專利名稱：用于快速閉合電路的裝置和方法以及該裝置的用途的制作方法
技術領域：
本發(fā)明在第一方面涉及用于快速閉合電路的裝置，所述裝置包括設有第一和第二主要電極的主要火花隙以及觸發(fā)裝置，所述觸發(fā)裝置包括輔助火花隙，該輔助火花隙設有用于在主要火花隙中點燃電弧的第一和第二輔助電極，所述輔助電極通過具有通道裝置的屏蔽單元而與所述主要火花隙屏蔽，該通道裝置從面向輔助火花隙的側部向面向主要火花隙的側部穿過所述屏蔽單元延伸。在第二方面，本發(fā)明涉及一種借助于觸發(fā)裝置通過在主要火花隙的第一和第二主要電極之間生成電弧而快速閉合電路的方法，其中在需要時，在與該觸發(fā)裝置關聯(lián)的輔助火花隙中的第一和第二輔助電極之間生成電弧，藉此借助于輔助火花隙中的電弧來點燃主要火花隙中的電弧，并且通過具有通道裝置的屏蔽單元，將輔助火花隙與主要火花隙屏蔽，該通道裝置從面向輔助火花隙的側部向面向主要火花隙的側部穿過所述屏蔽單元延伸。在第三方面，本發(fā)明涉及所發(fā)明的裝置的用途。
背景技術：
適于在電極之間生成電弧并且具有仔細時間確定的火花隙，除了其它之外，被用于高電壓實驗室，以用于觸發(fā)激光束，以及用作電力線中對串聯(lián)電容器的保護。本發(fā)明主要旨在用于后一種領域中的應用，但是本發(fā)明絕不限于此。串聯(lián)電容器在電力線中使用，主要用于增加電力線的傳輸能力。這種串聯(lián)電容器設備包括連接到電力線并且由電力線的電流經(jīng)過的電容器組。這種串聯(lián)電容器兩端的電壓與電力線中的電流成比例，并且在例如因電力網(wǎng)中短路所導致的電力線中的過電流的情況下，在串聯(lián)電容器兩端出現(xiàn)過電壓。之前已知的是，出于保護電容器免受這種過電壓的目的，將該電容器與火花隙并聯(lián)連接，該火花隙在電容器兩端有過電壓情況下以合適的方式被觸發(fā)。以此方式，線路電流被旁路通過電容器，該電容器以這種方式被保護。這種類型的已知保護裝置描述于例如US3，725，729、US4, 625，254、US4, 652，963、US4, 703，385、US4, 860，156、US5, 325，259、US5, 893，985、US6, 700，091、US2008, 253，040、US2009,134，129 和 USH756?；谳o助火花隙在主要火花隙中點燃電弧的傳統(tǒng)方式(也就是經(jīng)由通過觸發(fā)電路所生成的火花，來觸發(fā)點燃主要火花隙)的一個缺點在于它要求主要火花隙兩端非常高的電壓。這樣的原因在于，該操作模式是基于輔助火花隙，該輔助火花隙基本上是用來電離主要電極之間的空氣。該電離促進在這些電極之間形成電?。蝗欢俣妷鹤阋允癸w弧出現(xiàn)。主要火花隙兩端的電壓必須達到至少大約10kv。這限制了應用可能性。此外，它要求甚至是在幾次放電之后重新調節(jié)火花隙，因為電弧在電極上造成的侵蝕導致電極距離受影響，在這種傳統(tǒng)類型的火花隙觸發(fā)的情況下，這影響到跳閘電平，也就是，電弧形成時該主要火花隙兩端的電壓。WO 03/096502中公開的裝置已經(jīng)很大程度上克服了上述缺點。在該公開的裝置中，每個輔助電極設有導軌，所述導軌設計成使得電弧經(jīng)由導軌并且在所生成的固有磁場的影響下移動到主要電極間隙中，所述兩個導軌的每一個具有比輔助火花隙的寬度大的長度，并且所述輔助電極布置成使得它們受保護免受在主要火花隙中形成的等離子體的影響，并藉此密封外殼包圍主要火花隙和輔助火花隙。