[0001] 本发明涉及一种电压敏感型非线性元件组构的过电压保护组件和系统。

[0002] 氧化锌避雷器主要由氧化锌阀片构成，其性质属于压敏电阻。本发明的电压敏感型非线性元件也属于压敏电阻的范畴。在正常的工作电压下，压敏电阻值很大，相当于高阻状态。但在冲击电压作用下(大于压敏电压)，压敏电阻呈低阻导通，近似于短路状态。然而电压降低后，压敏电阻的导通状态是可以恢复为高阻状态的。因此，如在电力线上安装氧化锌避雷器后，当雷击时，雷电波的高电压使压敏电阻导通，雷电流通过压敏电阻流入大地，将其过电压能量释放掉，从而可以将电源线上的电压控制在安全范围内，保护了电气设备的安全。氧化锌避雷器是用来保护电力系统中各种电气设备免受外过电压损坏的电气产品，具有良好保护性能。因为氧化锌阀片的非线性伏安特性十分优良，使得在正常工作电压下仅有几十微安的电流通过，便于设计成无间隙结构，使其具备保护性能好、重量轻、尺寸小的特征。当过电压侵入时，流过阀片的电流迅速增大，同时限制了过电压的幅值，释放了过电压的能量。此后氧化锌阀片又恢复高阻状态，使电力系统正常工作。

[0003] 但对于内过电压出现的频次较高或能量较大、持续时间较长时的工况，普通氧化锌避雷器阀片的能容无法承受。本发明电压敏感型非线性元件能够克服各种传统氧化锌避雷器能容严重不足的关键技术问题。电压敏感型非线性元件允许瞬时通过数万安培的超大电流，但是通流时间是有限的(以微秒计)，一旦通流时间超限，元件会急剧发热。如果不加防范和抑制就可能发生热崩溃而使其损坏，导致系统失去保护。即使侥幸没有立刻热崩溃，也会因经常处于较高温度状态下运行，而累积热损伤加速元件老化。

[0004] 中国发明专利申请CN110718345A提供了避雷器、避雷器冷却组件及输电系统。解决方案是将避雷器放置在冷却容器内，将冷却部件设置于冷却容器内，用于降低冷却容器内的温度。具体地，采用蒸发器或冰袋等从避雷器的外部对避雷器进行降温。结构较为复杂，特别是对于高压电气设备来说其结构很难实现，且成本会很高，体积将会庞大，冷却效果较差，响应速度慢。

[0030] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

[0031] 参考图1至图3，本发明的实施例提供一种过电压保护组件，包括：

[0032] 绝缘芯管13，呈直管状；

[0033] 多个非线性元件12，均呈环形且均环绕绝缘芯管13，沿绝缘芯管13的长度方向叠置，相邻非线性元件12之间压力接触电连接；

[0034] 第一电极7，环绕绝缘芯管13，且设置在多个非线性元件12整体的第一端面上，与多个非线性元件12电连接；

[0035] 第二电极15，环绕绝缘芯管13，且设置在多个非线性元件12整体的第二端面上，与多个非线性元件12电连接；

[0036] 绝缘筒11，环绕多个非线性元件12、第一电极7和第二电极15，绝缘筒11的第一端指向第二端的方向与第一电极7指向第二电极15的方向相同，第一电极7和第二电极15均能够与绝缘筒11外部的结构电连接；

[0037] 散热风机19，固定在绝缘筒11的第二端，与绝缘芯管13之间留有间距，并能够与绝缘筒11外部的总控制器23通信连接，出风方向指向绝缘筒11的第一端，形成从散热风机19至绝缘芯管13再经绝缘筒11的第一端流出绝缘筒11的中心散热空气通道14；

[0038] 温度传感器，相对绝缘筒11固定设置，用于检测多个非线性元件12的温度，并能够与总控制器23通信连接。

[0039] 图1至图3中箭头方向为风的流动方向。该实施例中第二电极15位于第一电极7下方，过电压保护组件竖向放置，风从下往上吹。在其他的实施例中，过电压保护组件也可以是水平放置的，即风的流动方向基本是水平的。

[0040] 优选地，非线性元件12的材料采用中国发明专利CN114914042B提供的高能高残压比的非线性电阻片，可制备得到比ZnO或其他已知的非线性材料更大尺寸的环形结构。

