专利名称：光触发的火花隙的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过压保护装置，包括带有相互相对设置的电极的火花隙，用于根据控制单元的触发信号产生触发光的光源，其中，该触发光用于直接触发火花隙。
背景技术：
DE 19718660A1已经公开了一种这样的过压保护装置。其中所描述的过压保护装置具有一个由两个相互相对的电极组成的火花隙。为了触发该火花隙设置了一个脉动的氮激光器，其处于UV(紫外线)范围中的激光脉冲在一个由电极所限定的气体室中被偏转。为了将触发光耦合到由外壳所包围的火花隙中，设置了由石英玻璃制成的、透过UV光的窗口。为了降低触发火花隙所需要的光脉冲的能量，在电极之间设置了金属悬浮微粒，使得可以通过光子发射来产生触发电子。
DE 19803636A1公开了一种带有可通过触发电极触发的火花隙的过电压保护系统。一个由带有触发电容器的电容分压器以及触发开关元件组成的触发电路用来触发火花隙，由于电容分压器的原因降落在触发开关元件上的电压比降落在火花隙的主电极上的电压小。如果在触发开关元件上施加的电压超过一个阈值，则该触发开关元件从其中断电流的截止状态转换到其传导电流的导通状态，从而触发电容器放电，这引起了在触发电极和主电极之间的火花放电并且由此触发主火花隙的触发。
可以主动触发的火花隙也被用作设置在绝缘布置的高压平台上的部件的过压保护。
这种过压保护根据普遍的现有技术已经是公知的。图1示出了一种这样的过压保护装置，其具有一个带有主电极3的主火花隙2。主电极与串联电容器并连，串联电容器连接到高压电位上的交流电网。通过借助于火花隙的桥接，保护了电容器免受高电压。串联电容器或者其它待保护电子元件设置在绝缘布置的平台4上，该平台被支撑在位于地电位上的环境中的柱形的、图中没有示出的支撑体之上。例如，在图1中下面标出的主电极3处于与平台4对应的高压电位上，而在图1中上面示出的主电极3位于交流电网的高压电位上。在主电极之间降落一个介于约60kV至160kV之间的电压，使得在平台4上设置的部件为该电压降而实施。
为了有效触发火花隙2设置了带有触发电极6的触发电路5，其中，触发电路5包括一个带有第一电容器7和触发电容器8的电容分压器。触发电容器8可以通过一个并联支路被桥接，在该并联支路中设置了一个触发火花隙9和一个与其串联的欧姆电阻10。触发火花隙9可以通过控制电路11转换到其导通状态，在该导通状态中电流可以通过该并联支路，由此桥接了触发电容器8。通过该桥接触发电极6被置于下面主电极3的电位上，不过触发电极6在空间上设置得比下面主电极3更接近于上面主电极3。形成了跳越到下面主电极3上的火花放电。控制电路11可以通过电源12被提供用于触发触发火花隙9所需的能量。
触发火花隙9的触发是主动进行的。在此，保护设备13监视交流电网的电测量参数，如交流电网每一相上的交流电和/或降落在平台4上电子部件上的电压。如果出现了触发条件，例如超出了在部件上的门限电压，则保护设备13产生传送至半导体激光器14上的触发信号，半导体激光器14据此产生光学触发信号，后者通过光波导体15引入到控制电路11中。在接收到光学触发信号时控制电路使得火花隙2被电触发。也就是说，火花隙2仅仅通过光学信号被间接地触发，因此，光学信号的光强度仅仅与控制电路的光电转换器的灵敏度相协调。
保护设备13以及半导体激光器14处于地电位，从而简化了在需要时对它们的接近和维护。通过光波导体15可以可靠地引导触发光，在此还同时保持了过压保护装置1的处于高压电位的平台4和处于地电位的部件13和14之间的绝缘。
由于在平台上的所需的带有电源的电路，公知的过压保护装置是开销巨大并且维护麻烦的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种本文开始部分所述类型的过压保护装置，利用其可以可靠地触发火花隙。
本发明是通过一种用于将触发光引导至火花隙的光波导体解决上述技术问题的。
按照本发明，将触发光从光源可靠地通过光波导体引导至火花隙。为此，构成光波导体的材料必须具有对于触发光充分高的光学透明性，并且必须尽可能避免随着耗散的热量造成的光吸收。按照本发明，用于触发火花隙所需的光功率要高到在触发光从光波导体中出来之后，通过光子发射和/或多光子吸收或者其它效应能够提供足够数目的自由载流子，这些载流子由在火花隙的电极之间存在的电场加速并且形成光弧。
