專利名稱：過電壓保護元件和過電壓保護裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于限制瞬時過電壓并導出瞬時電流的過電壓保護元件，它具有至少兩個電極以及在這兩個電極之間的或在其間起作用的火花間隙，其中當火花間隙點火時，在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電弧。本發(fā)明還涉及過電壓保護裝置，它具有第一電極、第二電極、一個在這兩個電極之間的或在其間起作用的火花間隙及一個容放電極的外殼，其中當火花間隙點火時，在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電弧。
因此，本發(fā)明的對象既是上述的過電壓保護元件，也是具有一個布置于外殼里的過電壓保護元件的過電壓保護裝置。
通常，電氣回路用其所規(guī)定的電壓(額定電壓)無故障地工作。當出現(xiàn)過電壓時，情況就不是這樣了。高于額定電壓上公差限值的所有電壓都是過電壓。在這里，主要包括因大氣放電或因開關操作或短路而可能出現(xiàn)在供電網(wǎng)中的瞬時過電壓以及因電鍍、感應或電容而可能耦合到電氣回路中的過電壓。為了對電氣或電子的回路且尤其是電子的測量、控制、調(diào)節(jié)和開關電路并首先是總要使用這些電路的通信裝置和通信設備進行瞬時過電壓保護，開發(fā)出了過電壓保護裝置并且二十五年前就已經(jīng)知道了(例如見德國專利DE4141681、DE4244051或DE4402615)。
前序所述類型的過電壓保護裝置的主要組部分至少是一個火花間隙，在規(guī)定過電壓(動作電壓)下，它動作并因而阻止了在由一個過電壓保護裝置所保護的電路里產(chǎn)生大于火花間隙動作電壓的過電壓。
當火花間隙點火時，通過所產(chǎn)生的電弧在兩個電極之間形成低阻抗連接。由此一來，在施加的網(wǎng)路電壓的情況下，跟著就是一個流經(jīng)過電壓保護裝置的不希望有的網(wǎng)路隨動電流，因此，要想法在導出過程結(jié)束后盡快地滅弧。實現(xiàn)此目標的一種方法就是增大電弧長度并因此提高電弧電壓。這種方法在如DE4402615C2所述的過電壓保護裝置里就實現(xiàn)了。電弧電壓也可以通過提高一個在壓力密閉的封閉外殼里的壓力而增大。另一種熄滅弧方法就是通過絕緣材料壁的冷卻作用或者用放出氣體的絕緣材料來冷卻電弧。在這種情況下，必須有強烈流動的滅弧氣流，這在結(jié)構上很復雜。此外，可以在導出電路里置入串聯(lián)電阻來限制網(wǎng)路隨動電流，或者通過串聯(lián)多個火花間隙以及因而所產(chǎn)生的對單個電弧電壓的相加效果來抑制網(wǎng)路隨動電流，如DE19742302A1所述的那樣。
如開頭所述地，本發(fā)明的過電壓保護元件或本發(fā)明的過電壓保護裝置具有兩個電極和一個在這兩個電極之間的或在其間起作用的火花間隙。火花間隙指很普通的火花間隙，因而，它包括擊穿火花間隙以及飛弧火花間隙，在飛弧火花間隙的情況下，在動作時產(chǎn)生表面放電。擊穿火花間隙可能不僅關系到空氣擊穿火花間隙，也關系到氣體擊穿火花間隙，在后者情況下，在電極之間的不是空氣，而是其它氣體。
與具有飛弧火花間隙的過電壓保護裝置相比，具有擊穿火花間隙的過電壓保護裝置具有較高的脈沖電流承載能力，但其缺點是具有較高的而且也不太穩(wěn)定的動作電壓。因此，已經(jīng)提出了各種具有擊穿火花間隙的過電壓保護裝置，這些裝置已經(jīng)在動作電壓方面得到了改進。在這種情況下，在電極區(qū)或在電極間起作用的擊穿火花間隙的區(qū)域內(nèi)，可以通過各種不同的方式實現(xiàn)輔助點火，例如在電極之間設置至少一個引起表面放電的輔助點火裝置，它至少部分地伸入擊穿火花間隙里并成接片狀并由塑料制成。
因而，總之有許多種不同的過電壓保護元件或者過電壓保護裝置，它們根據(jù)使用場合以及對其提出的要求采用了不同的結(jié)構。同時，也有許多種不同的火花間隙或者電極的設計方案，它們尤其是涉及到電極的布置及幾何尺寸。在電極間的間距也可以被選擇為不同大小。因此，出現(xiàn)了這樣的過電壓保護元件，其中電極間距小到使電極幾乎或者事實上相互接觸的程度。那么，火花間隙就在顯微級內(nèi)并基本上由電極的表面粗糙度來決定。
