CN110783906A

CN110783906A - 浪涌保护装置、电路、模块以及包括所述浪涌保护装置、电路、模块的系统

Info

Publication number: CN110783906A
Application number: CN201910677134.XA
Authority: CN
Inventors: T.措维利斯; R.罗斯曼; E.贝利奇; S.卡门塞克
Original assignee: Ripd Intellectual Property Development Co Ltd
Current assignee: Ripd Intellectual Property Development Co Ltd
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2020-02-11
Also published as: US11223200B2; US20200036185A1; EP3599621A1

Abstract

一种浪涌保护装置（SPD）包括第一电端子、第二电端子和连接在第一和第二电端子之间的过电压保护电路。过电压保护电路包括气体放电管和串联连接到气体放电管的电流管理电路。电流管理电路包括在电流管理电路的第一节点和电流管理电路的第二节点之间并联连接的压敏电阻和电阻器。

Description

浪涌保护装置、电路、模块以及包括所述浪涌保护装置、电路、模块的系统

技术领域

本发明涉及浪涌保护装置，且更特别地，涉及包括压敏电阻的浪涌保护装置。

背景技术

经常，过高的电压或电流被施加到向住宅以及商用和机构设施输送电力的供线两端。这种过高的电压或电流尖峰（瞬态过电压和浪涌电流）可以例如由雷击造成。在电讯分配中心、医院和其他设施中上述事件可能特别值得关注，其中由过电压和/或电流浪涌导致的设备损坏是不可接受的，并且所造成的停机时间可能造成重大损失。

通常，可以使用浪涌保护装置（SPD）保护敏感电子设备免受瞬态过电压和浪涌电流的影响。例如，过电压保护装置可安装在要保护的设备的电力输入处，过电压保护装置通常在设备失效时保护设备免受过电流的损害。SPD的典型失效模式是短路。通常采用的过电流保护是内部热断开器和外部熔断器的组合，内部热断开器用于保护装置免受由于增加的泄漏电流引起的过热的损害，外部熔断器用于保护装置免受更高的故障电流的损害。不同的SPD技术可避免使用内部热断开器，因为在失效的情况下，这些技术将其操作模式改变成低欧姆电阻。

在线L（例如，三相电力电路的电压线）中的浪涌电流的情况下，保护电力系统负载装置可能需要为浪涌电流的过剩电流提供到接地的电流路径。浪涌电流可在线L和中性线N（中性线N可以传导地联接到地面接地PE）之间产生瞬态过电压。因为瞬态过电压显著地超过SPD的操作电压，所以SPD将变，从而允许过剩电流从线L通过SPD流到中性线N。一旦浪涌电流已经被传导到中性线N，过电压条件就终止，并且SPD可以再次变得不导电。然而，在一些情况下，一个或多个SPD可甚至在低于SPD的操作电压的电压下开始允许传导泄漏电流。在SPD劣化的情况下，可以发生这种条件。

发明内容

根据本发明构思的一些实施例，浪涌保护装置（SPD）包括第一电端子、第二电端子以及连接在第一和第二电端子之间的过电压保护电路。过电压保护电路包括气体放电管和串联连接到气体放电管的电流管理电路。电流管理电路包括在电流管理电路的第一节点和电流管理电路的第二节点之间并联连接的压敏电阻和电阻器。

