一种基于石墨-金属镀层材料的智能多层间隙过电压保护器

一种基于石墨
‑
金属镀层材料的智能多层间隙过电压保护器
技术领域
1.本发明涉及一种过电压保护器件，特别涉及一种基于石墨
‑
金属镀层材料的智能多层间隙过电压保护器。


背景技术：

2.随着高压输电线路中开关设备的应用以及电子与信息化系统的技术进步提升，过电压对敏感、抗扰度能力弱的电子设备、通信装置的影响和危害日益加剧，过电压防护是电力、通信系统安全运行的重要保障。
3.自德国的凤凰接触公司羊角电极结构的过电压保护火花间隙和奥宝贝特曼股份有限公司的叠层石墨结构的过电压保护产品问世以来，国内诸多研究机构、生产企业基于叠层结构过电压保护间隙无电弧外泄、后续电流抑制能力强的优点，均采用这种主体结构的过电压保护间隙，在外围均压电路、失效指示等方面，发明了不少有特定功能的过电压保护间隙，比如：zl 02107856.4一种承载雷电流的火花间隙装置，zl 200710049004.9高效层叠式石墨放电间隙装置等。
4.叠层石墨结构的过电压保护间隙一定程度上解决了单间隙(比如羊角间隙)的抑制后续电流能力差的技术难题，但存在以下缺陷：
5.叠层石墨结构的过电压保护间隙的引出电极，由于引出金属电极与石墨电极的电气连接不可靠，致使引出电极与石墨电极的接触电阻大，在雷电流流经时，接触处容易因过热而出现故障，严重影响过电压保护间隙工作的稳定可靠性和使用寿命。
6.为了提高叠层石墨间隙的抗后续工频续流的能力，常常通过增加叠层石墨间隙的间隙数来实现，结果导致在增加了正常工作下的可靠性和提升了抗后续工频续流能力的同时，造成叠层石墨间隙冲击击穿电压的提升，过电压保护水平相应降低，也就是说间隙型过电压保护器的抗后续工频能力与电压保护之间相互制约的技术问题没有得到有效的解决。


