封裝的、耐壓構成的、非氣密密封的、旋轉對稱的大功率火花隙的製作方法

2023-05-30 10:16:01

專利名稱：封裝的、耐壓構成的、非氣密密封的、旋轉對稱的大功率火花隙的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種按權利要求1的前序部分所述的封裝的、耐壓構成
的、非氣密密封的、旋轉對稱的大功率火花隙，其具有兩個間隔的相 對設置的主電極、 一個圓柱形的金屬外殼、 一個由外殼包圍的氣體或等 離子冷卻室以及優選在端側設置的用於主電極的電連接觸點。
背景技術：
按照現有技術在火花隙基礎上的過電壓保護器中，所述火花隙在低 壓範圍內應用時封裝設置，以免排出威脅環境的高溫或尚被電離的氣體。
在屬於較早現有技術的排氣放電器中，絕大部分的、直至約9oy。的能 量轉換都以熱氣體的形式排放到環境中。很明顯，採用現代的火花隙來 避免排氣，這提高了熱負載以及動態負載。在封裝的放電器中，這種提 高的負荷妨礙在儘可能小的結構尺寸中對於高脈衝電流和高續流進行必 要的控制。
為實現在若干千伏範圍內的更低的安全電平，放電器中設有附加的 觸發裝置。這樣的觸發裝置要求另一個附加的、通常加載高壓的電極的 絕緣。在結構空間上的更多消耗以及附加的絕緣材料也導致以這種方式 實現的放電器功率的其它限制。
由DE 100 08 764 Al以及其中展示的封裝的火花隙已知，經由火花 隙的金屬殼體外套輸入觸發電勢。設置在該處的主電極相互絕緣並相對 於外殼絕緣地安裝在火花隙中。然而由於短的電弧長度以及電弧的簡單 分布通過該現有技術的方案只能夠達到較小的續流極限。
在DE 100 18 012 Al的封裝的放電器中，觸發電極的電勢同樣通過 火花隙的耐壓金屬外殼被輸送。這裡的耐壓外殼一體構成並且為製造的 目的釆用簡單的成形工藝。然而，放棄觸發電勢的絕緣套管導致在該變型方案中用於火花隙內部的絕緣體的費用增加，因為兩個電極不僅必須 相互之間絕緣，而且也相對於整個外殼絕緣。除了要求更多的空間，特 別是火花隙的散熱也受到耗費的耐壓的絕緣體的阻礙，這導致絕緣部件 熱負荷的增加、較長的冷卻時間以及為火花隙提供的空間的大幅度的限 制。所有這些缺點最終限制火花隙的功率。
如果為改善火花隙的特定參數而實行自產氣體的附加排放，就會產 生高的能量轉換，該能量轉換除熱負荷之外導致脈沖電流和續流中的繼 續升高或動態壓力負載。
在DE 101 64 025 Al中展示了一種封裝的可觸發的火花隙，該火花 隙按照RadaxFlow原理工作。在該現有技術的解決方法中，火花隙現有 的長方平行六面體形的外殼用於冷卻熱的氣體。通過與外殼絕緣的第二 主電極的絕緣件輸送到觸發電極。基於外殼的幾何實施形式，這樣的變 型方案成本較高並且相對於用做冷卻氣體的區域極大地限制了有效電弧 範圍的位置。
上述現有技術中的較為有價值的方案包括能承受雷電的低壓空氣火 花隙，該火花隙以其構造具有高耐壓性。
在EP0305077A1中介紹了一種較小功率的火花隙，其中，觸發電 極穿過火花隙的由絕緣材料製成的外殼。該不具有承受雷電能力的火花 隙具有較小的主電極距離，且不具有提高電弧電壓的措施。該現有技術
的。這樣一個火花隙不適合投入低壓電網使用。這裡的外殼的動態負載 性以及觸發電極的套管同樣都很小。

發明內容
