封装的、能承受闪电电流的、限制续流的且具有至少一个火花隙的过电压保护装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种封装的、能够承受闪电电流的且限制续流的过电压保护装置，其包括至少一个火花隙，该火花隙分别具有至少两个主电极和一个辅助电极，其中，所述辅助电极与用于在瞬时过电压的情况下进行触发的点火装置连接。根据本发明设置有独立于第一点火装置的第二点火装置，该第二点火装置在不必存在过电压或脉冲电流、基于在火花隙的各主电极之间存在最低电压的情况下能够激活火花隙。
【专利说明】封装的、能承受闪电电流的、限制续流的且具有至少一个火花隙的过电压保护装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的封装的、可承受闪电电流的且限制续流的过电压保护装置，其具有至少一个火花隙，该火花隙分别具有至少两个主电极和一个辅助电极，该辅助电极与用于在瞬时过电压的情况下进行触发的点火装置连接。
【背景技术】
[0002]由标准(DIN EN 61643-11)和直到终端设备的接头的绝缘配合(DIN EN 60664-1)获得对供电网络的瞬时过电压保护的要求。附加地使用分散的供电装置或者本地蓄能器在正常运行中已经越来越多地导致供电波动的增强。由于变化的电网条件，针对过电压保护设备的TOV强度的要求持续升高。因此通常在电压高于电网的多相线电压时才激活特别是在火花隙情况下的瞬时过电压保护，通过这种方式在充分保护免受配电网中的瞬时过电压的影响的同时提供稳定的电网运行。
[0003]故障导致的电网供电的暂时过电压在需要时通常在数1ms后亦或在明显更长的时间之后才通过电网的保护装置的操控得以排除。通常这对于保护电网供电的设备来说足够了。利用这些解决方案不能令人满意地保障对易损的终端设备的保护。
[0004]终端设备例如越来越多地具有易损的电子部件，这些部件仅仅有限地或者不能令人满意地得到所述保护措施的保护。终端设备经常具有用于调节运行特性和用于确保稳定的供电电压的主动式半导体控制系统。在此使用的构件部分地以制造商特定的、整合的保护线路为基础，这些保护线路只拥有有限的效率。在外部干扰的情况下、例如由于瞬时过电压，电网情况一一也由于各种不同的自动进行的控制过程的原因一一出于最理想的过电压保护的观点对于终端设备来说是有问题的。在使用保护绝缘的设备、具有不同的工作电压或者更高的工作频率的局部电网或者电分离装置亦或直流电网的情况中，最理想的过电压保护更加困难。对施加的电压、电流或频率的分析处理由于这样的电网内的区别不大而经常不适于区分正常运行状态与瞬时过电压。另外，通常的用于瞬时过电压的检测方法被证明在用于终端设备保护的这样错综复杂的要求中经常是不够的。因此经常在终端设备上的过载之后才通过电网供电的通常的过电压保护对瞬时干扰实施明确的探测。
[0005]上述状态特别是对于错综复杂的或者高价值的终端设备来说是不令人满意的。针对保护需求方面的要求有些部分是非常个性化的。然而出于电网供电的过电压保护的观点没有对于任何对终端设备而言个性化的解决方案是有意义的。
[0006]很久就已知了对相对过电压敏感的设备进行保护的问题。经常根据传统将过电压保护以所谓的分级的防雷保护区方案的方式转用到低压供电网络中，例如在VDE 0185部分103和部分106中对所述防雷保护区方案进行了说明。在此过电压保护设备的安全电平和效率从供电起向着终端设备的方向分级地降低。经常被称为低灵敏度保护和高灵敏度保护的过电压保护设备彼此之间通过感应去耦。在此如此调节作用原理，即，首先高灵敏度保护元件在达到它的动作电压时开始动作并且然后利用放电电流加载。当剩余电压降与经由去耦感应的电压降的总和达到低灵敏度保护元件的较高的动作值时，这个低灵敏度保护元件也开始动作并且通过该低灵敏度保护元件放出尽可能高的分支电流。
[0007]由DE I 947 349和FR 2 544 923已知具有去耦感应器的高灵敏度保护元件和低灵敏度保护元件的组合，其中为了在电流超过时通过高灵敏度保护元件使低灵敏度保护元件来点火，通过一个点火变压器(Zuenduebertrager)附加地产生过电压脉冲。
[0008]由DE I 98 38 776已知一种配置组件，在该配置组件中放弃了在低灵敏度保护元件与高灵敏度保护元件之间的感应器。再次首先动作的高灵敏度保护元件在高能的过电压事件中通过如下方式去负荷，即，例如通过测量电压和/或电流来对构件的能量负荷进行评价。在达到阈值时，点火装置借助脉冲变压器来激活前置的低灵敏度保护元件。
[0009]在此产生用于低灵敏度保护等级点火的过电压脉冲始终从电网内存在的过电压出发并且从尤其是电流负载能力的高灵敏度保护的已知过载行为出发。低灵敏元件的点火经由信号获得的作用原理或者点火脉冲产生的方式始终与干扰量的频率或者陡度相联系，因而对干扰量的纯能量评价达不到预定目标。
[0010]上述解决方案具有多个缺点。根据标准的规定、制造商的推荐和通过经验确定高灵敏度保护元件的动作电压的高度。低灵敏度保护元件的操控以限定的高灵敏度保护元件的一定的负载为前提条件并且由此能够实现通常的过电压保护元件在电网供电中的良好配合。
