充氣火花隙的制作方法
【專利摘要】一種充氣火花隙，包含一限制內(nèi)部機殼(11)的中空圓筒狀絕緣機殼(6)，兩個以氣密方式配置于絕緣機殼上的密封法蘭(25)，兩單片金屬電極(12)，每個電極包含有以連接桿(8)延伸的一主體(14)，一與電極連接桿相對的端面，端面限制了在內(nèi)部機殼內(nèi)分隔兩電極的一空氣隙(23)，兩電極的每個連接桿穿過其中一個法蘭的貫穿孔，法蘭以氣密方式配置于電極上，一種惰性氣體充于內(nèi)部機殼內(nèi)。
【專利說明】
充氣火花隙
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及所有類型電氣線路的防過電壓充氣火花隙領域，例如極高功率下能源運輸電路，或如用于光電裝置或者高功率的保護設備。本發(fā)明尤其涉及稀有氣體的火花隙的領域，用于防止在其它事件中雷擊引起的過壓的電路保護。【背景技術】
[0002]任何電源或數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡都會遭受在很多情況下瞬時的過電壓。瞬時過電壓可以有各種原因，例如雷擊，具有不同電壓的或工業(yè)干擾電力線的損壞，等等。這些網(wǎng)絡并未設計為可承受這些瞬時過電壓。因此通過在網(wǎng)絡的上游安裝合適的保護設備來保護它們是必要的。[〇〇〇3]這種用于供電網(wǎng)絡的保護設備一般包含充有稀有氣體的火花隙。充氣火花隙是在供電網(wǎng)絡正常運行下，換句話說在缺乏過電壓的情況下，一種通常表現(xiàn)為較高阻值且被看作近乎無限的絕緣電阻的電氣元件。當它承受瞬時過電壓時，瞬時過電壓的值超過某一限定值，限定值被稱為火花隙擊穿電壓，充氣火花隙瞬間損毀(擊穿)且變?yōu)橐暂^低阻抗值導電。那么充氣火花隙就等于短路因此允許一個大的對應于瞬時過電壓的放電電流短路，以便接地。因此保護位于火花隙下游的電路防止瞬時過電壓是可行的，對應于瞬時過電壓產(chǎn)生的電流由火花隙引入地下。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)一個實施例，本發(fā)明提供一種適合作為電路保護設備的充氣火花隙。充氣火花隙包含:
[0005]-—個中空圓筒狀絕緣機殼在兩相對端處開口。絕緣機殼由高度絕緣材料制成以抵御電弧的極高溫，絕緣機殼例如由陶瓷制成。絕緣機殼限制了充氣火花隙的內(nèi)部機殼，
[0006]-兩個密封法蘭，以氣密方式分別配置于絕緣機殼的兩相對端，為了以氣密方式封閉絕緣機殼的開口。不管怎樣，每個法蘭都包含一個貫穿孔。
[0007]-兩單片金屬電極。每一片電極包含一個沿外部連接桿延伸的主體。每一片電極的主體都可容納于絕緣機殼的內(nèi)部機殼內(nèi)。每一片電極包含一個與連接桿相對的端面，兩電極的端面之間有設于內(nèi)部機殼內(nèi)的分隔兩電極主體的空氣隙。電極的外部桿中的任一個穿過其中一個法蘭的貫穿孔，法蘭以氣密方式配置于電極上以便使氣體以氣密方式封入內(nèi)部機殼。外部桿伸出法蘭上的密封絕緣機殼外。
[0008]-—種惰性氣體封于充氣火花隙的內(nèi)部機殼內(nèi)，也包括在放電隙內(nèi)。優(yōu)選的，氣體在設定氣壓下密封。
[0009]根據(jù)實施例，這樣的氣密火花隙應包含以下的一個或多個特征。
[0010]根據(jù)一實施例，任一電極端面的外圍部分與絕緣機殼內(nèi)表面構成一定角度，所述角度向其中一個電極的方向傾斜，通過這樣的方式偏轉(zhuǎn)材質(zhì)凸起至所述電極方向。