在主要火花隙中生成電弧是以如下方式利用該裝置來實現(xiàn)的，該方式與傳統(tǒng)技術所實現(xiàn)的方式在物理上根本不同。利用傳統(tǒng)技術，主要火花隙中的電弧是通過來自輔助火花隙的點燃火花來實現(xiàn)的，該點燃火花電離主要電極之間的空氣，使得在所述主要電極之間出現(xiàn)飛弧，這預先假設所述主要電極之間非常高的電壓。利用根據(jù)所提到的公開的輔助火花隙的特殊設計，在主要火花隙中生成電弧不是相應地依賴于這種電離。通過在電弧周圍出現(xiàn)的固有磁力，導軌導致輔助火花隙中的電弧成功地向內朝向主要火花隙移動，使得在主要火花隙的電極之間逐步建立該電弧。除了電弧電壓降和電極電壓降之外，這種差異的重要后果在于主火花隙兩端不需要偏置電壓。因此利用數(shù)量級為IkV或更低的電壓在這里是足夠的。不要求主要火花隙兩端的高電壓的事實帶來相當大的優(yōu)勢。火花隙的功能對于其寬度變動將較不靈敏。這樣，在放電之后無需重新調節(jié)火花隙?；鸹ㄏ兑虼丝梢员患せ顢?shù)百次而沒有對中間維護的任何需求。此外，火花隙可以用于新的功能，在所述功能中當火花隙將被激活時不出現(xiàn)高電壓。此外，火花隙對比如潮氣、冰、雪、灰塵和昆蟲的外部環(huán)境不敏感。由于輔助電極被保護免受在主要火花隙中形成的等離子體的影響，主要火花隙中的電弧會損壞輔助電極的影響得以避免。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是進一步改進所涉及類型的裝置。根據(jù)本發(fā)明第一方面，該目的是這樣實現(xiàn)的開篇所指明類型的裝置包括如下特定特征該裝置還包含噴嘴，該噴嘴具有最靠近輔助火花隙的第一端部和最靠近主要火花隙的第二端部，該第一端部具有與所述通道裝置連接的入口開口。與利用已知技術(例如在上面提到的W003/096502中)所可以實現(xiàn)的相比，該噴嘴產(chǎn)生更加指向主要火花隙的收集電弧等離子體。等離子體射流的強烈集中增大觸發(fā)裝置的有效性，并且導致非常精確的操作以及更短的觸發(fā)時間。利用該噴嘴可以容易地實現(xiàn)小于0.5ms的觸發(fā)時間。由于存在噴嘴，主要火花隙兩端用于形成電弧所需的電壓可以進一步降低。根據(jù)本發(fā)明的實施例，噴嘴至少部分布置在所述通道裝置中。電弧從輔助火花隙到主要火花隙的行進藉此將更安全，因為防止了在屏蔽單元和噴嘴之間泄漏的風險。將噴嘴部分布置在通道裝置內也減小觸發(fā)裝置的長度。噴嘴與屏蔽單元的集成導致緊湊的設計。根據(jù)本發(fā)明的實施例，至少部分噴嘴是由通道裝置的通道壁形成。噴嘴和屏蔽單元的集成在這一點上也提供了獲得噴嘴效應的簡單方式，其中該通道裝置提供了該噴嘴效應的一部分。根據(jù)本發(fā)明的實施例，噴嘴頭部被提供在屏蔽單元的面向主要火花的側部上，以及噴嘴至少部分延伸穿過噴嘴頭部。噴嘴的一部分藉此可以置于尺寸比屏蔽單元所需尺寸小的部件內。對于噴嘴的出口開口相對于主要火花隙的定位而言，由此節(jié)約的空間是有利的。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，屏蔽單元、噴嘴頭部和噴嘴由同一材料制成為單一工件。這些部分的集成導致了容易制造的緊湊構造。 根據(jù)本發(fā)明的實施例，噴嘴的內部從入口開口向出口開口會聚。會聚噴嘴導致行進的電弧或等離子體射流將更集中，以使得其增強了點燃主要間隙中的電弧的效應。優(yōu)選地噴嘴連續(xù)地會聚。如果噴嘴的內部橫截面是方形或矩形，它可以或者按照僅僅兩個相對側面會聚的方式或者按照所有四個側面會聚的方式來會聚。