[0011]然而在将为止的高灵敏度保护元件应用在终端设备中时，这样的解决方案是有问题的，因为既不能在耐峰值电压强度和耐持续电压强度方面也不能在由运转决定的电流高度方面对终端设备的能量负载能力进行判断。在从低压供电网到终端设备的过渡中，越来越多地不能对关于纵向分支内的电流的不正常过程进行准确的判断。对横向分支内的电流的检测和评价同样有问题。这既涉及其高度也涉及其频率。进一步笼统地降低电压电压电平根据也包含TOV电压的标准仅仅是有限的并且仅以高额的费用才能实现，这是因为由于电网稳定性和老化的原因应该避免过电压保护的经常动作。
[0012]如果界定在防雷保护区方案内部的高灵敏度保护等级的安全电平处于集成在终端设备内的半导体的耐峰值电压强度或集成在终端设备内的电容器的耐持续电压强度以上，那么它们在没有可检测到的通过电流的情况下被毁坏。在终端设备内的未知的过电压保护元件动作时，电流负载能力的高度和附加的去耦感应率是未知的。在没有分散供电和电网情况清楚明了的电网供电中，电流的互导以及在有限范围内还有电流的高度至少在使用通常的过电压保护元件如GDT和变阻器的情况中可以用于判断。除了选择准则的不确定性之外缺点还有:在现在已知的用于激活过电压保护装置的低灵敏度保护的解决方案中，所述过电压保护装置还应该在紧凑的设施中实现终端设备保护，必须通过过电压才引起终端设备上的反应。在很低的耐压强度或低的动作电压伴随例如在半导体组件的内部的保护二极管中的微弱的电流承载能力的情况下，电流、电压、频率或由此导出的数值是不够的。已知的准则有时在已经出现终端设备过载之后才会提供一个操控信号(Ansteuersignal)。
[0013]因此通常的准则，如电压的高度、电流的高度或者波形亦或设置在后面的高灵敏度保护元件的能量负载提供可能仅仅设施的不充足的信息或者关于终端设备内的部件的危险的不充分的信息。
[0014]因此在进一步的再次分配中，在频率、电压级或者分散供电变动时，这些通常的准则几乎是必然不充分的。
[0015]已经已知的还有将可主动控制的开关元件用于激活低灵敏度保护元件的点火装置。在此也已经使用半导体作为转换电压的构件。然而在通常的触发装置中使用这些构件出于多种原因是有争议的。构件的耐电压强度是有问题的并且控制伴随有滞后时间，该滞后时间在很陡峭的过程中在无附加的和大多昂贵的保护措施的情况下导致毁坏。
[0016]在使用脉冲变压器用于产生点火电压的情况中，由于构件的开关特性的原因不能实现充分的电流增长速率，因此只能利用大量的费用和附加的蓄能器来提供充分的点火电压。除了转换电压的元件之外，触发装置还包含另外的构件例如变阻器、电容器等，它们用于与设置在后面的构件相互配合、用于导出能量小的干扰量和用于满足规范的要求。这些构件确保瞬时过电压时的作用原理并且一般来说甚至在转换电源的元件在工作电压下被误触发时防止火花隙的点火。因此单独地只选择或改进传统的过电压保护设备的点火装置的转换电压的元件是达不到目的的，因为一方面费用升高和另一方面不可能有独立的和由此最理想的设计。
[0017]经常仅仅在需保护的设备的负载能力的已知的极限值方面能够提高保护作用。对过电压保护设备的相应的适配导致专用的解决方案，然而这些解决方案并不适合广泛的和更普遍的保护目标。通过降低安全电平，TOV强度下降并且非预期停电的可能性上升。利用已知的解决方法不能实现要求在额定电压时或者在额定电压以下进行激活的保护目标。
【发明内容】
[0018]因此本发明的目的是，预接通一种过电压保护设备，该过电压保护设备具有附加的和独立于通常的瞬时保护的操控系统。这个操控系统应该与电网情况(额定电压、暂时的过电压、瞬时的过电压)无关地在相应的安装位置上允许激活过电压保护设备。在此附加的操控系统和过电压保护设备的通常的基本功能应该完全相互独立地起作用。
[0019]除了符合标准的保护设备借助其通常的点火装置所实现的它的基本功能、就是说瞬时的过电压保护之外，附加的、单独的激活装置应该能够简单地适配专用的保护需求。这导致明显地改善瞬时的和个体的、暂时的过电压保护，该过电压保护用于甚至在电分离的电网或不同额定电压以及频率的电网中在过电压事件出现时或已经在出现前保护终端设备。另外，利用将说明的过电压保护设备应该实现另外的保护目标。通过附加的操控可能性(Ansteuermoeglichkeit)，过电压保护装置例如可以与内部的或外部的故障电弧检测装置运行。
[0020]所述目的利用权利要求1的特征组合得以实现，其中，从属权利要求包括适宜的改进方案。
[0021]根据本发明，一个以具有通常的点火装置的火花隙为基础的过电压装置为了在瞬时过电压时的触发而补充有用于直接操控火花隙的附加的可能性。这个用于火花隙点火的附加的可能性在没有辅助电压或附加的蓄能器的情况下作业并且能够在不存在过电压或脉冲电流的情况下实现火花隙的点火。
[0022]优选在发送信号(外部信号、内部监视)和施加最低电压时才实施对火花隙的附加操控，所述最低电压需要用于火花隙的可靠而快速的点火。
[0023]可以在额定电压亦或低电压的情况下实施火花隙的点火。火花隙本身甚至能够在远低于工作电压的电压的情况下实现快速而可靠地点火。
[0024]可忽略附加点火装置的和火花隙的滞后时间。作为附加的操控系统的开关元件优选使用半导体。这个附加的操控系统得到过电压装置的通常的点火装置的保护免受瞬时过电压事件的影响。
[0025]点火装置可以在火花隙内设置另一辅助电极或在适当的设计中还可以在瞬时过电压时使用通常的点火装置的辅助电极。
[0026]由于附加的操控系统的很小的滞后时间，使用可能性几乎只与至发送信号为止的持续时间和基本特性例如用于火花隙点火的最低电压的高度相关。所述功能能够与保护设备的安装位置上的实时负载无关地实现附加的操控。