[0011]根據(jù)一實施例，法蘭由具有一定膨脹系數(shù)的材料制成，膨脹系數(shù)接近于外部機殼絕緣材料的膨脹系數(shù)。法蘭的材料與絕緣機殼的材料膨脹系數(shù)的差別舉例應少于2 X 1(T6每開爾文(IT1)，優(yōu)選的少于或等于1 X lO^T1。
[0012]根據(jù)一實施例，第一電極的端面包含一凹處，且第二電極的端面包含一凸起。
[0013]根據(jù)一實施例，電極的端面包含互補形狀的表面。
[0014]封于絕緣機殼的氣體應從稀有氣體或化學性質(zhì)不活潑的氣體中選取。在一特定實施例中，封于絕緣機殼的氣體從包含氮氣、氬氣、氖氣、氫氣、氦氣、稀有氣體以及這些氣體的混合物的集合中選取。
[0015]電極可由多種金屬制成。在一特定實施例中，取決于技術要求電極由從包含銅、 鎢、鐵、它們的合金或其他金屬的集合中選取。
[0016]根據(jù)一實施例，外部桿伸出密封絕緣機殼外且位于法蘭之上的一部分設置有螺紋。
[0017]根據(jù)一實施例，外部桿伸出密封絕緣機殼外且位于法蘭之上的無螺紋部分設置有阻斷螺旋轉(zhuǎn)動的平坦部分。
[0018]根據(jù)一實施例，絕緣機殼的開口端包含例如覆蓋有鎳層的鉬錳層，也稱為鉬-錳， 法蘭與絕緣機殼的密封由釬焊形成。
[0019]根據(jù)一實施例，法蘭由鎳鐵合金制成。
[0020]根據(jù)一實施例，法蘭與電極的密封由銀銅釬焊形成。
[0021]根據(jù)一實施例，在環(huán)境溫度下，法蘭的貫穿孔內(nèi)徑大于外部桿外徑，以提供膨脹裕量以便允許外部桿的熱膨脹大于法蘭的熱膨脹。
[0022]在本發(fā)明的特定方面出于在過電壓時為充氣火花隙提供更好的散熱的想法。本發(fā)明一方面基于通過作為單片伸出機殼外穿過密封法蘭的電極的使用在高強度脈沖時散去產(chǎn)生熱量的想法，實際應避免熱屏障配置于幾種金屬部件的交界處。
[0023]本發(fā)明另一方面是確定由流經(jīng)火花隙的大電流引起的金屬原子凸起的累積位置。 超過火花隙一半的定位允許外部中空圓筒狀機殼的內(nèi)表面的另一半從凸起釋放。這個定位的重要結論是在兩火花隙的連接桿之間保持絕緣特性完整。
[0024]本發(fā)明另一方面是避免絕緣機殼的損壞。本發(fā)明的一個想法是限定在法蘭和絕緣機殼間的共同收縮/膨脹應力?！靖綀D說明】
[0025]在下面僅通過非限制實施例的方式描述本發(fā)明的幾個特定實施例的過程中，參考附圖將更好地理解本發(fā)明，且以下的其他的目標、細節(jié)、特點和優(yōu)點將變得更加明顯。
[0026]-圖1是包含用于供電網(wǎng)絡保護設備的供電網(wǎng)絡的示意圖。[〇〇27]-圖2A和2B是根據(jù)第一實施例用于供電網(wǎng)絡的充氣火花隙的示意圖，分別為示意性透視圖與縱向截面圖。
[0028]-圖3是根據(jù)第二實施例充氣火花隙的剖視圖，第二實施例的中空氣隙允許金屬離子凸起定位到外部機殼的一部分，以大大延長火花隙的使用壽命?！揪唧w實施方式】
[0029]參考圖1，被保護電路1通過保護設備4連接到另一電路3,例如接地。
[0030]電路1屬于為光電設備的使用設計的較高功率電力傳輸網(wǎng)絡，例如，高壓電網(wǎng)、通訊網(wǎng)絡、中壓電網(wǎng)抑或低壓電網(wǎng)。電路1傳輸交流或直流電壓。
