具有保护火花间隙的避雷器的制作方法

1.本发明涉及通过火花放电间隙(以下称为“间隙”)连接到电网的避雷器，并用于保护避雷器在闪电或电网内部过电压时不受不可接受的过电压和电流的影响。本发明还涉及具有设有保护间隙的避雷器的高压传输线。


背景技术：

2.专利us5663863(例如，在美国专利的图11中)教导了一种避雷器，包括非线性电涌避雷器(mox)形式的放电设备，当电线上发生过电压时，它通过避雷器的高压电极和处于高电压下的电极之间的工艺火花间隙g1(通过放电将其击穿)连接到电线上(参见本说明书所附的图1)。避雷器通过避雷器的高压电极和低压电极之间的单独的保护间隙g2保护避雷器免受电涌影响，该保护间隙g2不连接到工艺间隙g1。当暴露于过电压波时，大电流流过避雷器，由于避雷器的高度非线性，间隙g2两端的电压略有增加。只有在非常高的电流下，当避雷器失去其非线性特性时，电压才会显著增加并且间隙g2才可以被破坏(参见本说明书所附的图2)。使用这种保护方法，电涌避雷器因电流过载而损坏的可能性很高。因此，us5663863中描述的设计不具备避雷器保护的功能。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为通过间隙连接的避雷器提供对危险电流的保护。
4.本发明的目的通过一种主要设计用于保护电气设备或电力线免受过电压(例如脉冲一，包括闪电)的避雷器来解决。避雷器包含放电设备、连接到放电设备的高压电极以及连接到放电设备的低压电极，高压电极被设置成可在处于高电压下的电极和高压电极的端部和/或彼此最接近的部分之间形成工艺火花间隙。
5.根据本发明的避雷器的显着特征是它包括保护电极，保护电极直接或通过连接火花间隙连接到低压电极，并且保护电极被设置成可在处于高电压下的电极和保护电极的端部和/或彼此最接近的部分之间形成保护火花间隙，其中，工艺火花间隙的电气强度小于保护火花间隙的电气强度。
6.由于保护火花间隙恰好位于保护电极和避雷器高压电极的端部之间，其接收将避雷器连接到处于高电压下的电极的火花放电，或恰好在保护电极和处于高电压下的电极的端部(是向避雷器的高压电极放电发展的起始点)之间，在放电设备不被击穿的电压下，提供保护火花间隙的火花击穿的可能性。
7.工艺火花间隙的尺寸小于保护火花间隙的尺寸或者工艺火花间隙的击穿强度小于保护火花间隙的击穿强度(例如，由于与形成工艺火花间隙的类似元件相比，形成保护火花间隙的电极的端部和/或彼此最接近的部分的曲率半径较大)的事实可以保证“工艺火花间隙的电气强度必须小于保护火花间隙的电气强度”条件的满足。
8.保护间隙优选以这样的方式形成：保护间隙的放电通道在作为当放电设备被连接到处于高电压下的电极时的放电发展起始点的电极部位和保护电极之间形成。通过间隙连
接到电网的放电设备可以有不同的类型，例如：避雷器、多腔室避雷器、管状避雷器、阀门避雷器等。
9.本发明的目的还通过避雷器环来解决，该避雷器环以通过根据上述实施例中的任何一个的火花间隙串联连接的避雷器的链的形式制成。
10.本发明的目的还通过包括塔、单个绝缘体和/或组装成列或串的绝缘体的传输线来解决，以及至少一根直接或通过紧固件连接到单个绝缘子和/或第一列绝缘子或绝缘子环的配件的高压电线，其中每个单个绝缘子或绝缘子的每列或环，通过其与指定的塔相邻的配件的元件固定在一个塔上。根据本发明，传输线包含至少一个根据任何上述选项的避雷器和/或至少一个根据任何上述实施例的避雷器环。处于高电压下的电极必须连接到处于高电压下的高压电线。
11.通过本发明，实现了保护放电设备免受极端过电压冲击的技术效果，从而提高了避雷器的可靠性和使用寿命以及在暴露于极端过电压后保持避雷器的性能。本说明书中指出的所有技术结果，包括附加的，都是根据本发明同时实现的并且彼此密不可分。
