专利名称：具有光触发的功率半导体元件的火花隙的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种过电压保护装置，其包括具有相对设置的电极的火花隙、用于触发该火花隙的触发电路，和与保护装置连接的处于地电势的光源，用于产生可借助至少一个光波导体引入触发电路的接收单元的触发光，其中该火花隙和触发电路处于高压电势。
背景技术：
这种过电压保护装置按照众所周知的现有技术已经是公知的。图1示出了一个这样的过电压保护装置，其具有包括主电极3的主火花隙2。主电极与串联电容器并联，后者与处于高压电势的三相电网连接。通过借助火花隙进行的跨接，保护电容器免受过高的电压。在此串联电容器或其它要保护的电元件设置在一个绝缘的平台4上，该平台由柱状的、图中未示出的支架支撑，其周围处于地电势。从而例如在图1下方示出的主电极3处于高压电势，该高压电势与平台4的高压电势对应，而图1上方示出的主电极3处于三相电网的高压电势。在主电极之间的电压降在大约60kV和160kV之间，从而设置在平台4上的元件是针对该电压降来布置的。
为了有效触发火花隙2而设置了触发电路5以及触发电极6，其中触发电路5具有电容式分压器，后者包括第一电容7和第二电容8。第二电容8可以被一个并联支路跨接，在该并联支路中设置了一个触发火花隙9以及与其串连的欧姆电阻10。触发火花隙9可以通过控制电路11而转换到导通状态，在该导通状态下电流可以流过该并联支路并由此实现了对第二电容器8的跨接。通过跨接使触发电极6处于下主电极3的电势，但触发电极6在空间上比下主电极3更靠近上主电极3。形成了跳到下主电极3的火花放电。控制电路11由供电装置12提供触发触发火花隙9所需的能量。
触发火花隙9的触发是主动进行的。在此保护装置13监控三相电网的电测量参数，如三相电网每一相的交流电，和/或平台4上的电元件上的电压降。如果存在诸如超过元件上的阈值电压等的触发条件，则保护装置13产生触发信号，该信号被发送到半导体激光器14，后者据此产生光触发信号，该光触发信号通过光波导体15被输入作为接收单元的控制电路11。在接收到光触发信号或换句话说触发光时，控制电路引起对火花隙2的电触发。
保护装置13以及半导体激光器14处于地电势，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，同时可在处于高压电势的平台4和具有地电势的过电压保护装置1的元件13、14之间保持绝缘。
尤其是由于平台4上需要的具有供电装置的电路，公知的过电压保护开销很高，并且维护也很费事。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种本文开始所述类型的、可靠和成本低廉的过电压保护。
本发明是这样来解决该技术问题的接收单元具有至少一个功率半导体元件，该元件通过触发光从流过功率半导体元件的电流被中断的截止状态转换到电流可以流过功率半导体元件的导通状态。
根据本发明简化了对过电压保护的控制。代之以将触发光输入光电转换器，例如根据接收光的强度产生电触发信号的二极管，直接将触发光引入可用光触发的功率半导体元件，该元件通过触发而导通电流。通过该方式例如在可以任意连接形式的用于触发火花隙的电流支路中短暂地导通电流。与现有技术不同，功率半导体元件不需要处于高压电势的需要维护的供电装置，从而本发明的过电压保护就其成本和可靠性来说是很突出的。
优选半导体元件构造为反向连接、且可光触发的半导体闸流管。半导体闸流管可以主动地只从其截止状态转换到导通状态。反向过程是被动发生的。在流过半导体闸流管的交流电的电流过零点处，交流电低于半导体开关元件的保持电流，从而该半导体开关元件又转换到其截止状态。为了提高电压的稳定性，还可以串联多个半导体闸流管。
根据与此有关的合适的扩展，设置了其它光波导体，从而每个半导体闸流管都可以通过自己的光波导体被供以触发光。为了将触发光馈入这些其它光波导体，例如设置相应数量的其它光波导体，它们分别与对应的光波导体连接。与此不同的还可以采用一个或多个光耦合器，用于根据需要将一个光源的触发光分配给现有的光波导体。光耦合器根据现有技术是公知的，因此这里不需要对其作用方式详细描述。
