專利名稱：用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的方法，其中有串聯(lián)的至少兩個部分火花 隙，并且通過第一電壓分配設(shè)備，在所述部分火花隙上分配電源電壓。本發(fā)明也涉及用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的裝置，所述串聯(lián)火花隙包括串聯(lián)的至 少兩個部分火花隙，并且所述裝置包括用于在所述部分火花隙上分配電源電壓 的第一電壓分配設(shè)備。
背景技術(shù)：
例如，在高壓線路方面，4吏用串行電容池(capacitor battery)來補償線 路電感。為了對其形成保護，與電容池相并聯(lián)，通常耦合一個金屬氧化物變阻 器和/或一個火花隙，所述金屬氧化物變阻器的電流電壓特性是高非線性，并且 隨著電池電流升高，金屬氧化物變阻器限制電容電壓。典型的限制電壓"^為 2. 3pu=2. 3r，即2.3倍標(biāo)稱電容電壓(根據(jù)不同情況該電壓也可以選用其它 值)。此電壓以線路的最大短路電流通過電容。在線路短路中，金屬氧化物變 阻器通過限制其電壓值為2. 3pu來保護電容。因此，線路中的一些電流通過金 屬氧化物變阻器，使其變熱(warm)。與電容和金屬氧化物變阻器相并聯(lián)，耦 合一個所謂強制觸發(fā)的火花隙，如果變阻器過度變熱，火花隙;故點火。如果短 路發(fā)生在串聯(lián)電容所處的同一線路部分，則經(jīng)常嘗試強制觸發(fā)火花隙。由于火 花隙的設(shè)置，通過使用傳統(tǒng)技術(shù)，成功實施火花隙的強制觸發(fā)的典型最低電壓 大約為2pu。在一個線路短路中，線路斷路器切斷電流。如果線路短路電流為低電流， 變阻器電壓值并不總是升到2pu或者更高。在此情況下，將不會發(fā)生火花隙的 強制觸發(fā)。如果在打開線路斷路器前，電容池還沒有利用火花隙被旁路，線路斷路器的瞬變恢復(fù)電壓TRV升高。因此，有必要以低的線路電流和低于2pu的電 容電壓進行火花隙的強制觸發(fā)。典型的經(jīng)驗值要求是1. 7pu到1. 8pu。<&開號為8205236的瑞典申請^Hf了一種用于火花隙的強制觸發(fā)的裝置。 所述裝置4吏用單獨的脈沖變換器來提供高電壓脈沖以點火火花隙。通過高電壓 脈沖點火與主火花隙并聯(lián)安裝的輔助火花隙中的 一個，從而點火這些輔助火花 隙，最終觸發(fā)主火花隙。但是必要的是同步火花隙電壓與點火脈沖，使得允許 強制觸發(fā)。高壓脈沖所需的電能的同步和產(chǎn)生以及對脈沖變換器的供電需要合 適的設(shè)備。這意味著強制觸發(fā)設(shè)備的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，增加了成本和損毀的可能 性，并且，因此削弱了強制觸發(fā)設(shè)備的總體可靠性。專利號80812的芬蘭專利公開了一種使用低于自點火電壓的電壓進行強制 觸發(fā)火花隙的裝置?；鸹ㄏ侗环譃榇?lián)的至少兩個部分火花隙。與部分火花隙 相并聯(lián)耦合電容，以提供部分火花隙的共有電壓分配。和電容串聯(lián)安置一個部 件(member)，其可控地選擇低阻態(tài)或者高阻態(tài)。在切換到高阻態(tài)時，所述部件 改變火花隙的共有電壓分配，使得點火與其并聯(lián)的部分火花隙。選擇高阻態(tài)或 者低阻態(tài)的部件例如是一變換器。所述部件仍有許多可以改進的地方。進一步， 所述裝置沒必要運行的足夠快。圖1進一步公開了用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的裝置，在圖1的方案中，主火花 隙被分為兩個串聯(lián)的部分火花隙，即第一部分火花隙1和第二部分火花隙2。