在一些实施例中，电流管理电路还包括在电流管理电路的第一和第二节点之间与电阻器串联连接的电感器。

在一些实施例中，电感器包括表面安装器件（SMD）电感器。

在一些实施例中，电感器具有在从大约1 µH到大约1 mH的范围内的电感。

在一些实施例中，过电压保护电路还包括热断开器机构，其串联连接到气体放电管和电流管理电路。热断开器机构配置成响应于热事件而使第一电端子从第二电端子电断开。

在一些实施例中，电阻器包括轴向电阻器并且具有在从大约1 kΩ到50 MΩ的范围内的电阻。

在一些实施例中，电阻器包括径向电阻器并且具有在从大约1 kΩ到50 MΩ的范围内的电阻。

在一些实施例中，电阻器包括表面安装器件（SMD）电阻器并且具有在从大约1 kΩ到50 MΩ的范围内的电阻。

在一些实施例中，压敏电阻具有大约20kA的峰值电流额定值和大约300V的峰值电压额定值。

在一些实施例中，气体放电管具有在100V/s的电压上升处的大约500V的DC火花放电电压额定值，以及大约20kA的放电电流额定值。

在一些实施例中，压敏电阻具有与其关联的钳位电压电平，钳位电压电平超过与第一电端子关联的周围电压电平。

在一些实施例中，电流管理电路配置成有助于：响应于与第一电端子关联的瞬态过电压事件，通过使气体放电管两端的电压超过与气体放电管关联的火花放电电压而使气体放电管从不导电状态转变到导电状态。

在一些实施例中，电流管理电路配置成有助于响应于瞬态过电压事件的终止，通过由使气体放电管两端的电压小于与气体放电管关联的电弧电压而耗散关联的能量，而使气体放电管从导电状态转变到不导电状态。

在一些实施例中，第一电端子配置成用于连接到线，并且第二电端子配置成用于连接到公共参考电压。

在一些实施例中，所述线是交流电（AC）或直流电（DC）电力线。

在一些实施例中，所述线是配置成传输通信信号的通信线。

在一些实施例中，所述通信信号是RF通信信号。

在一些实施例中，SPD包括第二气体放电管，其在电流管理电路和第一电端子之间与第一气体放电管并联连接。

在一些实施例中，SPD包括基座和SPD模块。基座配置成安装在DIN轨道上。SPD模块配置成可移除地安装在基座上。当SPD模块被安装在基座上时，SPD模块和基座一起形成DIN轨道SPD组件。SPD模块包括：模块壳体；安装在模块壳体上的第一和第二电端子；设置在模块壳体中的气体放电管；以及设置在模块壳体中的电流管理电路。

在一些实施例中，SPD模块包括定位在就绪配置中的热断开器机构，其中，压敏电阻与第二电端子电连接。热断开器机构可重新定位以使压敏电阻从第二电端子电断开。热断开器机构包括：电连接到处于就绪配置中的压敏电阻的电极；以及，将电导体固定成与处于就绪配置中的压敏电阻的电连接的焊料。该焊料可响应于SPD模块中的过热而熔化。热断开器机构配置成使电导体从压敏电阻电断开，并且由此使压敏电阻在焊料熔化时从第二电端子断开。

根据一些实施例，SPD模块包括指示器机构，其配置成在热断开器机构使过电压钳位元件从第二电端子断开时提供SPD模块已经失效的警报。

在一些实施例中，指示器机构包括：本地警报机构，其包括：在模块壳体中的窗口；可在就绪位置和指示位置之间相对于窗口移动的指示器构件；以及指示器弹簧，其配置成在热断开器机构使压敏电阻从第二模块电端子断开时迫使指示器构件从就绪位置到达指示位置。

根据一些实施例，SPD是SPD模块，其包括：包括第一和第二电极的模块壳体，其中，第一电极包括第一电端子，并且第二电极包括第二电端子；以及气体放电管和压敏电阻，气体放电管和压敏电阻在模块壳体中轴向地堆叠在第一和第二电极之间。

在一些实施例中，第一电极包括壳体电极，其包括共同限定腔的端壁和一体的侧壁，第二电极延伸到腔中，并且气体放电管和压敏电阻被设置在腔中。

根据一些实施例，壳体电极由金属一体地形成。

在一些实施例中，SPD包括偏压装置，其向气体放电管和压敏电阻施加轴向压缩负载。

在一些实施例中，SPD包括导电的可熔化构件。可熔化构件响应于过电压保护装置中的热量而熔化，并且在第一和第二电极构件两端形成电短路路径。

在一些实施例中，压敏电阻包括压敏电阻片。

在一些实施例中，SPD包括：第一内部电极，其被轴向地夹设在压敏电阻片和第一电极之间；以及第二内部电极，其被轴向地夹设在压敏电阻片和第二电极之间；其中，电阻器电连接到在模块壳体中的第一和第二电极。