[0027]可以通过分析处理单元实施对附加的点火装置的操控，该分析处理单元处在EMV保护区的输入区内、下游的EMV保护区内、具有单独的分散电压供应的另外的EMV保护区内亦或直接处在过电压保护设备的使用位置上。另外，可以通过一个需保护的终端设备的、一个用于多个终端设备的馈电的或一个单独的电网例如一个DC电网的限定的信号发送来操控所述装置。
[0028]对于易损的装置来说，通过附加的点火装置的小的滞后时间当然也可以已经在瞬时的过程中就改善装置的保护作用。
[0029]通过附加的操控系统的在功能上独立于过电压保护设备的基本功能的结构能够有益地实现模块化的构造，该构造还允许利用操控单元对过电压保护设备进行改装。这允许经济地制造过电压保护设备和灵活地扩展设施的功能范围，即使该设施已投入使用较长时间。
[0030]本发明思路包括对火花隙包含其为了实现过电压放电器的触发装置和附加的操控系统的选择和相应的改进。这些基本部件的选择和协调确定过电压放电器的基本应用可能性以及还有由于功能扩展的应用可能性。
[0031]在解决方案方面(1esungsseitig)使用火花隙，该火花隙能够在低于需保护的设备/设施的系统电压的情况下实现各主电极之间的放电点火。各主电极之间的电弧电压在点火之后至少部分地低于系统电压。这是用于实现在没有显著的电压过高的情况下应该在设备的安装位置上通过激活该设备力争达到的保护功能的基本条件。因此具有高于工作电压的剩余电压或者电弧电压的过电压放电器不适合此处重要的应用。主电极间距较长的火花隙特别是在封装的情况下拥有提高的电弧电压并且为了电离需要很大的费用。因此这些配置组件只能限定地和耗费高地使用。
[0032]火花隙能够点火的最低电网电压受到多个因素的影响。使火花隙快速而可靠地点火的这个最低电压确定附加的操控系统的应用可能性。如果例如应该消除低压设施内的故障电弧，那么这个电压应该小于平均的电弧电压。上面提到的电压在约70V的范围内。为了保护人身安全，持久许可的电压根据电压类型和频率位于类似的范围内。
[0033]为了在低的施加电压的情况下使火花隙点火，必须在主电极之间实现充分的电离。为此对于火花隙的有成效的点火来说除了几何形状以外不仅强度而且持续时间都具有决定性的意义。电弧电压低和电离需要小的火花隙例如是可触发的真空火花隙或者气体放电器。然而由于续流限制小和续流消除能力小，这些火花隙并不适合全部应用。另外，需使用的火花隙按照现有技术应该设计为紧凑的和封装的。它应该拥有高的承受闪电电流能力和高的续流消除能力以及高的续流限制。
[0034]因此为了应用而选择主电极的和点火电极的几何布局结构有利的火花隙。主电极间距越大，配置组件的可靠点火所需的最低电压以及燃弧电压的高度就越大。如已经详细说明的那样，这些数值影响可实现的保护目标。在相同的环境条件下，诸如气体、气体压力和火花隙的材料，电极的几何布局、导电和放电空间的结构还影响用于充分预离子化的载流子置入的效率。在此有利的是选择具有如下配置结构的火花隙，在该配置结构中，预离子化的载流子经由辅助电极直接以高密度和小的时间延迟在主电极之间运动。
[0035]合适的火花隙通常为了实现限制和消除电网续流而要求附加的措施，例如续流电弧的运动和延长。
[0036]如果最低电压为了保护装置的有成效的点火必须尽可能小，那么为了例如能够使所述应用促成故障电弧的消除或者为了辅助用于保护人身安全的措施，可以使用具有分离的(divergierend)电极的且电极间距< Imm的封装的火花隙。过电压保护配置组件为了消除电网续流可以补充有消弧室。这样的火花隙适合于AC和DC情况下的电网应用，拥有高的承受闪电脉冲电流能力和能够应用在预期续流高的电网中。在工作电压为例如230VAC和预期续流为25kA的情况中，这样的火花隙拥有高的续流限制。
[0037]可以根据几何布局例如如此优化这样的火花隙的离子化，S卩，特别是即使在激励电压低的情况下用于通过预离子化来点火的消耗也最小。另外，点火区域的几何布局适合利用比较小的且在时间上受限的触发电流来使火花隙充分离子化并且由此其点火。为了利用附加的点火装置在激励电压尽可能低的情况下对这个优选的火花隙实施有成效的触发，需确保的是:在操控附加的转换电压元件之后可以在火花隙内实现由于电弧的离子化。
[0038]通过如下方式实现上述要求，S卩，从根据布局可能性确定的电压瞬时值起才实施在信号发送后通过激活装置的点火尝试。通过这种措施以微小的消耗实现高的点火可靠性、短的点火持续时间和对电网供电的仅仅短时间的影响。
[0039]从信号发送直到火花隙点火的总延迟持续时间相对一个持续的或重复的点火来说几乎不变，这是因为尽管能量消耗和配电技术消耗提高但是也只能在达到所需的最低电压时才能实现有成效的点火。在较高的电压或暂时的电压过高的情况中通过这个与逻辑电路而不出现附加的时间上的延迟。低于最低电压的点火尝试显著地消耗能量或者延长直到点火为止的时间。如果例如激活装置在交流电路中在过零的区域内变得活跃，那么在数US内不会进行激活尝试后的有成效的点火。为了尽管如此也实现点火，必须耗费高地提高点火过程的持续时间和或能量引入的高度和持续时间。同样可以以短的间隔尝试一系列的点火尝试。除了消耗之外，通过这些措施使得保护装置的性能也不同于通常的激活。通过较长时间的或多次的激活或者很高的能量引入，放电器的性能例如在续流负载(Folgestrombelastung)的情况下将发生变化，因此安全的电网供电可能受到损害。