電 容Ca和Cb與第一部分火花隙l并聯(lián)。電容Cc和第二部分火花隙2并聯(lián)。電容 Ca、 Cb和Cc如此設(shè)計，使得在通常情況下它們分配電壓，使兩個部分火花隙l 和2上具有相同電壓。電容Cc并聯(lián)一個第一輔助火花隙3。第一輔助火花隙3 串聯(lián)一個第一限流電阻R1。電容Cb并聯(lián)一個第二輔助火花隙4,并且第二輔助 火花隙4串聯(lián)一個第二限流電阻R2。輔助火花隙3和4為氣壓火花隙，即充氣 觸發(fā)管。輔助火花隙3和4密閉，并且因此在理論上其自點火電壓為固定值。 但是其自點火電壓存在輕微擴散，因此，為安全起見，其自點火電壓被設(shè)置為
超過其上最高電壓(即2. 3pu/4=0. 575 )的10%，在所述例中因此設(shè)置為 1.1*2. 3/4=0. "3pu,當(dāng)串聯(lián)火花隙，發(fā)時，其程序如下觸發(fā)脈沖被輸i!U，J 第一輔助火花隙，在第一火花隙中激活點火，并且隨后電容Ca通過限流電阻Rl 電。然后分配電壓，使得整個裝置上電壓的三分之一電壓作用在電容Cb上， 并且因此作用在第二輔助火花隙4上。第二輔助火花隙的自點火電壓被設(shè)置為1. 1*2. 3/4=0. 663pu。如果作用在整 個火花隙上的電壓為3*0. 633pu=1.9pu,則自點火電壓通過所述第二輔助火花 隙?？紤]到輔助火花隙的容差，整個火花隙上的要求電壓為2pu。限流電阻Rl串聯(lián)一個變換器5,提供用于第二輔助火花隙4的觸發(fā)脈沖。 因為觸發(fā)脈沖具有很短的周期，所以觸發(fā)脈沖加速點火，但并不必然降低點火 電壓。當(dāng)?shù)诙o助火花隙4點火，電容Cb通過電阻R2放電。這導(dǎo)致整個電壓 作用在將點火的第二部分火花隙上，之后，第一部分火花隙也將點火。輔助火花隙3和4的自點火不可以^Li殳置得過分低，使得其在沒有強制觸 發(fā)時不會依靠自身點火。如上所述，如果變阻器的限制電壓為2. 3pu，整個火花 隙將在2. Opu電壓下被點火。但是，就一切情況而論，2. Opu并不是足夠低的。 所述裝置依然相對復(fù)雜和昂貴。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的新型的裝置和方法。 本發(fā)明的方法，其特征在于，在主電極之間的至少一個部分火花隙中 布置輔助電極；通過第二電壓分配設(shè)備，設(shè)置輔助電極的電壓到一給定值； 布置所述第二電壓分配設(shè)備的電容量低于所述第一電壓分配設(shè)備的電容 量，并且通過千擾(disturb)所述第二電壓分配設(shè)備的電壓分配，觸發(fā)所 述串聯(lián)火花隙；由此，所述部分火花隙的主電極和輔助電極之間的火花隙 將點火，并且，隨后由所述第一電壓分配設(shè)備決定的電壓作用在位于輔助
電極和所述部分火花隙的第二主電極之間的火花隙上，所述火花隙也將點 火，其進一步導(dǎo)致，電源電壓只作用在所述第二部分火花隙上，并且隨后 在其中也產(chǎn)生跳火。本發(fā)明的所述裝置，其特征進一步在于包括，輔助電極，其布置在主電極之間的至少一個部分火花隙中；第二電壓分配設(shè)備，用于設(shè)置輔助電 極的電壓到一給定值，所述第二電壓分配設(shè)備的電容量低于所述笫一電壓 分配設(shè)備的電容量；和用于干擾所述第二電壓分配設(shè)備的電壓分配的設(shè)備。 本發(fā)明的基本思想是所述裝置包括至少兩個串聯(lián)的部分火花隙。所述 部分火花隙并聯(lián)第 一 電壓分配設(shè)備。在至少一個部分火花隙中布置輔助電 極，所述輔助電極的電壓通過第二電壓分配設(shè)備被設(shè)置為一給定值。通過 干擾所述第二電壓分配設(shè)備的電壓分配，改變所述輔助電極的電壓值。