根据一些实施例，电阻器侧向定位在压敏电阻片的外边缘旁边。

在一些实施例中，电阻器轴向地定位在压敏电阻片下面。

在一些实施例中，电阻器配置成响应于第一和第二电端子两端的电压浪涌事件而释放压敏电阻的电容。

在一些实施例中，电阻器是安装在压敏电阻上的电阻材料层。

从阅读下文对优选实施例的附图和详细描述（这种描述仅仅是本发明的说明性描述），本领域技术人员将会了解本发明的另外的特征、优点和细节将。

附图说明

形成说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例。

图1和图2是根据本发明构思的一些实施例的用于SPD的过电压保护电路的电气示意图。

图3和图4是根据本发明构思的一些实施例的分别响应于瞬态过电压事件的GDT和压敏电阻的电压和电流曲线。

图5是根据本发明构思的一些实施例的包括图6的SPD组件的电路的电气示意图。

图6是根据本发明构思的一些实施例的安装在DIN轨道上的SPD组件的顶部前透视图。

图7和图8是根据本发明构思的一些实施例的形成图6的SPD组件的一部分的SPD模块的分解透视图。

图9是沿图6的线9-9截取的图7的SPD模块的横截面视图。

图10是图7的SPD模块的第一侧立面图，其中，SPD模块的盖被移除。

图11是其中盖被移除的图7的SPD模块的相对侧立面图，其图示了处于就绪配置中的SPD模块的热断开器机构。

图12是图7的SPD模块的前透视图，其中盖被移除。

图13是形成图6的SPD组件的一部分的基座组件的横截面视图。

图14是根据本发明构思的另外的实施例的且其中其盖被移除的用于图6的SPD组件中的SPD模块的片段后透视图。

图15是图14的SPD模块的放大的片段后透视图。

图16是根据本发明构思的另外的实施例的且其中其盖被移除的用于图6的SPD组件的SPD模块的片段透视图。

图17是根据本发明构思的另外的实施例的用在图5的电路的SPD模块中的透视图。

图18是图17的SPD模块的分解透视图。

图19是沿图17的线19-19截取的图17的SPD模块的横截面视图。

图20是图17的SPD模块的片段透视图，其图示了用于形成SPD模块的一部分的电阻器的附接件配置。

图21是根据本发明构思的另外的实施例的SPD模块的片段透视图，其图示了用于形成图17的SPD模块的一部分的电阻器的替代附接件配置。

图22是根据本发明构思的另外的实施例的且其中其盖被移除的用于图6的SPD组件的SPD模块的片段透视图。

图23是形成图22的SPD模块的部分的压敏电阻、金属化层和电阻层的透视图。

图24是沿图22的线24-24截取的图22的SPD模块的片段横截面视图。

图25是根据另外的实施例的过电压钳位元件子组件的透视图。

图26是图25的过电压钳位元件子组件的底部透视图。

图27是沿图25的线27-27截取的图25的过电压钳位元件子组件的片段横截面视图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的说明性实施例。在附图中，出于清楚的目的，可能夸大了区域或特征的相对大小。然而，本发明可以以许多不同的形式具体实施，并且不应当解释为受限于在本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的并将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。

将理解的是，当元件被称为被“联接”或“连接”到另一元件时，其可以直接联接或连接到另一个元件，或者还可以存在中间元件。相比而言，当元件被称为“直接联接”或“直接连接”到另一元件时，不存在中间元件。贯穿全文，相同的数字指的是相同的元件。