[0040]由于主电极在具有例如0.5至0.8mm的分离电极和小电极散度的火花隙中的小的间距，经过限定的、例如一毫秒的时间可以保障< 50V的电弧电压。在这种保护装置中可以在这个电压范围内选择最低电压。因此例如在230V AC额定电压的情况下这样的配置组件围绕自然的电流过零点拥有一个几乎可忽略的时间上的空隙，在该空隙中根据内部或外部信号、通过与逻辑电路且利用施加的电压来使点火延迟。
[0041]如果例如在保护装置的过载危险时，在持续时间较长的故障状态时或为了力争达到的保护目标、例如保护人身安全，应该实现切断电网供电，那么可以通过持续或多次操作激活装置来触发电网的过电流保护装置。
[0042]在这个设置目标中，为了在时间上减轻保护装置的负载，同时对电网的开关装置进行操控是有意义的。
[0043]在此如已知的那样利用至少一个然而与至少两个单独的点火装置或者激活装置连接的辅助电极对保护装置的火花隙实施点火。火花隙的第一次触发相当于对火花隙的通常的点火辅助并且在瞬时过电压时必须自动地在重视用于过电压保护设备的规范要求的情况下对火花隙实施点火。功能上独立的第二点火装置拥有一个单独的、主动的开关元件和一个阻抗，该阻抗在电压低于工作电压时允许在火花隙的连通的电位(Potential)之间通过电流。在此，通过共同的亦或一个单独的辅助电极并且在无蓄能器的情况下在给开关元件发送信号后几乎无延迟地实施主火花隙的点火。
[0044]优选将附加的操作装置的开关元件设计为主动的半导体构件并且为了火花隙点火可以进行一次短时间的、多次短时间的或较长时间的操控。流过主动的开关元件的电流在主火花隙点火时一般来说自动消失。然而也可以在高度和持续时间方面被动或主动地限制通过电流。备选地，也可以对火花隙的点火进行检测并且切断主动的开关元件。
[0045]在一次的激活中将保护装置的安装位置上的电压降低到火花隙的电弧电压。因此实施将电压短时地降低到低于电网电压的数值。通过所述降低可以导出干扰量，减少或者避免终端设备的负载或还可以激活另外的保护装置。接着通过火花隙迅速且限制电流地消除同样产生的续流。与激活电路、即经由用于通常的瞬时过电压保护的触发装置的点火或者经由附加的、具有附加的转换电压元件的点火装置的点火无关，火花隙的功能与其在电网上的性能没有区别。
[0046]重复点火的可能性或者较长时间间隔上的激活的可能性可以用于有针对性地触发单独的保护装置。例如激活的开关装置可以直接用作短路联接器或可以通过提高的能量引入来激发过电压保护设备的被动的短路联接器。在两种情况中，直接使前置的安全装置、电网的故障电流保护装置或过电流保护装置动作，通过这种方式在任何情况下切断设备的电源。
[0047]单独的操控装置的主动的开关元件拥有激活电压或者阻断电压，该电压高于过电压保护装置的安全电平且特别是还高于并行的、传统的点火装置。传统的点火装置在理想情况中同时承担用于附加的点火电路的过电压保护的作用。因此主动的开关元件得到保护免受不正确的行为或过载的影响。另外，在陡峭过程中由于信号检测时间和处理时间以及单独的操控装置的开关延迟时间，传统的点火装置还限制电压升高。
[0048]两个用于火花隙的、分别具有单独的转换电压元件的点火装置基于构造而在功能上完全独立并且不相互影响。在火花隙的远离适宜性方面和在使用一个共同的辅助电极的可能性方面同样不产生对火花隙的附加要求。因此存在的可能性是:为适合于传统的过电压保护的保护装置在没有显著额外花销和没有故障或者功能限制的危险的情况下可选地设置附加的以及非常多样的、有用的功能扩展。
[0049]为了通过具有单独的转换电压元件的附加的点火装置来操控过电压保护设备，在过电压保护设备上将一个限定的接口引向外侧。这个接口例如设计为可视的。为了其他上述的外部的操控可能性可以在内部或者外部设置附加的适配器。用于操控的触发信号可以由单独的监视单元或者终端设备本身提供。
[0050]作为备选，特别是在具有共同的触发电极的优选的实施方式中可以将第二点火装置设计为附加的、单独的、加壳的(gehaeust)部件并且作为补充与具有通常的点火装置的过电压保护设备耦联。
[0051 ] 这例如为了非常易损的设备在注意瞬时过电压保护的安全电平的情况下能够实现可无级调节的电压保护特性曲线。同样可以由设施的使用者对由运转决定的电流负载进行调节并且对与此有偏差的、用于导致触发保护装置的过载危险的准则加以考虑。这些准则在更换运行机构或者扩展设施时随时可适配新的要求。在此可以直接将监视单元应用在需保护的设备上或者它们的专用电网内。
[0052]除了用于实现相同电网内的或跨电网的过电压保护目标的操控系统之外，还可以将过电压保护装置的单独的操控系统用于其它的保护目的。如已经说明的那样，所述装置可以用于通过间接地或者同时直接地操控过电流保护装置或者故障电流保护装置来有针对性地切断电网供电。
[0053]例如操控系统可以用于消除故障电弧。通过小的点火滞后时间和火花隙的非常小的电弧电压，该电弧电压明显低于低压设备内的故障电弧的通常的电弧电压，电流从故障位置中在数个US内转向进入导火花隙中并且故障电弧完全消失。在低压设施中，安装设备在持续时间短的故障电弧之后大多没有损坏，因而所述设施在所谓的“瞬态波”之后经常可以无问题地继续运行。因此所选择的火花隙的功能适合于在低压范围内在不损失馈电的情况下消除大量的故障电弧并且可以在报告故障之后在循环维护时控制所述设施。优选的火花隙在约Ims的持续时间中具有数1V的电压，该电压适合于消除电压> 70V的并且一般来说在故障开始时甚至> 150V的故障电弧。另外，所述持续时间足够使得故障电流完全转向进入到火花隙中。为了消除续流，火花隙然后仅仅“平缓地”并且最小程度地将电压提高到电网电压以上。因此在低压设施中，产生用于足以再次固化从前的火花放电间隙的时间。在通过短时的转向不能消除的、较严重的损伤的情况中，可以多次或者较长时间地接通开关元件。如果这达不到目的，那么可以将接通时间提高到直到触发过电流保护装置为止。可以由外部的装置、由单独的监视单元或直接在过电压保护设备本身内进行故障电弧识别。
