专利名称：过电压保护元件和过电压保护装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于限制瞬时过电压并导出瞬时电流的过电压保护元件，它具有至少两个电极以及在这两个电极之间的或在其间起作用的火花间隙，其中当火花间隙点火时，在第一电极和第二电极之间产生电弧。本发明还涉及过电压保护装置，它具有第一电极、第二电极、一个在这两个电极之间的或在其间起作用的火花间隙及一个容放电极的外壳，其中当火花间隙点火时，在第一电极和第二电极之间产生电弧。
因此，本发明的对象既是上述的过电压保护元件，也是具有一个布置于外壳里的过电压保护元件的过电压保护装置。
通常，电气回路用其所规定的电压(额定电压)无故障地工作。当出现过电压时，情况就不是这样了。高于额定电压上公差限值的所有电压都是过电压。在这里，主要包括因大气放电或因开关操作或短路而可能出现在供电网中的瞬时过电压以及因电镀、感应或电容而可能耦合到电气回路中的过电压。为了对电气或电子的回路且尤其是电子的测量、控制、调节和开关电路并首先是总要使用这些电路的通信装置和通信设备进行瞬时过电压保护，开发出了过电压保护装置并且二十五年前就已经知道了(例如见德国专利DE4141681、DE4244051或DE4402615)。
前序所述类型的过电压保护装置的主要组部分至少是一个火花间隙，在规定过电压(动作电压)下，它动作并因而阻止了在由一个过电压保护装置所保护的电路里产生大于火花间隙动作电压的过电压。
当火花间隙点火时，通过所产生的电弧在两个电极之间形成低阻抗连接。由此一来，在施加的网路电压的情况下，跟着就是一个流经过电压保护装置的不希望有的网路随动电流，因此，要想法在导出过程结束后尽快地灭弧。实现此目标的一种方法就是增大电弧长度并因此提高电弧电压。这种方法在如DE4402615C2所述的过电压保护装置里就实现了。电弧电压也可以通过提高一个在压力密闭的封闭外壳里的压力而增大。另一种熄灭弧方法就是通过绝缘材料壁的冷却作用或者用放出气体的绝缘材料来冷却电弧。在这种情况下，必须有强烈流动的灭弧气流，这在结构上很复杂。此外，可以在导出电路里置入串联电阻来限制网路随动电流，或者通过串联多个火花间隙以及因而所产生的对单个电弧电压的相加效果来抑制网路随动电流，如DE19742302A1所述的那样。
如开头所述地，本发明的过电压保护元件或本发明的过电压保护装置具有两个电极和一个在这两个电极之间的或在其间起作用的火花间隙。火花间隙指很普通的火花间隙，因而，它包括击穿火花间隙以及飞弧火花间隙，在飞弧火花间隙的情况下，在动作时产生表面放电。击穿火花间隙可能不仅关系到空气击穿火花间隙，也关系到气体击穿火花间隙，在后者情况下，在电极之间的不是空气，而是其它气体。
与具有飞弧火花间隙的过电压保护装置相比，具有击穿火花间隙的过电压保护装置具有较高的脉冲电流承载能力，但其缺点是具有较高的而且也不太稳定的动作电压。因此，已经提出了各种具有击穿火花间隙的过电压保护装置，这些装置已经在动作电压方面得到了改进。在这种情况下，在电极区或在电极间起作用的击穿火花间隙的区域内，可以通过各种不同的方式实现辅助点火，例如在电极之间设置至少一个引起表面放电的辅助点火装置，它至少部分地伸入击穿火花间隙里并成接片状并由塑料制成。
因而，总之有许多种不同的过电压保护元件或者过电压保护装置，它们根据使用场合以及对其提出的要求采用了不同的结构。同时，也有许多种不同的火花间隙或者电极的设计方案，它们尤其是涉及到电极的布置及几何尺寸。在电极间的间距也可以被选择为不同大小。因此，出现了这样的过电压保护元件，其中电极间距小到使电极几乎或者事实上相互接触的程度。那么，火花间隙就在显微级内并基本上由电极的表面粗糙度来决定。