此外，空间相对术语，诸如“在……下”、“低于”、“下”、“在……上”、“上”等可以出于易于描述的目的而在本文中用于描述如在附图中所图示的一个元件或特征相对于其他（多个）元件或（多个）特征的关系。将理解的是，除了在附图中描绘的取向之外，空间相对术语意图涵盖装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果在附图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“在……下”或“在……下面”的元件将然后取向为在其他元件或特征“在……上”。因此，示例术语“在……下”可以涵盖在上和在下的两个取向。该装置可以以其他方式取向（旋转90度或处于其他取向），并且相应地解释在本文中使用的空间相对描述符。

为简洁和/或清楚起见，可能不详细地描述公知的功能或构造。

如在本文中所使用的，表达“和/或”包括关联列举的物品中的一个或多个的任何和所有组合。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不意图限制本发明。如本文中所使用的，除非在上下文中另外清楚指示，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”意图也包括复数形式。还将理解，术语“包括”和/或“包含”当用在该说明书中时规定所阐述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除存在或附加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其集合。

除非另外定义，否则本文中使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同的意思。还将理解的是，诸如在通用词典中定义的术语的术语应当解释为具有与其在相关领域的背景中的意思一致的意思，并且不会以理想化或过度形式化的意义解释，除非在本文中清楚地如此定义。

如在本文中使用的，“单块的（monolithic）”意思是单个一体的零件形成的或由不具有接合部或接缝的材料构成的物体。替代地，一体的物体可以是由在接合部或接缝处固定在一起的多个部分或部件构成的组合物。

气体放电管（GDT）和金属氧化物压敏电阻（MOV）可用在浪涌保护装置（SPD）中，但是GDT和MOV两者都在响应于过电压浪涌事件而将电流分流远离敏感电子部件方面具有优点和缺点。例如，MOV具有迅速响应于浪涌事件并且能够耗散与浪涌事件关联的电力的优点。但是MOV具有相对于GDT具有增加的电容并且甚至在周围条件中使泄漏电流从其通过的缺点。MOV相对于GDT还可具有降低的预期寿命。GDT可具有相对于MOV具有极低至无泄漏电流、最小电容和增加的预期寿命的优点。但是GDT不像MOV那样对浪涌事件敏感。此外，当GDT响应于浪涌事件而激发和转变成电弧区域时，如果与GDT连接的线上的周围电压超过电弧电压，则GDT可以保持在导电状态。本发明构思的一些实施例源于如下认识：SPD可包括过电压保护电路，过电压保护电路包括GDT和包括MOV的电流管理电路两者。GDT可以减轻与MOV关联的电流泄漏问题，这可延长MOV的工作寿命。包括MOV的电流管理电路可有助于响应于瞬态过电压事件而触发GDT，同时MOV为GDT的一个端子提供改进的能量耗散和电压钳位，以在瞬态过电压事件之后消除GDT持续电流并允许GDT重置到不导电状态。

参考图1，在其中示出了根据本发明构思的一些实施例的过电压保护电路600。过电压保护电路600可用在本文中所描述的SPD组件和模块的实施例中，SPD组件和模块诸如是根据本发明构思的一些实施例的图6-21的SPD 100、200、300、400和500。

过电压保护电路600包括在第一电端子L和第二电端子C之间串联联接的热断开器机构605、GDT 610和电流管理电路620。第一电端子L可以配置成用于连接到诸如图5的线L1、L2、L3和N的线或其他类型的物理电传输介质的电连接。根据本发明构思的各种实施例，电端子可以电连接到配置成承载交流电（AC）信号、直流电（DC）信号和/或通信信号的线。在一些实施例中，通信信号可以是射频（RF）通信信号。第二电端子C可配置成用于连接到诸如接地电压的公共参考电压源的电连接。