优选触发电路包括具有电容器的电容式分压器，该电容器可借助功率半导体元件被跨接。通过跨接分压器的一个电容器，例如可以产生电流脉冲，从而可以通过线圈在使得火花隙被触发的触发线圈中产生电压脉冲。
与此不同，触发电路与触发电极连接，触发电极到火花隙的第一电极的距离小于第一电极和与其相对的第二电极之间的距离，在此借助触发电路为触发电极施加第二电极的电势。
在一合适的变形中，火花隙具有至少两对相对设置的电极，这些电极相互串联，其中可被跨接的电容器与相对设置的电极中的一对并联。换句话说火花隙由两个或多个子火花隙组成。在电容器被跨接之后，先前降落在所有子火花隙上的电压现在降落在未被跨接的子火花隙上。由于未被跨接的子火花隙上因此而提高的电压降，在这些子火花隙上出现了电火花。在半导体元件转换到其截止状态之后，在与电容器并联的子火花隙上降落的电压也增大，该增大的电压降在此也会引起电火花。
在本发明的范围中还可以通过功率半导体元件触发辅助火花隙，该辅助火花隙是触发电路的一部分，在此通过触发辅助火花隙触发与受保护的元件并联的火花隙。在需要的情况下触发电路包括多个相互串连的辅助火花隙，用于提高触发电路的电压稳定性。在此，如前所述，通过功率半导体元件仅跨接一个辅助火花隙就足够了。
根据本发明的一优选扩展，火花隙和触发电路设置在由支架绝缘支撑的平台上，该平台用于承载为了改善在引入交流电压的能量分配电网中的功率传输而设置的元件。这些元件例如是电容器或线圈，它们用于补偿无功功率，并且串联或并联地连接在三相电网中。通过该方式可以避免元件的处于高压电势的接头和处于地电势的接头之间出现过大的距离。通过与过电压保护装置的并联连接，可以保护元件免受过电压。
根据本发明，光源例如是合适的激光器。激光器可以设置为与控制单元直接相邻，其中用于触发过电压保护的激光脉冲通过未导通的光波导体发射到平台，并在那里被功率半导体元件接收，由此提供了对火花隙的触发以及对平台上期望元件的保护。作为激光器合适的例如是半导体激光器，其激光脉冲通过耦合元件耦合到光波导体中。与此不同，还可以在光波导体中集成通过半导体激光器提供动力的纤维激光器。在此该半导体激光器与保护装置连接，该保护装置又由测量发生器提供电测量参数，该参数例如测量设置过电压保护装置来保护的元件上的电压降。该元件例如是设置在平台上的与三相电网的一相串连的电容器。由测量发生器产生的测量值被扫描和数字化，其中保护装置通过在其中实现的逻辑电路将从测量值中推导出的数字电压值与触发条件比较，在存在触发条件时产生触发信号，该触发信号使半导体激光器发射激光脉冲。
下面参照附图对本发明的实施例的描述给出本发明的其它合适的结构和优点，其中图1示出根据现有技术的公知过电压保护装置，图2以示意图示出本发明的过电压保护装置的实施例，图3以示意图示出本发明的过电压保护装置的另一实施例。
具体实施例方式
图1示出已经描述过的、按照现有技术的过电压保护装置。
图2示出本发明的过电压保护装置1的实施例，其设置用于保护图中未示出的元件，例如高压电容器，在此，高压电容器与高压三相电网串联。如已经结合图1所描述的，设置在平台4上的电元件处于高压电势，其电压降相对于三相电网的每个相处于平均电压范围内。通过该方式避免了过大的距离，以促成所需要的电压稳定性。该过电压保护装置与要保护的元件并联。
与图1的过电压保护装置一样，按照图2的过电压保护装置1被主动触发，其中在要保护的元件上降落的电压值被输入保护装置13，该保护装置13就是否出现触发条件检查该电压值。如果在要保护的元件上降落的电压例如超过最大的阈值，则该保护装置产生电触发脉冲来触发激光器14，该激光器据此产生光脉冲作为可以耦合到光波导体15中的触发光。没有电导通的光波导体15在其离开激光器14的末端与半导体闸流管16连接，后者在通过光波导体15获得触发脉冲之后从流过半导体闸流管16的电流被中断的截止状态转换到电流可以在该方向流动的导通状态。