如果橫截面是圓形或橢圓形，則形狀可以分別為圓錐形或者類似圓錐形。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該出口開口具有細長形狀。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這種形狀最優(yōu)地對應于用于點燃主要火花隙的幾何場景。出口開口因此具有基本上矩形的形狀，但是優(yōu)選的是，拐角被修圓。藉此，整個短的側部可以成形為圓 弧。優(yōu)選地，入口開口也具有相應形狀。根據(jù)本發(fā)明的實施例，噴嘴的內部形狀在與噴嘴的縱向延伸部垂直的該噴嘴的任何截面中是細長的。電弧在噴嘴中的行進藉此將不會暴露于形狀變化的干擾效應且因此導致和諧的操作。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該噴嘴的材料為聚合物。藉此，可以發(fā)現(xiàn)與例如端子和隔離屬性的操作要求以及制造要求相對應的合適材料。合適的聚合物為酌■醒塑料(polyoxybenzylmethylenglycolanhydride, (Bakelite))、聚酯、聚酰亞胺和聚四氟乙烯(Teflon)。根據(jù)本發(fā)明的實施例，該噴嘴的材料為聚四氟乙烯。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，聚四氟乙烯對于滿足上述要求而言是最佳的。特別是對于由于在受電弧影響時的材料氣化而發(fā)生的噴嘴上的磨損，聚四氟乙烯已經(jīng)表現(xiàn)出高的耐受這種磨損的能力。因而可以執(zhí)行大量的操作而不使出口開口過大地加寬。根據(jù)本發(fā)明的實施例，主要電極至少其一為環(huán)狀以及噴嘴相對于環(huán)狀電極布置在中心。通過這種布置，電極之間的距離可以減小，使得對于在主要火花隙中產(chǎn)生電弧而言，該位置將是最佳的。電極的環(huán)形藉此有助于進一步減少觸發(fā)時間。根據(jù)本發(fā)明的實施例，每個輔助電極設有導軌，該導軌設計成使得電弧經(jīng)由導軌并且在所生成的固有磁場影響下，朝向屏蔽壁單元移動。這意味著將該噴嘴應用到在上面提到的W003/096502中公開的特定類型的裝置，并且因此將具有與該裝置以及上述內容相似的優(yōu)點。這些優(yōu)點連同根據(jù)本發(fā)明的噴嘴的優(yōu)點具有協(xié)同效應。本發(fā)明還涉及一種串聯(lián)電容器，該串聯(lián)電容器包含過電壓保護設備，該過電壓保護設備設有根據(jù)本發(fā)明、特別是根據(jù)任何一個本發(fā)明的上述實施例的裝置。由于所發(fā)明的裝置特別關注被用作這種設備中的部件，所以所發(fā)明的過電壓設備暗示所發(fā)明的裝置的優(yōu)點用于很大程度上利用這些優(yōu)點的領域。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，該目的是通過這樣實現(xiàn)的，引言部分中指明類型的方法還包含這樣的特定步驟布置噴嘴，該噴嘴具有最靠近輔助火花隙的第一端部以及最靠近主要火花隙的第二端部，在第一端部布置入口開口，將入口開口連接到所述通道裝置以及在第二端部布置出口開口，以及藉此弓I導來自輔助火花隙的電弧經(jīng)由噴嘴移動到主要火花隙。根據(jù)所發(fā)明的方法的實施例，該方法是在利用根據(jù)本發(fā)明、特別是根據(jù)任何一個其實施例的裝置時實施。