[0031]特定事件導致電路1上的瞬時過電壓，瞬時過電壓表現(xiàn)為電壓突增或短時強電流的形式。電壓突增或強電流導致線路1供電的設備與供電網(wǎng)絡本身發(fā)生大量的損壞情況。
[0032]保護設備4以例如充氣火花隙4的形式。充氣火花隙4因此，在一方面，連接到電路1 而且，在另一方面，連接到地線或其他放電線路，例如網(wǎng)絡的其他電路。
[0033]在瞬時過電壓的情況下，充電火花隙4存在較大的隔離電阻，可視為接近無限大。 當其承受瞬時過電壓時，其值超過一定閾值(充氣火花隙4的損壞或擊穿電壓)，充氣火花隙 4擊穿且變?yōu)檩^低阻抗，等同于短路以強放電電流短接地線3。所選擊穿電壓自然稍高于所保護的電路1的正常工作電壓。根據(jù)本發(fā)明所述的充氣火花隙，例如，其峰值電流運行容量為100kA，10/350ys。充氣火花隙4的動作允許沖擊由線路1轉(zhuǎn)移到接地線路3而不會對所保護的供電網(wǎng)絡產(chǎn)生損壞。[〇〇34]圖2A顯示了根據(jù)本發(fā)明第一實施例充氣火花隙4的透視圖。
[0035]充氣火花隙4的兩相對端有接線端8以分別連接充氣火花隙4到電路1與放電線路 3。端子8，、電路1以及接地3間各自的連接都以任意合適的方式連接，例如通過包含通過螺母(未給出)固定到充氣火花隙4的金屬凸耳(未給出)的電纜的方式。有利地，端子8包含阻塞平面部分以在螺母擰緊時通過扳手固定端子8。[〇〇36]圖2B顯示了圖2A中火花隙的剖視圖。陶瓷圓筒6中空且形成用于兩電極12的內(nèi)部機殼11。
[0037]任一電極12包含容納于基本代表了內(nèi)部機殼一半的陶瓷圓筒6的內(nèi)部機殼11的各自部分的主體14。電極12的主體14為圓筒形狀。陶瓷圓筒6與電極12的主體14同軸。電極12 的第一端16形成從相對方向伸出陶瓷圓筒6外的連接端8。端子8大致為圓柱形且與主體14 同軸。端子8包含與主體14相對具有螺紋且設計為與螺母相匹配的部分以及與主體14相連接且包含上述阻塞平面部分的部分。[0〇38] 在內(nèi)部機殼11內(nèi)，電極12的主體14由稱作空氣隙23的內(nèi)部空間23隔開。隔開電極 12的主體14的距離允許擊穿電壓定義在充氣火花隙4動作的情況下，換句話說從充氣火花隙4直接轉(zhuǎn)移所述電流到接地線3的電流強度開始動作。電極12上超過一定電壓值，放電擊穿且電流在電極12間產(chǎn)生形成電弧，象征性表示為數(shù)字24,從由充氣火花隙4保護的電路1 轉(zhuǎn)移所述電流。
[0039]為了立即限制電流，惰性氣體充入陶瓷圓筒6中，也包括在空氣隙23中。惰性氣體是允許電極12間的電弧24斷開或持續(xù)時間有限的例如氬氣、氖氣、氮氣、氫氣、氦氣、這些氣體的混合物或任意其他氣體。惰性氣體以低壓形態(tài)封在充氣火花隙4中，例如0.5巴的條件。 低壓影響充氣火花隙的擊穿電壓。氣體可在各種壓力下封于充氣火花隙內(nèi)，取決于充氣火花隙的期望擊穿電壓。
[0040]為了確保惰性氣體封于充氣火花隙內(nèi)，內(nèi)部機殼11氣密密封。內(nèi)部機殼11的密封由兩個以氣密方式配置于陶瓷圓筒6開口端的法蘭25形成。