所示出的过电压保护装置1是为交流电设置的，因此为了提供不同极性的电流的导通将两个反向连接的半导体闸流管16并联连接。第二半导体闸流管16也与引向激光器14的光波导体15耦合。在此激光器14配备了根据保护装置13上的不同控制信号将触发光耦合到一个或多个光波导体15中的装置。
如果一个半导体闸流管16处于导通状态，则与图2的上主电极3之间的距离小于下主电极3与上主电极之间的距离的触发电极6连接在下主电极的电势上。由于距离的减小，在上主电极3和触发电极6之间导致击穿，其中只要两个半导体闸流管16又处于其截止状态，则上主电极的触发火花就跳到下主电极。这会在交流电的电流过零点时出现。
图3以示意图示出本发明的过电压保护装置1的另一实施例。火花隙2在此由两个子火花隙17组成，它们分别具有一对相对设置的电极3。子火花隙17串联连接，并分别与一个电容器7、8并联。在电容器8通过触发半导体闸流管16被跨接时，总电压降落在图3的上子火花隙17上，后者的电极具有不足以保持总电压的距离。这就形成触发火花。在半导体闸流管16转换到截止状态之后，总电压降落在图3的下子火花隙17上，后者据此同样触发。每个子火花隙都具有自己的密闭外罩18。
通过子火花隙17的串联连接，火花隙2可以一起用于较高的电压，而不必忍受涉及其控制可能性的缺陷。从而图3中示出的火花隙用于160kV到300kV之间的电压。相反图2中示出的过电压保护装置则优选用于60kV到160kV之间的电压。
权利要求
1.一种过电压保护装置(1)，包括具有相对设置的电极(3)的火花隙(2)、用于触发该火花隙(2)的触发电路(5)，和与保护装置(13)连接的处于地电势的光源(14)，用于产生可借助至少一个光波导体(15)输入触发电路的接收单元的触发光，其中该火花隙(2)和触发电路(5)处于高压电势，其特征在于，所述接收单元具有至少一个功率半导体元件(16)，该功率半导体元件(16)通过该触发光从流过功率半导体元件(16)的电流被中断的截止状态转换到电流可以流过功率半导体元件(16)的导通状态。
2.根据权利要求1所述的过电压保护装置(1)，其特征在于，所述半导体元件构造为反向连接、且可被光触发的半导体闸流管(16)。
3.根据权利要求1或2所述的过电压保护装置(1)，其特征在于，所述触发电路(5)具有电容器(8)的电容式分压器(7，8)，该电容器可借助所述功率半导体元件(16)被跨接。
4.根据上述权利要求之一所述的过电压保护装置(1)，其特征在于，所述触发电路(5)与触发电极(6)连接，该触发电极(6)到所述火花隙(2)的第一电极(3)的距离小于该第一电极(3)和与其相对的第二电极(3)之间的距离，其中，借助所述触发电路(5)给触发电极(6)施加第二电极(3)的电势。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的过电压保护装置(1)，其特征在于，所述火花隙(2)具有至少两对相对设置的电极(3)，这些电极(3)相互串联地设置，其中，可被跨接的电容器(8)与该相对设置的电极(3)中的一对并联。
6.根据上述权利要求之一所述的过电压保护装置(1)，其特征在于，所述火花隙(2)和触发电路(5)设置在由支架绝缘支撑的平台(4)上，该平台用于承载为了改善能量分配电网中的功率传输而设置的组件。
全文摘要
为了提供一种可靠和成本低廉的过电压保护装置(1)，其包括具有两个相对设置的电极(3)的火花隙(2)、用于触发该火花隙(2)的触发电路(5)，和与保护装置(13)连接的处于地电势的光源，用于产生可借助至少一个光波导体(15)输入触发电路(5)的接收单元的触发光，其中该火花隙(2)和触发电路(5)处于高压电势，建议接收单元具有至少一个功率半导体元件(16)，该功率半导体元件通过触发光从流过功率半导体元件(16)的电流被中断的截止状态转换到电流可以流过功率半导体元件(16)的导通状态。
文档编号H01T2/00GK1910798SQ200580002392
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月10日 优先权日2004年1月13日
发明者威尔弗里德·布鲁尔, 彼得·门克 申请人:西门子公司