在本发明的框架中，例如火花隙的一个电极接地，而另一个主电极位于与此相比较高的电位上。不过，在实际中这种情况并不是重要的。
不过，在本发明的一种优选实施方式中，主电极设置在电绝缘布置的平台上，该平台处于高压电位并且用于支撑可以与高压交流电网连接的部件，在此光源是接地的。换言之，光源不是设置在平台上，而是设置在接地的并且与光源导电连接的环境中。在此，过压保护装置用于保护设置在平台上的部件，如电容器、线圈等等。起到绝缘作用的光波导体在平台与接地的光源之间延伸，使得对于火花隙的控制可以在同时保持平台相对于地电位绝缘的条件下进行。
合适的是，光源包括用于光学地抽送纤维激光器(Faserlaser)的泵激光器(Pumplaser)，其中该纤维激光器的激活媒质在光波导体的一个片段中构成。该光波导体的片段是利用一种吸收泵激光的光学激活材料掺杂的，使得在足够高的泵功率下可以粒子数反转。在此，光波导体的该片段的材料支持激光过程。通过该纤维激光器避免了麻烦的将触发光耦合至光波导体。光在从光波导体的激光共振器出来之后其实是自身传导到光波导体中，从而可以根据泵功率在光波导体中产生高的触发光功率。
专业人员最为公知的任意泵激光器都适合于作为该泵激光器。泵激光器例如是固体激光器，例如具有处于纤维激光器的光学激活粒子的吸收范围内的发射波长的Nd-YAG激光器或者半导体激光器。
优选地，设置用于聚焦触发光的光学部件。根据该优选的扩展，在平台上的火花隙与光波导体的出口侧的末端之间设置了光学部件，其根据对应的取向将对触发光的聚焦引入到由主电极所限定的气体室中。通过将触发光聚束使得在焦点区域中的光强度高到使得由于在气体分子和激光之间的非线性交互作用例如通过多光子吸收在火花隙中产生自由电子或换言之产生激光诱发的光学击穿。通过主电极之间存在的电场使自由电子加速，从而由于形成的雪崩效应在电极之间构成光弧，该光弧在要保护的元件上产生电压降。
优选地，将触发光送至相对相向电极的电极表面。在该合适的扩展中，利用了所谓的用于火花隙触发的光子发射。在此，触发光与电极的表面材料相互作用。由于该相互作用电子从电极材料中被释放出来以触发火花隙。在此，也可以聚焦触发光。
与此不同的是这样选择光波导体的取向，即，主电极的表面位于从光波导体出来的触发光的路径上。在此，例如没有聚焦的触发光以直角或锐角击中电极的表面。在两种变形中起决定作用的是，由于电极材料的相互作用提供了对于触发火花隙所需数目的自由载流子。通过这种方式避免了光波导体在被触发的火花隙中的熔化。
在本发明的另一种实施方式中，触发光垂直于主电极之间的电场入射，其中，触发光沿一个主电极表面引入，并在此引起电子从表面材料中逸出。在此，光子发射效应也触发了火花隙放电。
优选地，光波导体的离开光源的自由端被设置在电极中。根据该优选的扩展光束平行于在电极之间存在的电场的场线而从光波导体中逸出。为了保护光波导体免受路径熔化，将光波导体的逸出端加深地设置在主电极中，从而保持光波导体与触发光弧保持距离。
在一种优选的实施方式中，火花隙是用于触发主火花隙的触发电路的一部分。主火花隙例如要过电压保护的部件并联。在此，为了提高耐压性火花隙可以具有多个子火花隙，它们相互串联设置并且其中仅有一个通过光来触发。通过仅触发这些串联连接的子火花隙中的一个或一部分，使得降落在尚未被触发的子火花隙上的电压升高，从而使它们同样被触发。这也相应地适合于不是触发电路的一部分、而是直接与待保护的部件并联的火花隙的串联连接。换言之，按照本发明火花隙的任何连接都是可能的。
本发明的其它适当的结构以及优点是下面借助于附图对本发明的优选实施方式描述的主题，其中作用相同的部件标有相同的附图标记，其中图1示出根据现有技术的过压保护装置的实施方式，以及图2示出按照本发明的过压保护装置的实施方式。
具体实施例方式
图1示出了根据现有技术的过压保护装置1的公知的实施方式，其已经在上面描述过了。
图2示出了按照本发明的过压保护装置1的实施方式，该过压保护装置与设置在平台4上的图中没有示出的元件、例如高压电容器并联。在此，高压电容器串联在高压交流电网的一个相中。为了避免较高的电位差，将可以与交流电网的高压线耦合的部件设置在平台4上，该平台例如在由陶瓷、热塑合成树脂等制成的支撑体之上在处于地电位的环境中保持绝缘。