因第二電壓分配設(shè)備的電容量明顯低于所述第一電壓分配設(shè)備的電容量，并 且隨后作用在第一電壓分配設(shè)備上的電壓將不會顯著改變。因此，由所述 第一電壓分配i殳備決定的電壓只作用在位于所述第二輔助電極和所述部分 火花隙的電極之間的、并且也將點火的火花隙上。這進一步導(dǎo)致整個電源 電壓僅作用在所述笫二部分火花隙上，由此在其中也發(fā)生跳火。所公開的 方案允許所述部分火花隙以明顯低于其自點火電壓的的電壓點火。因此， 有可能非常有效和可靠地利用所述火花隙保護其他元件。 一個具體實施例 的基本思想是通過短路所述第二電壓分配設(shè)備中的一個電壓分配設(shè)備的 極點之間的間隙，例如，通過氣壓火花隙，即充氣觸發(fā)管，干擾電壓分配 設(shè)備的電壓分配。第二實施例的基本思想是通過脈沖變換器，輸送電流 脈沖，干擾其它的電壓分配設(shè)備的電壓分配。這導(dǎo)致所述輔助電極的電壓 改變并且進一步導(dǎo)致跳火。


以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明，其中，圖1示出現(xiàn)有技術(shù)中用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的裝置； 圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的方案； 圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的方案； 圖4示出根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的方案。 為清楚起見，在圖中以筒明方式示出本發(fā)明，圖中相同的附圖標(biāo)號表示 同一部件。
具體實施方式
圖2示出一個方案，其中，主火花隙被分為兩個串聯(lián)的部分火花隙， 即分為第一部分火花隙1和第二部分火花隙2。所述第一部分火花隙并聯(lián) 一個電容C1，第二部分火花隙并聯(lián)一個電容C2。在此例子中設(shè)計這些所 謂第一電容C1和C2，使得在正常狀態(tài)下，它們在部分火花隙1和2的其 中每一個上平均分配電壓。在第一部分火花隙1中，以其本身公知方式存在主電極6a和6b。相 應(yīng)地，在第二部分火花隙2中存在主電極7a和7b 。進一步，在外殼(housing ) 8中布置第一部分火花隙1。在外殼9中以其本身公知方式也布置第二部分 火花隙2。除了主電極6a和6b外，在第一部分火花隙1中還有輔助電極IO。主 電極6a和輔助電極10之間的距離小于主電極6a和6b之間的距離。優(yōu)選 地，布置輔助電極IO，使得其與主電極6a和6b之間的距離大約為主電極 6a和6b之間距離的一半或者更少。所述裝置進一步包括第二電容C3和 C4，在通常情況下，通過所述第二電容，設(shè)置輔助電極10的電壓為一期 望值。由主電極6a、 6b和輔助電極10組成的結(jié)構(gòu)可以是對稱的，并且因 此第二電容C3和C4相等。第二電容C3和C4保持輔助電極10的電壓介 于主電極6a和6b之間電壓的一半，使得主電極6a和輔助電極10之間的 電場強度等于主電極6b與輔助電極10之間的電場強度。如果結(jié)構(gòu)并不對 稱，即，所述間隙并不相等，設(shè)計電容C3和C4的值，使得兩間隙中的場 強相等。典型地，要設(shè)置第一部分火花隙1和第二部分火花隙之間的距離，使 得其場強相等。第一電容C1和C2典型地尺寸相等，由此，在通常情況下， 在每一部分火花隙1和2之間平均分配電壓。甚至在此情況中，如果形成 的部分火花隙1和2不同，設(shè)計電容Cl和C2的電容量，使得每一部分火 花隙1和2中的場強相等。