专利名称：用于触发串联火花隙的装置和方法
技术领域：
本发明涉及用于触发串联火花隙的方法，其中有串联的至少两个部分火花 隙，并且通过第一电压分配设备，在所述部分火花隙上分配电源电压。本发明也涉及用于触发串联火花隙的装置，所述串联火花隙包括串联的至 少两个部分火花隙，并且所述装置包括用于在所述部分火花隙上分配电源电压 的第一电压分配设备。
背景技术：
例如，在高压线路方面，4吏用串行电容池(capacitor battery)来补偿线 路电感。为了对其形成保护，与电容池相并联，通常耦合一个金属氧化物变阻 器和/或一个火花隙，所述金属氧化物变阻器的电流电压特性是高非线性，并且 随着电池电流升高，金属氧化物变阻器限制电容电压。典型的限制电压"^为 2. 3pu=2. 3r，即2.3倍标称电容电压(根据不同情况该电压也可以选用其它 值)。此电压以线路的最大短路电流通过电容。在线路短路中，金属氧化物变 阻器通过限制其电压值为2. 3pu来保护电容。因此，线路中的一些电流通过金 属氧化物变阻器，使其变热(warm)。与电容和金属氧化物变阻器相并联，耦 合一个所谓强制触发的火花隙，如果变阻器过度变热，火花隙;故点火。如果短 路发生在串联电容所处的同一线路部分，则经常尝试强制触发火花隙。由于火 花隙的设置，通过使用传统技术，成功实施火花隙的强制触发的典型最低电压 大约为2pu。在一个线路短路中，线路断路器切断电流。如果线路短路电流为低电流， 变阻器电压值并不总是升到2pu或者更高。在此情况下，将不会发生火花隙的 强制触发。如果在打开线路断路器前，电容池还没有利用火花隙被旁路，线路断路器的瞬变恢复电压TRV升高。因此，有必要以低的线路电流和低于2pu的电 容电压进行火花隙的强制触发。典型的经验值要求是1. 7pu到1. 8pu。<&开号为8205236的瑞典申请^Hf了一种用于火花隙的强制触发的装置。 所述装置4吏用单独的脉冲变换器来提供高电压脉冲以点火火花隙。通过高电压 脉冲点火与主火花隙并联安装的辅助火花隙中的 一个，从而点火这些辅助火花 隙，最终触发主火花隙。但是必要的是同步火花隙电压与点火脉沖，使得允许 强制触发。高压脉沖所需的电能的同步和产生以及对脉冲变换器的供电需要合 适的设备。这意味着强制触发设备的结构变得复杂，增加了成本和损毁的可能 性，并且，因此削弱了强制触发设备的总体可靠性。专利号80812的芬兰专利公开了一种使用低于自点火电压的电压进行强制 触发火花隙的装置。火花隙被分为串联的至少两个部分火花隙。与部分火花隙 相并联耦合电容，以提供部分火花隙的共有电压分配。和电容串联安置一个部 件(member)，其可控地选择低阻态或者高阻态。在切换到高阻态时，所述部件 改变火花隙的共有电压分配，使得点火与其并联的部分火花隙。选择高阻态或 者低阻态的部件例如是一变换器。所述部件仍有许多可以改进的地方。进一步， 所述装置没必要运行的足够快。图1进一步公开了用于触发串联火花隙的装置，在图1的方案中，主火花 隙被分为两个串联的部分火花隙，即第一部分火花隙1和第二部分火花隙2。电 容Ca和Cb与第一部分火花隙l并联。电容Cc和第二部分火花隙2并联。电容 Ca、 Cb和Cc如此设计，使得在通常情况下它们分配电压，使两个部分火花隙l 和2上具有相同电压。电容Cc并联一个第一辅助火花隙3。第一辅助火花隙3 串联一个第一限流电阻R1。电容Cb并联一个第二辅助火花隙4,并且第二辅助 火花隙4串联一个第二限流电阻R2。辅助火花隙3和4为气压火花隙，即充气 触发管。辅助火花隙3和4密闭，并且因此在理论上其自点火电压为固定值。 但是其自点火电压存在轻微扩散，因此，为安全起见，其自点火电压被设置为