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，該目的是這樣實現(xiàn)的，所發(fā)明的裝置用于快速閉合高壓電路。根據(jù)所發(fā)明的用途的實施例，該裝置用于保護串聯(lián)電容器免受過電壓。所發(fā)明的方法和所發(fā)明的用途以及這些方法和用途的上述實施例具有與所發(fā)明的裝置和上述其實施例相似的優(yōu)點。本發(fā)明的上述實施例在從屬權利要求中指明。應理解，另外實施例當然可以由上 面的實施例的任何可能組合構成以及由這些與在下面對實例的描述中提到的特征的任何可能組合構成。將通過對本發(fā)明實例的下述詳細描述并參考附圖來進一步解釋本發(fā)明。


圖I為根據(jù)本發(fā)明的電極及其支持結構的側視圖。圖2為穿過圖I的上部的第一直徑截面。圖3為穿過圖I的上部、與圖2的截面正交的第二直徑截面。圖4為圖2和圖3中的細節(jié)的透視圖。圖5為穿過圖4的細節(jié)的第一截面。圖6為穿過圖4的細節(jié)的第二截面。圖7為圖4中的細節(jié)的頂端視圖。圖8為圖4中的細節(jié)的底端視圖。圖9為根據(jù)本發(fā)明的輔助火花隙的示意性說明。圖10說明設有根據(jù)本發(fā)明的過電壓保護裝置的串聯(lián)電容器。
具體實施例方式圖I以側視圖說明在根據(jù)本發(fā)明的裝置中的主要電極I其中之一。電極I安裝在支持結構2上，并且與第二電極(未示出)協(xié)作在彼此之間形成主要火花隙A。電極I具有圓環(huán)的形狀并且可以是銅(cupper)。該裝置置于密封外殼(未示出)內。這種裝置的大體功能在上面提到的、通過引用結合于此的W003/096502中詳細描述。具體參考該公開內容的圖I和圖2以及說明書中關于可以如何構造觸發(fā)裝置、可以如何構造輔助火花隙以及輔助火花隙中的電弧如何起作用以在主要火花隙中產(chǎn)生電弧的實例的相應部分。本發(fā)明的焦點涉及在屏蔽裝置和主要火花隙之間的區(qū)域內構造該觸發(fā)裝置。圖I的上部在圖2和圖3中以彼此正交的兩個直徑截面予以示出。觸發(fā)裝置3具有包圍觸發(fā)電路和形成輔助火花隙的一對輔助電極的殼體。該裝置將在下面結合圖9進一步解釋。在上端部，觸發(fā)裝置3被屏蔽單元4覆蓋，中央通道裝置延伸穿過該屏蔽單元。噴嘴頭部5位于屏蔽單元4的頂部上。噴嘴頭部5的內部和屏蔽單元4內的通道裝置的上部形成噴嘴6，來自觸發(fā)裝置內的輔助火花隙的電弧經(jīng)過該噴嘴朝向主要火花隙A移動。參考圖4-圖8更詳細解釋與屏蔽單元4和噴嘴頭部5有關的噴嘴6的布置。在圖4中，可以在透視圖中看到由屏蔽單元4和噴嘴頭部5形成的部件。屏蔽單元4基本上為箱形，具有與噴嘴6的縱向延伸部垂直的矩形橫截面。屏蔽單元4具有指向觸發(fā)裝置的面向輔助火花隙的側部11和指向主要火花隙A的面向主要火花的側部12。噴嘴頭部5安裝在屏蔽單元4的面向主要火花的側部11上，且具有圓柱形狀。屏蔽單元4和噴嘴頭部5在此實例中被制成為一個工件且材料為聚四氟乙烯。在噴嘴頭部5的端部，可以看到噴嘴6的出口開口 8。出口開口 8具有細長形狀。圖5為沿著與屏蔽單元4的大的側部平行的中心平面截取的穿過圖4的截面。穿過屏蔽單元4的通道裝置具有靠近輔助火花隙的下部寬部分10和靠近噴嘴6的上部更窄部分9。這些部分中的每個均具有平行直壁。噴嘴6連接到通道裝置的窄部分9的上端部。噴嘴6在此截面中從其連接到部分9的入口開口 7向其出口開口 8會聚?？梢钥闯觯藢嵗械膰娮觳糠执┻^噴嘴頭部5并部分穿過屏蔽單元4的上部延伸。