技术实现要素：

7.本发明目的在于针对现有叠层石墨间隙存在的缺陷，提出一种基于石墨
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金属镀层材料的智能多层间隙过电压保护器，显著提升多层过电压保护间隙的防护性能，有效解决过电压保护间隙的交直流电压耐受能力、抗续流能力与电压保护水平相互制约的技术问题，同时也可以解决石墨间隙与外部引出电气连接金属电极可焊性差的缺陷。
8.为实现上述目的，本发明采用如下技术申请：
9.一种基于石墨
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金属镀层材料的智能多层间隙过电压保护器，由设置在绝缘外壳中的多个石墨
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金属材料电极构成的多层放电间隙串联而成，多层放电间隙设置的上引出电极、下引出电极和触发电极之间连接有自动过电压能量耦合触发机构，利用石墨材料的高抗电弧烧蚀性能以及自动过电压能量耦合触发机构输出触发脉冲至触发电极，致使触发电极与下引出电极之间优先形成触发放电，进而引发多层间隙过电压保护器各层放电间隙快速导通。
10.进一步，设置在绝缘外壳中多个石墨
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金属电极组成的n对放电间隙，相邻两个电极之间用绝缘介质材料进行绝缘隔离后通过贯穿各电极和绝缘介质材料的绝缘连杆串联连接，绝缘介质材料为环形结构，其外轮廓与电极外形相同；
11.多层放电间隙的最上层和最下层电极分别引出绝缘外壳作为上引出电极和下引出电极，引出电极焊接在石墨
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金属电极金属层上，第n个放电间隙之间设置触发电极并引出绝缘外壳外，触发电极与第n个放电间隙的上电极和下之间用绝缘介质隔离，触发电极为环形结构，其外部轮廓与放电间隙各电极外形相同；
12.自动过电压能量耦合触发机构连接在上引出电极、下引出电极和触发电极之间。
13.进一步，自动过电压能量耦合触发机构由串联的上耦合电容、下耦合电容和连接在上耦合电容和下耦合电容之间的一只隔离间隙组成，自动过电压能量耦合触发机构的两个输入端分别与上引出电极和下引出电极相连，输出端连接在触发电极和下引出电极之间。
14.进一步，所述石墨
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金属材料电极是通过在石墨棒材外表面喷溅金属材料后切割成的片状电极，金属层位于片状电极水平方向外侧。
15.进一步，所述石墨
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金属材料电极为圆形、方形或椭圆形，电极外侧喷溅金属的厚度为50
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300μm。
16.进一步，所述石墨
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金属材料电极水平方向的一侧喷溅有金属层、另一侧未覆盖金属层。
17.进一步，相邻两石墨
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金属材料电极之间的间隙为0.5
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1.5mm，相邻两电极之间的间距是等距或不等距的，各石墨
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金属材料电极之间的绝缘介质材料厚度与电极之间的间隙距离一致，绝缘介质材料环宽为5
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10mm，且在介质内侧的水平方向开设有深度为0.2
‑
0.5的水平环槽。
18.进一步，喷溅的金属镀层材料是铝、铜或铝锌合金。
19.进一步，触发电极与第n个放电间隙的上电极和下之间的绝缘介质为陶瓷。
20.进一步，触发电极和触发电极与第n个放电间隙上电极和下之间的绝缘介质环宽为各放电间隙电极尺寸宽度的1/4到1/3。
21.本发明基于石墨
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金属镀层材料的智能多层间隙过电压保护器，多层过电压保护间隙由多个电极组成，相邻两电极之间用绝缘介质材料绝缘隔离，且绝缘介质隔离的高度与多层间隙过电压保护器的相邻电极的间隙距离相匹配，采用了石墨
‑
金属材料作为多层间隙过电压保护器的电极材料，使得过电压保护器的引出电极与多层过电压保护器具有优良的可焊接性，彻底解决了目前石墨多层间隙过电压保护器因引出电极可焊性差导致的性能不可靠甚至失效而造成雷击事故发生的严重缺陷。
22.本发明减少了多层过电压保护器的放电间隙的数量、增大第n个间隙距离dgn并在第n个间隙的上、下两电极之间增加触发电极和自动过电压能量耦合触发机构的设计思想，雷电过电压发生时，触发电极可以自动感知并耦合接收雷电过电压的能量，输出触发脉冲至触发电极，致使触发电极与下引出电极之间优先形成触发放电，使第n个放电间隙快速击穿，进而引发多层间隙过电压保护器的其它放电间隙发生快速击穿。有效解决了多层间隙过电压保护器工频耐受电压、抗续流能力与雷电冲击电压保护水平、响应时间相互制约的难题，使得多层结构的过电压保护间隙具有直流击穿电压高、电压保护水平高、响应时间
快、抗工频或直流后续电流能力强等显著特点。
23.各石墨
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金属材料电极之间的绝缘介质材料厚度与电极之间的间隙距离一致，且在介质内侧的水平方向开设有深度为0.2
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0.5mm的环槽，特别是在相邻两电极之间的间隙距离较大的情况下，可以防止过电压保护间隙通过大电流时，金属蒸汽对绝缘介质内侧的污染。
24.触发电极和触发电极与第n个放电间隙上电极和下之间的绝缘介质环宽为各放电间隙电极尺寸宽度的1/4到1/3，且在触发电极所在位置，放电间隙的上电极、下电极之间的间隙距离显著变大，可以与其它间隙距离不同。
25.通过石墨
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金属电极以及自动过电压能量耦合触发机构的结构设计，实现具有高通流能力和可焊性的智能多层间隙过电压保护器可以用于通信领域、乃至电力领域等应用场合的直接雷击和雷电感应过电压的防护。
26.采用铝、铜或者铝锌合金材料喷溅在石墨电极一侧或两侧形成金属层，比现有全石墨电极具有优良的可焊接性能，更有效避免了电接触不可靠而造成防护性能下降的缺陷。
附图说明
27.图1a是本发明石墨
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金属镀层材料结构示意图一；
28.图1b是本发明石墨
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金属镀层材料结构示意图二；
29.图1c为矩形石墨
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金属镀层材料的横截面示意图；
30.图1d为圆棒石墨
‑
金属镀层材料的横截面示意图；
31.图2a是本发明的多层间隙过电压保护器的电极结构示意图一；
32.图2b是本发明的多层间隙过电压保护器的电极结构示意图二；
33.图3是本发明的多层间隙过电压保护器的其中一个放电间隙的结构示意图；
34.图4是石墨
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金属镀层材料的高可焊性的多层间隙过电压保护器的结构示意图；