要設(shè)計火花隙可以承受正常工作電壓。典型地，設(shè)計火花隙，使得部 分火花隙l和2的自點火發(fā)生在例如電壓為電源電壓^的75y。，其中，t/lim 是金屬氧化物變換器所限制的電壓。典型地，此電壓值t/^-2. 3*f/n，其中〖/ 為 標(biāo)稱電壓。圖2所示的串聯(lián)火花隙允許以低于上述自點火電壓的電壓強制觸發(fā)，使得 由第二電容C3和C4拔^供的電壓分配，即輔助電極10的電壓值，被充分干擾。 在圖2的情況中，通過輔助火花隙3干擾電壓分配。輔助火花隙3為氣壓火花 隙，即充氣觸發(fā)管。通過輔助火花隙3，主電極6a和輔助電極10之間的火花隙 和與之并聯(lián)的電容C3因此短路。例如，點火線團或者半導(dǎo)體開關(guān)可以以其本身 公知方式被用于觸發(fā)輔助火花隙3。與輔助火花隙3串聯(lián)的限流電阻R1限制流 經(jīng)輔助火花隙3的電流。當(dāng)輔助火花隙3已經(jīng)被觸發(fā)，電容器C3將放電。進一步，輔助電極10的 電壓值降低，并且由電容器Cl決定的電源電壓U的一部分作用在輔助電極10 和主電極6b上。因此，在對稱情況下，所述電壓大約為電源電壓U的一半。因
此在主電極6b和輔助電極10之間產(chǎn)生跳火。隨后，和所述火花隙并聯(lián)的電容 C4放電。電容C3和C4的電容量明顯低于電容C1的電容量。因此，電容C1上 的電壓并沒有明顯降低。所述電壓現(xiàn)在作用在輔助電極10和主電極6a之間， 因此，在所述火花隙中也產(chǎn)生跳火。這又將導(dǎo)致電源電壓U幾乎全部作用在第 二火花隙2上，由此也將產(chǎn)生跳火。因此，裝置的操作要求串聯(lián)相連的C3和C4的電容量低于電容C1的電容量。 優(yōu)選地，電容C1的電容量超過串聯(lián)連接的C3和C4的電容量兩倍。根據(jù)一優(yōu)選 實施例，電容C1的電容量超過串聯(lián)連接的C3和C4的電容量五倍，更加優(yōu)選地， 電容C1的電容量超過串聯(lián)連接的C3和C4的電容量十倍。應(yīng)該注意的是，在一些數(shù)值中，電源電壓U的標(biāo)稱值^例如可以是40千伏 量級。例如，電容C1和C2的電容量可以是1. 5納法，并且電容C3和C4的電 容量可以低于1納法。例如，主電極6a和6b之間的距離以及主電極7a和7b 之間的距離可以為15到20mm量級。無需輔助火花隙3也可以干擾電容C3和C4的電壓分配。圖3所示為這種 方法的一個方案。圖3所示方案與圖2的方案基本一致，但^f吏用脈沖變換器11， 例如特斯拉變換器，代替輔助火花隙3，用來干擾電壓分配。脈沖變換器ll與 電容3串聯(lián)。觸發(fā)脈沖,皮輸送到脈沖變換器ll的初級線圏。為了產(chǎn)生用于初級 線圏的觸發(fā)脈沖，例如，以其本身/>知方式，可以^使用點火線圏或者半導(dǎo)體開 關(guān)。當(dāng)觸發(fā)脈沖^皮輸送到脈沖變換器11,其產(chǎn)生高壓脈沖，其電壓被分配到電 容C3和C4。然而，因為和這些電容C3和C4并聯(lián)的是相當(dāng)大的電容C1，電極 6a和6b之間的電壓將不會明顯改變。根據(jù)脈沖和交流電壓的瞬時值的極性，由 脈沖變換器ll產(chǎn)生的電壓分配的干擾導(dǎo)致觸發(fā)火花隙6a-10或者火花隙6b-10。 與跳火的火花隙并聯(lián)的電容C3或C4將放電。因此，由于串聯(lián)連接的電容C3和 C4的電容量低于電容C1的電容量，則作用在電容C1上的電壓并不會明顯下降。 因此所述電壓作用在位于輔助電極10和主電極6a或者6b之間的火花隙上，并 且所述火花隙也將跳火。進一步，如結(jié)合圖2所描述的，隨后將在部分火花隙2