[0054]当然在纵向分支或横向分支内设置在下游的、效率较小的且安全电平较低的过电压保护设备也可以主动地使用效率非常高的火花隙的单独的操控功能。
[0055]在此也可以由来自下游的、具有不同频率、电压值或电压类型的电网的设备来进行操控，这些设备例如由具有已经安装的保护设备的电网供电。
【专利附图】
【附图说明】
[0056]下文应参照实施例和附图来进一步阐述本发明。
【具体实施方式】
[0057]图1示出的是用于图解保护装置的基本配置的基本方框线路图。封装的火花隙I具有传统的、用于瞬时过电压保护的点火装置4，所述火花隙包括至少两个主电极2和3。通过与点火装置4连接的辅助电极5实施对火花隙的点火。所述配置满足用于应用在低压电网中的传统的避雷器(Blitzstromableiter)的所有要求。
[0058]火花隙I也可以完全地并且与点火装置4无关地经由另外的点火装置6激活。火花隙I可以通过点火装置6同样借助辅助电极5或者备选地还通过一个单独的辅助电极7来激活。
[0059]点火装置6的激活强制性地需要输入端8上的信号。在优选的实施方式中，在输入端8上存在信号时，只联合施加在火花隙上的、在主电极2与3之间的最低电压，经由装置6来触发对火花隙的激活。通过一个与逻辑电路9以模拟或数字的方式对两个条件“发送信号”和“最低电压”进行评价。
[0060]图2示出的是在过电压保护装置的封装的火花隙I内的电极的基本配置。火花隙I具有通常使用的基于点火变压器10的触发辅助装置。
[0061]点火间隙I拥有一个或在必要时两个辅助电极5，这些辅助电极相对两个主电极2、3绝缘。
[0062]通常具有这样的触发装置的火花隙利用来自一个或多个脉冲变压器的高振幅的电压脉冲来点火。在辅助火花隙利用在各辅助电极之间或者一个辅助电极与一个主电极之间的由于电压脉冲所产生的火花而火花放电之后，与在高压或真空火花隙中的使用不同，低压空气火花隙一般而言需要来自电网的经由变压器的高压线圈的通过电流，由此为主火花隙的点火提供充分的电离能和电离时间。
[0063]众所周知，随着施加在主电极之间的电压的下降，所需的能量和持续时间上升。由于在瞬时过电压保护的主要功能中火花隙的基本特性还有性能在很大程度上由用于触发的配置决定，所以在利用附加的操控可能性的情况中改变这些火花隙的形式或者几何形状是没有意义的。利用这些经过证明的、“传统的”火花隙能够以小的消耗来扩大这种配置的保护范围和保护作用，所述火花隙具有创造性的单独的操控系统。在这种未经过优化的设计中实现附加的保护目标的可能性当然受到火花隙的基本功能性的限制。然而，如已经说明的那样，迫切需要至少短暂地将电弧电压降低到电网电压以下。除了这个低值之外，使用可能性由点火滞后时间、剩余电压的高度和持续时间以及火花隙和触发所需的电弧电压决定。
[0064]具有圆柱对称电极的火花隙根据图2例如具有仅仅一个触发电极5，该触发电极优选非对称地置入主电极2与3之间。在辅助火花隙5与主电极2之间的辅助间隙点火之后，主电极2与3之间的间隙被点火。由于在各电极之间的圆筒状电弧空间的全面立体式限制和小容积的原因，电离能相当小。
[0065]在主电极之间的电弧利用低于电网电压的电弧电压点火之后，另外可以通过延长空心电极3内部的电弧来提高电弧电压用以限制和消除续流。如果较高的电压也足够用于使用，在这些较高的电压的情况下必须经由外部点火装置来实施点火，那么例如也可以利用导电的聚合物来延长在点火电极5与主电极3之间的间距，所述聚合物例如通过排气来辅助消除续流。然而附加材料的导电性和火花放电性能必须如此协调一致，使得低于额定电压的电压保持足够用于主火花隙的点火过程。为了一些应用可以选择这样的配置结构，在这些配置结构中例如从电压的一个与电网的额定电压的有效值相符的瞬时值开始才足以进行主间隙点火。
[0066]然而在额定电压的有效值与峰值之间的电压中的点火在230V AC的情况下对于可靠而快速的消除故障电弧来说是不够的。
[0067]通过具有点火变压器10的传统的点火辅助系统4来实施图2所示的火花隙的触发。优选如此选择点火变压器的电压脉冲的极性，使得来自电网的接通电流经由变压器的高压侧不造成过零。通过这种措施特别是在主电极2与3之间存在的低电压中促进可靠的点火。如果变压器本身具有低感应率和低阻抗，那么这是有利的，特别是在低电压中。
[0068]附加的阻抗11，在所示出的火花隙中由于电弧电压低也可以省略，所述附加的电阻例如在一些具有高剩余电压和高电弧电压的火花隙中为了限制电流是必要的。在其它的火花隙中，这些阻抗不应该在施加在各电极之间的电压的目标区域内造成电流中断，在所述目标区域内应该实施点火。
[0069]为了能够利用附加的操控可能性来实现这样的传统配置结构，提出图2所示的配置结构，所述附加的操控可能性不影响火花隙的以及瞬时点火辅助系统4的基本功能并且还提供以后补充的可能性。
