过压放电器的制作方法

本发明涉及一种用于使用在低压电网的电流供给装置(stromversorgung)中的过压放电器(überspannungsableiter)，带有壳体、带有两个电极且带有构造在壳体的内部中的电弧燃烧室，其中，两个电极分别与电弧燃烧室处在接触中且在两个电极之间构造有火花隙(funkenstrecke)，从而在两个电极之间的火花隙的点火的情形中出现电弧且经由该低阻抗的连接可流动有待放电的冲击电流(stoßstrom)。

背景技术：

当出现处在相应的额定电压的上容限之上的过电压时，相关的仪器、设施和导线必须在尽可能短的时间中以电位平衡(potentialausgleich)短路。为此，按照待保护的仪器和设施的使用位置(保护区域)和形式使用不同的过压放电器。在此，各个过压放电器大致通过其响应特性(ansprechverhalten)和其放电能力(ableitvermögen)相区别。

在低压电网中，为了保护免受过电压经常使用基于火花隙的过压放电器，也就是说过压放电器其主要组成部分是火花隙，其在确定的过电压的情形中响应。在火花隙的点火的情形中，在此在两个电极之间形成电弧。因为带有火花隙的过压放电器尤其被用于在高能量事件例如雷击(blitzeinschlag)的情形中的保护，非常高的且陡峭上升的电流能够以直到三位的ka范围的值流动经过火花隙。

带有作为放电器的火花隙的过压放电器一方面虽然具有较高的冲击电流承载能力(stossstromtragfähigkeit)的优点，另一方面然而具有相对较高的且同样不特别地恒定的响应电压的缺点。因此，为了火花隙的点火自很长一段时间以来已使用不同形式的点火辅助装置(zündenhilfe)，借助于其降低火花隙或者过压放电器的响应电压。

在提到的形式(带有或不带有点火辅助装置的使用)的过压放电器的情形中，在火花隙经由电弧点火的情形中形成在两个电极之间的低阻抗连接，经由其然后首先流动有待放电的高能量的瞬间冲击电流。在电网电压存在的情形中，经由该低阻抗连接然而同样可流动有非期望的电网续流(netzfolgestrom)，这无论如何可能导致前置的保险装置的损毁。于是仪器和设施虽然被保护免受由于过电压的损毁，然而仪器或者设施的可用性一直不存在，直至被损毁的保险装置被替换。

因此，对现代的过压放电器的重要要求在于在放电过程结束之后尽可能快速地熄灭电弧，从而同样产生电网续流的消除或者抑制。为此通常尝试如此程度地提高电弧电压、也就是说在两个电极之间必须存在从而电弧继续燃烧的电压，以至于出现的电网续流被抑制或被降低。用于提高电弧电压的一种可行性方案在于增大在火花隙的响应之后的电弧长度。提高在放电过程之后的电弧电压的另一可行性方案在于电弧通过绝缘材料壁的冷却作用的冷却、发出气体的绝缘材料的使用以及电弧到在电极之间的狭窄缝隙中的限制(einengung)。

电弧电压通过电弧例如借助于发出气体的绝缘材料的冷却的提高的方法相对较强地取决于待放电的冲击电流的水平(höhe，有时也称为高度)和持续时间。高能量事件(例如雷击)导致电弧通过发出气体的绝缘材料壁的较强吹气(beblasung)，从而带有较高的能量转换(energieumsatz)的这样的脉冲通常导致电网续流的快速抑制。在较短的且进而低能量的事件的情形中，与之相反电弧的通过冲击电流自身引起的吹气可能不可引起电弧电压的充分提高，从而其推迟地才产生电网续流的抑制。因此在此必须通过足够大的电弧长度确保电网续流被可靠地消除。

电弧电压的为了抑制电网续流所期望的提高不取决于所实现的用于提高电弧电压的方法具有如下缺点，即，由于提高的电弧电压在冲击电流的放电期间产生在过压放电器内、尤其在电弧燃烧室内的提高的能量转换。这尤其在很大程度上闭合的过压放电器的情形中、也就是说在封装的、不吹出的过压放电器的情形中导致问题，因为被转换成热量的能量仅可相对缓慢地离开电弧燃烧室。由此，包围电弧燃烧室的材料在相对较长的时间上经受非常高的温度。在此，被用于电弧的冷却和吹气的绝缘材料是特别危险的。此外，过压放电器同样必须能够经受住在冲击电流放电的情形中出现的较高的压力，这要求耗费的设计。