的主電極7a和7b上發(fā)生跳火。通過如圖4所示在輔助電極10和電容中間點之間布置脈沖變換器11，也可 以改變輔助電極10的電壓值。這種連接的一個優(yōu)點是電容C3和C4具有較小電 壓應(yīng)力(voltage stress)。脈沖變換器11的初級線圏可以接地或者也可以連 接到圖4所示電容的中間點。在后一情況中，根據(jù)圖4通過利用輔助電容C5和 C6、 二極管D1和開關(guān)K1，可以產(chǎn)生用于觸發(fā)初級線圈所需的能量?；鸹ㄏ兜淖渣c火電壓依賴周圍環(huán)境，諸如溫度和空氣濕度。因此，在實踐 中，火花隙的自點火電壓并沒有如理論上可以設(shè)置的那么低?；鸹ㄏ兜淖渣c火 電壓應(yīng)當(dāng)高于金屬氧化物變阻器所限制的電壓。典型地，限制電壓，即[/^，為 2. 3倍于標(biāo)稱電壓^。也可以使用符號2. 3pu(每單位)。因此理論上， 一個火 花隙1或者2的自點火電壓應(yīng)當(dāng)高于0. 5*2. 3pu。但是，為了防止自點火發(fā)生在 過低的電壓，已發(fā)現(xiàn)部分火花隙1和2的自點火發(fā)生在值0. 75*t/lira ，這提供一 個好的安全系數(shù)/裕度(safety factor/margin)。在所提出的方案中，用于強 制觸發(fā)(即成功地強制觸發(fā))的低限值由部分火花隙1和2的自點火電壓決定。 也要考慮空氣溫度和空氣壓力。如果部分火花隙的自點火電壓被設(shè)置為 0. 75*f/iim，如果f/,皿為2. 3pu,串聯(lián)火花隙的強制觸發(fā)的電壓將仍舊為1.73pu。在一些實施例中，可以使用本申請文件所公開的特征，而不考慮其他特征； 另一方面，本申請文件所公開的特征可以進行結(jié)合來提供不同的組合。附圖和相關(guān)描述僅用來說明本發(fā)明的思想，本發(fā)明的細節(jié)可以在權(quán)利要求 書的范圍內(nèi)變化。因此，串聯(lián)火花隙可以包括如附圖所示的串聯(lián)的兩個部分火 花隙，或者可以為多個串聯(lián)的部分火花隙。除了電容，電壓分配設(shè)備可以是例 如電阻或者其他適當(dāng)?shù)碾妷悍峙湓O(shè)備。但是優(yōu)選地使用電容作為電壓分配設(shè)備， 因為它們的結(jié)構(gòu)相對簡單，并且另外開關(guān)可以利用它們的能力來存儲能量。很 自然地，可以以相應(yīng)的方式并聯(lián)或者串聯(lián)多個電容代替一個電容。
權(quán)利要求
1、一種用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的方法，其中，至少有串聯(lián)的兩個部分火花隙(1，2)，并且通過第一電壓分配設(shè)備(C1到C4)在所述部分火花隙(1，2)上分配電源電壓(U)，其特征在于，在主電極(6a，6b)之間的至少一個部分火花隙(1)中布置輔助電極(10)；通過第二電壓分配設(shè)備設(shè)置所述輔助電極(10)的電壓到一給定值；布置所述第二電壓分配設(shè)備的電容量低于所述第一電壓分配設(shè)備的電容量，并且通過干擾所述第二電壓分配設(shè)備的電壓分配，觸發(fā)所述串聯(lián)火花隙；由此，所述部分火花隙(1)的主電極(6a，6b)和輔助電極(10)之間的所述火花隙將點火，并且隨后由所述第一電壓分配設(shè)備決定的電壓作用在位于所述輔助電極(10)和所述部分火花隙(1)的第二主電極(6a，6b)之間的火花隙上，并且所述火花隙也將點火，其進一步導(dǎo)致，電源電壓(U)單獨作用在所述第二部分火花隙(2)上，并且隨后在其中也產(chǎn)生跳火。
2、 權(quán)利要求l的方法，其特征在于，通過短路所述輔助電極(10) 和所迷主電極(6a， 6b)之間的所述火花隙，執(zhí)行電壓分配的干擾。