GDT是一种密封装置，其包含被截留在两个电极之间的气体混合物。气体混合物在被高电压尖峰电离之后变得导电。导致GDT从不导电的高阻抗状态转变到导电状态的该高压被称为GDT的火花放电电压。火花放电电压通常以电压随时间的上升率表示。例如，GDT可被额定成以便在100V/s的上升率下具有500V的DC火花放电电压。当GDT经历其端子两端的电压增加超过其火花放电电压时，GDT将从高阻抗状态转变到被称为辉光区域的状态。辉光区域指的是其中GDT中的气体开始电离并且流过GDT的电流开始增加的时间区域。在辉光区域期间，通过GDT的电流将继续增加，直到GDT转变成被称为电弧区域的虚短路为止。当处于弧光区域中时在GDT两端产生的电压被称为电弧电压并且通常小于100V。GDT花费相对长的时间来触发从高阻抗状态到电弧区域状态的转变，在电弧区域状态中其用作虚短路。因此，相对高的电压瞬变可不转移到接地或其他参考端子，并且可被传递到其他电路。在图3中示出了由S（t）表示的GDT响应于瞬态过电压事件的电压和电流曲线。如图3中所示，通过GDT的电流保持近似为零，直到在时间T_E处GDT两端的电压达到火花放电电压电平（其在该示例中是1000V）。GDT然后转变成电弧区域，在电弧区域中其作为虚短路使电流通过，并且具有50V的电弧电压。

诸如金属氧化物压敏电阻（MOV）的压敏电阻在处于通常非导电状态中时仍然传导由二极管结的反向泄漏导致的相对小量的电流。该泄漏电流可能产生足够量的热量，使用诸如热断开机构605的装置以以降低损坏过电压保护电路600的部件的风险。当瞬态过电压事件发生时，压敏电阻将几乎不传导电流，直到达到钳位电压电平为止，在该点处，压敏电阻将用作虚短路。通常，钳位电压相对地高（例如，几百伏），使得当压敏电阻由于瞬态过电压事件而使高电流通过时，可以耗散相对大量的电力。在图4中示出了由S（t）表示的用于压敏电阻响应于瞬态过电压事件的电压和电流曲线。如在图4中所示，压敏电阻在时刻T_V处将电压钳位在500V处，同时用作虚短路以允许电流响应于过电压事件S（t）而浪涌通过装置。一旦过电压事件S（t）下降到低于钳位电压电平，压敏电阻两端产生的电压就下降到低于钳位电压电平。与GDT相比，压敏电阻具有从高阻抗状态到虚短路状态的相对短的转变时间，该转变时间对应于用于使压敏电阻两端产生的电压达到钳位电压电平所花费的时间。

返回到图1，如果在没有电流管理电路620的情况下使用GDT 610，则GDT 610可能花费相对长的时间段以转变到电弧区域，在电弧区域中其用作虚短路。相反，如果GDT 610和电流管理电路620被更换为压敏电阻，则压敏电阻的寿命可能缩短，因为其可能响应于承载在第一电端子L上的周围电信号而承载更多的泄漏电流。此外，压敏电阻的电容通常随着压敏电阻的电流承载能力而增加。相对于压敏电阻，GDT具有相对低的电容。因此，对于更高频率的应用（诸如射频（RF）应用等），相对于压敏电阻，GDT可以在SPD装置中提供改进的性能。但是压敏电阻的反应时间通常非常快，通常在纳秒范围内，而GDT通常允许更多的能量在被超过的火花放电电压跳闸之前在更长的时间段内（例如，几分之一微秒）通过（即，在没有转移的情况下通过主线）。图1的过电压保护电路600可以提供与GDT和压敏电阻两者关联的操作益处。

热断开器机构605可以配置成响应于可能导致可以并入过电压保护电路600的SPD的GDT 610和/或SPD的电流管理电路620或其他部件的损坏的温度增加而使GDT 610和电流管理电路620从第一电端子L断开。在下文中分别参照图11和图19描述示例热响应机构151和432。