由文件de10338835a1已知一种过压放电器，在其中电网续流的出现通过以下方式被阻止，即，在两个电极之间的间距被如此大地选择，以至于电弧电压大于期望的电网电压。为了使该过压放电器的响应电压通过火花隙的两个电极的相对较大的间距不太大，设置有点火辅助装置，通过其可调整过压放电器的期望的响应电压。在该过压放电器的情形中，圆柱形的电弧燃烧室具有相对较小的直径，其与彼此相对而置的电极的自由端侧的直径相符。此外，电弧燃烧室几乎完全由绝缘材料包围，这不仅引起电弧的冷却而且引起电弧的限制。两者如先前所描述的那样引起电弧电压的期望的提高，从而然而同样引起在电弧燃烧室内的非期望的较高的能量转换。

为了引出在电弧点火之后在电弧燃烧室内形成的热量，在已知的过压放电器的情形中构造有在壳体中的冷却通道，其与电弧燃烧室相连接。因此，在电弧燃烧室中在放电过程的情形中通过电弧所产生的较热的电离气体可从电弧燃烧室中且最终同样从壳体中被引出。为了使从壳体中流出的气体不具有过高的温度，冷却通道必须如此构造，以至于其使得足够长的使等离子体在壳体中沿着流动的路段(wegstrecke)可供使用。在由文件de10338835a1已知的过压放电器的情形中这通过以下方式实现，即，金属壳体两件式地构造且两个壳体半体彼此同轴地布置。在两个壳体件之间，在此构造有呈螺旋形的冷却通道，其用于两个壳体件彼此的拧紧且通过该冷却通道等离子体同时同样可流动。

为了在过压放电器的情形中可克制出现的较高压力和温度，对壳体和包围电弧燃烧室的材料的设计要求非常高。尤其，为了确保足够的机械稳定性，一起形成金属壳体的两个壳体件的壁厚必须相对较大，这总体而言引起壳体的相应增大的外径。此外，为了冷却从壳体中流出的气体，在两个壳体件之间布置有呈螺旋形的冷却通道，这相应地提高了壳体件的制造成本。

技术实现要素：

因此本发明基于如下任务，即，如此地继续开发一种开头所描述的过压放电器，使得之前提到的缺点尽可能被避免。尤其在此应实现如下，即，在冲击电流放电的情形中在过压放电器内的能量转换尽可能小。电网续流然而应可被可靠地且尽可能快速地消除。

该任务在带有专利权利要求1的特征的开头所描述的过压放电器的情形中通过以下方式来解决，即，设置有至少一个第三电极，其同样与电弧燃烧室处在接触中，其中，在第一电极与第二电极之间的间距a小于在第一电极与第三电极之间的间距b，且第一电极和第三电极直接或经由电气结构元件彼此相连接。根据本发明的过压放电器的在其中第三电极相比第二电极具有与第一电极的更大的间距的几何结构引起如下，即，在火花隙的点火的情形中首先仅在第一电极与第二电极之间出现第一电弧且在电弧燃烧室的逐渐增加的电离的情形中才额外地同样在第二电极与第三电极之间点燃第二电弧。

通过使在根据本发明的过压放电器的情形中设置有至少一个第三电极，电弧燃烧室具有两个区域，或者在多于三个电极的情形中相应地同样具有多个区域。如果经由根据本发明的过压放电器低能量的较短的脉冲被放电，则该脉冲流动经过在第一电极与第二电极之间的电弧。在该情况中，在电弧燃烧室中形成的电离不如此程度地前进或者形成的等离子云(plasmawolke)尚未如此程度地扩展，以至于同样地在第二电极与第三电极之间点燃电弧。随着待放电的脉冲的逐渐增加的持续时间，然而在电弧燃烧室中的电离上升或者等离子云进一步在第三电极的方向上扩展，从而使得然后额外地同样产生在第二电极与第三电极之间的第二电弧的点燃。