[0041] 通过非线性元件12的电流由于趋肤效应主要集中在其外周面附近，环形的非线性元件12与圆饼型的非线性元件12的有效截面差异可以忽略，对于电流泄放能力并无实质影响。进一步，环形的非线性元件12中空的部分提供了强制风冷的通道。

[0042] 温度传感器检测到的温度信号作为散热风机19启动的依据，当非线性元件12温度较高时，散热风机19被触发启动，从非线性元件12的内部对非线性元件12强制风冷。

[0043] 图1所示实施例中，温度传感器(未示出)，其通过测温光纤24与总控制器23通信连接。在其他的实施例中，温度传感器与总控制器23电连接或总线连接。绝缘筒11上开设第五通孔，以供测温光纤24引出。

[0044] 本发明对温度传感器的类型和位置不做限定。温度传感器例如可以接触非线性元件12，也可以与非线性元件12之间由其他结构隔开。即可以直接测量非线性元件12的温度，也可以间接测量非线性元件12的温度。优选温度传感器通过绝缘筒11侧壁开孔与非线性元件12外周面接触并相对绝缘筒11固定设置。这样温度数据直接、有效，尽可能减少受到的干扰。在其他的实施例中，温度传感器与绝缘筒11之间存在设定间隔。

[0045] 在进一步优选的实施例中，还包括电流传感器29，安装于绝缘筒11外部，第二引线27从电流传感器29的中心窗口穿过，用于检测多个非线性元件12流过的电流，且也能够与所述总控制器23通信连接。电流传感器引线28将电流传感器29连接至总控制器23，当电流传感器29检测到电流大于设定电流阈值时，总控制器23断开断路器、隔离手车等断路结构。

[0046] 图2所示总控制器23中还集成了人机交互的显示屏和按钮。

[0047] 绝缘筒11的材料例如为真空浇筑的环氧树脂，介电强度高、机械性能好、吸水率低、耐老化稳定性较佳。

[0048] 可选地，参考图2中绝缘芯管13左侧的部分，绝缘筒11上开设第一通孔，第一电极7的外周面上开设第一凹槽，第一凹槽的开口指向第一通孔；过电压保护组件还包括由导体制作的第一出线座8，第一出线座8呈凸台状，第一出线座8的底部抵靠在绝缘筒11的外周面上，第一出线座8的顶部经第一通孔插入第一凹槽并与第一电极7导电接触。

[0049] 具体地，该实施例中第一凹槽延伸至第一电极7背对非线性元件12一侧的表面，由第一支架4封堵第一凹槽在第一电极7背对非线性元件12一侧表面上的开口。第一螺栓2穿过第一支架4和第一出线座8，对第一支架4、第一出线座8和第一电极7沿绝缘筒11的轴向进行紧固。

[0050] 在其他的实施例中，第一凹槽仅在第一电极7的外周面上形成开口。

[0051] 具体地，该实施例中，第一电极7呈环形平板状。

[0052] 具体地，该实施例中，第一出线座8背对第一电极7的表面上开槽，第二螺栓9穿过第一引线6并插入第一出线座8背对第一电极7的表面上的槽内，从而沿绝缘筒11的径向对第一出线座8和绝缘筒11进行紧固。

[0053] 在其他的实施例中，第一引线6也可以是以焊接或者插销连接的方式固定在第一出线座8上。第一引线6用于连接被保护设备。

[0054] 可选地，参考图2中绝缘芯管13右侧的部分，绝缘筒11的内周面上开设第二凹槽，第一电极7的外周面上开设第三凹槽，第二凹槽的开口与第三凹槽的开口彼此相对，第三凹槽延伸至第一电极7背对非线性元件12的表面；过电压保护组件还包括固定块3、第一螺栓2和环形的第一支架4，第一支架4环绕绝缘芯管13且位于第一电极7背对非线性元件12一侧，固定块3呈凸台状，固定块3的底部插入第二凹槽，固定块3的顶部插入第三凹槽，第一螺栓2用于紧固第一支架4、固定块3和第一电极7。