圖6為與圖5的截面正交的截面。在此截面中，通道裝置9、10和噴嘴6具有相同寬度的平行直壁。圖4中部件的頂端和底端分別在圖7和圖8的各個端部視圖中示出。在上面的實例中，屏蔽單元4具有40X28X20mm的尺寸。噴嘴頭部具有Ilmm的高度和18mm的直徑。通道裝置的下部10具有Ilmm的深度和22x10mm的橫截面，上部具有12mm的深度和8x10mm的橫截面。會聚的噴嘴6具有16mm的長度。噴嘴的入口開口 7具有IOmm的長度和8mm的寬度，以及出口開口 8具有IOmm的長度和4mm的寬度。在圖9中示意性示出了輔助火花隙B。其具有第一輔助電極13和第二輔助電極14。這些電極中的每個均具有形成各個導軌15、16的延長部。導軌15、16具有如下功能將在輔助火花隙B內生成的電弧朝向屏蔽單元4引導穿過該屏蔽單元并且穿過噴嘴6從而到達主要火花隙以便在其中生成電弧。用于輔助電極13、14的觸發(fā)電路20具有電容器組21，該電容器組的一個側部連接到第一輔助電極13并連接到地。另一個側部經(jīng)由線圈23和常斷開的閉合器22 (在此實例中為晶閘管的形式)連接到第二輔助電極14。一旦收到命令，閉合器22閉合從而觸發(fā)在輔助火花隙B內的電弧。在輔助電極13、14之間，布置有多個子電極17，所述子電極可以是銅。在每對子電極17之間和每個輔助電極13、14與各個最近子電極之間提供一層絕緣材料18。電阻器19將每對子電極彼此連接并將每個輔助電極13、14連接到最近的子電極。圖10示出其中該裝置作為用于串聯(lián)電容器的過電壓保護裝置而應用的圖示。在具有串聯(lián)電容器31的電力線30中，布置了過電壓保護裝置，該過電壓保護裝置包括變阻器32、主要火花隙A和機械接觸裝置33，這三個部件并聯(lián)連接。電流測量裝置34與變阻器串聯(lián)布置。在電力線30中有過電流時，例如由于網(wǎng)絡中的短路，在電容器31兩端出現(xiàn)過電壓。利用電流測量裝置34測量流過變阻器32的電流。對于幾ms到大約20或30ms的時間段對測量結果積分，且所測量的能量的量(volume)構成是否將激活過電壓保護裝置的標準。進行激活的閾值可以是大小大約為20或30MJ的量級。電流測量裝置34因此限定何時需要生成電弧。
當狀況是如此時，電流測量裝置發(fā)送信號到閉合器22。這導致在輔助火花隙B中 生成電弧，且該電弧在主要火花隙A中點燃電弧。同時，接觸裝置33被激活以便閉合。
權利要求
1.一種用于快速閉合電路的裝置，所述裝置包括設有第一(I)和第二主要電極的主要火花隙(A)以及觸發(fā)裝置(3)，所述觸發(fā)裝置(3)包括輔助火花隙(B)，該輔助火花隙設有用于在主要火花隙㈧中點燃電弧的第一(13)和第二(14)輔助電極，所述輔助電極(13、14)通過具有通道裝置(9、10)的屏蔽單元(4)與所述主要火花隙屏蔽，該通道裝置從該屏蔽單元(4)的面向輔助火花隙的側部(11)向其面向主要火花隙的側部(12)延伸通過該屏蔽單元，其特征在于，該裝置還包含噴嘴(6)，該噴嘴具有最靠近輔助火花隙的第一端部和最靠近主要火花隙(A)的第二端部，該第一端部具有與所述通道裝置(9、10)連接的入口開口(7)以及該第二端部具有出口開口(8)。
2.根據(jù)權利要求I的裝置，其特征在于該噴嘴(6)至少部分布置在所述通道裝置(9、10)中。
3.根據(jù)權利要求2的裝置，其特征在于該噴嘴(6)的至少一部分是由該通道裝置(9、10)的通道壁形成。
4.根據(jù)權利要求1-3中任意一項的裝置，其特征在于噴嘴頭部(5)被提供在該屏蔽單元(4)的面向主要火花的側部(12)上，以及該噴嘴(6)至少部分延伸穿過所述噴嘴頭部(5)。