由以上可知，本發明的目的在於，實現進一步改進的、封裝的、耐 壓構成的、非氣密密封的、旋轉對稱的大功率火花隙，其具有兩個間 隔地相對設置的主電極、 一個圓柱形的金屬外殼、 一個由外殼包圍的氣 體或等離子冷卻室以及優選在端面設置的用於主電極的電連接觸點，該 火花隙與已知的相比較能良好且快速地冷卻熱的氣體。
4通過按權利要求1的特徵組合的火花隙實現本發明目的，從屬權利 要求提出了至少符合目的的結構以及進一步設計。
在按Radax Flow原理封裝火花隙時通過未有的排氣和通過能量輸出 提高所有火花隙部件的熱負載。另外也提高火花隙的動態負荷，因為在 Radax Flow原理中附加產生的氣體不能自由流出。
這種熱負荷導致使用的廉價的惰性絕緣部件以及活性的產氣材料的 較快變形和較強燒損。同樣提高了主電極和必要時存在的觸發電極的燒 損。基於動態的壓力發展，燒損顆粒以及熔體也分布在整個火花隙內。 這也危害在現有技術中已經存在的壓力平衡開口，所述壓力平衡開口保 證用於火花隙環境的必需的壓力平衡。在壓力平衡開口封閉的情況下再 次加栽時存在永久損害火花隙的危險。
火花隙由運行引起的壓力衝擊造成的動態負荷在高負荷的情況下導 致在處於堆疊結構的零件中的短期或永久的縫隙形成。由此通過汙染或 等離子影響會造成絕緣的損害並且從而使火花隙的觸發特性變得糟糕。 在較強加載時限定燃弧室的部件易於形成裂縫，因此威脅火花隙的功能。
因此必需的是，實現有效且節省空間地以及廉價地冷卻熱的氣體以 及實現火花隙與環境的壓力平衡。
按本發明封裝的、耐壓構成的、非氣密密封的、旋轉對稱的大功率 火花隙的冷卻室由具有位於其間的曲折形的冷卻通道的同軸的杯形結構 構成。杯形結構可以由金屬材料構成，該金屬材料具有高的導熱性。
所述主電極之一構成為空心圓柱形的排氣電極，該電極具有側向的 開口。各側向的開口伸入側面的冷卻室內。
所述冷卻通道具有多個彼此無關的通風開口或與這樣的開口連通。
基於本發明的基本構思，第一通風開口間接或者直接與電弧通道的 底部連通。第一通風開口由所述連接觸點之一的螺紋通道和孔構成。
其它的通風開口處於這樣的區域中，即在這些區域中氣體通過偏轉 和通過與杯形結構熱交換地接觸而經受冷卻。
另外按本發明排氣電極的各側向開口的橫截面面積總和大於燃弧室 的橫截面面積，使得按簡單的方式得到電極燒損的有效降低。
5為了提高整個結構的耐壓性，在本發明的一種實施形式中設置一個 包圍燃弧室的支承元件，該支承元件是以支承環、支承帶、支承織物和/ 或支承插件的形式構成。
為了提高耐壓性也存在這樣的可能性，即杯形結構的敞開的端部至 少部分與排氣電極形鎖合或力鎖合地連接。
在一種補充的實施形式中支承環由導電的材料構成並且設定該材料 與杯形結構連接，其中在支承環與燃弧室之間存在一個由產氣材料例如
POM構成的限定該室的插件。


下面藉助於實施例參照附圖詳細解釋本發明。其中
圖1顯示用於有效冷卻耐壓構成的、非氣密密封的、旋轉對稱的大
功率火花隙的實施形式，包括軸向的杯形結構以及位於其間的曲折形的
冷卻通道；
圖la顯示按圖1的結構的局部詳圖2顯示類似圖1的實施形式，但是包括用於提高整個結構的耐壓 性的附加的支承環；
圖3顯示類似圖2的實施形式，但是包括在杯形結構與排氣電極之 間的附加的螺紋連接，用於穩定和提高整個結構的耐壓性；
圖4顯示另一實施形式，包括導電的支承環，其與限定冷卻室的杯 形結構連接。
具體實施例方式
示例地在圖中顯示的火花隙包括一個圓柱形的金屬外殼1和兩個主 電極2、 3。
此外有選擇地例如通過絕緣地插入的導電的帶8設定觸發可能性， 該帶伸到觸發電極。