3、 權(quán)利要求2的方法，其特征在于，通過一個充氣觸發(fā)管執(zhí)行所述短路。
4、 權(quán)利要求l的方法，其特征在于，通過脈沖變換器(11)執(zhí)行電 壓分配的干擾。
5、 權(quán)利要求l至4中的任一項的方法，其特征在于，所述電壓分配 設(shè)備是電容(Cl到C4 )。
6、 權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所述第一電容(C1， C2)的電 容量超過串聯(lián)連接的所述第二電容(C3， C4)的電容量兩倍。
7、 權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所述第一電容(C1， C2)的電 容量超過串聯(lián)連接的所述第二電容(C3， C4)的電容量五倍。
8、 一種用于觸發(fā)串聯(lián)火花隙的裝置，所述串聯(lián)火花隙包括串聯(lián)的至 少兩個部分火花隙(1， 2)，所述裝置包括用于在所述部分火花隙(1， 2) 上分配電源電壓(U)的第一電壓分配設(shè)備，其特征在于，包括輔助電極(10)，其布置在主電極(6a， 6b)之間的至少一個部分火花隙(1)中； 第二電壓分配設(shè)備，用于設(shè)置所述輔助電極(10)的電壓到一給定值，所 述第二電壓分配"i殳備的電容量低于所迷第一電壓分配設(shè)備的電容量；和用 于干擾所述第二電壓分配設(shè)備的電壓分配的設(shè)備。
9、 權(quán)利要求8的裝置，其特征在于，包括用于短路所述輔助電極(10 ) 和所述主電極(6a， 6b)之間的所述火花隙的i殳備。
10、 權(quán)利要求9的裝置，其特征在于，用于短路所述輔助電極810) 和所述主電極(6a, 6b )之間的所述火花隙的所述i殳備為充氣觸發(fā)管(3 )。
11、 權(quán)利要求8的裝置，其特征在于，包括用于輸送電流脈沖來干擾 所述第二電壓分配設(shè)備的電壓分配的脈沖變換器(11)。
12、 權(quán)利要求8至11中的任一項的裝置，其特征在于，所述電壓分 配設(shè)備是電容(Cl到C4 )。
13、 權(quán)利要求12的裝置，其特征在于，所述第一電容(C1， C2)的 電容量超過串聯(lián)連接的所述第二電容(C3， C4)的電容量兩倍。
14、 權(quán)利要求12的裝置，其特征在于，所述第一電容(C1， C2)的 電容量超過串聯(lián)連接的所述第二電容(C3, C4)的電容量五倍。
全文摘要
觸發(fā)串聯(lián)火花隙，其中串聯(lián)火花隙的部分火花隙(1，2)并聯(lián)第一電壓分配設(shè)備。進一步，至少在一個部分火花隙(1，2)中布置輔助電極(10)，其電壓通過第二電壓分配設(shè)備被設(shè)置為一給定值。通過干擾第二電壓分配設(shè)備的電壓分配，改變輔助電極(10)的電壓值。因此，將點火位于部分火花隙(1)的主電極(6a，6b)和輔助電極(10)之間的火花隙。第二電壓分配設(shè)備的電容量低于第一電壓分配設(shè)備的電容量，并且隨后作用在第一電壓分配設(shè)備上的電壓值并不明顯改變。因此，由第一電壓分配設(shè)備決定的電壓作用在位于輔助電極(10)和部分火花隙(1)的第二主電極(6a，6b)之間的火花隙上，所述火花隙也將點火，其進一步導(dǎo)致，電源電壓(U)只作用在第二部分火花隙(2)上，并且由此在其中也產(chǎn)生跳火。
文檔編號H01TGK101213713SQ200680024225
公開日2008年7月2日 申請日期2006年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月1日
發(fā)明者H·霍爾姆, J·黑爾斯特姆, T·坎瑟拉 申請人:諾基亞電容器公司