5.根據(jù)權利要求4的裝置，其特征在于該屏蔽單元(4)、該噴嘴頭部(5)和該噴嘴(6)由同一材料制成為單一工件。
6.根據(jù)權利要求1-5中任意一項的裝置，其特征在于該噴嘴(6)的內部從該入口開口(7)向該出口開口(8)會聚。
7.根據(jù)權利要求1-6中任意一項的裝置，其特征在于該出口開口(8)具有細長形狀。
8.根據(jù)權利要求7的裝置，其特征在于該噴嘴(6)的內部形狀在其與該噴嘴(6)的縱向延伸部垂直的任何截面中是細長的。
9.根據(jù)權利要求1-8中任意一項的裝置，其特征在于該噴嘴￠)的材料為聚合物。
10.根據(jù)權利要求9的裝置，其特征在于該噴嘴(6)的材料為聚四氟乙烯。
11.根據(jù)權利要求1-10中任意一項的裝置，其特征在于所述主要電極(I)至少其一為環(huán)狀，以及該噴嘴(6)相對于所述環(huán)狀電極(I)布置在中心。
12.根據(jù)權利要求1-11中任意一項的裝置，其特征在于每個輔助電極(13、14)設有導軌(15、16)，該導軌設計成使得電弧(B)經(jīng)由該導軌(15、16)并且在所生成的固有磁場影響下朝向該屏蔽單元(4)移動。
13.一種串聯(lián)電容器，其特征在于該串聯(lián)電容器(31)包含設有根據(jù)權利要求1-12中任意一項的裝置的過電壓保護設備。
14.一種借助于觸發(fā)裝置通過在主要火花隙的第一和第二主要電極之間生成電弧而快速閉合電路的方法，其中在需要時，在與該觸發(fā)裝置關聯(lián)的輔助火花隙中的第一和第二輔助電極之間生成電弧，藉此借助于該輔助火花隙中的電弧來點燃該主要火花隙中的電弧，并且通過具有通道裝置的屏蔽單元將該輔助火花隙與該主要火花隙屏蔽，該通道裝置從面向輔助火花隙的側部延伸到達面向主要火花隙的側部， 其特征在于，布置噴嘴，該噴嘴具有最靠近該輔助火花隙的第一端部和最靠近該主要火花隙的第二端部，在第一端部布置入口開口，將入口開口連接到所述通道裝置以及在第二端部布置出口開口，以及藉此引導來自輔助火花隙的電弧使其經(jīng)由該噴嘴向該主要火花隙移動。
15.根據(jù)權利要求14的方法，其特征在于該方法是在利用根據(jù)權利要求1-11中任意一項的裝置時執(zhí)行。
16.根據(jù)權利要求1-12中任意ー項的裝置的用途，其特征在于該裝置用于快速閉合高壓電路。
17.根據(jù)權利要求16的用途，其特征在于該裝置用于保護串聯(lián)電容器免受過電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于快速閉合電路的裝置和方法以及該裝置的用途。該用于快速閉合電路的裝置包含具有主要電極和觸發(fā)裝置的主要火花隙。觸發(fā)裝置具有輔助火花隙，該輔助火花隙具有用于在主要火花隙中點燃電弧的輔助電極。輔助電極通過具有通道裝置(9、10)的屏蔽單元(4)與主要火花隙屏蔽，該通道裝置從屏蔽單元(4)的面向輔助火花隙的側部(11)向其面向主要火花隙的側部(12)延伸穿過屏蔽單元。根據(jù)本發(fā)明，該裝置還包含噴嘴(6)，該噴嘴具有最靠近輔助火花隙的第一端部和最靠近主要火花隙的第二端部。該第一端部具有與通道裝置(9、10)連接的入口開口(7)以及該第二端部具有出口開口(8)。
文檔編號H02H9/04GK102769253SQ20111014817
公開日2012年11月7日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權日2011年5月5日
發(fā)明者L·鮑爾森, O·杰普森 申請人:Abb研究有限公司