[0070]脉冲变压器10的初级侧与此有关地与一个附加的触发电路连接，该触发电路在设备中实现，亦或在火花隙的壳体上具有单独接头的设计中在一个单独的壳体中实现。该单独的壳体可以事后安置在火花隙的壳体上。
[0071]触发电路含有主动转换电压的构件12和通向其内部或外部操控系统8的可能性。在对所述操控系统进行操作之后，将来自电网的电流用于为具有终端充电电阻器14的小电容器13充电。如果电容器的充电电压达到成功进行火花隙的点火尝试的电压，那么通过被动的转换电压元件15和点火变压器10的初级线圈产生用于火花隙的点火脉冲。通过选择被动的转换电压的元件15即使在没有电压测量的情况下也保障:施加在各主电极之间的电压至少具有这样的电压高度，在该电压高度中能够为相应的火花隙实现具有限定的时间延迟的可靠点火。火花隙与附加的操控系统之间的这种协调一致对于力争达到的保护目标的实现和界限而言是必要的。为了通过转换电压的构件12来限制电流高度或者电流持续时间，可以串接一个线性的或非线性的低欧姆阻抗16。
[0072]应该如此选择转换电压的元件15，S卩，在瞬时的过程中经由触发电路产生充分的点火电压。因此在按照现有技术的瞬时的点火辅助系统4内的通过电流中和在变压器10的初级线圈上的与此相关联的电压降中，元件15不允许动作。与此相关联的电压降低将导致变压器内的能量损耗并导致对高压侧上可供使用的点火电压的限制。利用通常的变压器通过选择在不同的直流动作电压时的动态动作特性曲线可以实现与气体放电器的协调一致。根据火花隙，在230V AC的电网电压下可以选择约60至350V的气体放电器。
[0073]迄今的阐述从外部评价或者信号发送出发。然而对于一些应用来说会是有意义的是:在保护设备内并且由此在一定程度上也在相同的安装位置和负载位置上引起与瞬时电压过高无关的触发。除了对电压、电流或能量评价之外，例如还可以检测并分析电网的其它故障。
[0074]图3示出的是在没有通过转换电压装置12进行附加操控的瞬时过电压的情况下的过电压保护装置的基本性能。这个基本曲线对于其他具有点火辅助系统的传统的火花隙来说也是典型的。图3图解示出的是在50Hz的220V电网中和在约90°相位时的脉冲事件中高分辨的电流测量和电压测量中的性能。脉冲电流拥有振幅为5kA的波形8/20 μ S。受限续流的峰值在预期值为约25kA时达到约3kA。火花隙上的过高电压的高度在这种情况中根据气体放电器的动态特性曲线为约lkv。火花隙点火后的电压用于持续时间约Ims的仅仅为数10V。过高电压相对电网电压的高度和持续时间根据火花隙和点火种类而不同。在安全电平< 1.5kV的已知的过电压放电器中，它从脉冲的数个μ s至总放电时间不同。
[0075]图4与此不同地示出的是过电压放电器的激活，例如根据图2经由在电网电压中单独的附加的点火装置6的附加的转换电压装置12。火花隙可以在没有任何相对电网电压的瞬时值的过高电压的情况下点火。在限制续流和消除续流方面的性能类似于图3所示的曲线。
[0076]图5示出的是根据本发明的另一种实施方式。封装的过电压放电器I为了放出雷电冲击电流而具有一个包括两个分离的主电极2、3的火花隙，这些主电极在点火区域内具有< 2mm、例如0.8mm的间距，以便将空气间隙中的电弧电压限制在< 50V的数值上。火花隙为了限制电网续流可以补充一个电弧室、例如一个去电离室(未示出)。电弧电压在点火区域内和在分离的电极的运行区域内保持限制在一个低电压值上。电弧在约Ims以后才进入，因此电弧电压为了续流限制和消除在这个时间之后才“平缓地”提高超过电网电压。
[0077]另外，火花隙具有点火辅助系统，该点火辅助系统优选包括气体放电器17和变阻器18的串接电路。辅助电极5与主电极3之间的辅助火花隙的点火火花的电弧电压同样优选低于50V。与这个第一点火辅助系统并联地安置有另一转换电压装置12。两个点火辅助系统都与辅助电极5连接。装置12含有转换电压元件和操控电路，该操控电路可以被主动触发。例如可以可视地经由外部可接近的接头8来实现触发。与装置12串接地可以设置线性的或非线性的低欧姆阻抗16，该阻抗特别是在开关元件12功率低的情况中用于限制电流。
[0078]高欧姆电阻器19可以将装置12与其它电位连接。该电阻例如可以在使用半导体构件的情况中用于实现保持电流。辅助电极5在两个点火辅助系统之一动作之后能够实现向主电极3的通过电流。在电极2、3之间的主火花隙通过电离而非常迅速地点火。由于电弧电压低，减轻了相应的点火辅助系统的负载并且电流换向到主火花隙。在此如此选择装置12的耐峰值电压强度，从而在瞬时过电压中气体放电器17与变阻器18的串接电路足以用作用于装置12的过电压保护。在估计会出现意外的或常见的故障的环境中可以采取附加的措施。
[0079]为了能够使用物美价廉的、节省空间的和低功率的构件，可以通过附加的点火配置组件12/16来限制电流的持续时间和高度。另外，可以通过一个与操作利用电压的瞬时值和输入端8上的信号来调节对开关12的操控，从而可以通过一次过程以点火电路的小的能量负载就使主火花隙有效点火。在此对电压高度的评价限制在一个极限值上。为此可以通过测量技术或者通过其他的转换电压的构件(参见图2部件15)来简单地测定或者确定所述极限值。
[0080]用于经由开关元件12使主火花隙点火的配置组件的总滞后时间在存在点火信号8和必要的最低电压时仅仅为数个μ S。同样可以在短暂的滞后时间内实现信号发送8和对电压高度的评价。这本身在瞬时过程的时间内也能够经由附加的操控系统12来实现火花隙的点火。这特别在需保护的终端设备在瞬时的过电压中已经低于传统的过电压放电器的安全电平例如可能受到陡度小或振幅低的高能干扰量的损害时是有利的。