附图说明
12.图1示出了具有保护间隙的、us5663863中的公知火花间隙的示意图；
13.图2示出了图1的避雷器g2的保护间隙的操作；
14.图3示出了根据本发明的具有保护间隙的避雷器的示意图；
15.图4示出了根据图3的避雷器的保护间隙的操作的初始阶段；
16.图5示出了根据图4的避雷器的保护间隙的操作的最终阶段；
17.图6示出了根据本发明的具有保护间隙的避雷器的实施例的示意图；
18.图7示出了根据图6的避雷器的保护间隙的操作的初始阶段；
19.图8示出了根据图6的避雷器的保护间隙的操作的最终阶段；
20.图9示出了根据图3的避雷器环；
21.图10示出了根据图9的避雷器串的保护间隙的操作；
22.图11示出了根据本发明的避雷器串的实施例；
23.图12示出了图11的避雷器串的保护间隙的初始操作；
24.图13示出了图11的避雷器串的保护间隙的最终操作。
25.图中显示了以下元件：1-避雷器，2-导线，3-主要工艺火花隙的高压电极，4-避雷器的高压电极，5-避雷器的低压电极，6-避雷器保护火花间隙的高压电极，7-保护电极，8-工艺火花间隙的火花通道，9-保护火花间隙的火花通道，10-保护间隙的合并通道；
26.11-i段避雷器，31-i段主要工艺火花间隙的高压电极，41-i段避雷器的高压电极，51-i段避雷器的低压电极，71-i段的保护电极，81-i段的工艺火花间隙的火花通道，91-i段保护火花间隙的高压火花通道；
27.12-ii段避雷器，32-ii段主要工艺火花间隙的高压电极，42-ii段避雷器的高压电极，52-ii段避雷器的低压电极，72-ii段的保护电极，82-ii段的工艺火花间隙的火花通道，92-ii段的保护火花间隙的高压火花通道；
28.13-iii段避雷器，33-iii段主要工艺火花间隙的高压电极，43-iii段避雷器的高压电极，53-iii段避雷器的低压电极，73-iii段的保护电极，83-iii段的工艺火花间隙的火
花通道，93-iii段的保护火花间隙的高压火花通道；
29.u为过电压脉冲，i为第一段避雷器环，ii为第二段避雷器环，iii为第三段避雷器环。
具体实施方式
30.在下文中，将参考附图和特定实施例来描述本发明。这样的描述是为了通过具体示例解释本发明的目的而给出的，并不旨在限制由权利要求限定的本发明的保护范围。同时，在权利要求中列出说明书中的特征，以便更准确地确定保护范围。本发明可应用于通过间隙连接到电网的多种放电设备，包括但不限于电涌避雷器、多腔室避雷器、管状避雷器、阀门避雷器等。
31.本发明的描述是针对放电设备处于低电压并通过工艺火花间隙连接到高电压的情况给出的。然而，这样的联系并不限制本发明的保护范围，仅出于简化说明的目的而给出。一般来说，根据本发明的避雷器的连接方法没有明确规定，可以变化。根据连接的变化，放电设备可以处于高电压并通过工艺火花间隙连接到低电压，该连接选项等同于本发明以及实现说明书中呈现的操作原理的任何其他选项。
32.当在各个电极的端部之间形成工艺和保护火花间隙时，在附图和描述中有具体实施例。在这些情况下，作为放电电弧起源的电极的放电点位于电极的端部。然而，在包括在本发明的保护范围内的其他实施例中，这些火花间隙可以在各个电极的彼此最接近的部分之间。在这种情况下，在一般情况下的电极的彼此最接近的部分可能不是电极的端部(尽管它们可能是(例如，如附图中所示))。
33.特别地，电极可以具有比电极的端部更靠近彼此定位的弯曲部(或者，在一个实施例中，一个电极的弯曲部可以更靠近另一电极的端部)。在这种情况下，作为放电电弧起源的电极的放电点位于弯曲部，并且可以随着放电发展到电极的端部而迁移。也就是说，放电电弧最初会在电极的弯曲部产生，这些区域是彼此最接近的区域，然后由于电极的表面曲率半径变小而移动到电极的端部。所有这些实施例都在本发明的保护范围内，并且以下描述也适用于这些实施例，尽管本发明以电极的彼此最接近的区域是电极的端部的示例来说明。