35.图5是本发明基于石墨
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金属镀层材料的高可焊性的智能多层间隙过电压保护器的实施例1结构示意图；
36.图6是本发明基于石墨
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金属镀层材料的高可焊性的智能多层间隙过电压保护器的另一实施例结构示意图；
37.图中：1
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上引出电极；2
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下引出电极；3
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触发电极；4
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绝缘外壳；5
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绝缘连杆。
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
39.参见图1a
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图1d，本发明的基于石墨
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金属镀层材料的智能多层间隙过电压保护器，其中，石墨
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金属电极材料是通过在石墨棒材外表面喷溅金属材料，如图1a和图1b所示可以是双侧喷溅金属材料也可以是单侧，石墨棒材可以是圆形棒材、矩形棒材或方形棒材，其石墨
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金属材料的矩形截面和圆形截面分别如图1c和图1d所示；喷溅的金属材料可以是铝、铜或其它材料，金属喷溅层的厚度d可以控制在50
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300μm，而金属喷溅工艺可以通过电弧喷涂设备实现。
40.石墨
‑
金属镀层材料的制作流程如下：
①
将圆棒或矩形石墨棒安装在能够旋转的
机构上；
②
将圆棒或矩形石墨棒的外表面进行粗化处理；
③
使用电弧喷射设备在经过粗化的石墨棒表面喷射金属材料，通过石墨棒的旋转和电弧喷射设备的自动控制和往复移动，在石墨棒表面形成具有一定厚度的金属喷射层。
41.参见图2a和图2b，基于电弧喷涂工艺形成的石墨
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金属镀层材料，将石墨
‑
金属镀层电极材料机械加工成多层石墨间隙过电压保护器所需结构的多层电极，每层石墨
‑
金属电极可以是如图2a所示的双侧均喷射金属或合金层的电极或如图2b的所示的单侧喷射金属或合金层的圆形、方型或其它形状的电极组成。
42.参见图3所示的电极可以组成多层间隙过电压保护器的多个放电间隙，可以在每个电极的中心，开设具有3
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5mm直径的圆孔，这样便于导通载流子在不同间隙间的运动，改善过电压保护间隙的防护性能。多层间隙过电压保护器的每相邻电极之间的间隙距离分别为dg1、dg2、
……
、dgn，其量值可以控制在0.2
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0.5mm之间；相邻两电极之间分别通过绝缘介质隔离i1、i2、
……
、in绝缘隔开，其中绝缘隔离i1、i2、
……
、in的高度为hg1、hg2、
……
、hgn，与相邻两电极之间的间隙距离匹配。绝缘介质隔离的形状是具有中孔的圆形、方形或椭圆形结构，与电极的圆形、方形或椭圆形结构相适应。
43.参见图4，本发明一种基于石墨
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金属镀层材料的具有高可焊性的多层间隙过电压保护器，放电间隙g1、
……
、gn多个电极、绝缘介质隔离i1、
……
、in等安装在绝缘外壳4内，相邻两个电极之间用绝缘介质材料进行绝缘隔离后通过贯穿各电极和绝缘介质材料的绝缘连杆5串联连接。放电间隙g1、
……
、gn由多个相邻的电极组成，相邻两石墨
‑
金属镀层材料电极之间依次构成放电间隙g1(第1个间隙的上、下电极e
1u
，e
1d
)、
……
、gn(第n个间隙的上、下电极e
nu
，e
nd
)，其间隙距离分别为dg1、
……
、dgn，相邻两电极之间通过绝缘介质隔离i1、
……
、in实现电气绝缘，绝缘隔离的高度分别为hg1、
……
、hgn。为简便期间，相邻两个放电间隙的下电极和下面间隙的上电极可以共享。
44.参见图5，为了解决多层石墨间隙正常运行条件下工频耐受电压和雷电电压保护水平之间相互制约的难题，本发明在图4所示的被动型多层间隙过电压保护器的基础上，通过减少被动型多层过电压保护器的放电间隙数量(比如，可以将放电间隙数从10个减少到6个)并在第n个间隙的上下两电极之间增加一个触发电极3，并同时设计了智能控制开关机构即自动过电压耦合触发机构。
45.智能控制开关机构是一个二端口网络，其两个输入端与过电压保护间隙的上引出电极1、下引出电极2电气连接，其两个输出端电气连接在触发电极和下引出电极2之间。触发电极的电极材料可以选用金属或合金(如铜、铝或铝锌合金)材料，触发电极与第n个间隙的上电极e
nu
、下电极e
nd
之间用绝缘介质隔离，其绝缘介质材料可以与其它电极之间的绝缘介质隔离材料相同，也可以选择具有强释放能力的高介电系数介质材料如陶瓷。
46.触发电极的结构和主要工作特点包括以下方面：
47.第n个间隙距离dgn可以是其它间隙距离的2
‑
4倍或更大，在该间隙中增加触发电极，触发电极与第n个间隙的上电极e
nu
、下电极e
nd
之间采用绝缘介质隔开。其中，触发电极与第n个间隙下电极e
nd
之间的距离或者说是绝缘介质的高度可以控制在1
‑
2mm，与第n个间隙上电极e
nu
之间的距离或者说是绝缘介质的高度大于与下电极e
nd
之间的距离，可以控制在1
‑
2mm或更大；
48.触发电极及其与第n个间隙上电极e
nu
、下电极e
nd
之间绝缘介质隔离结构的形状与
主电极的形状相同，触发电极和绝缘介质隔离结构的环宽可以控制在主电极尺寸的1/4至1/3范围。
49.参见图6，为自动过电压耦合触发机构最简洁的实施例之一。自动过电压能量耦合触发机构可以由上耦合电容c1、下耦合电容c2和一只隔离间隙g组成。自动过电压耦合触发机构与石墨
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金属镀层多层过电压保护间隙并联连接，具体地：自动过电压能量耦合触发机构的两个输入端分别与多层间隙过电压保护器的上引出电极1和下引出电极2相连，自动过电压耦合触发机构的输出端s电气连接在触发电极和下引出电极2之间。当雷电过电压发生时，自动过电压能量耦合触发机构自动耦合过电压信号并在自动过电压机构的下电容上产生触发高压脉冲，自动过电压能量耦合触发机构的隔离间隙迅速击穿导通，致使多层过电压保护器的触发电极与第n个间隙的下电极e
nd
之间产生闪络放电击穿，产生初始触发载流子，使多层间隙过电压保护器第n个电极快速导通，从而使第1至n
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1个间隙因过压而击穿导通，完成一次雷电过电压的保护过程。
50.参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本专利要求范围当中。