电流管理电路620包括并联联接的压敏电阻625和电阻器R1。

在第一电端子L上的周围条件期间，GDT 610传导非常小的电流，由此减小通过压敏电阻625的泄漏电流。因此，可减少在包含过电压保护电路600的SPD中产生的热量，可减少热断开器机构605被激活以使GDT 610和电流管理电路620从第一电端子断开的可能性，并且可增加压敏电阻625的寿命。

压敏电阻625将电流管理电路620的节点两端的电压钳位到钳位电压。压敏电阻625可配置成具有超过第一电端子L上的周围电压电平的钳位电压。这允许压敏电阻625和电阻器R1消除通过GDT 610接收的持续电流，并且允许GDT 610转变出弧光区域并重置回到非导电状态中。例如，如果GDT 610的电弧电压是50V并且周围线电压是120V，则在没有压敏电阻625的情况下，当在瞬态过电压事件已经终止之后在第一电端子上的信号处于周围状态中时，GDT 610将保持在弧光区域中并继续转移电流。压敏电阻625将GDT 610的底部端子钳位到例如500V的钳位电压电平，该钳位电压电平从瞬态过电压事件起在压敏电阻625两端产生。当瞬态过电压事件过去且周围线电压在第一电端子L处返回到120V时，GDT 610将具有在其端子两端所产生的-331V_最大，从而终止通过GDT 610的持续电流，并且使GDT 610重置回到不导电状态。GDT 610两端的该电压在不存在电阻器R1的情况下将处于-670V_最大的电平处的周围电压的负周期，并且在存在电阻器R1的情况下将最高达170V_最大，因为电阻器R1释放压敏电阻625的电容。如上面所描述的，压敏电阻的特征可以在于，具有比GDT更大的电容。一旦瞬态过电压事件已经终止，电阻器R1就可以释放与压敏电阻625的电容关联的电荷。

现在参考图2，根据本发明构思的一些实施例的过电压保护电路700包括在第一电端子L和第二电端子C之间串联联接的热断开器机构705、GDT 710和电流管理电路720。热断开器机构705、GDT 710、电流管理电路720、第一电端子L和第二电端子C可以以与在上文中参照图1描述的它们的相应的对应元件类似的方式操作。电流管理电路720与电流管理电路620的不同在于，电感器L1被包括在内并与电阻器R1串联。因为电感器倾向于抵抗电流的变化，所以电感器L1允许通过电阻器的电流基于由R1xL1给定的时间常数随时间增加。因此，电感器L1可保护电阻器R1免受由于电连接到第一电端子L的线上的瞬态过电压事件引起的高电流浪涌的危害。

根据本发明构思的各种实施例，图1和图2中的电阻器R1可以具体实施为轴向电阻器、径向电阻器、表面安装器件（SMD）电阻器和/或其组合。

在一些实施例中，电感器L1具有在从大约1 µH到大约1 mH的范围内的电感。电感器L1可以具体实施为分立的装置和/或具体为SMD装置。

在一些实施例中，图1的压敏电阻625和图2的压敏电阻725具有大约20kA的峰值电流额定值、大约300V的峰值电压额定值和大约1500V的钳位电压。根据本发明构思的各种实施例，压敏电阻625和压敏电阻725可以具体实施为如下文描述的压敏电阻132和452。压敏电阻625和725中的每一个可以具体实施为串联或并联连接的一个或多个压敏电阻。

在一些实施例中，电阻器R1具有在从大约1 kΩ到50 MΩ的范围内的电阻，并且在一些实施例中，大约1 MΩ的电阻。

在一些实施例中，图1的GDT 610和图2的GDT 710具有处于大约5k V/µs的上升率的大约1400V的脉冲火花放电电压额定值和大约20kA的放电电流额定值。GDT 610和GDT710可具体实施为如根据本发明构思的各种实施例描述的GDT 140和440。GDT 610和710中的每一个可具体实施为串联或并联连接的一个或多个压敏电阻。

如下文中根据本发明构思的各种实施例描述的图1和图2的电阻器R1可具体实施为电阻器180、280、480和580。图2的电感器L1可具体实施为根据本发明构思的各种实施例在下文描述的电感器386。

