[0003] 实施例涉及浪涌避雷器(surge arrester)。

[0018] 图1示出了根据本申请的一些实施例的避雷器，诸如浪涌避雷器100。浪涌避雷器被包括在电气系统中，诸如电网、配电网或其他电力输送系统。浪涌避雷器100包括壳体105、从壳体105的上部延伸的第一螺柱110以及从壳体105的下部延伸的下螺柱115。第一螺柱110将浪涌避雷器100电连接到电力系统120。第二螺柱115将浪涌避雷器100电连接到地面125。壳体105可以例如由任何合适的材料制成，诸如但不限于陶瓷、硅橡胶和/或乙烯丙烯二烃单体(EPDM)橡胶。

[0019] 浪涌避雷器100还包括一个或多个金属氧化物变阻器(MOV)盘130和火花间隙组件135。在一些实施例中，MOV盘130主要由氧化锌(ZnO)组成，并且包括一种或多种添加剂，诸如铋(Bi)、锰(Mn)、钴(Co)、镍(Ni)、锑(Sb)、锡(Sn)、铬(Cr)、铝(Al)、银(Ag)和/或硼(B)。

[0020] 如图2所示的电路示意图所示，(一个或多个)MOV盘130与火花间隙组件135串联电连接。火花间隙组件135包括与分级电容器145并联电连接的火花间隙140。在一些实施例中，火花间隙组件135包括附加元件，诸如电极板、弹簧和/或绝缘材料。例如，图1示出了其中火花间隙组件包括电连接到分级电容器145的弹簧150的实施例。

[0021] 分级电容器145是频率相关的。也就是说，在操作中，分级电容器145的电气特性(例如，电容、电容率等)取决于浪涌避雷器100所连接的系统120的频率，并且因此取决于分级电容器145两端的电压的频率。分级电容器145被设计为使得分级电容器145的有效电容或测得的电容随着系统120的频率的增加而减小。特别地，分级电容器145被设计为使得当系统120的频率从60Hz增加到500kHz时，分级电容器145的有效电容或测得的电容减小至少40％。优选地，分级电容器145被设计为使得在系统120的60Hz至500kHz频率范围内，分级电容器145的有效电容或测得的电容减小至少75％。

[0022] 在一些实施例中，分级电容器145被设计为使得在系统120的60Hz至500kHz频率范围内，分级电容器145的有效电容或测得的电容减小至少45％。在一些实施例中，分级电容器145被设计为使得在系统120的60Hz至500kHz频率范围内，分级电容器145的有效电容或测得的电容减小至少50％。在一些实施例中，分级电容器145被设计为使得在系统120的60Hz至500kHz频率范围内，分级电容器145的有效电容或测得的电容减小至少55％。在一些实施例中，分级电容器145被设计为使得在系统120的60Hz至500kHz频率范围内，分级电容器145的有效电容或测得的电容减小至少60％。在一些实施例中，分级电容器145被设计为使得在系统120的60Hz至500kHz频率范围内，分级电容器145的有效电容或测得的电容减小至少65％。在一些实施例中，分级电容器145被设计为使得在系统120的60Hz至500kHz频率范围内，分级电容器145的有效电容或测得的电容减小至少70％。分级电容器145可以是线性的或非线性的。线性分级电容器145具有不取决于所施加电压的电容。非线性分级电容器具有随所施加电压而变化的电容。

[0023] 为了实现上述电容减小，用于构造分级电容器145的(一种或多种)材料可以被选择为具有频率相关电容率的一种或多种电容性材料。也就是说，分级电容器145由在低系统频率下产生强烈增强的适当介电常数的任何材料构成或形成。例如，分级电容器145可以由“软”或施主掺杂的铁电陶瓷、弛豫铁电陶瓷和/或由于空间电荷效应而表现出增强的低频电容率的各种复合材料(例如，导体‑绝缘体复合物)中的一者或多者形成。

[0024] 图3示出了分级电容器145的目标电容率(实和虚)相对于频率的示例性曲线图300。如图所示，在较低的系统频率下，分级电容器145的实电容率305远大于分级电容器145的虚电容率310。用于形成分级电容器145的材料的介质损耗正切是材料的虚电容率与材料的实电容率之间的比率。在一些实施例中，期望分级电容器145在50/60Hz的系统频率下具有小于或等于15％的介质损耗正切。然而，在一些实施例中，分级电容器145在50/60Hz的系统频率下具有甚至更低的介质损耗正切是优选的。例如，特别期望分级电容器145在50/
60Hz的系统频率下具有小于5％的介质损耗正切。在一些实施例中，期望分级电容器145在
50/60Hz的系统频率下具有小于或等于10％的介质损耗正切。在一些实施例中，在50/60Hz的系统频率下，较高的介质损耗正切(50％或更高)是可接受的。