觸發電極具有一個內端部，它引導至燃弧室7。 觸發電勢的絕緣的插入例如在按圖1的視圖公開的那樣實現在火花隙結構的下面的區域內的附加的自由空間。
該自由空間用主要為管形的彼此梯級式排列的金屬部件21填充，所 述金屬部件構成同軸的杯形結構。
在各金屬部件之間的環形縫隙22通過環繞的間隙23或孔24或者類 似的凹槽彼此連通，使得產生帶有多次氣體偏轉結構25的、曲折形的、 同軸的、節省空間的冷卻系統。
圓柱形的金屬殼壁(外殼l)可以作為封閉件結合到冷卻系統內。
冷卻系統的尺寸和位置通過它們的同軸的結構在相同的實際功率時 沒有導致相對於已知的排氣火花隙不期望的空間需求的提高。
按本發明的冷卻系統包含多個完全不相關的壓力平衡開口 26,所迷 開口隨著氣體的增大的離開或停留時間具有較大的橫截面。
杯形結構的第一或者最裡面的管形的壁27除了帶有氣體通道的主電 極28的底部之外如通常的那樣用於中斷等離子束。因此熱的氣體在裡面 的圓柱形的第一腔17中均勻地分布。該腔的壁在此由於等離子束而被強 烈地加載，因此材料要具有高的耐燒損性或者提高的厚度。除了金屬材 料之外也可以採用陶瓷材料、複合材料或者具有高的動態強度的聚合物。 金屬由於高的熱量吸收能力在第一腔17內應實現熱的氣體的強烈冷卻的 情況下是尤其適用的。
圓柱形的第一腔17連通至第一環形縫隙，優選在第一腔17的上端 部上通過縫隙或者在那兒設置的多個分開的開口實現。
用這種措施，氣體在第一腔內的流動方向相對於在電弧通道內的流 動方向偏轉並且因此充分利用圓柱形腔的整個表面用於冷卻。
此外因此氣流變得更擴散，並且存在的燒損顆粒已經沉積在第一腔 17內。
在離開裡面的強烈加載的第一腔17之後，熱的氣體到達在內腔的外 壁與環形的第二金屬插件之間的環形縫隙內。通過氣體在窄的縫隙內的 引導實現繼續的強烈的冷卻。縫隙這樣確定尺寸，4吏得由於燒損顆粒和 炭黑而封閉是不可能的。
在第二環上在耐燒損性和金屬的強度方面僅還提出較小的要求。另
7外第一和第二環也可以通過合適的螺紋進行連接。在環形縫隙的端部上 氣體通過適合的連接部導入下一個環形縫隙，在該下一個環形縫隙中可 以進行再次偏轉。在最後的環形插件與火花隙的金屬外套(外殼)之間 的空腔可以作為最後的環形縫隙。
無關的壓力平衡開口的定位這樣實現，使得既使在火花隙內部的強 烈燒損的情況也可以避免開口的堵塞。
壓力平衡開口 26根據氣體偏轉的區域成梯級地從內向外設置，其中 這些開口的橫截面優選從內向外上升。
按本發明在笫一實施形式中第一開口直接在等離子偏轉的區域內在 電弧通道7的底部上實現。在第二變形方案中沒有孔在底部上，但是其 中存在按圖1的內部的通道26的連接。
第一開口優選由孔與電極接頭的螺紋通道構成，該電極接頭也可擴展。
由第 一腔17通過螺旋形或槽形的通入到電極接頭的相同的通道內或 者通入到電極接頭與第一腔17的擋壁的延長部分之間的分開的縫形的通 道內的輸送部實現第二通風。
用於壓力平衡的提到的變形方案由於其在最高的火花隙負荷的區域
內的定位可以僅用最小橫截面並且僅以附加的冷卻例如通過長的螺旋部 29或螺紋部30用於避免排氣。但是在這些負載區域內儘管有高價值的材 料仍產生燒損產物，因此尤其在高負載中通風開口仍遭受不期望的封閉 的危險。