由此创造一种过压放电器，在其中取决于待放电的冲击电流的能量含量(energieinhalt)，或者电弧仅在第一电极与第二电极之间存在或者额外地(在时间上延迟地)另一电弧还在第二电极与第三电极之间点燃。由此创造了如下可能性，即，带有较少能量含量的冲击电流经由在第一电极与第二电极之间的电弧被放电，其中，在此电弧燃烧电压可相对较高地来选择，从而使得电弧在放电过程结束之后可被快速熄灭且进而电网续流可被抑制。因为待放电的冲击电流的能量含量或者其持续时间非常短，在过压放电器内的能量转换尽管提高的电弧电压不是如此高，以至于产生不允许的负载且产生包围电弧燃烧室的材料的过大磨损。

如果经由根据本发明的过压放电器待放电的冲击电流的持续时间然而较长，则这如先前所描述的那样引起如下，即，在电弧燃烧室内在第二电极与第三电极之间的区域同样被如此强地电离，以至于同样产生在第二电极与第三电极之间的电弧的点燃。因为第一电极和第三电极直接或经由电气结构元件彼此相连接，在第一电极与第二电极之间的第一电弧和在第二电极与第三电极之间的第二电弧彼此平行，也就是说得出待放电的冲击电流经由其流动的两个平行的路径。在此，两个路径的该并联(parallelschaltung，有时也称为并联电路)的总阻抗小于两个单个的路径的阻抗，这引起在冲击电流在电弧燃烧室中的放电的情形中的能量转换的降低。

根据本发明的过压放电器的先前所描述的几何结构、尤其三个电极彼此的布置在此在实践中可被如此确定，以至于带有脉冲波形(impulsform)“8/20μs”的低能量的脉冲经由在第一电极与第二电极之间的第一电弧被放电，而带有脉冲波形“10/350μs”的高能量的脉冲额外地同样经由在第二电极与第三电极之间的第二电弧被放电。

为了在冲击电流放电的情形中可靠地实现能量转换的先前所描述的降低，必须确保如下，即，在第二电极与第三电极之间的第二电弧的点燃之后待放电的冲击电流流动经过两个路径。因此应通过合适的设计上和/或电路技术上的措施阻止如下，即，电弧完全由第一路径转换到第二路径上且然后仅还有第二电弧燃烧且冲击电流仅经由该第二电弧被放电。

按照根据本发明的过压放电器的一种有利的设计方案，该过压放电器在几何结构上如此设计，以至于在第一电极与第二电极之间的间距a小于在第二电极与第三电极之间的间距c。备选地或额外地，电弧燃烧室在第一电极与第二电极之间的区域中的横截面a同样可大于电弧燃烧室在第二电极与第三电极之间的区域中的横截面c来选择。电弧燃烧室的更小的横截面引起电弧在该区域中的更强的收缩或者限制。通过两个措施因此实现如下，即，经由在第二电极与第三电极之间的第二火花隙的电流路径(strompfad)的阻抗高于经由在第一电极与第二电极之间的火花隙的电流路径的阻抗。

按照根据本发明的过压放电器的另一种设计方案，该过压放电器在几何结构上如此设计，以至于在第一电极与第二电极之间的间距a不小于在第二电极与第三电极之间的间距c。在第一电极与第二电极之间的间距a因此小于在第二电极与第三电极之间的间距c或恰与间距c一样大。备选地或额外地，电弧燃烧室在第一电极与第二电极之间的区域中的横截面a同样可不大于电弧燃烧室在第二电极与第三电极之间的区域中的横截面c来选择。额外地，在此第一电极经由阻抗与第三电极电气连接，从而在该设计方案的情形中同样可确保如下，即，经由第二火花隙的电流路径的阻抗高于经由第一火花隙的电流路径的阻抗。因此确保如下，即，在第二火花隙的点燃之后电弧不完全由第一路径转换到第二路径上。

开始时如下被实施，即，设置有至少一个第三电极，其相对第一电极的间距b大于第二电极相对第一电极的间距a。根据本发明，除了第三电极以外同样还可设置有另外的电极、即例如第四电极和第五电极，其然后相应地本身具有大于先前的电极的相对第一电极的间距。由此可实现如下，即，在相应更长的待放电的冲击电流的情形中，随着逐渐增加的持续时间和电弧燃烧室的进而逐渐增加的电离，额外的电弧在分别另外的相邻的电极之间、即例如在第三电极与第四电极之间被点燃。当在此同样地另外的电极直接或经由电气结构元件与第一电极或第三电极相连接时，则这引起被点燃的火花隙的总阻抗的进一步降低且进而引起在电弧燃烧室内的能量转换的降低。