除了很广泛使用的火花角状电极结构之外，还已经了解到，将第一电极设计成棒状的或截圆锥状的中心电极，其中第二极电极成圆柱形外电极形式并被布置成同心围绕第一电极(见DE100008764A)。从DE19818674A1中知道了一种相互平行布置的电极，其中这两个电极都被制成圆柱形。此外，还知道了一些过电压保护元件，其中这些电极都设计成平面圆盘状并且电极彼此对置。从DE19742302A1中知道也可能使用了多于上个电极的电极布置结构并且它也被称为盘形火花间隙。
与电极的具体几何构造和布置无关，已知的过电压保护元件的电极几乎都是由金属如铜或者钨铜制成的。在加载之后，也就是说，在火花间隙点火后，电极在其表面上因大闪电电流而有熔化的记号。此外，金属的蒸气常常沉积在相邻绝缘装置的表面上。这些作用缩短了电极使用寿命并因而减弱了过电压保护元件或者过电压保护装置的功能。为了消除这些缺点，已经建议(见德国公布专利文件DE19742302)用石墨来制造电极。在使用由石墨制电极时，不会发生金属烧损，因而即使在多次动作之后，这些电极并因而该过电压保护元件还是可以比较可靠的工作。但其缺点是，由铜或钨铜制成的电极比较贵，而由石墨制成的电极则能够燃烧并且机械强度相对较低。
因而，本发明的任务是提出一种前序所述类型的过电压保护元件或者过电压保护装置，它们即使在火花间隙多次动作后还是可靠地工作并且还可以尽可能简单并因而成本低廉地制造。
解决上述任务的本发明的过电压保护元件或者本发明的过电压保护装置的首要特征在于，这些电极由能导电的陶瓷材料制成。因此，按照本发明，没有试图通过对电极的布置结构和几何关系进行进一步优化来改善已知的过电压保护元件，而是通过使用与以往几乎是专用的钨铜不同的材料来制造电极。
由导电陶瓷材料制成的电极一方面比过去所用的钨铜电极便宜得多，另一方面，它具有很高的机械强度和热强度，这造成电极使用寿命很长。另外，在加载时，也就是说在电弧点火时，烧损非常小。最后，电极的导电能力可以通过选择陶瓷混合物而在较大的范围内进行调整，因而，在制造电极时，就可以考虑所希望的限制网路随动电流的阻抗特性。
有利的是，这种能导电的陶瓷材料是在一种至少包含有一种金属和/或至少一种金属化合物的陶瓷材料的基础上构成的。通过合适地选择金属或金属化合物，可以容易地确定陶瓷材料的导电能力。导电陶瓷材料最好在有时也被称为金属陶瓷的陶瓷合金基础上构成。在这里，陶瓷合金是指由一种金属成分和一种陶瓷成分组成的材料组。通常将陶瓷粉末与金属粉末混合并在高压下压成型坯并再烧结、磨细并接着通过压模在高压下压成所希望的形状。
按照本发明的另外一种设计方案，能导电的陶瓷材料是在以下能导电材料的基础上构成的金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物、金属氮化物和/或硅。不言而喻的是，导电陶瓷材料也可以在以前所列材料的化合物的基础上构成。
按照另一种可供选择的设计方案，导电陶瓷材料并不是由同样也导电的陶瓷组成，而是由本身并不导电但掺入了导电成分的陶瓷构成。导电陶瓷材料尤其是在以下不导电材料的基础上构成的金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物或者金属氮化物，在这些材料中掺入至少一种能导电的成分，这种导电成分尤其从以下导电的材料组中选出来的金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物和金属氮化物及其混合物。但导电成分不一定是金属，它也可以是石墨或硅。
氧化铟锡、碳化硅、碳化硼、硼化钛、硼化钙、氮化钛和硅尤其适合用作导电陶瓷材料。在这里，前面所列的材料分别涉及到能导电的陶瓷。由本身并不导电的陶瓷和导电成分所组成的混合陶瓷的例子可以包括锆氧化物和碳化钛、铝氧化物和碳化钛、氮化硼和硼化钛、硅铝氧氮聚合物以及铬酸镧。
本发明的理论基本上与过电压保护元件或者过电压保护装置的具体设计方案没有关系，尤其是与电极的布置的形状/火花间隙的设计方案或者是否应用点火辅助件等无关。以下，对若干本发明的优选过电压保护装置和其它设计方案进行简要的说明。