因此按本發明其它通風開口設置在如下區域內，即在這些區域內已 經實現氣體的顯著冷卻並且在這些區域內燒損產物的沉積危險較小。為 此的第一可能性存在於氣體第一次通過內腔與第一冷卻環之間的環形縫 隙之後。在此壓力平衡開口可以通過槽但是也可以通過螺旋部在與其它 壓力平衡開口無關的路徑上向外導向。附加的且無關的壓力平衡開口適 宜用於氣體冷卻的在火花隙的金屬殼體與外部的金屬環之間的開口。
離散的壓力平衡開口或在各冷卻壁之間的開口的實施也可以通過有 細孔的或透氣的結構或者相應的插件實現。用於冷卻熱氣體的介紹的解決方案的獲得的高效率顯示，用於氣體
偏轉和冷卻的壁的體積可選擇得大致等於或高於在冷卻室17內的氣體體 積。同樣在冷卻室內的體積不顯著地有別於燃孤室7的氣體體積。
除了用於氣體的釋壓和冷卻的高效率之外，上述冷卻系統的結構通 過前後成梯級排列的曲折形連通的環形平行擋壁提供其它的優點。
在按Radax Flow原理的已知的火花隙中通過具有用於通氣的通道 的主電極的處於橫向的開口的小橫截面結構產生氣體在電弧區域內的倒 流。在高的脈衝電流中通過這種效應實現所謂的噴嘴堵塞，因此可以降 低火花隙的能量轉換。
上述的解決方案在高的脈衝電流中和在封裝的實施形式中具有兩個 顯著的缺點。氣體在噴嘴前的倒流導致壓力反射，該壓力反射直接進入 到燃弧室內並且通過過量的壓力升高引起堆疊的零件的位置改變，隨之 引起所述零件的可能的損壞。在該區域內的非常熱的等離子的收束在還 適當的續流負荷或脈衝負荷中在下面的主電極上已經導致強烈的燒損。 這在熱的等離子束中引起並且危害壓力平衡開口。通過在等離子束中長 的加熱時間，材料相當長地保持熔融流動性和反應性。這另外提高了快 速封閉平衡開口的危險並且通過高的能量密度也危害火花隙的熱穩定性 較低的絕緣件。通過在主電極的通流通道內的壓力反射，這種熱的部件 可以到達火花隙的觸發區域內。
通過在主電極中的通流通道的按本發明的開口 31可以顯著降低電極 的燒損，該開口大於在燃弧室中的橫截面22。為了得到在高的脈衝電流 中期望的回流，可以利用間距並且可以利用冷卻腔27的第 一冷卻環的材 料特性以及在其它冷卻環23內的氣體的通口的尺寸設計。通過降低至冷 卻環的間距或者通過降低材料的熱容性，根據需求的不同情況在較小的 脈衝電流中也會得到與提及的"噴嘴堵塞"等價的效應。
在環的表面上已經分開的並且隨著增大的距離而擴散的等離子束的 燒損是較均勻的並且因此構成相關的熔體前部，所述熔體前部使得各熔 體顆粒的分解變得困難。
通過燒損現象由電極延長到冷卻區域內，降低絕緣部件由於分裂出的熔體的損害危險，而且既使由於高的脈沖負荷在壓力反射的情況中也 如此。因此例如通過鬆散的熔體粒子也降低了壓力平衡開口堵塞的危險。 按已知的方式在火花隙的燃弧腔內所有的部件是尤其壓敏的。在此
必須尤其考慮在主電極2和3與必要時存在的觸發電極之間的由產氣材 料構成的間隙19、 20。在此POM用作為優選的廉價的材料。POM的強 度是有限的並且不能通過添加纖維材料決定性地提高。
因此按本發明設定，上述材料的動態的耐壓性通過按圖2或3的至 少一個外部的支承環33提高。圖2顯示具有支承環33的火花隙的實施 形式，該支承環由導電的或不導電的材料構成並且加工成配合的活性件。 取代支承環用絲線或織物的環繞張緊或纏繞也是可能的。當然在製造過 程中上述的支承元件或支承部件也能夠集成到產氣材料的外部的通常非 活性的部分中。