[0081]在具有事后补充的附加的操控系统的过电压保护设备的一种实施方式中，用于操控的部件12、8、16和19可以安置在一个单独的壳体内。为应用优选设计的、具有通常的“传统的”过电压保护功能的过电压保护设备为了以后的补充只需要一个可附加实施的、通向现有的辅助电极5的连接位置。当然可以在接口 8上连接适配器(未示出)，该适配器允许使用不同的信号。
[0082]提出的保护装置的具体应用可能性如已经阐述的那样是多种多样的。因此只能对一些非限定的实例加以说明。
[0083]通过信号输入端例如可以连接用于故障电弧的外部探测装置。通过一次激活保护装置，如已经阐述的那样，可以非常迅速地排除所谓的“瞬态波”，并且与简单的“短路联接器”不同，设施能够继续运行。
[0084]然后在重新的探测中可以多次或者持续地激活保护装置，通过这种方式激活电网的过电流保护装置。
[0085]当然用于检测纵电弧和横电弧的探测装置也可以集成到前面介绍的包括单独的触发装置的保护装置中。
[0086]图6以示例性的配置结构示出根据本发明的装置的另一种有益的应用。外部的避雷器装置可以设有探测装置20。在检测到例如高能的放电过程时，可以经由接口 8来激活安装设备的所有过电压保护设备。因此通常在过高电压进入安装设备之前同时激活所有过电压保护装置，通过这种方式尤其是终端设备理想地得到保护免受瞬时的过电压的影响。甚至在过电压事件与激活同时发生的情况下，通过同时激活还避免在各个导线或者相之间的电位偏移。
[0087]提出的保护装置还能够实现的是:保护只具有很弱的耐动态电压强度或耐静态电压强度的终端设备。具有在设计它们时仅仅根据例如ITic曲线(EPRI)取向的强度的终端设备相对通常的符合标准的过电压保护设备所提供的安全电平可能具有显著的偏离。虽然通常的TOV监视和保护设备能够在持续时间长的过电压(> 1ms)中堵住这个空隙，然而在瞬时的时间范围与这些设备之间没有保护。
[0088]可以通过所介绍的解决方案堵住上述空隙。关于这点有益的是:在操作激活装置6时给用于TOV保护的保护装置或者给通常的电网开关装置设置同时的信号发送。
[0089]这样的信号可以由操控激活装置6的装置亦或由所介绍的保护装置本身在必要时在另一时间上延迟的评价之后提供。通过这种措施减轻了保护装置在持续故障时的负载。
[0090]保护装置具有远程报告装置和显示设备，该显示装置特别是对点火装置4和6的不同的激活作出反应。在高灵敏度的终端设备中，可以利用一个设备在没有附加的个体的或者专用的保护措施的情况下堵住瞬时保护与持续时间长的高电压时的保护之间的空隙。
[0091]图7示出的是保护装置A，其包括火花隙1、点火装置4和6以及用于下述应用的单相配置中的信号输入端8。
[0092]如已经示出的那样，过电压保护装置A的火花隙I在瞬时的电压过高时直接经由传统的点火装置4点火。
[0093]附加的点火装置6用于经由一个信号对火花隙点火。因此过电压保护装置A拥有内部的和/或外部的信号输入端8。
[0094]可以通过内部的或者外部的评价装置24或通过一般来说外部的设备21、22、23来进行信号发送。
[0095]作为外部的设备可考虑单独的过电压保护设备、监视设备亦或负载(Lasten)、消耗器或终端设备。在此这些设备可以设置在横向分支或纵向分支内。
[0096]终端设备21亦或单独的过电压保护设备23在此可以与过电压保护装置A直接邻接地亦或电分离地设置。
[0097]图7所示的示例性配置除了过电压保护装置以外还示出终端设备21。这个终端设备可以经由给输入端8适当地发送信号来直接促成火花隙I的点火。
[0098]在纵向分支中可以设置有设备22，例如限流装置、PTC元件或者被动或主动的纵向去耦装置，该纵向去耦装置可以通过给信号输入端8发送信号促成对火花隙I的直接操控。
[0099]然而也可以由设置在下游的外部过电压保护设备23通过发送信号来实施对火花隙I的操控。在此，过电压保护设备23可以直接邻接，然而也可以具有较大的间距。另外，过电压保护设备23也可以设置在电分离的电网内或者AC/DC变换器之后。
[0100]例如可以在达到终端设备21的或者过电压保护设备23的功率极限时通过信号输入端8实施对火花隙的操控。
[0101]为了例如对终端设备21的或单独的，例如设置在下游的、功率较低的过电压保护设备(SPD2或者3) 23的负载进行评价，可以设置评价装置24。这个装置例如可以在纵向分支内在不同的节点上的或在横向分支内的电流和电压进行检测和评价。根据测量数据可以对功率、负载、负载变化等进行评价。在不允许的数值的情况中可以由评价装置24通过输入端8实施对火花隙I的操控。
[0102]评价装置24可以设计为外接的设备、插接式模块亦或可以设计为集成在过电压保护装置A内。
[0103]特别是在具有越来越多地应用在紧凑的低压设施中的、整合的低灵敏度保护等级和高灵敏度保护等级的所谓组合式放电器中，将多个在图7中作为外接示出的部件同样直接整合到过电压保护装置A内甚至是有意义的。
[0104]除了过电压保护设备23、即高灵敏度保护等级的过电压保护设备之外，可以集成有评价装置24和在必要时例如还整合有用于纵向去耦、限制电流等的设备22。所述整合同样可以包括评价装置24所需的例如用于电流和电压测量的传感器。