超过其上最高电压(即2. 3pu/4=0. 575 )的10%，在所述例中因此设置为 1.1*2. 3/4=0. "3pu,当串联火花隙，发时，其程序如下触发脉冲被输i!U，J 第一辅助火花隙，在第一火花隙中激活点火，并且随后电容Ca通过限流电阻Rl 电。然后分配电压，使得整个装置上电压的三分之一电压作用在电容Cb上， 并且因此作用在第二辅助火花隙4上。第二辅助火花隙的自点火电压被设置为1. 1*2. 3/4=0. 663pu。如果作用在整 个火花隙上的电压为3*0. 633pu=1.9pu,则自点火电压通过所述第二辅助火花 隙。考虑到辅助火花隙的容差，整个火花隙上的要求电压为2pu。限流电阻Rl串联一个变换器5,提供用于第二辅助火花隙4的触发脉沖。 因为触发脉沖具有很短的周期，所以触发脉冲加速点火，但并不必然降低点火 电压。当第二辅助火花隙4点火，电容Cb通过电阻R2放电。这导致整个电压 作用在将点火的第二部分火花隙上，之后，第一部分火花隙也将点火。辅助火花隙3和4的自点火不可以^Li殳置得过分低，使得其在没有强制触 发时不会依靠自身点火。如上所述，如果变阻器的限制电压为2. 3pu，整个火花 隙将在2. Opu电压下被点火。但是，就一切情况而论，2. Opu并不是足够低的。 所述装置依然相对复杂和昂贵。发明内容本发明的目的是提供一种用于触发串联火花隙的新型的装置和方法。 本发明的方法，其特征在于，在主电极之间的至少一个部分火花隙中 布置辅助电极；通过第二电压分配设备，设置辅助电极的电压到一给定值； 布置所述第二电压分配设备的电容量低于所述第一电压分配设备的电容 量，并且通过千扰(disturb)所述第二电压分配设备的电压分配，触发所 述串联火花隙；由此，所述部分火花隙的主电极和辅助电极之间的火花隙 将点火，并且，随后由所述第一电压分配设备决定的电压作用在位于辅助
电极和所述部分火花隙的第二主电极之间的火花隙上，所述火花隙也将点 火，其进一步导致，电源电压只作用在所述第二部分火花隙上，并且随后 在其中也产生跳火。本发明的所述装置，其特征进一步在于包括，辅助电极，其布置在主电极之间的至少一个部分火花隙中；第二电压分配设备，用于设置辅助电 极的电压到一给定值，所述第二电压分配设备的电容量低于所述笫一电压 分配设备的电容量；和用于干扰所述第二电压分配设备的电压分配的设备。 本发明的基本思想是所述装置包括至少两个串联的部分火花隙。所述 部分火花隙并联第 一 电压分配设备。在至少一个部分火花隙中布置辅助电 极，所述辅助电极的电压通过第二电压分配设备被设置为一给定值。通过 干扰所述第二电压分配设备的电压分配，改变所述辅助电极的电压值。因第二电压分配设备的电容量明显低于所述第一电压分配设备的电容量，并 且随后作用在第一电压分配设备上的电压将不会显著改变。因此，由所述 第一电压分配i殳备决定的电压只作用在位于所述第二辅助电极和所述部分 火花隙的电极之间的、并且也将点火的火花隙上。这进一步导致整个电源 电压仅作用在所述笫二部分火花隙上，由此在其中也发生跳火。所公开的 方案允许所述部分火花隙以明显低于其自点火电压的的电压点火。因此， 有可能非常有效和可靠地利用所述火花隙保护其他元件。 一个具体实施例 的基本思想是通过短路所述第二电压分配设备中的一个电压分配设备的 极点之间的间隙，例如，通过气压火花隙，即充气触发管，干扰电压分配 设备的电压分配。第二实施例的基本思想是通过脉沖变换器，输送电流 脉冲，干扰其它的电压分配设备的电压分配。这导致所述辅助电极的电压 改变并且进一步导致跳火。
以下将结合附图对本发明进一步详细说明，其中，图1示出现有技术中用于触发串联火花隙的装置； 图2示出根据本发明的一个实施例的用于触发串联火花隙的方案； 图3示出根据本发明的第二实施例的用于触发串联火花隙的方案； 图4示出根据本发明的第三实施例的用于触发串联火花隙的方案。 为清楚起见，在图中以筒明方式示出本发明，图中相同的附图标号表示 同一部件。