通過支承環33不僅可以穩定處於電弧通道7中的部件34，而且也導 致壓力在部件的整個圓周上並且也在位於環後面的其它部件例如絕緣部 件35上的分布。因此既使在不均勻地分布到限定燃弧室7的部件上的情 況下，位於燃弧室外面的部件也受到均勻的壓力負荷。從而通過上述技 術方案不僅提高限定電弧通道7的敏感的部件的耐壓性，而且也防止徑 向分離的部件受到危險的不對稱的壓力分布。這尤其對於維持耐壓的絕 緣部件以及觸發電勢6、 8並且對於絕緣地插入的主電極3是必需的。
在高的脈衝電流中在如下的區域內在燃弧通道內的壓力上升，在這 些區域內尤其在火花隙的堆疊的且壓制的零件的優選結構的變形方案中 所述零件在壓力反射時能夠彼此鬆開。但是這構成用於絕緣間隙36和37 以及觸發電極6 (圖2)的大的危險。 一方面通過穿透的等離子並且另一 方面通過燒損顆粒以及炭黑可以預料損壞。
為了避免負面的現象可以涉及多個應對措施。在保持由零件構成的 堆疊方案的情況中所述零件可以這樣構成，使得在各零件抬起大約lmm 的情況下在具有不同電勢的所述零件之間不會產生穿通的自由空間。同 樣可以避免直至火花隙的外套的穿通的間隙。這如在圖2中描述的那樣 例如可以通過電弧通道的零件36、 6、 37、 34、 2、 3的折角、拱曲和鉤掛實現。這同樣用絕緣部件35和絕緣環38是可能的。絕緣環38用於活 性部件34從主電極2和冷卻室17熱脫耦和機械脫耦。
在另一結構變形方案中零件的止動也是可能的。 一種有利的解決方 案是部件用絕緣材料包圍注塑或者環繞澆注，所述部件引導可能必需的 觸發電勢。這可以在事後或者直接在製造時實現。不同聚合物共同注塑 成一個複合件也是有利的，因此可以排除零件的抬起。
圖3顯示一個結構，其中最外面的冷卻環39與下面的主電極2或其 它適合部件的螺紋連接用作為用於卸壓或者用於壓力均化的其它措施。
通過這種措施，在中間腔(冷卻室17)內建立的壓力均勻地分布到 產氣部件和觸發區域的部件上。同樣在強烈的負載和在各部件之間的可 能的縫隙形成的情況下阻止在燃弧腔與冷卻室之間的二次氣流。
除了高的壓力負載之外在火花隙中的轉換的能量也構成絕緣部件和
尤其由低熔點的POM構成的產氣部件的熱負載。具體地限定燃弧室7 的部件被強烈地加熱並且必需在加載之後快速冷卻，以便避免繼續產氣 和持續變形。在側面限定燃弧通道(燃弧室)的部件與帶有氣體通道的 強烈加熱的電極通過溫度穩定的絕緣材料例如高溫聚合物或者陶資的熱 脫耦和機械脫耦可以藉助於絕緣環38實現。
尤其在高的脈衝負荷並且從而高的分流和分壓中的另 一 問題是保持 低的安全電平和火花隙的低的觸發延遲。
確定用於在主電極2、 3之間的間隙的飛弧時間的重要參數是間隙的 長度。但是該尺寸可以不取決於燃弧通道的採用的材料、脈沖電流承載 性和電流極限地選擇。為了限定通過火花隙的電壓，因此可以僅降低用 於飛弧的必需的時間或者必須在該期間通過其它的可能性限定電壓。
為了縮短必需的時間，可以改變火花隙的幾何結構或流動情況或者 也可以提高提供的觸發能量。同樣直至觸發的電壓可以通過外部的平行 元件例如變阻二極體限定。所述元件不僅可以作為觸發電路的組成部分 而且可以分開地並聯於火花隙設置。
按本發明不僅燃燒室的部件的熱卸載而且直至在兩個主電極之間的結構變形方案實現。在此按圖4支承環33導電地構成並且與冷卻室17 的一個或多個冷卻環33或者下面的主電極2連接。與下面的主電極的連 接是尤其有效的，如果該主電極具有足夠的質量或者良好的冷卻的話。
通過上述解釋的措施，限定燃弧室的產氣的部件比通過一個未連接 的支承環33和一個絕緣環38 (見圖3)的情況更直接和更強烈地冷卻。 這種冷卻如此強烈，使得可以部分放棄已知的熱脫耦(按圖3的構件38)。