因此，本发明构思的实施例可提供一种SPD，其包括过电压保护电路和电流管理电路，过电压保护电路包括GDT，电流管理电路包括压敏电阻。GDT可以减轻与压敏电阻关联的电流泄漏问题，这可延长压敏电阻的工作寿命。包括压敏电阻的电流管理电路可有助于响应于瞬态过电压事件而触发GDT，同时压敏电阻为GDT的一个端子提供改进的能量耗散和电压钳位以在瞬态过电压事件之后消除GDT持续电流并允许GDT重置到不导电状态。

参考图6-13，在其中示出了根据本发明的实施例的瞬态电压浪涌抑制（TVSS）或浪涌保护装置（SPD）组件101和SPD系统103。SPD组件101和系统103包括SPD模块100和基架或基座50。SPD模块100可塞入到基座50中。

SPD模块100包括图1的电过电压保护电路600。SPD模块100还可被修改以进一步包括对应于电感器L1的电感器，使得经修改的SPD模块100包括图2的过电压保护电路700。

根据一些实施例并且如图所示，SPD组件101被配置成、大小被设置成并形成为用于安装在支撑轨道92（例如，在图6中示出的DIN（德国标准化学会）轨道92）上并且符合对应的适用DIN要求或标准。DIN轨道92可以固定（例如，通过螺钉99或其他紧固件）到诸如壁W（例如供电设施柜的后壁）的合适的支撑结构。基座50可以可移除地安装在DIN轨道92上。可塞入浪涌保护装置（SPD）模块100进而可以可移除地安装在基座50上。

在一些实施例中，SPD组件101的最大尺寸符合如下DIN（德国标准化学会）标准中的至少一个：DIN 43 880（1988年十二月）。在一些实施例中，组件101的最大尺寸符合这些标准中的每一个。

根据一些实施例并且如图所示，轨道92是DIN轨道。也就是说，轨道92是一种轨道，其大小设置成并且配置成满足用于安装模块化电设备的轨道的DIN规范。

DIN轨道92具有后壁93和一体的纵向凸缘95，纵向凸缘95从后壁93向外延伸。每个凸缘95包括向前延伸的壁95A和向外延伸的壁95B。壁93、95一起形成纵向延伸的前部中央通道94和相对的纵向延伸的后边缘通道96。可以提供安装孔，安装孔完全延伸穿过壁93并用于接收紧固件99（例如，螺纹紧固件或铆钉）以用于将轨道92固定到支撑结构（例如，壁或面板）。DIN轨道92限定DIN轨道平面E-F，并且具有在平面E-F中延伸的纵向轴线F1-F1。该类型的DIN轨道可以被称为“顶帽”支撑轨道。

根据一些实施例，轨道92是35 mm（宽度）的DIN轨道。根据一些实施例，轨道92由金属和/或复合材料或塑料材料形成。

组件100具有DIN轨道装置组件轴线A-A（图6），组件轴线A-A横向于DIN轨道92的轴线F1-F1延伸，并且在一些实施例中基本上垂直于DIN轨道92的轴线F1-F1延伸。在一些实施例中，DIN轨道安装组件轴线A-A横向于DIN轨道92的平面E-F延伸，并且在一些实施例中基本上正交于平面E-F延伸。如在本文中使用的，“前”或“远侧”指的是当组件101安装在DIN轨道92上时，更远离DIN轨道92的一端，且“后”或“近侧”指的是更接近DIN轨道92的一端。

基座80（图6和图13）包括壳体82。壳体82包括后区段83A、上腿部或区段83B和下腿部或区段83C。壳体82限定围封的腔。根据一些实施例，壳体82由电绝缘聚合物材料形成。壳体82可由任何合适的一种或多种材料形成。在一些实施例中，壳体82由刚性聚合物材料或金属（例如，铝）形成。合适的聚合物材料可包括例如聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）、聚苯硫醚（PPS）、或ABS。