34.图1示出了具有与us566386专利3的图11相对应的保护间隙的公知的避雷器(mox)的示意图。当导线2上出现过电压时，放电设备1(也可称为灭弧设备，aed)通过放电通道8在电极3和4的端部之间形成的工艺间隙g1与导线2连接。aed 1通过在电极6和7的端部之间形成的保护间隙g2来防止过电压，此外，电极6连接到位于aed高压侧的电极4，以及电极7与接地的避雷器5的低压电极连接。当触发间隙g1并施加过电压波时，大电流流过aed 1(避雷器形式为电涌避雷器)，由于电涌避雷器在工作过程中电阻急剧下降，间隙g2两端的电压轻微地增加。
35.图2示出了图1避雷器的保护间隙g2的操作。从图2可以看出，间隙g2与工艺间隙g1不通过任何方式连接。保护间隙布置在在电流地连接到避雷器4的高压电极的保护间隙6的单独的高压电极和连接到避雷器5的低压电极的电极7之间。因此，间隙g2的放电电压较高，其上的电压显着增加，并且间隙g2只能在非常高的电流值下工作，然而电涌避雷器失去非线性特性。使用这种保护方法，避雷器因电流过载而损坏的概率很高，因为在保护间隙g2操
作之前，避雷器就已经由于电流负载过大而损坏，因此，如图1和2所示的设计不能起到保护避雷器1的作用。
36.根据图1的避雷器设计的另一个缺点是，在工艺间隙g1中形成的电弧具有大的短路电流和由开关操作时间决定的长持续时间。这导致避雷器电极4的显着腐蚀。
37.图3示出了根据本发明的具有保护间隙的避雷器的示意图。该避雷器中没有电极6，在参与形成工艺间隙g1的放电通道8的避雷器的高压电极4和直接(直接电流地)连接到避雷器的低压电极5的保护电极7之间布置保护间隙g2。
38.保护火花间隙g2直接形成在避雷器的高压电极4的端部和保护电极7之间，其接收火花放电8，火花放电8将避雷器连接到处于高电压下的电极3(图3至5)，或者火花放电8直接连接在保护电极7和作为避雷器的高压电极4(图6至8)放电发展的起始点的高压下的电极3的端部之间。在放电设备尚未失效的电压下，即在达到破坏放电设备的极端过电压之前，提供了保护火花间隙g2的火花击穿9的可能性。
39.为了首先在工艺火花间隙g1中产生放电8，然后在保护火花间隙g2中产生放电9，工艺火花间隙g1的电气强度必须小于保护火花间隙g2的电气强度。这可以通过工艺火花间隙g1的尺寸小于保护火花间隙g2的尺寸来保证，那么间隙g1的击穿电压将小于间隙g2的击穿电压。在另一个实施例中，这可以通过工艺火花间隙g1的击穿强度小于保护火花间隙g2的击穿强度来确保，例如，由于间隙g1安排在棒状电极之间，而间隙g2位于棒状电极与半径较大的金属球(或半球)(其提供了更均匀的电场)之间。
40.保护间隙g2主要是这样形成的：其放电通道9在作为当放电设备1连接到处于高电压下的电极3(以及，进一步地，到高压电网2)时的放电发展起始点的电极3和4的某个部位和保护电极7之间形成。由于触发电极之间的工艺间隙时，在电极端部形成熔融金属点，并在其附近空间形成等离子导电云，为击穿电保护间隙创造了有利条件。它以相对较低的电压击穿，明显低于冷电极之间已知设计的保护间隙的放电电压。
41.附图示出了本发明结合处于高电压下的电极的实施方式。它由位置3或31表示，具体取决于图形。该电极可以是避雷器的一部分，也可以是外部电极，避雷器与其相关安装，使得可能在处于高电压下的电极和高压电极的端部和/或彼此最接近的部分之间形成工艺火花间隙。