[0055] 组装时，首先放入固定块3，再分别放入第一电极7和第一支架4，再将第一螺栓2固定。如此设计，便于固定块3、第一电极7和第一支架4的组装。

[0056] 以上第一支架4为良好导体。绝缘密封树脂5包裹第一支架4外露的表面，从而实现对第一电极7的包裹。

[0057] 可选地，参考图3中的绝缘芯管13左侧的部分，绝缘筒11上开设第二通孔，第二电极15的外周面上开设第四凹槽，第四凹槽的开口指向第二通孔；过电压保护组件还包括由导体制作的第二出线座18，第二出线座18呈凸台状，第二出线座18的底部抵靠在绝缘筒11的外周面上，第二出线座18的顶部经第二通孔插入第四凹槽并与第二电极15导电接触。

[0058] 具体地，由第一塞结构17(例如是螺栓)穿过第二出线座18并插入第四凹槽内，对第二出线座18沿绝缘筒11的径向进行紧固。该实施例中，第二出线座18作为备用元件，并未启动。第一塞结构17脱离第二出线座18，可以采用绝缘罩(未示出)或者绝缘密封树脂(未示出)包裹第二出线座18，以使第二出线座18与过电压保护组件的外部隔绝。

[0059] 可选地，参考图3中的绝缘芯管13右侧的部分，绝缘筒11上开设第三通孔，第二电极15的外周面上开设第五凹槽，第五凹槽的开口指向第三通孔；过电压保护组件还包括由导体制成的第二塞结构，第二塞结构通过第三通孔插入第五凹槽，第二塞结构与第二电极15导电接触。

[0060] 该第二塞结构为良好导体，用于将电流引出至绝缘筒11外部。

[0061] 优选地，过电压发生时，第二塞结构的电阻小于单个非线性元件12的电阻。

[0062] 具体地，第四螺栓25和旋塞26构成第二塞结构。将第四螺栓25经第三通孔插入第五凹槽，第四螺栓25底部开设螺纹槽，再将旋塞26穿过第二引出线后插入该螺栓底部的螺纹槽内。如此，实现了对第二电极15沿绝缘筒11径向的紧固，并将电流引出至绝缘筒11外。

[0063] 在其他的实施例中，第二引出线焊接或插接在该第二塞结构上。

[0064] 在另外的一些实施例中，第一电极7和第二电极15从绝缘筒11的两端开口处将电流引入和引出。

[0065] 可选地，参考图3，过电压保护组件还包括绝缘安装板21，绝缘筒11的第二端固定在绝缘安装板21的第一平面表面上，散热风机19固定在绝缘安装板21的第二平面表面上，绝缘安装板21上开设第四通孔，第四通孔与绝缘筒11的内部空间相通。

[0066] 具体地，第三螺栓20依次穿过绝缘安装板21和绝缘筒11的第二端面。另外的第五螺栓31依次穿过散热风机19的机壳和绝缘安装板21，从而实现散热风机19的安装。

[0067] 具体地，由第六螺栓32将绝缘安装板21固定在安装地脚22上。

[0068] 可选地，参考图2，还包括盖合在绝缘筒11的第一端处的防尘盖1，防尘盖1上开设通气孔。该实施例中通气孔开设在防尘盖1的侧面四周上，减少灰尘进入绝缘筒11的量。

[0069] 可选地，还包括硅橡胶10，填充绝缘筒11与非线性元件12之间的缝隙和非线性元件12与绝缘芯管13之间的缝隙；绝缘密封树脂5包裹第一电极7和第二电极15。

[0070] 为了使每片非线性元件12顺利套入绝缘芯管13，非线性元件12的中心孔会与绝缘芯管13之间产生一定的缝隙；组配好之后也需要在非线性元件12外面顺利套入绝缘筒11，非线性元件12的组配整体与绝缘筒11内周面之间也要产生一定的缝隙。需要硅橡胶10灌装，待固化后，填满这些缝隙。在第一支架4上方的整个表面、第二电极15下方的整个表面与绝缘筒11内腔壁之间，用绝缘密封树脂5灌装。