[0025] 除了包括频率相关分级电容器145之外，火花间隙组件135还被设计为使得火花间隙组件与MOV盘130之间的电压共享被优化。例如，火花间隙组件135被设计为允许在MOV盘130与火花间隙组件145中包括的火花间隙140之间根据浪涌避雷器100的应用和期望性能的要求进行特定的电压共享。此外，火花间隙组件135被设计为使得浪涌避雷器100的冲击闪络电压在高频(例如500kHz至1MHz)下被最小化。

[0026] 在一些实施例中，火花间隙组件135被设计为使得分级电容器145的阻抗与MOV盘130的串联阻抗相协调。在一些实施例中，分级电容器145的阻抗被设计或选择为浪涌避雷器100在50/60Hz最大连续工作电压(MCOV)下的总阻抗的第一百分比。在这样的实施例中，在30kHz至1MHz之间的频率下的系统电压浪涌期间，分级电容器145的相对阻抗增加到大于浪涌避雷器100的总阻抗的第一百分比的第二百分比。例如，分级电容器145的阻抗可以是浪涌避雷器100在50/60Hz MCOV下的操作期间的总阻抗的20％至50％。然而，在相同的电压下，但是在30kHz至1MHz之间的较高频率下，分级电容器145的阻抗增加到浪涌避雷器100的总阻抗的80％至100％之间的值。也就是说，当浪涌避雷器100经历系统120中发生的高频浪涌事件时，浪涌避雷器的总阻抗中归因于分级电容器145的百分比增加。

[0027] 在一些实施例中，分级电容器145的阻抗可以小于(一个或多个)MOV盘130在50/60Hz MCOV下的操作期间的阻抗，并且因此占浪涌避雷器100的总阻抗的不到50％。在30kHz至1MHz的频率下发生浪涌期间，由于分级电容器145的频率相关电容，间隙组件135的阻抗被降低到小于(一个或多个)MOV盘130的阻抗。结果是，(一个或多个)MOV盘130与间隙组件
135之间的电压共享被改变，使得(一个或多个)MOV盘130两端的电压降低，并且间隙组件
135两端的电压增加，导致火花间隙140在高频下提前点火。

[0028] 当与现有的火花间隙组件相比时，火花间隙组件135仅利用被额定为承受间隙闪络电压(gap sparkover voltage)的单个分级电容器145。相对于多个分级电路元件，单个分级电容器145的使用降低了火花间隙组件135的成本和尺寸。此外，仅包括单个分级电容器的火花间隙组件可能比包括多个电路分级元件的火花间隙组件散发更少的热量，特别是在浪涌事件期间。

[0029] 应当理解，图1至图2所示的和上面描述的浪涌避雷器100的实施例仅是示例，并没有将浪涌避雷器100限制为图1和图2所示的构造。例如，虽然示出为包括单个MOV盘130和单个火花间隙组件135，但应当理解，在一些实施例中，浪涌避雷器100包括多于一个MOV盘130和/或多于一个火花间隙组件135。在这样的实施例中，一个或多个火花间隙组件135的总串联阻抗与(一个或多个)MOV盘130的总串联阻抗相协调，使得一个或多个火花间隙组件135的总串联阻抗是浪涌避雷器100在50/60Hz MCOV下的操作期间的总阻抗的20％至50％。此外，在这些实施例中，在30kHz至1MHz之间的频率下的浪涌事件期间，一个或多个火花间隙组件135的总串联阻抗是浪涌避雷器100的总阻抗的80％至100％。

[0030] 图4A至图4C示出了浪涌避雷器100的各种实施例，其中浪涌避雷器100包括多于一个MOV盘130和/或多于一个火花间隙组件135。应当理解，图4A至图4C的所示实施例仅作为示例提供，并没有限制浪涌避雷器100包括本文未示出或描述的串联连接的MOV盘130以及火花间隙组件135的其他组合。