除了很廣泛使用的火花角狀電極結(jié)構之外，還已經(jīng)了解到，將第一電極設計成棒狀的或截圓錐狀的中心電極，其中第二極電極成圓柱形外電極形式并被布置成同心圍繞第一電極(見DE100008764A)。從DE19818674A1中知道了一種相互平行布置的電極，其中這兩個電極都被制成圓柱形。此外，還知道了一些過電壓保護元件，其中這些電極都設計成平面圓盤狀并且電極彼此對置。從DE19742302A1中知道也可能使用了多于上個電極的電極布置結(jié)構并且它也被稱為盤形火花間隙。
與電極的具體幾何構造和布置無關，已知的過電壓保護元件的電極幾乎都是由金屬如銅或者鎢銅制成的。在加載之后，也就是說，在火花間隙點火后，電極在其表面上因大閃電電流而有熔化的記號。此外，金屬的蒸氣常常沉積在相鄰絕緣裝置的表面上。這些作用縮短了電極使用壽命并因而減弱了過電壓保護元件或者過電壓保護裝置的功能。為了消除這些缺點，已經(jīng)建議(見德國公布專利文件DE19742302)用石墨來制造電極。在使用由石墨制電極時，不會發(fā)生金屬燒損，因而即使在多次動作之后，這些電極并因而該過電壓保護元件還是可以比較可靠的工作。但其缺點是，由銅或鎢銅制成的電極比較貴，而由石墨制成的電極則能夠燃燒并且機械強度相對較低。
因而，本發(fā)明的任務是提出一種前序所述類型的過電壓保護元件或者過電壓保護裝置，它們即使在火花間隙多次動作后還是可靠地工作并且還可以盡可能簡單并因而成本低廉地制造。
解決上述任務的本發(fā)明的過電壓保護元件或者本發(fā)明的過電壓保護裝置的首要特征在于，這些電極由能導電的陶瓷材料制成。因此，按照本發(fā)明，沒有試圖通過對電極的布置結(jié)構和幾何關系進行進一步優(yōu)化來改善已知的過電壓保護元件，而是通過使用與以往幾乎是專用的鎢銅不同的材料來制造電極。
由導電陶瓷材料制成的電極一方面比過去所用的鎢銅電極便宜得多，另一方面，它具有很高的機械強度和熱強度，這造成電極使用壽命很長。另外，在加載時，也就是說在電弧點火時，燒損非常小。最后，電極的導電能力可以通過選擇陶瓷混合物而在較大的范圍內(nèi)進行調(diào)整，因而，在制造電極時，就可以考慮所希望的限制網(wǎng)路隨動電流的阻抗特性。
有利的是，這種能導電的陶瓷材料是在一種至少包含有一種金屬和/或至少一種金屬化合物的陶瓷材料的基礎上構成的。通過合適地選擇金屬或金屬化合物，可以容易地確定陶瓷材料的導電能力。導電陶瓷材料最好在有時也被稱為金屬陶瓷的陶瓷合金基礎上構成。在這里，陶瓷合金是指由一種金屬成分和一種陶瓷成分組成的材料組。通常將陶瓷粉末與金屬粉末混合并在高壓下壓成型坯并再燒結(jié)、磨細并接著通過壓模在高壓下壓成所希望的形狀。
按照本發(fā)明的另外一種設計方案，能導電的陶瓷材料是在以下能導電材料的基礎上構成的金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬硅化物、金屬氮化物和/或硅。不言而喻的是，導電陶瓷材料也可以在以前所列材料的化合物的基礎上構成。
按照另一種可供選擇的設計方案，導電陶瓷材料并不是由同樣也導電的陶瓷組成，而是由本身并不導電但摻入了導電成分的陶瓷構成。導電陶瓷材料尤其是在以下不導電材料的基礎上構成的金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬硅化物或者金屬氮化物，在這些材料中摻入至少一種能導電的成分，這種導電成分尤其從以下導電的材料組中選出來的金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬硅化物和金屬氮化物及其混合物。但導電成分不一定是金屬，它也可以是石墨或硅。
氧化銦錫、碳化硅、碳化硼、硼化鈦、硼化鈣、氮化鈦和硅尤其適合用作導電陶瓷材料。在這里，前面所列的材料分別涉及到能導電的陶瓷。由本身并不導電的陶瓷和導電成分所組成的混合陶瓷的例子可以包括鋯氧化物和碳化鈦、鋁氧化物和碳化鈦、氮化硼和硼化鈦、硅鋁氧氮聚合物以及鉻酸鑭。
本發(fā)明的理論基本上與過電壓保護元件或者過電壓保護裝置的具體設計方案沒有關系，尤其是與電極的布置的形狀/火花間隙的設計方案或者是否應用點火輔助件等無關。以下，對若干本發(fā)明的優(yōu)選過電壓保護裝置和其它設計方案進行簡要的說明。