存在过压放电器且尤其电弧燃烧室和各个电极可在结构上和几何上如何设计的多种可行性方案。根据一种优选的实施形式，第一电极呈圆盘状地构造且如此地布置，使得其在一侧上限制电弧燃烧室。与之相反，第二和第三电极分别呈环形地构造且如此地布置，以至于其局部径向限制电弧燃烧室。电弧燃烧室因此延伸穿过第二和第三电极，其中，两个电极在电弧燃烧室的纵向上依次布置。在电极的该设计方案和布置的情形中，电弧燃烧室可呈圆柱形地构造。同样地，如下然而也是可能的，即，电弧燃烧室的直径在纵向上改变，例如由第一电极出发在第三电极的方向上降低。

根据一种备选的设计方案，第一电极也可呈环形地构造，其中，那么电弧燃烧室在相邻于第一电极的侧上被由绝缘材料、尤其充气的绝缘材料构成的材料限制。如果除了第二电极之外第三电极同样呈环形地构造，则电弧燃烧室同样在第二侧上由绝缘材料限制。在此，在电弧燃烧室的该与第一侧相对而置的侧上，开口构造成至在绝缘材料中的吹出通道(ausblaskanal，有时也称为灭弧通道)的通路(durchgang)。原则上此外同样存在如下可能性，即，第三电极不是呈环形地而是呈圆盘状地构造，从而那么电弧燃烧室在第二侧上由第三电极限制。在此那么优选地在第三电极中，开口构造成至吹出通道的通路。

开始时如下被实施，即，第一电极和第三电极直接或经由电气结构元件彼此相连接。如果第一电极和第三电极直接导电地彼此连接，则两个电极具有相同的电势。对此备选地，第一电极和第三电极也可经由电气结构元件、例如阻抗彼此相连接，其中，通过阻抗的选择可实现在第一电极与第三电极之间的电压降(spannungsabfall)的控制。相对作为阻抗的线性电阻备选地，非线性的电阻元件同样可被用作电气结构元件，例如取决于温度的电阻、即冷导体或热导体。

此外，作为经由其将第一电极和第三电极彼此连接的电气结构元件同样可使用电压开关元件，例如充气的过压放电器或电压限制结构元件(例如压敏电阻或抑制二极管(suppresserdiode))。显然，之前提到的电气结构元件的组合同样是可设想的。

为了有针对性地影响热电离气体在电弧燃烧室内的流动，包围电弧燃烧室的壁至少在第一电极与第二电极之间的区域中至少部分地由充气的绝缘材料、例如pom构造。由此，等离子体由第一电极至第二电极且进一步至第三电极的流动可被调整，从而由此同样可影响，除了在第一电极与第二电极之间的第一电弧以外何时同样点燃在第二电极与第三电极之间的第二电弧。两个电弧的点燃的时刻此外同样可经由电极彼此的间距以及经由电弧燃烧室的形状被影响。

此外，影响热电离气体在电弧燃烧室内的流动的另一种可行性方案在于如下，即，在电弧燃烧室的与第一侧相对而置的侧中构造有至少一个开口。此外，这样的开口同样使得等离子体从电弧燃烧室的有针对性的流走成为可能，由此，在电弧燃烧室内的压力可有针对性地降低。此外，通过一个或多个开口可实现出现的电网续流的更快抑制和额外的冷却效果。

为了在根据本发明的过压放电器的情形中响应电压可被调整到足够低的且恒定的值上，根据本发明的另一有利的设计方案设置有点火辅助装置。在此，原则上，火花隙的点燃能够以不同的方式实现。根据一种优选的设计方案设置有点火辅助装置，其至少包括点火元件和点火电极。在此，点火元件和点火电极与电弧燃烧室处在接触中，其中，点火元件在一侧上与第一电极且在另一侧上与点火电极导电连接。额外地，点火辅助装置优选地还具有电压开关元件，从而点火辅助装置由其基本的结构如此构建，如同在文件de10338835a1中所描述的点火辅助装置那样构建。