[0031] 此外，应当理解，图1至图2所示的和上面描述的火花间隙组件135的实施例仅是示例，并没有将火花间隙组件135限制为图1和图2所示的构造。例如，虽然示出为包括与单个分级电容器145并联电连接的单个火花间隙140，但应当理解，在一些实施例中，火花间隙组件135包括多于一个火花间隙140和/或多于一个分级电容器145。在这样的实施例中，一个或多个分级电容器145的总串联阻抗与(一个或多个)MOV盘130的总串联阻抗相协调，使得一个或多个分级电容器145的总串联阻抗是浪涌避雷器100在50/60Hz MCOV下的操作期间的总阻抗的20％至50％。此外，在这样的实施例中，在30kHz至1MHz之间的频率下的浪涌事件期间，一个或多个分级电容器145的总串联阻抗是浪涌避雷器100的总阻抗的80％至100％。

[0032] 作为示例，图5示出了其中火花间隙组件135包括两个串联连接的分级电容器145A、145B的实施例，该分级电容器145A、145B与火花间隙140并联电连接。应当理解，图5所示的实施例仅作为示例提供，并没有限制火花间隙组件135包括与火花间隙140并联电连接的串联连接和/或并联连接的分级电容器145的其他组合。在一些实施例中，除了至少一个频率相关电容器145之外，火花间隙组件135还包括电阻器或非频率相关电容器。

[0033] 在一些情况下，可以期望向不包括其自身的火花间隙组件的现有浪涌避雷器和/或新的浪涌避雷器提供由本文所述的火花间隙组件135所给予的保护。因此，在一些实施例中，本文所述和/或图1至图5所示的火花间隙组件可以被包括在附件设备中，该附件设备被配置为与不包括其自身的火花间隙组件的浪涌避雷器串联电连接。

[0034] 图6示出了火花间隙组件附件设备600的示例性实施例。附件设备600包括壳体605、从壳体605的上部延伸的第一螺柱610以及从壳体605的下部延伸的下螺柱615。第一螺柱610将附件设备600电连接到不包括其自身的火花间隙组件的浪涌避雷器700。例如，浪涌避雷器700可以是传统的基于MOV的避雷器，其包括一个或多个电阻部件，诸如MOV盘130，但不包括火花间隙组件。第二螺柱615将附件设备600电连接到地面125。附件设备600的壳体
605可以例如由任何合适的材料制成，诸如但不限于陶瓷、玻璃和/或尼龙。

[0035] 如图所示，附件设备600还包括火花间隙组件135。因此，当附件设备600与浪涌避雷器800串联连接时，火花间隙组件135中包括的分级电容器145的阻抗与避雷器700中包括的(一个或多个)MOV盘130的串联阻抗相协调，如上所述。

[0036] 在一些示例中，分级电容器由介电陶瓷形成是优选的，当在空气中烧结时，该介电陶瓷包含电容性微观结构元件和电阻性微观结构元件两者。该介电陶瓷的一个示例是化学式为Cu0.75Ca0.25TiO3的钙钛矿陶瓷。钙钛矿陶瓷自然地展现出不均匀的导电性，具有绝缘晶界(grain boundary)和导电晶粒(grain)，使得该材料表现为复杂的R‑C电路。图7示出了介电陶瓷700的通用等效电路图。介电陶瓷包括与晶界电路820串联连接的晶粒电路810。晶粒电路810包括与晶粒电容器840并联连接的晶粒电阻器830。晶界电路820包括与晶界电容器860并联连接的晶界电阻器850。在一些实施例中，晶粒电容器840和/或晶界电容器860可以被表示为恒定相位元件(CPE)。在一个示例中，间隙分级元件由90％至99.5％的Cu0.75Ca0.25TiO3组成，其中0.5％至10％的附加掺杂元素被选择用于帮助微观结构形成或改变陶瓷的电属性。两种优选的掺杂剂是氧化铝(Al2o3)和二氧化硅(SiO2)。图8示出了具有结构Cu0.75Ca0.25Ti0.97O3+0.03Al2O3的钙钛矿陶瓷(用作分级电容器145)的目标电容率的示例性曲线图900。图9示出了具有结构Cu0.75Ca0.25TiO3+0.03Al2O3+0.03SiO2的钙钛矿陶瓷(用作分级电容器145)的目标电容率的示例曲线图1000。

[0037] 因此，本公开除其他事项之外提供了一种浪涌避雷器，其用于保护电力系统免受高频浪涌事件的影响。本公开的各种特征和优点在以下权利要求中阐述。