[0041]法蘭25的形狀具有與陶瓷缸套底座6相同的輪廓。任一法蘭25包含大于端子8尺寸的貫穿孔29。[〇〇42] 可使用任意合適的方法以提供法蘭25與陶瓷圓筒6間的密封。例如，鉬錳層可用于覆蓋陶瓷圓筒6端部的部分30,鉬錳層本身覆蓋有鎳層。法蘭25與陶瓷圓筒6間的密封例如可由在法蘭25與陶瓷圓筒6間釬焊形成。[〇〇43] 提供電極12與法蘭2 5間的密封也是必要的。由于電極12和法蘭2 5由金屬制成，電極12和法蘭25間的氣密密封可由任何已知的方式例如釬焊、激光焊接、耐熱粘接或其他合適的方法制成。
[0044]為了提高充氣火花隙4的擊穿電壓，陶瓷圓筒6的內(nèi)表面3包含多個石墨小盤32。石墨小盤32有規(guī)律地分布于電極12的主體14上平行于陶瓷圓筒6的軸22。石墨小盤32不超出陶瓷圓筒6的整個長度，沿陶瓷圓筒6的軸22延伸。例如，在充氣火花隙長50mm以及直徑 31.5mm的條件下，由于陶瓷氣缸6長28mm，石墨小盤32的端部33與陶瓷圓筒6的端部的部分 30 相距 1.6mm。
[0045]電極12通常由銅、銅合金以及鎢或任意其他合適的金屬或合金制成。
[0046]用于法蘭25的材料膨脹系數(shù)等同于，或膨脹系數(shù)接近于陶瓷圓筒6的膨脹系數(shù)。法蘭例如可由鎳鐵合金制成。因此，法蘭25與陶瓷圓筒6以相同的方式延伸與連接這樣它們在收縮/膨脹時相互施加的應力不會損壞陶瓷圓筒6。[〇〇47]充氣火花隙的制造方法如下:[〇〇48]-第一步，法蘭25安裝于電極12上，電極12的端子8插入法蘭25的通道29直到法蘭 25的內(nèi)表面34與電極12的主體14的外表面35連接完成；[〇〇49]_第二步，第一熱循環(huán)允許以氣密方式在法蘭25與電極12間形成連接。[〇〇5〇] _由電極12和法蘭25形成的兩零件以法蘭25內(nèi)表面34與陶瓷圓筒6相對端的部分 30相連接的方式安裝于陶瓷圓筒6中。[〇〇51]-由此形成的組件放置于受控大氣壓下的烘箱中。在第二熱循環(huán)期間，將封于充氣火花隙4中的氣體被注入到烘箱中。直到法蘭25和陶瓷圓筒6之間的密封形成，內(nèi)部機殼11 不是氣密的，將可控大氣壓下的烤箱中的氣體被注入到內(nèi)部外殼11。在循環(huán)結束時，在更高的溫度下，法蘭25與陶瓷缸套6之間的密封是通過釬焊熔實現(xiàn)的。[〇〇52]由于法蘭25和電極12是由金屬制成的，在法蘭25和電極12之間的釬焊接頭斷裂的風險很小。提供法蘭25中的通道29是必要的，無論是在收縮狀態(tài)，即在環(huán)境溫度下，還是在膨脹狀態(tài)，即在釬焊形成的溫度下，通道29都有足夠大的直徑以容納電極12的端子8。在法蘭25和電極12之間的密封可以在法蘭34的內(nèi)表面25和電極12的主體14的外表面35間每一個接觸點上形成。[〇〇53]在一實施例中，具有8*10—t1到9*10—t1間的膨脹系數(shù)的陶瓷圓筒由氧化鋁制成， 且膨脹系數(shù)高于17*10_61^的電極由銅制成。在第二熱循環(huán)中法蘭和陶瓷圓筒間膨脹系數(shù)的差異因此小于以避免陶瓷圓筒6的損壞。此外，法蘭的孔29具有，在環(huán)境溫度下， 直徑12mm且電極12的端子8外徑為10.8mm，以避免在熱循環(huán)形成釬焊接頭時法蘭25和電極 12之間過大的應力的產(chǎn)生。
[0054]因此，電極12的內(nèi)表面36與26的外部區(qū)域15是平行的且軸對稱，外部區(qū)域是平行的且位于相對于陶瓷圓筒6的內(nèi)表面31傾斜的角度9。在充氣火花隙4擊穿時角度9為金屬離子凸起導向。凸起方向限定了陶瓷圓筒6的內(nèi)表面31上金屬離子凸起到達位于僅面向一個電極的影響范圍的區(qū)域，限定陶瓷圓筒6于電氣隔離性能退化的位置。因此，由于外部端15 的定位陶瓷圓筒6保存其完整性和絕緣性，外部端15具有將金屬凸起導向兩個電極中的一個或兩個的效果。