附图说明

详细地，存在多个设计和改进根据本发明的过压放电器的可行性方案。为此不仅参照排在专利权利要求1后面的专利权利要求，而且参照两个优选的实施例结合附图的随后的描述。在附图中：

图1以截面显示了过压放电器的第一实施例的原理图示，

图2以截面不带有壳体地显示了过压放电器的第二实施例的原理图示，且

图3以截面不带有壳体地显示了过压放电器的第三实施例的原理图示。

具体实施方式

图1以截面显示了根据本发明的过压放电器1的第一实施例的原理图示。过压放电器1具有壳体2，在其中布置有第一电极3和第二电极4以及构造有电弧燃烧室5。除了在图1中仅示意性示出的壳体2，过压放电器1额外地还可具有例如由钢构成的外部壳体，由此确保较高的抗压强度。

在两个相应地与电弧燃烧室5处在接触中的电极3,4之间构造有火花隙，从而在两个电极3,4之间的火花隙的点燃的情形中出现第一电弧6。在火花隙的点燃的情形中因此经由电弧6形成在两个电极3,4之间的低阻抗的连接，待放电的瞬间的冲击电流可经由其流动。为此，例如第一电极3与中性导体接口(neutralleiter-anschluss)或pe接口且第二电极4与用于待保护的电流供给装置的一相的接口相连接。

除了第一电极3和第二电极4之外，此外还设置有第三电极7，其同样与电弧燃烧室5处在接触中。该第三电极7在图1中示出的实施例的情形中经由作为返回路径的导电连接8直接与第一电极3相连接。与此区别，在根据图2的实施例的情形中第一电极3和第三电极7不是直接而是经由电气结构元件9彼此相连接。电气结构元件9可尤其是电阻9'或是电压开关元件、例如压敏电阻或充气的过压放电器9''，如这在图2中作为备选方案所表明的那样。

如由根据图1和2的原理图示显而易见的那样，在第一电极3与第二电极4之间的间距a小于在第一电极3与第三电极7之间的间距b。在电弧燃烧室5的纵向上，由此由第一电极3出发首先布置第二电极4且然后布置第三电极7。此外，在第二电极4与第三电极7之间的间距c大于在第一电极3与第二电极4之间的间距a。电弧燃烧室5的横截面在其整个长度上是恒定的，从而同样地在第一电极3与第二电极4之间的区域中的横截面a恰与在第二电极4与第三电极7之间的区域中的横截面c一样大。两个实施例对此是共同的，即，第一电极3呈圆盘状地构造且在第一侧5a上限制电弧燃烧室5。与之相反，第二电极4和第三电极7分别呈环形地构造，从而两个电极4,7以其内表面径向地限制电弧燃烧室5。

径向包围在电极4,7之间的电弧燃烧室5的壁10由绝缘材料构成，其中，至少在第一电极3与第二电极4之间的壁10的区域优选地由充气的绝缘材料、例如pom构成。由此，热电离气体在电弧燃烧室5内的流动的影响是可能的，从而等离子体在第一电极3与第二电极4之间的第一电弧6的点燃之后在第三电极7的方向上扩展。如果经由过压放电器1低能量的较短的脉冲被放电，则该脉冲流动经过在第一电极3与第二电极4之间的电弧6。随着待放电的脉冲的逐渐增加的持续时间，在电弧燃烧室5中的电离增加或者等离子云进一步在第三电极7的方向上扩展，从而然后额外地同样产生在第二电极4与第三电极7之间的第二电弧6'的点燃。

在根据本发明的过压放电器1的情形中，由此取决于待放电的冲击电流的能量含量或者形成仅在第一电极3与第二电极4之间的电弧6或者额外地在时间上延迟地还形成另一在第二电极4与第三电极7之间的电弧6'。带有较少能量含量的冲击电流由此仅经由在第一电极3与第二电极4之间的电弧6被放电，其中，此处电弧燃烧电压相对较高，从而电弧6在放电过程结束之后快速熄灭且因此电网续流被有效抑制。