按照第一有利改進方案，按本發(fā)明的過電壓保護裝置正如本身已知的那樣具有一種造成火花間隙的點火輔助件。點火輔助件或者有在動作時產(chǎn)生表面放電的擊穿火花間隙，或者有飛弧火花間隙，即固有的點火火花間隙。優(yōu)選地把點火輔助件設計成具有固有的擊穿火花間隙的“活動點火輔助件”，因而，過電保護裝置至少有第三電極，它如此配屬于第一電極和第二電極，即在第一、第三電極之間有第二個火花間隙或者起作用?？蓮牡聡_專利文件DE19803636中知道這樣的“活動點火輔助件”是如何具體地形成有一個點火電路和一個點火電壓輸出，在這里明確指明要參照與之相關的內(nèi)容。
按照本發(fā)明的另一種有利設計方案，在過電壓保護裝置的外殼里，作為滅弧輔助件地設置多個滅弧板。由于設置這種滅弧板，改善了過電壓保護特性，尤其是過電壓保護裝置的網(wǎng)路隨動電流的滅弧特性，這是因為，把電弧分解成一系列短的前后相互串聯(lián)的分電弧，而且分電弧之和需要比未分開電弧更高的電壓。滅弧板最好也象電極那樣由導電陶瓷材料制成。因而，就可把用于制造電極的材料用于制造滅弧板。
火花角6未示出地可以在其與連接腿5相鄰的區(qū)域內(nèi)設置有一平行于連接腿5的孔。這些孔用于在過電壓保護元件1動作時即點火時使所形成的電弧在孔附近通過熱的和/或電的和/或磁的壓力作用和/或力作用而“移動”，即離開其形成處。
可以從

圖1、2中看到，在所示實施中，電極2、3的火花角6在其相互背離的面上設有槽7。用槽7實現(xiàn)了，電流在到達電弧底弧之前必須精確地適應V形火花間隙4的輪廓。
圖2所示的過電壓保護裝置8主要包括過電壓保護元件1和一個容放過電壓保護元件1的外殼9。還有一個引起表面放電的點火輔助件10，輔助件布置在兩個電極2、3的連接腿5的相對端之間。點火輔助件10可由絕緣材料制成并稍微伸入由火花角6構成的火花間隙4里。
在圖2所示的過電壓保護裝置8的外殼9內(nèi)布置了許多滅弧板11。在電極2、3的或者電極2、3的火花角6的相互背離的面上，分別布置了許多滅弧板11。另外，對于一個圖2所示的本發(fā)明過電壓保護裝置8的實施例來說，與火花角6相鄰的外殼蓋12由導電陶瓷材料制成也是適當?shù)摹Ｔ诨鸹ń?的與外殼蓋12相鄰的端部和外殼蓋12之間的間距的選擇應保證在火花角6的與外殼蓋12相鄰的端部和外殼蓋12之間能夠形成電弧。通過這些上述措施，在過電壓保護元件1動作后所產(chǎn)生的電弧首先從點火部位移動到火花角6的頂尖上。隨后，在火花角6的頂尖和由導電陶瓷材料制成的外殼蓋12之間就形成了兩個電弧。此時所構成的線環(huán)用于將這兩個電弧驅(qū)趕到火花角6的后面。
最后，圖2表示本發(fā)明過電壓保護裝置8的一個優(yōu)選實施形式，電極2、3的連接腿5分別具有一個屬于連接腿5后下一個滅弧板11的線環(huán)1 3。未示出的外殼9至少有一個孔，它用于平衡在電弧點火時所產(chǎn)生的壓力。
圖3表示一種過電壓保護裝置8，它具有第一電極2和第二電極3，它們各有一個火花角14、15。在這兩個火花角14、15之間是一個空氣擊穿火花間隙16。這兩個電極2、3相互間隔并且不相連。此外，過電壓保護裝置8有一個容放這兩個電極2、3的外殼9。這兩個火花角14、15的結(jié)構設計和相互布局應保證使其分別向著其外端擴大。因而就得到了由點火區(qū)17開始連續(xù)不斷地向外擴展的空氣擊穿火花間隙16形狀。在這種情況下，空氣擊穿火花間隙16呈V形，此時，空氣擊穿火花間隙16的開口角大約為45°。當然，較小的開口角(到10°)或者較大的開口角(到150°)都可以實現(xiàn)。
第一個火花角14成平頭截圓錐形狀，而第二個火花角15同心圍繞第一個火花角14。因此，過電壓保護裝置8具有相對其中心軸線旋轉(zhuǎn)對稱的構造，其中空氣擊穿火花間隙16通過按本發(fā)明來布置電極2、3而同心圍繞中心軸線并在軸向上開放。
第二個火花角15如第二電極3那樣成環(huán)狀。為了實現(xiàn)V形擴展的空氣擊穿火花間隙16，指向第一個火花角14的第二個火花角15的表面成截頭漏斗狀。