[0105]如已经述及的那样，过电压保护装置A还可以用于故障电弧保护。在过电压保护装置中可以设置用于故障电弧探测的可能性，该可能性既可以对纵向故障也可以对横向故障进行分析。当然也可以在一个单独的设备中实施故障电弧探测并且经由接口 8从外部激活过电压保护装置。如果在一次亦或多次激活过电压保护装置和消除续流之后没有排除故障电弧错误(Stoerlichtbogenfehler)，那么可以通过持续操控将过电压保护装置用于触发电网的过电流保护器件。所述过电流保护器件可以设计为保险装置或开关。
[0106]特别是为了经由外部的信号输入端8来操控过电压保护装置A，可以设置一个具有信号输入的不同的可能性(不同的信号输入端)的信号转接器(未示出)。
[0107]例如可以通过导线连接、通过光波导、通过无线(无绳)或通过电力线来发送信号。
[0108]附图标记列表
[0109]A保护装置
[0110]I过电压保护元件，火花隙
[0111]2主电极
[0112]3主电极
[0113]4传统的点火装置
[0114]5辅助电极
[0115]6附加的点火装置
[0116]7单独的辅助电极
[0117]8信号输入端
[0118]9评价装置(与逻辑电路)
[0119]10点火变压器
[0120]11阻抗
[0121]12具有操控系统的转换电压的构件(半导体)
[0122]13电容器
[0123]14电阻器
[0124]15转换电压元件(被动的，气体放电器)
[0125]16阻抗
[0126]17气体放电器
[0127]18变阻器
[0128]19电阻器
[0129]20探测装置
[0130]21终端设备
[0131]22例如用于电流限制的设备、PTC或者被动或主动的纵向去耦装置
[0132]23过电压保护设备例如型号SPD2或3
[0133]24评价装置
【权利要求】
1.封装的、能够承受闪电电流的且限制续流的过电压保护装置，其包括至少一个火花隙，该火花隙分别具有至少两个主电极和一个辅助电极，其中，所述辅助电极与用于在瞬时过电压的情况下进行触发的点火装置连接，其特征在于:设置有至少一个独立于第一点火装置的第二点火装置，该第二点火装置无存在过电压或脉冲电流必要性地在火花隙的各主电极之间存在最低电压的情况下能够激活火花隙。
2.如权利要求1所述的过电压保护装置，其特征在于:持续时间为大致的最低电压或电弧电压的瞬时值等于或低于电网电压的有效值。
3.如权利要求1或2所述的过电压保护装置，其特征在于:所述第二点火装置除了激活信号(8)之外还对电压的瞬时值进行评价并且能够基于与逻辑电路激活。
4.如前述权利要求之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:所述第一点火装置只能够在瞬时过电压的情况下自动激活。
5.如权利要求3所述的过电压保护装置，其特征在于:所述第二点火装置具有转换电压装置，该转换电压装置只能够通过外部或内部提供的或者传输的信号(8)触发。
6.如权利要求5所述的过电压保护装置，其特征在于:在通过信号发送而激活时，点火电压、剩余电压和火花隙的电弧电压低于电网电压。
7.如权利要求5或6所述的过电压保护装置，其特征在于:所述第二点火装置的转换电压装置具有半导体构件。
8.如前述权利要求之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:所述第一点火装置承担用于所述第二点火装置的瞬时过电压保护。
9.如前述权利要求之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:所述第二点火装置具有用于限制电流的器件。
10.如前述权利要求之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:该过电压保护装置具有用于经由不同的外部的信号(8)来操控用于所述第二点火装置的适配器的接头。
11.如前述权利要求之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:所述第二点火装置能够在低于额定电压的情况下在不存在瞬时的过电压升高的情况下没有点火变压器且没有蓄能器地实现火花隙的点火。
12.如权利要求5至11之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:两个点火装置处在一个共同的壳体内并且该壳体具有用于激活信号(8)的附加接头。
13.如权利要求1至11之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:只有所述第一点火装置位于一个与火花隙共同的壳体内，而所述第二点火装置设置在一个单独的壳体内，该壳体具有接口。
14.如前述权利要求之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:借助所述第二点火装置能够在时间上在瞬时电压升高开始之前触发火花隙。
15.如前述权利要求之任一项所述的过电压保护装置，其特征在于:借助所述第二点火装置能够通过外部的监视单元并且与瞬时的干扰量无关地触发火花隙。
【文档编号】H01T2/02GK104508922SQ201380040441
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年5月7日 优先权日:2012年7月4日
【发明者】K·比勒, S·施莱特, J·埃尔勒, A·厄哈德特 申请人:德恩及索恩两合股份有限公司