示了中性导体N的电极9N中形成了孔15。通过该孔15的方式，可以实现外壳8内的压力均衡，其中等离子体可以从空气击穿火花隙11的区域——图5中电极9N右边的区域——中逃逸出来，其中电极9L1、9L2、9L3、9N以及10PE，在沿它们长度渐变的横截面的基础上，互相之间具有更大的距离。

Claims (14)

1. 一种用于多相供电网络的多极电涌保护系统，具有至少两个电涌保护元件(1)，由此在所述供电网络的每个线路分支(2，3，4，5)中设置一个电涌保护元件(1)，
其特征在于，
单独的电涌保护元件(1)之间互相耦合，从而使得一旦一个电涌保护元件(1)点火，所有其他电涌保护元件(1)也点火。
2. 根据权利要求1所述的电涌保护系统，其特征在于，每个单独的电涌保护元件(1)具有点火辅助装置(6)并且单独的点火辅助装置(6)之间互相耦合。
3. 根据权利要求2所述的电涌保护系统，其特征在于，每个点火辅助装置(6)由点火电极(12)和连接到该点火电极(12)的点火开关(13)形成。
4. 根据权利要求1所述的电涌保护系统，其特征在于，该电涌保护系统设置有中心点火辅助装置(6)，所有电涌保护元件(1)通过该中心点火辅助装置(6)彼此连接。
5. 根据权利要求4所述的电涌保护系统，其特征在于，所述中心点火辅助装置(6)由多个点火电极(12)和连接到这些点火电极(12)的中心点火开关形成，其中每个点火电极(12)分别与各个电涌保护元件(1)协同工作。
6. 根据权利要求3或5所述的电涌保护系统，其特征在于，单独的电涌保护元件(1)具有第一电极(9)，第二电极(10)，以及在第一电极(9)和第二电极(10)之间存在的或有效的空气击穿火花隙(11)，由此每个单独的电涌保护元件(1)包含的第一电极(9)和第二电极(10)彼此相关设置，使得一旦一个电涌保护元件(1)的空气击穿火花隙(11)点火，其他电涌保护元件(1)的空气击穿火花隙(11)通过存在的等离子体也点火。
7. 根据权利要求6所述的电涌保护系统，其特征在于，单独的第一电极(9)、第二电极(10)以及点火电极(12)互相之间共轴设置。
8. 根据权利要求7所述的电涌保护系统，其特征在于，单独的第一电极(9)、第二电极(10)以及点火电极(12)沿它们长度具有不同的横截面。
9. 根据权利要求7或8所述的电涌保护系统，其特征在于，所有的电涌保护元件(1)均设置在一个共用的外壳(8)内。
10. 根据权利要求9所述的电涌保护系统，其特征在于，包围所述第一电极(9)、第二电极(10)以及点火电极(12)的所述外壳(8)的内室是有衬套的。
11. 根据权利要求10所述的电涌保护系统，其特征在于，包围所述第一电极(9)、第二电极(10)以及点火电极(12)的所述外壳(8)是压力密封且耐压的，该外壳(8)的外围具有压力圆筒。
12. 一种用于安全操作多极电涌保护系统的方法，根据权利要求1至11中任一项权利要求所述的电涌保护系统被用在多相供电网络中，并具有至少两个电涌保护元件，每个电涌保护元件被分别设置在所述供电网络的每个线路分支中，
其特征在于，
一旦一个单独的电涌保护元件点火，所有其他电涌保护元件也点火。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中每个单独的电涌保护元件具有点火辅助装置，其特征在于，通过一个电涌保护元件的点火辅助装置的点火，所有其他点火辅助装置也点火。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中单独的电涌保护元件中存在空气击穿火花隙，并且各个单独的电涌保护元件被设置在共用的外壳中，其特征在于，通过一个电涌保护元件的一个空气击穿火花隙点火产生的等离子体，剩下的电涌保护元件也点火。
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