如果待放电的冲击电流的持续时间较长，则这引起如下，即，电离气体在电弧燃烧室5内进一步在第三电极7的方向上扩展，从而然后在第二电极4与第三电极7之间的区域同样被如此强地电离，以至于产生在第二电极4与第三电极7之间的第二电弧6'的点燃。在此，两个电弧6,6'形成两个平行的在第二电极4与第一电极3之间或者在第二电极4与第三电极7之间的路径，从而两个路径的该并联的总阻抗小于两个单独的路径的阻抗，这引起冲击电流在电弧燃烧室5中的放电的情形中的能量转换的降低。两个电弧6,6'然后在相比如下情况较低电弧燃烧电压的情形中燃烧，即，仅第一电弧6燃烧。这引起如下，即，在高能量的待放电的脉冲的情形中在电弧燃烧室5内的能量转换同样不是如此高，以至于产生不允许的负载或甚至产生过压放电器1的损坏。

在根据图1和2的两个实施例的情形中，通过使在第一电极3与第二电极4之间的间距a小于在第二电极4与第三电极7之间的间距c实现，经由在第一电极3与第二电极4之间的第一火花隙的电流路径的阻抗小于经由在第二电极4与第三电极7之间的第二火花隙的电流路径的阻抗。由此防止如下，即，在第二火花隙的点燃之后待放电的冲击电流仅还流动经过第二路径或者第二电弧6'。

备选地，第二电弧6'的阻抗的提高同样可通过以下方式实现，即，电弧燃烧室5在第二电极4与第三电极7之间的区域中的横截面c小于电弧燃烧室5在第一电极3与第二电极4之间的区域中的横截面a。由此实现第二电弧6'的更强的限制且额外地在周围的壁10的材料的相应选择的情形中同样实现电弧6'的有针对性的更强的冷却，这两者引起第二电弧6'的阻抗的提高。该设计方案在根据图3的实施例的情形中实现。在根据图3的实施例的情形中，在第一电极3与第二电极4之间的间距a恰与在第二电极4与第三电极7之间的间距c一样大。如下然而同样是可能的，即，在第一电极3与第二电极4之间的间距a小于或大于在第二电极4与第三电极7之间的间距c来选择，只要经由在第一电极3与第二电极4之间的火花隙的电流路径的阻抗不大于经由在第二电极4与第三电极7之间的第二火花隙的电流路径的阻抗。

最后，第二电路的阻抗的调整同样可经由电气结构元件9的选择实现，经由其第一电极3与第三电极7相连接。此外，对于各个电极3,4,7而言同样可使用不同的材料或电极3,4,7可具有不同的尺寸、尤其不同的厚度。此外，先前所描述的措施同样可被彼此组合，即例如电弧燃烧室5在第二电极4与第三电极7之间的区域中的横截面c小于电弧燃烧室5在第一电极3与第二电极4之间的区域中的横截面a且额外地第一电极3和第三电极7经由阻抗9'彼此相连接。

为了使得热电离气体在电弧燃烧室5内的流动的有针对性的影响和尤其热气体从电弧燃烧室5中的有针对性的流走成为可能，在电弧燃烧室5的与第一侧5a相对而置的第二侧5b上构造有在限制电弧燃烧室5的壁10中的开口11，其与吹出通道12相连接。通过开口11和吹出通道12，由此热电离的气体可有针对性地从电弧燃烧室5中流出，由此同样地在电弧燃烧室5内的压力可被有针对性地降低。为了实现热气体在从过压放电器1中离开之前的充分冷却，吹出通道12优选地沿着由金属构成的外部壳体伸延。

在根据本发明的过压放电器1的情形中，在第一电极3与第二电极4之间的间距a如此大地来选择，以至于电网续流可被足够快地且可靠地消除，即使在低能量的冲击电流的情形中(在其中绝缘材料壁10仅放出较少气体)。为了在此使过压放电器1的响应电压不过大，设置有点火辅助装置13，其具有点火元件14、点火电极15和压敏电阻16。在此，点火元件14和点火电极15与电弧燃烧室5处在接触中，其中，点火元件14在一侧上与第一电极3且在另一侧上与点火电极15导电连接。

如果在过压放电器1处出现大于压敏电阻16的阈值电压的过电压，则首先电流流动经过压敏电阻16、点火电极15和点火元件14至第一电极3。在此，由于点火元件14的较低的电流承载能力产生在电弧燃烧室5中的电离，其引起在第一电极3与第二电极4之间的第一电弧6的点燃。此外然而同样可使用其它形式的(本身由现有技术)已知的点火辅助装置，其引起过压放电器1在期望的响应电压的情形中的点燃。