[0055]作為一種變化，絕緣材料除了陶瓷可用于制造絕緣圓筒6。本文所描述的充氣火花隙可用于任意類型的電路。
[0056]雖然本發(fā)明與幾個特定的實施例有關聯(lián)，如后者在本發(fā)明范圍內(nèi)本發(fā)明并不限于這些實施例且包括所有所述方法的技術的等同替換，以及它們的組合。
[0057]使用的動詞“包含”或“包括”和它們的組合形式不排除元素的存在或步驟不同于權利要求中所述的部分。不確定冠詞“一”或“一個”的使用不排除元素或步驟，除非另有說明，表示多個這樣的元素或步驟的存在。
[0058]在權利要求中，括號間的參考符號不能解釋為權利要求的限制。
【主權項】
1.一種充氣火花隙包含:-一絕緣機殼(6)，為中空圓筒形狀，在兩相對端有開口，兩相對端限定了一充氣火花隙 的內(nèi)部機殼(11)，-兩密封金屬法蘭(25)，以氣密方式各自配置于絕緣機殼上，位于絕緣機殼的兩相對 端，為了以氣密方式密封絕緣機殼開口，每個法蘭包含一貫穿孔(29)，-兩單片金屬電極(12)，每個電極包含有從一外部連接桿(8)延伸的一主體(14)，每個 電極的主體可容納于絕緣機殼的內(nèi)部機殼，每個電極包含與連接桿相對的一端面，兩電極 的端面間配置有分隔內(nèi)部機殼內(nèi)兩電極主體的一空氣隙，每個電極的外部桿穿過其中一個 法蘭的貫穿孔，法蘭以氣密方式配置于電極上，以便以氣密方式封閉內(nèi)部機殼，外部桿伸出 絕緣機殼外且位于法蘭之上，以及_一惰性氣體，以設定壓力封于絕緣機殼的內(nèi)部空間內(nèi)，其特征在于:每個電極端面的一外圍部分(15)與絕緣機殼的一內(nèi)表面形成一個角度 (9 )，所述角度在其中一個電極的方向上傾斜，以便在所述電極方向上偏轉(zhuǎn)材質(zhì)的凸起。2.如權利要求1中所述的充氣火花隙，其特征在于:法蘭由與絕緣機殼材料的膨脹系數(shù) 的差別小于2*10^^的材料制成，最好小于等于1*101'3.如權利要求1或2所述的充氣火花隙，其特征在于:封于絕緣機殼的氣體從由氮氣、氬 氣、氖氣、氫氣、氦氣、稀有氣體以及這些氣體的混合物構成的集合中選取。4.如權利要求1到3其中之一所述的充氣火花隙，其特征在于:電極由銅、鎢、鐵以及它 們的合金所構成的集合中選取的金屬制成。5.如權利要求1到4其中之一所述的充氣火花隙，其特征在于:伸出絕緣機殼外位于法 蘭之上的外部桿的一部分設置有螺紋。6.如權利要求1到5其中之一所述的充氣火花隙，其特征在于:絕緣機殼的開端包含覆 蓋有鎳層的鉬錳層，法蘭與絕緣機殼間的密封由釬焊形成。7.如權利要求1到6其中之一所述的充氣火花隙，其特征在于:法蘭由鎳鐵合金制成。8.如權利要求1到7其中之一所述的充氣火花隙，其特征在于:法蘭與電極間的密封由 銀銅釬焊制成。9.如權利要求1到8其中之一所述的充氣火花隙，其特征在于:在環(huán)境溫度下，法蘭貫穿 孔內(nèi)徑大于外部桿的外徑，以形成膨脹區(qū)間，以便允許外部桿熱膨脹大于法蘭熱膨脹。
【文檔編號】H01T4/12GK105981242SQ201580006104
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年1月26日
【發(fā)明人】弗朗索瓦·吉沙爾, 伊芙·江納克, 文森特·拉波
【申請人】西戴爾公司