在空氣擊穿火花間隙16的點火部位17處，在這兩個火花角14、15之間設有一個點火接片18，該接片用于引起表面放電。動作電壓的大小可以通過點火接片18的寬度和/或高度即點火接片伸入空氣擊穿火花間隙16的距離來調(diào)定。點火接片18本身呈環(huán)狀并由一種放出氣體的塑料制成。
外殼9本身既可以由電絕緣材料制成，也可以由導電材料制成，它具有一個外殼底部19和一個外殼蓋20。兩個部件都是圓形的并相互粘結(jié)起來。最后，還可以從圖中看到，過電壓保護裝置8具有一塊反射板21，它被布置成與兩個電極2、3有一定間隔。
權利要求
1.一種限制瞬時過電壓并導出瞬時電流的過電壓保護元件，它具有至少兩個電極(2，3)以及在這些電極(2，3)之間的或者在其間起作用的火花間隙(4)，其中在火花間隙(4)點火時，在第一電極(2)和第二電極(3)之間產(chǎn)生電弧，其特征在于，電極(2，3)由導電陶瓷材料制成。
2.按權利要求1所述的過電壓保護元件，其特征在于，導電陶瓷材料是在一種包含至少一種金屬和/或至少一種金屬化合物的陶瓷材料的基礎上構成的。
3.按權利要求1或2所述的過電壓保護元件，其特征在于，導電陶瓷材料是在金屬陶瓷(陶瓷合金)的基礎上構成的。
4.按權利要求1-3之一所述的過電壓保護元件，其特征在于，導電陶瓷材料是在以下導電材料的基礎上構成的金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬硅化物、金屬氮化物和/或硅。
5.按權利要求1-3之一所述的過電壓保護元件，其特征在于，導電的陶瓷材料是在以下的不導電材料的基礎上構成的金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬硅化物或者金屬氮化物，在這些不導電材料中摻入至少一種能導電的成分，這種導電成分尤其是從以下導電材料組中選出的金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硼化物、金屬硅化物和金屬氮化物以及它們的混合物。
6.按權利要求1-5之一所述的過電壓保護元件，其特征在于，每個電極(2，3)具有一個連接腿(5)和一個與連接腿(5)成銳角布置的火花角(6)，這兩個相互間隔的電極(2，3)的火花角(6)共同形成了火花間隙(4)。
7.一種過電壓保護裝置，它具有第一電極(2)、第二電極(3)、一個在這些電極(2，3)之間的或者在其間起作用的火花間隙(4)以及一個容放電極(2，3)的外殼(9)，其中在火花間隙(4)點火時，在第一電極(2)和第二電極(3)之間產(chǎn)生電弧，其特征在于，電極(2，3)由導電陶瓷材料制成并且尤其如權利要求2-6之一所述。
8.按權利要求7所述的過電壓保護裝置，其特征在于，它具有一個造成火花間隙(4)的點火輔助件(10)。
9.按權利要求8所述的過電壓保護裝置，其特征在于，把第一電極(2)和第二電極(3)分配給第三電極并且在第一電極(2)和第三電極之間有第二火花間隙存在或者起作用。
10.按權利要求7-9中之一所述的過電壓保護裝置，其特征在于，滅弧板(11)作為滅弧輔助件地被設置在外殼(9)里。
11.按權利要求10所述的過電壓保護裝置，其特征在于，滅弧板(11)由導電的陶瓷材料制成。
12.按權利要求7-11之一所述的過電壓保護裝置，它具有至少兩個各有一個火花角(6)的電極(2，3)，其特征在于，與火花角(6)相鄰的外殼蓋(12)由導電陶瓷材料制成，或者在火花角(6)的對面設有一塊由導電陶瓷材料制成的反射板。
13.按權利要求7-12之一所述的過電壓保護裝置，其特征在于，外殼(9)至少有一個孔并通過此孔產(chǎn)生壓力平衡。
全文摘要
本發(fā)明涉及限制瞬時過電壓并導出瞬時電流的過電壓保護元件,它具有至少兩個電極及在這些電極之間的或者在其間起作用的火花間隙,其中在火花間隙點火時,在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電弧,其中電極由導電陶瓷材料制成。本發(fā)明還涉及過電壓保護裝置,除了上述過電壓保護元件外,它還具有一個容放電極的外殼。
文檔編號H01T4/14GK1381931SQ0210858
公開日2002年11月27日 申請日期2002年4月3日 優(yōu)先權日2001年4月3日
發(fā)明者M·韋特, J·沃斯吉恩, R·杜斯 申請人:鳳凰接觸股份有限及兩合公司