[0071] 绝缘密封树脂5固化后不会再流动，形成一个牢固的保护层使得整体结构更稳定。

[0072] 绝缘密封树脂5还起到电气绝缘作用，确保电气设备和电路的正常运行，在高电压环境下，能承受较大的电场强度而不被击穿，保证设备的安全性。

[0073] 绝缘密封树脂5还起到密封作用，阻止水分和潮气进入被密封的部件内部，提高过电压保护组件的可靠性。

[0074] 绝缘密封树脂5还起到热保护作用，具有一定的导热性能，能够帮助热量从非线性元件12传导到外部，排热迅速，更有效地进行空气散热，防止热崩溃。

[0075] 硅橡胶10材料流动性好，可以有效填满缝隙，起到防水、防尘密封的作用，保护内部电路不受外界环境影响。硅橡胶10具有非常出色的柔韧性和弹性。它可以在较大的范围内弯曲、拉伸和扭曲而不会破裂或损坏。硅橡胶10能够在复杂形状的、不规则表面的、狭小缝隙的情况起到良好的密封作用；硅橡胶10具有良好的绝缘性能，防止出现短路和漏电。

[0076] 硅橡胶10耐高温性，能在较宽的温度范围内保持性能稳定，使用硅橡胶绝缘材料可以确保在高温环境下正常工作。

[0077] 由于散热风机19是低压设备，非线性元件12工作在高压状态，二者应保持合理的绝缘距离。可选地，绝缘芯管13与散热风机19之间的距离由使用环境的电压等级决定。一般地，电压等级越高，所需的绝缘距离就越大。

[0078] 图1所示过电压保护组件的组装过程如下。先将绝缘芯管13固定于第二电极15的中心孔内；再将组配好的非线性元件12依次套入绝缘芯管13上，最后套入第一电极7并将其压紧、固定；再在非线性元件12外面套以绝缘筒11，用第一塞结构17穿入第二出线座18并和第四螺栓25一同固定第二电极15，用固定块3和第一出线座8固定第一电极7和非线性元件12；灌封硅橡胶10，并固定好温度传感器和测温光纤24，待硅橡胶10固化后用第一螺栓2(具体为内六角螺栓)固定第一支架4、固定块3和第一出线座8；使用固定螺钉16将第一出线座8和第二出线座18固定牢固，用第三螺栓20将绝缘筒11安装于绝缘安装板21上；在第二电极
15整个表面与绝缘筒11内腔壁之间，以及第一支架4和第一螺栓2整个表面灌封绝缘密封树脂5并完成固化；将防尘盖1盖合在绝缘筒11的第一端处；装好散热风机19、再用第六螺栓32固定安装地脚22；第二螺栓9穿过第一引线6插入第一出线座8并固定；由旋塞26处引出第二引线27并套入电流传感器29后，将第二引线27的末端使用安装螺栓30接于公共接地母线35上。电流传感器引线28将电流传感器29连接至总控制器23。

[0079] 基于相同的发明构思，参考图4至图6并结合图1至图3，本发明的实施例还提供一种过电压保护系统，包括总控制器23和上述的过电压保护组件，总控制器23与温度传感器和散热风机19通信连接(具体连接散热风机19的风机控制器)，总控制器23配置为在非线性元件12的温度大于第一温度阈值时启动散热风机19，低于第一阈值时散热风机一直处于停机状态。

[0080] 参考图5，使用时，第一电极7连接至被保护设备的第一端(例如是连接至电源母线34)，第二电极15连接至被保护设备的第二端(例如是连接至公共接地母线35)。过电压保护组件的数量可以是一个或多个，多个过电压保护组件之间可以是并联和/或串联的连接关系。

[0081] 可选地，参考图6，过电压保护系统还包括断路器33，断路器33连接在第一电极7与被保护设备的第一端之间或者断路器33连接在第二电极15与被保护设备的第二端之间，总控制器23配置为在非线性元件12的温度大于第二温度阈值时断开断路器33，第二温度阈值大于第一温度阈值。

[0082] 断路器33也可替换为隔离手车等断路结构。

[0083] 当非线性元件12温度过高时总控制器23自动切断非线性元件12与电源母线34之间的连接。

[0084] 本发明的实施例中，参考图3、图4、图5和图6，在过电压保护组件的电路通路上还设置电流传感器29，总控制器23还可以在电流超限的情况下控制断路器33断开连接。

[0085] 本发明的过电压保护系统适用于处理系统内部过电压也适用于雷击等外部过电压这两种过电压场景。

[0086] 本发明中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

[0087] 本发明的保护范围不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。