按照第一有利改进方案，按本发明的过电压保护装置正如本身已知的那样具有一种造成火花间隙的点火辅助件。点火辅助件或者有在动作时产生表面放电的击穿火花间隙，或者有飞弧火花间隙，即固有的点火火花间隙。优选地把点火辅助件设计成具有固有的击穿火花间隙的“活动点火辅助件”，因而，过电保护装置至少有第三电极，它如此配属于第一电极和第二电极，即在第一、第三电极之间有第二个火花间隙或者起作用。可从德国公开专利文件DE19803636中知道这样的“活动点火辅助件”是如何具体地形成有一个点火电路和一个点火电压输出，在这里明确指明要参照与之相关的内容。
按照本发明的另一种有利设计方案，在过电压保护装置的外壳里，作为灭弧辅助件地设置多个灭弧板。由于设置这种灭弧板，改善了过电压保护特性，尤其是过电压保护装置的网路随动电流的灭弧特性，这是因为，把电弧分解成一系列短的前后相互串联的分电弧，而且分电弧之和需要比未分开电弧更高的电压。灭弧板最好也象电极那样由导电陶瓷材料制成。因而，就可把用于制造电极的材料用于制造灭弧板。
火花角6未示出地可以在其与连接腿5相邻的区域内设置有一平行于连接腿5的孔。这些孔用于在过电压保护元件1动作时即点火时使所形成的电弧在孔附近通过热的和/或电的和/或磁的压力作用和/或力作用而“移动”，即离开其形成处。
可以从
图1、2中看到，在所示实施中，电极2、3的火花角6在其相互背离的面上设有槽7。用槽7实现了，电流在到达电弧底弧之前必须精确地适应V形火花间隙4的轮廓。
图2所示的过电压保护装置8主要包括过电压保护元件1和一个容放过电压保护元件1的外壳9。还有一个引起表面放电的点火辅助件10，辅助件布置在两个电极2、3的连接腿5的相对端之间。点火辅助件10可由绝缘材料制成并稍微伸入由火花角6构成的火花间隙4里。
在图2所示的过电压保护装置8的外壳9内布置了许多灭弧板11。在电极2、3的或者电极2、3的火花角6的相互背离的面上，分别布置了许多灭弧板11。另外，对于一个图2所示的本发明过电压保护装置8的实施例来说，与火花角6相邻的外壳盖12由导电陶瓷材料制成也是适当的。在火花角6的与外壳盖12相邻的端部和外壳盖12之间的间距的选择应保证在火花角6的与外壳盖12相邻的端部和外壳盖12之间能够形成电弧。通过这些上述措施，在过电压保护元件1动作后所产生的电弧首先从点火部位移动到火花角6的顶尖上。随后，在火花角6的顶尖和由导电陶瓷材料制成的外壳盖12之间就形成了两个电弧。此时所构成的线环用于将这两个电弧驱赶到火花角6的后面。
最后，图2表示本发明过电压保护装置8的一个优选实施形式，电极2、3的连接腿5分别具有一个属于连接腿5后下一个灭弧板11的线环1 3。未示出的外壳9至少有一个孔，它用于平衡在电弧点火时所产生的压力。
图3表示一种过电压保护装置8，它具有第一电极2和第二电极3，它们各有一个火花角14、15。在这两个火花角14、15之间是一个空气击穿火花间隙16。这两个电极2、3相互间隔并且不相连。此外，过电压保护装置8有一个容放这两个电极2、3的外壳9。这两个火花角14、15的结构设计和相互布局应保证使其分别向着其外端扩大。因而就得到了由点火区17开始连续不断地向外扩展的空气击穿火花间隙16形状。在这种情况下，空气击穿火花间隙16呈V形，此时，空气击穿火花间隙16的开口角大约为45°。当然，较小的开口角(到10°)或者较大的开口角(到150°)都可以实现。
第一个火花角14成平头截圆锥形状，而第二个火花角15同心围绕第一个火花角14。因此，过电压保护装置8具有相对其中心轴线旋转对称的构造，其中空气击穿火花间隙16通过按本发明来布置电极2、3而同心围绕中心轴线并在轴向上开放。
第二个火花角15如第二电极3那样成环状。为了实现V形扩展的空气击穿火花间隙16，指向第一个火花角14的第二个火花角15的表面成截头漏斗状。
在空气击穿火花间隙16的点火部位17处，在这两个火花角14、15之间设有一个点火接片18，该接片用于引起表面放电。动作电压的大小可以通过点火接片18的宽度和/或高度即点火接片伸入空气击穿火花间隙16的距离来调定。点火接片18本身呈环状并由一种放出气体的塑料制成。