具体实施方式
图2示出一个方案，其中，主火花隙被分为两个串联的部分火花隙， 即分为第一部分火花隙1和第二部分火花隙2。所述第一部分火花隙并联 一个电容C1，第二部分火花隙并联一个电容C2。在此例子中设计这些所 谓第一电容C1和C2，使得在正常状态下，它们在部分火花隙1和2的其 中每一个上平均分配电压。在第一部分火花隙1中，以其本身公知方式存在主电极6a和6b。相 应地，在第二部分火花隙2中存在主电极7a和7b 。进一步，在外壳(housing ) 8中布置第一部分火花隙1。在外壳9中以其本身公知方式也布置第二部分 火花隙2。除了主电极6a和6b外，在第一部分火花隙1中还有辅助电极IO。主 电极6a和辅助电极10之间的距离小于主电极6a和6b之间的距离。优选 地，布置辅助电极IO，使得其与主电极6a和6b之间的距离大约为主电极 6a和6b之间距离的一半或者更少。所述装置进一步包括第二电容C3和 C4，在通常情况下，通过所述第二电容，设置辅助电极10的电压为一期 望值。由主电极6a、 6b和辅助电极10组成的结构可以是对称的，并且因 此第二电容C3和C4相等。第二电容C3和C4保持辅助电极10的电压介 于主电极6a和6b之间电压的一半，使得主电极6a和辅助电极10之间的 电场强度等于主电极6b与辅助电极10之间的电场强度。如果结构并不对 称，即，所述间隙并不相等，设计电容C3和C4的值，使得两间隙中的场 强相等。典型地，要设置第一部分火花隙1和第二部分火花隙之间的距离，使 得其场强相等。第一电容C1和C2典型地尺寸相等，由此，在通常情况下， 在每一部分火花隙1和2之间平均分配电压。甚至在此情况中，如果形成 的部分火花隙1和2不同，设计电容Cl和C2的电容量，使得每一部分火 花隙1和2中的场强相等。要设计火花隙可以承受正常工作电压。典型地，设计火花隙，使得部 分火花隙l和2的自点火发生在例如电压为电源电压^的75y。，其中，t/lim 是金属氧化物变换器所限制的电压。典型地，此电压值t/^-2. 3*f/n，其中〖/ 为 标称电压。图2所示的串联火花隙允许以低于上述自点火电压的电压强制触发，使得 由第二电容C3和C4拔^供的电压分配，即辅助电极10的电压值，被充分干扰。 在图2的情况中，通过辅助火花隙3干扰电压分配。辅助火花隙3为气压火花 隙，即充气触发管。通过辅助火花隙3，主电极6a和辅助电极10之间的火花隙 和与之并联的电容C3因此短路。例如，点火线團或者半导体开关可以以其本身 公知方式被用于触发辅助火花隙3。与辅助火花隙3串联的限流电阻R1限制流 经辅助火花隙3的电流。当辅助火花隙3已经被触发，电容器C3将放电。进一步，辅助电极10的 电压值降低，并且由电容器Cl决定的电源电压U的一部分作用在辅助电极10 和主电极6b上。因此，在对称情况下，所述电压大约为电源电压U的一半。因
此在主电极6b和辅助电极10之间产生跳火。随后，和所述火花隙并联的电容 C4放电。电容C3和C4的电容量明显低于电容C1的电容量。因此，电容C1上 的电压并没有明显降低。所述电压现在作用在辅助电极10和主电极6a之间， 因此，在所述火花隙中也产生跳火。这又将导致电源电压U几乎全部作用在第 二火花隙2上，由此也将产生跳火。因此，装置的操作要求串联相连的C3和C4的电容量低于电容C1的电容量。 优选地，电容C1的电容量超过串联连接的C3和C4的电容量两倍。根据一优选 实施例，电容C1的电容量超过串联连接的C3和C4的电容量五倍，更加优选地， 电容C1的电容量超过串联连接的C3和C4的电容量十倍。应该注意的是，在一些数值中，电源电压U的标称值^例如可以是40千伏 量级。例如，电容C1和C2的电容量可以是1. 