42.由于直接或通过连接火花间隙连接到低压电极的保护电极安装成可能在保护电极的端部和/或最接近彼此的部分和高压电极或处于高电压下的电极之间形成保护火花隙，因此为了实施本发明，所有三个电极：高压电极、保护电极和处于高电压下的电极，或者更确切地说它们的端部和/或最接近的部分，应该优选地在彼此的视线范围内，或者换句话说，在以放电间隙的形式彼此直接接近的范围内。
43.通过这种电极布置，放电间隙(工艺间隙和保护间隙)也在彼此的视线范围内。所有这一切都是通过在保护电极提供的保护操作时保护间隙和工艺间隙中的放电在其中一个电极上具有一个公共点(放电点)这一事实来确保的：高压电极(例如，在图3至5中)或处于高电压下的电极(例如，在图6至8中)。
44.为了实施本发明，工艺火花间隙的电气强度小于保护火花间隙的电气强度。在本说明书中给出了用于确保该条件的变体。由于三个电极(3、4和7)(优选地位于彼此的视线范围内)参与了工艺间隙和保护间隙(分别为g1和g2)的形成，因此在此设计中将有一个或多
个火花间隙(在图3中的电极3和7)，其放电不应在工艺间隙g1中的放电开始之前或在保护间隙g2中的放电开始之前发生。为此，该第三火花间隙的介电气强度必须大于工艺火花间隙的介电气强度和保护火花间隙的介电气强度。
45.这可以通过本说明书中呈现的各种方法来实现。例如，这可以通过保护电极和高压电极之间的距离(即，第三火花间隙的更大尺寸)比高压电极和处于高电压下的电极之间的距离(即，工艺火花间隙的尺寸)以及保护电极和高压电极之间的距离(即，保护火花间隙的尺寸)更大来确保。
46.图4示出了根据图3的避雷器的保护间隙的操作的初始阶段。由于触发电极3和4之间的工艺间隙g1时，在电极4端部形成熔融金属点，并在其附近空间形成导电等离子体云，为保护间隙g2的击穿创造了有利条件。由于在保护间隙g2附近因为放电间隙g1的击穿而形成的等离子体云的存在，因此保护间隙g2在给定的相对低的电压下击穿，它为图1至13中的放电设备1在其损坏和/或在极端过电压下超过工作电压范围之前提供保护。
47.应该注意的是，在us5663863专利中已知的保护间隙g2的设计(参见图1和图2)中，图1和图2中远离间隙g1的冷电极之间的间隙g2的放电电压显著高于图3至13所示的具有不同实施例的本发明设计的间隙g2的放电电压。
48.图5示出了根据图3的火花间隙的保护间隙的操作的最终阶段。工艺间隙g1的通道8和保护间隙g2的通道9在电极3和7之间合并为一个通道10。在这种情况下，避雷器的电极4不参与短路电流的流动，并且与根据图1的已知设计的避雷器不同，它的腐蚀可以忽略不计。
49.图6示出了根据本发明的避雷器的另一个实施例。在该方案中，也没有电极6，在参与了工艺间隙g1的放电通道8的形成的高电压下的电极3(电网电极)和低压电极7之间安排了保护间隙g2。
50.图7示出了根据图6的避雷器的保护间隙的操作。由于电极3和4之间的工艺间隙g1操作时，在电极3的端部形成熔融金属点，在其附近空间形成导电等离子云，为保护间隙g2的击穿创造了有利条件。保护间隙g2在给定的相对低的电压下击穿，这也为避雷器1在被破坏和/或超过工作电压范围之前提供保护。
51.图8示出了根据图6的避雷器的保护间隙的操作的最终阶段。当触发保护间隙g2时，主电流流过电极3和7之间的放电通道9，并进一步接地。通过通道8的电流可以忽略不计，因此通道8被猝灭。避雷器的电极4不参与短路电流的流动，并且与根据图1的已知设计的避雷器不同，它的腐蚀可以忽略不计。