在所示出的实施方式中，过压保护装置1包括一个由主电极3构成的主火花隙2，其可以借助于触发电极6触发。触发电路5用于触发，其与触发电极一样设置在平台4上，并因此而处于高压电位。触发电路5由电容分压器组成，该电容分压器由相互串联的电容器7和触发电容器8组成。触发电容器8可以通过桥接支路被桥接，在该桥接支路中作为火花隙串联地设置了欧姆电阻10和触发火花隙9。
而保护设备13以及泵激光器16则位于地电位。泵激光器16与图1中的激光器13不同，不是用于产生可以耦合到光波导体15中的触发光，而是用于抽送纤维激光器17，该纤维激光器17构成为光波导体15的片段，并且由掺杂了光学激活微粒的基质晶体组成。对于泵激光器16的泵激光可透过的基质晶体在产生粒子数反转中支持光学激活微粒，从而使纤维激光器17的激光器运行成为可能。
保护设备13与图中没有示出的如电压测量计的测量发生器连接，从而可以将降落在待监视的部件上的电压传送至保护设备13。
在图2中所示出的过压保护装置1的作用方式如下保护设备13将从电压测量计输入的电压值例如与一个阈值进行比较。与此不同的是，保护设备从测量设备的电流值中导出电压值。如果电压值高于阈值，则保护设备13触发一个送至泵激光器16的电触发脉冲。在接收到该触发脉冲之后，由泵激光器16产生释放纤维激光器17的激光脉冲的泵激光。纤维激光器17的激光脉冲被称为触发光。由纤维激光器17输出的触发光通过光波导体15引导至触发火花隙9，该触发火花隙9由一个没有示出的外壳密封。该外壳被填充了气体。在此，将光波导体的自由端这样设置在该外壳中，使得由光波导体15逸出的触发光垂直于由触发火花隙9的电极所产生的电场而入射到由电极所限定的气室中。纤维激光器17的激光的强度为可使得在触发火花隙9中产生光学击穿，从而触发触发火花隙9。通过已经结合图1描述的连接产生了火花隙3的击穿，从而保护了并联的部件免受过高的电压。
在与此不同的、图中未示出的实施方式中，将光波导体直接引至主火花隙。由此可以光学地触发主火花隙。按照这种方式昂贵的触发电路就变得多余。由此获得的费用上的优点补偿了泵激光器和纤维激光器的花费。
权利要求
1.一种过压保护装置(1)，包括带有相互相对设置的电极(3)的火花隙(2)，用于根据控制单元的触发信号产生触发光的光源，其中，该触发光用于直接触发该火花隙(2)，其特征在于，具有用于将该触发光引导至所述火花隙(2)的光波导体(15)。
2.根据权利要求1所述的过压保护装置(1)，其特征在于，所述电极(3)设置在电绝缘布置的平台(4)上，该平台(4)处于高压电位并且用于支撑与高压交流电网连接的部件，并且所述光源接地。
3.根据权利要求1或2所述的过压保护装置(1)，其特征在于，所述光源包括用于光学地抽送纤维激光器(17)的泵激光器(16)，其中，该纤维激光器(17)的激活媒质在所述光波导体(15)的一个片段中构成。
4.根据上述权利要求中任一项所述的过压保护装置(1)，其特征在于，具有用于聚焦触发光的光学部件。
5.根据上述权利要求中任一项所述的过压保护装置(1)，其特征在于，所述触发光被传送至朝向相对电极(3)的电极(3)的表面。
6.根据上述权利要求中任一项所述的过压保护装置(1)，其特征在于，所述光波导体(15)的离开光源的自由端被设置在电极(3)中。
7.根据上述权利要求中任一项所述的过压保护装置(1)，其特征在于，所述火花隙是用于触发主火花隙的触发电路(5)的一部分。
全文摘要
为了提供一种过压保护装置(1)，利用其可以可靠地触发火花隙，该过压保护装置(1)包括带有相互相对设置的电极(3)的火花隙(2)，用于根据控制单元的触发信号产生触发光的光源，其中，该触发光用于直接触发该火花隙(2)，提出了用于将触发光引导至火花隙(2)的光波导体(15)。
文档编号H01T2/00GK1910797SQ200580002391
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月12日 优先权日2004年1月13日
发明者彼得·门克 申请人:西门子公司