5纳法，并且电容C3和C4的电 容量可以低于1纳法。例如，主电极6a和6b之间的距离以及主电极7a和7b 之间的距离可以为15到20mm量级。无需辅助火花隙3也可以干扰电容C3和C4的电压分配。图3所示为这种 方法的一个方案。图3所示方案与图2的方案基本一致，但^f吏用脉冲变换器11， 例如特斯拉变换器，代替辅助火花隙3，用来干扰电压分配。脉冲变换器ll与 电容3串联。触发脉冲,皮输送到脉冲变换器ll的初级线圏。为了产生用于初级 线圏的触发脉冲，例如，以其本身/>知方式，可以^使用点火线圏或者半导体开 关。当触发脉沖^皮输送到脉冲变换器11,其产生高压脉冲，其电压被分配到电 容C3和C4。然而，因为和这些电容C3和C4并联的是相当大的电容C1，电极 6a和6b之间的电压将不会明显改变。根据脉冲和交流电压的瞬时值的极性，由 脉冲变换器ll产生的电压分配的干扰导致触发火花隙6a-10或者火花隙6b-10。 与跳火的火花隙并联的电容C3或C4将放电。因此，由于串联连接的电容C3和 C4的电容量低于电容C1的电容量，则作用在电容C1上的电压并不会明显下降。 因此所述电压作用在位于辅助电极10和主电极6a或者6b之间的火花隙上，并 且所述火花隙也将跳火。进一步，如结合图2所描述的，随后将在部分火花隙2
的主电极7a和7b上发生跳火。通过如图4所示在辅助电极10和电容中间点之间布置脉冲变换器11，也可 以改变辅助电极10的电压值。这种连接的一个优点是电容C3和C4具有较小电 压应力(voltage stress)。脉冲变换器11的初级线圏可以接地或者也可以连 接到图4所示电容的中间点。在后一情况中，根据图4通过利用辅助电容C5和 C6、 二极管D1和开关K1，可以产生用于触发初级线圈所需的能量。火花隙的自点火电压依赖周围环境，诸如温度和空气湿度。因此，在实践 中，火花隙的自点火电压并没有如理论上可以设置的那么低。火花隙的自点火 电压应当高于金属氧化物变阻器所限制的电压。典型地，限制电压，即[/^，为 2. 3倍于标称电压^。也可以使用符号2. 3pu(每单位)。因此理论上， 一个火 花隙1或者2的自点火电压应当高于0. 5*2. 3pu。但是，为了防止自点火发生在 过低的电压，已发现部分火花隙1和2的自点火发生在值0. 75*t/lira ，这提供一 个好的安全系数/裕度(safety factor/margin)。在所提出的方案中，用于强 制触发(即成功地强制触发)的低限值由部分火花隙1和2的自点火电压决定。 也要考虑空气温度和空气压力。如果部分火花隙的自点火电压被设置为 0. 75*f/iim，如果f/,皿为2. 3pu,串联火花隙的强制触发的电压将仍旧为1.73pu。在一些实施例中，可以使用本申请文件所公开的特征，而不考虑其他特征； 另一方面，本申请文件所公开的特征可以进行结合来提供不同的组合。附图和相关描述仅用来说明本发明的思想，本发明的细节可以在权利要求 书的范围内变化。因此，串联火花隙可以包括如附图所示的串联的两个部分火 花隙，或者可以为多个串联的部分火花隙。除了电容，电压分配设备可以是例 如电阻或者其他适当的电压分配设备。但是优选地使用电容作为电压分配设备， 因为它们的结构相对简单，并且另外开关可以利用它们的能力来存储能量。很 自然地，可以以相应的方式并联或者串联多个电容代替一个电容。
权利要求