52.图9示出了根据本发明的避雷器串。包括在环中的放电设备11、12、13连接到电线2并通过工艺火花间隙g1的放电通道81、82、83相互连接。连续段i、ii、iii的放电设备11、12、13固定在绝缘结构上(图9和图10中未示出)。避雷器环通过第一工艺间隙g1的放电通道81连接到导线，该第一工艺间隙g1形成在安装在电线上的高压电极31和第一避雷器的高压电极41之间。第二避雷器通过在第一避雷器的低压电极51(直接(直接地，电流地)连接到第二避雷器的间隙的高压电极32)和第二火花间隙的高压电极42之间形成的间隙g1的通道82连接。类似地，连接第三个和后续避雷器。最后一个避雷器的低压电极(在图7所示的三个避雷器的环的实施例中，这是电极53)接地。
53.每个火花间隙在对应的高压电极41、42、43和直接(直接电流地)连接到对应的低
压电极51、52、53的保护电极71、72、73之间具有其自己的保护间隙g2。
54.图10示出了根据图9在避雷器不可接受的高电流下，但仍然在达到破坏放电设备的极端过电压之前，避雷器花环的保护间隙的操作。在这种情况下，电流绕过放电设备11、12和13从电线2流过电极31、通道81、通道91、电极71、电极51至电极32、通道82、通道92、电极72、电极52至电极33、通道83、通道93、电极73以及电极53。因此，保护放电设备11、12和13免受不允许的电流和极端过电压的影响。
55.图11示出了根据本发明的避雷器环的实施例。环中的每个避雷器(最后一个接地的除外)都有两个保护间隙g2。一个形成在对应的高压电极41、42、43和电极71、72、73的上端之间，第二个形成在对应的保护电极71、72、73的下端和避雷器11、12、13的低压电极51、52、53之间并且实际上是保护电极的连接火花间隙。避雷器11、12、13固定在绝缘结构上(图9、10和11中未示出)。
56.图12示出了图11的避雷器环的保护间隙g2的初始操作。在这种情况下，对于避雷器来说不可接受的高值的电流绕过避雷器11、12和13从导线2流过电极31、通道81、上保护间隙91的通道、电极71、下保护间隙101的通道、工艺间隙的通道82、第二避雷器92的上保护间隙的通道、电极72、下保护间隙102的通道、工艺间隙83的通道、第二火花间隙93的上保护间隙的通道、电极73以及电极53。
57.图13示出了图12的避雷器环的保护间隙的最终操作。如图12所示的保护间隙操作后，电弧通道合并。通道81与通道91合并为单个通道111。通道101、通道82和通道92合并为单个通道112。通道102、通道83和通道93合并为单个通道113。此外，这些单个弧形通道111、112、113从避雷器环的电极41、42、43、51和52上脱离。在这种情况下，对于避雷器来说不可接受的高值的电流从电线2流过电极31、通道111、电极71、通道112、电极72、通道113、电极73以及在避雷器11、12和13的外部的电极53。在这种情况下，避雷器11、12和13被保护免受不可接受的电流，并且避雷器11、12和13的电极41、42、43、51和52实际上没有腐蚀。
58.图3-13所示的并在本节中加以描述的避雷器和避雷器环可用于包含塔、单个绝缘子和/或组装成列或环的绝缘子的传输线，以及至少一根直接或通过紧固设备与单个绝缘子的配件和/或第一列绝缘子或绝缘子环连接的高压电线。每个单个绝缘子或每个绝缘子列或环通过与指定塔相邻的配件的一个元件固定在其中一个塔上。根据本发明，电力线可以包含至少一个根据任何上述实施例的避雷器和/或至少一个根据任何上述实施例的避雷器环。处于高电压下的电极必须连接到处于高电压下的电线。
59.附图中所示并在说明书中详细描述的实施例旨在促进对本发明的理解，而不应解释为限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求限定。所描述的实施例可以以确保操作原理的实施和技术成果的实现的任何组合来结合和组合，包括附加的。作为单个实施例的组合的结果，可以实现附加的技术结果。