外壳9本身既可以由电绝缘材料制成，也可以由导电材料制成，它具有一个外壳底部19和一个外壳盖20。两个部件都是圆形的并相互粘结起来。最后，还可以从图中看到，过电压保护装置8具有一块反射板21，它被布置成与两个电极2、3有一定间隔。
权利要求
1.一种限制瞬时过电压并导出瞬时电流的过电压保护元件，它具有至少两个电极(2，3)以及在这些电极(2，3)之间的或者在其间起作用的火花间隙(4)，其中在火花间隙(4)点火时，在第一电极(2)和第二电极(3)之间产生电弧，其特征在于，电极(2，3)由导电陶瓷材料制成。
2.按权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，导电陶瓷材料是在一种包含至少一种金属和/或至少一种金属化合物的陶瓷材料的基础上构成的。
3.按权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，导电陶瓷材料是在金属陶瓷(陶瓷合金)的基础上构成的。
4.按权利要求1-3之一所述的过电压保护元件，其特征在于，导电陶瓷材料是在以下导电材料的基础上构成的金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物、金属氮化物和/或硅。
5.按权利要求1-3之一所述的过电压保护元件，其特征在于，导电的陶瓷材料是在以下的不导电材料的基础上构成的金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物或者金属氮化物，在这些不导电材料中掺入至少一种能导电的成分，这种导电成分尤其是从以下导电材料组中选出的金属氧化物、金属碳化物、金属硼化物、金属硅化物和金属氮化物以及它们的混合物。
6.按权利要求1-5之一所述的过电压保护元件，其特征在于，每个电极(2，3)具有一个连接腿(5)和一个与连接腿(5)成锐角布置的火花角(6)，这两个相互间隔的电极(2，3)的火花角(6)共同形成了火花间隙(4)。
7.一种过电压保护装置，它具有第一电极(2)、第二电极(3)、一个在这些电极(2，3)之间的或者在其间起作用的火花间隙(4)以及一个容放电极(2，3)的外壳(9)，其中在火花间隙(4)点火时，在第一电极(2)和第二电极(3)之间产生电弧，其特征在于，电极(2，3)由导电陶瓷材料制成并且尤其如权利要求2-6之一所述。
8.按权利要求7所述的过电压保护装置，其特征在于，它具有一个造成火花间隙(4)的点火辅助件(10)。
9.按权利要求8所述的过电压保护装置，其特征在于，把第一电极(2)和第二电极(3)分配给第三电极并且在第一电极(2)和第三电极之间有第二火花间隙存在或者起作用。
10.按权利要求7-9中之一所述的过电压保护装置，其特征在于，灭弧板(11)作为灭弧辅助件地被设置在外壳(9)里。
11.按权利要求10所述的过电压保护装置，其特征在于，灭弧板(11)由导电的陶瓷材料制成。
12.按权利要求7-11之一所述的过电压保护装置，它具有至少两个各有一个火花角(6)的电极(2，3)，其特征在于，与火花角(6)相邻的外壳盖(12)由导电陶瓷材料制成，或者在火花角(6)的对面设有一块由导电陶瓷材料制成的反射板。
13.按权利要求7-12之一所述的过电压保护装置，其特征在于，外壳(9)至少有一个孔并通过此孔产生压力平衡。
全文摘要
本发明涉及限制瞬时过电压并导出瞬时电流的过电压保护元件,它具有至少两个电极及在这些电极之间的或者在其间起作用的火花间隙,其中在火花间隙点火时,在第一电极和第二电极之间产生电弧,其中电极由导电陶瓷材料制成。本发明还涉及过电压保护装置,除了上述过电压保护元件外,它还具有一个容放电极的外壳。
文档编号H01T4/14GK1381931SQ0210858
公开日2002年11月27日 申请日期2002年4月3日 优先权日2001年4月3日
发明者M·韦特, J·沃斯吉恩, R·杜斯 申请人:凤凰接触股份有限及两合公司