1、一种用于触发串联火花隙的方法，其中，至少有串联的两个部分火花隙(1，2)，并且通过第一电压分配设备(C1到C4)在所述部分火花隙(1，2)上分配电源电压(U)，其特征在于，在主电极(6a，6b)之间的至少一个部分火花隙(1)中布置辅助电极(10)；通过第二电压分配设备设置所述辅助电极(10)的电压到一给定值；布置所述第二电压分配设备的电容量低于所述第一电压分配设备的电容量，并且通过干扰所述第二电压分配设备的电压分配，触发所述串联火花隙；由此，所述部分火花隙(1)的主电极(6a，6b)和辅助电极(10)之间的所述火花隙将点火，并且随后由所述第一电压分配设备决定的电压作用在位于所述辅助电极(10)和所述部分火花隙(1)的第二主电极(6a，6b)之间的火花隙上，并且所述火花隙也将点火，其进一步导致，电源电压(U)单独作用在所述第二部分火花隙(2)上，并且随后在其中也产生跳火。
2、 权利要求l的方法，其特征在于，通过短路所述辅助电极(10) 和所迷主电极(6a， 6b)之间的所述火花隙，执行电压分配的干扰。
3、 权利要求2的方法，其特征在于，通过一个充气触发管执行所述短路。
4、 权利要求l的方法，其特征在于，通过脉冲变换器(11)执行电 压分配的干扰。
5、 权利要求l至4中的任一项的方法，其特征在于，所述电压分配 设备是电容(Cl到C4 )。
6、 权利要求5的方法，其特征在于，所述第一电容(C1， C2)的电 容量超过串联连接的所述第二电容(C3， C4)的电容量两倍。
7、 权利要求5的方法，其特征在于，所述第一电容(C1， C2)的电 容量超过串联连接的所述第二电容(C3， C4)的电容量五倍。
8、 一种用于触发串联火花隙的装置，所述串联火花隙包括串联的至 少两个部分火花隙(1， 2)，所述装置包括用于在所述部分火花隙(1， 2) 上分配电源电压(U)的第一电压分配设备，其特征在于，包括辅助电极(10)，其布置在主电极(6a， 6b)之间的至少一个部分火花隙(1)中； 第二电压分配设备，用于设置所述辅助电极(10)的电压到一给定值，所 述第二电压分配"i殳备的电容量低于所迷第一电压分配设备的电容量；和用 于干扰所述第二电压分配设备的电压分配的设备。
9、 权利要求8的装置，其特征在于，包括用于短路所述辅助电极(10 ) 和所述主电极(6a， 6b)之间的所述火花隙的i殳备。
10、 权利要求9的装置，其特征在于，用于短路所述辅助电极810) 和所述主电极(6a, 6b )之间的所述火花隙的所述i殳备为充气触发管(3 )。
11、 权利要求8的装置，其特征在于，包括用于输送电流脉沖来干扰 所述第二电压分配设备的电压分配的脉冲变换器(11)。
12、 权利要求8至11中的任一项的装置，其特征在于，所述电压分 配设备是电容(Cl到C4 )。
13、 权利要求12的装置，其特征在于，所述第一电容(C1， C2)的 电容量超过串联连接的所述第二电容(C3， C4)的电容量两倍。
14、 权利要求12的装置，其特征在于，所述第一电容(C1， C2)的 电容量超过串联连接的所述第二电容(C3, C4)的电容量五倍。
全文摘要
触发串联火花隙，其中串联火花隙的部分火花隙(1，2)并联第一电压分配设备。进一步，至少在一个部分火花隙(1，2)中布置辅助电极(10)，其电压通过第二电压分配设备被设置为一给定值。通过干扰第二电压分配设备的电压分配，改变辅助电极(10)的电压值。因此，将点火位于部分火花隙(1)的主电极(6a，6b)和辅助电极(10)之间的火花隙。第二电压分配设备的电容量低于第一电压分配设备的电容量，并且随后作用在第一电压分配设备上的电压值并不明显改变。因此，由第一电压分配设备决定的电压作用在位于辅助电极(10)和部分火花隙(1)的第二主电极(6a，6b)之间的火花隙上，所述火花隙也将点火，其进一步导致，电源电压(U)只作用在第二部分火花隙(2)上，并且由此在其中也产生跳火。
文档编号H01TGK101213713SQ200680024225
公开日2008年7月2日 申请日期2006年6月29日 优先权日2005年7月1日
发明者H·霍尔姆, J·黑尔斯特姆, T·坎瑟拉 申请人:诺基亚电容器公司