通過根據產氣材料(絕緣的或導電的材料)的不同情況電接通產氣 部件，可以在產氣材料34中控制電場分布或者電流分布。從而不僅觸發 延遲時間的縮短而且直至觸發主火花隙的電壓降的降低是可能的。通過 導電的產氣材料的電流可以藉助於該解決方案與相應聚合物混合無關地 在另外的區域內進行控制。電流隨著產氣材料34的減小的環厚度並且隨 著導電的支承環33的增大的高度而上升。這^f吏得直至在主電極之間飛弧 的電壓下降。在這種有利的結構方案中要注意的是，尤其在產氣材料與 支承環之間強烈地重疊時涉及這樣的措施，即所述措施防止在上面的主 電極3與支承環33之間的飛弧。
權利要求
1.封裝的、耐壓構成的、非氣密密封的、旋轉對稱的大功率火花隙，包括兩個間隔的相對設置的主電極、一個圓柱形的金屬外殼、一個由外殼包圍的氣體或等離子冷卻室以及優選在端側設置的用於主電極的電連接觸點，其中冷卻室(17)由同軸的杯形結構(21)構成，所述杯形結構具有位於其間的曲折形的冷卻通道，所述主電極之一構成為空心圓柱形的排氣電極(3)，該排氣電極的多個側向的開口(31)伸入冷卻室(17)內，以及冷卻通道(17)具有多個彼此無關的通風開口(26、30)或者與這樣的開口連通，其特徵在於第一通風開口(26、30)直接與電弧通道(32)連通，第一通風開口由所述連接觸點之一的螺紋通道或孔構成，並且其它通風開口(26)位於通過偏轉和通過與杯形結構(21)熱交換地接觸而已經冷卻的氣體的區域內。
2. 按權利要求l所述的火花隙，其特徵在於為了提高整個結構的 耐壓性，設置一個包圍燃弧室(7)的支承元件，該支承元件以支承環、 支承帶、支承織物和/或支承插件的形式構成。
3. 按權利要求1或2所述的火花隙，其特徵在於為了提高整個結 構的耐壓性，杯形結構(21)的敞開的端部至少部分與排氣電極形鎖合 或力鎖合地連接。
4. 按權利要求2所述的火花隙，其特徵在於支承環(33)由導電 的材料構成並且與杯形結構(21)連接，其中在支承環(33)與燃弧室(17)之間有一個限定該燃弧室的由產氣的材料構成的插件(34)。
5. 按上述權利要求任一項所述的火花隙，其特徵在於排氣電極的 各側向的開口 (31)的相加的橫截面面積大於燃弧室(7)的橫截面面積(32)，以便減少電極燒損。
全文摘要
本發明涉及一種封裝的、耐壓構成的、非氣密密封的、旋轉對稱的大功率火花隙，包括兩個間隔的相對設置的主電極、一個圓柱形的金屬外殼、一個由外殼包圍的氣體或等離子冷卻室以及優選在端側設置的用於主電極的電連接觸點，其中冷卻室由具有位於其間的曲折形的冷卻通道的同軸的杯形結構構成，所述主電極之一構成為空心圓柱形的排氣電極，該電極的側向的開口伸入側面的冷卻室內，以及冷卻通道具有多個彼此無關的通風開口或者與這樣的開口連接。按本發明，第一通風開口直接與電弧通道的底部連通，該第一通風開口由所述連接觸點之一的螺紋通道或孔構成。其它通風開口位於通過偏轉和通過與杯形結構熱交換地接觸而冷卻的氣體的區域內。另外排氣電極的側向開口的橫截面面積大於燃弧室的橫截面面積，以便降低電極燒損。
文檔編號H01T4/10GK101606286SQ200780049178
公開日2009年12月16日 申請日期2007年12月3日 優先權日2007年1月4日
發明者A·埃爾哈特, M·瓦夫勒, S·希爾 申請人:德恩及索恩兩合股份有限公司