DIN轨道接收器通道82F被限定在后区段83A的后侧中。一体的轨道钩特征部82H定位在通道82F的一侧，并且弹簧加载的DIN轨道闩锁机构82G安装在通道82F的另一侧上。如在本领域中已知的，特征部和部件82F、82G、82H大小设置成且配置成将基座80牢固且可释放地安装在标准DIN轨道92上。

接收器槽83D被区段83A-C限定在基座80的前侧中。接收器槽83D具有前开口并且在任一侧上敞开。接收器槽83D沿着轴线A-A从开口轴向地延伸并且由后区段83A的前侧终止。

上和下区段83B、83C中的每一个中安装有基座端子电连接器组件84、86。每个连接器组件84、86包括电缆夹持连接器85A和端子接触连接器插口85B。电缆端口82C被限定在上和下区段83B、83C中的每一个中，以将电缆CL、CP的末端接收到对应电缆夹持连接器85A中。在每个区段83B、83C中提供起子端口82I以接收起子，以便操作关联的电缆夹持连接器85A的螺纹构件（例如，螺钉）85D。

上和下接触开口82E被限定在后区段83A的前侧或壁中。

开关88设置在壳体82中。开关88包括弹簧加载的远程控制销88A，其从后区段83A的前侧向前突出。开关88还包括开关电子器件，其安装在PCB上并连接到控制销88A和输出电连接器。

如下文中更详细讨论的，SPD模块100包括壳体110、设置在壳体110中的过电压钳位元件子组件130、一体的热断开器机构151、一体的指示器机构170（包括本地警报机构107和远程警报机构108）、第一自动防故障机构102和第二自动防故障机构104。SPD模块100还包括灌封P（仅在图9中示出）、第一电接触构件166和第二电接触构件168。

壳体110包括共同形成壳体110的内壳体构件或框架114和外壳体体构件或盖112。壳体110限定内腔室或腔。

前指示器开口或窗口112B提供在盖112的前壁上。如在下文中讨论的，指示器窗口112B可用于在视觉上指示模块100的状态的变化。

框架114包括间隔壁116A，其将壳体110的腔分离成相对的腔118A和118B。电导体或电极槽120被限定在间隔壁116A中并连接这些腔。

壳体构件112、114可由任何合适的一种或多种材料形成。在一些实施例中，壳体构件112、114中的每一个由刚性聚合物材料形成。合适的聚合物材料可包括例如聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）、聚苯硫醚（PPS）、或ABS。

在一些实施例中并且如图所示，过电压钳位元件子组件130包括压敏电阻132、第一电极134（在本文中也称为“接地电极”）、第二电极136（在本文中也称为“断开电极”）、两个气体放电管（GDT）140、GDT电极或接触板142和电阻器180。

压敏电阻132具有相对的接触表面132A、132B。金属化层133可覆盖接触表面132A、132B。

每个压敏电阻132的厚度及其接触表面132A、132B的直径将取决于针对特定应用所期望的压敏电阻特征。在一些实施例中，压敏电阻132具有至少为2的宽度W1（图10）与厚度T1（图9）比。在一些实施例中，压敏电阻132的厚度T1在从大约0.75到15 mm的范围内。

压敏电阻132的压敏电阻材料可以是传统上用于压敏电阻的任何合适材料，即，随着施加的电压表现出非线性电阻特征的材料。在一些实施例中，压敏电阻132是金属氧化物压敏电阻（MOV）。在一些实施例中，当超过规定的电压时，电阻变得非常低。压敏电阻材料可以例如是掺杂的金属氧化物或碳化硅。合适的金属氧化物包括氧化锌复合物。

第一或接地电极134包括周边部分134A、交叉或支架腿部134B、一体的端子凸出部134C以及一体的电阻器连接凸出部134D。部分134A和134B共同形成接触部分。接地电极134是导电的。在一些实施例中，接地电极134由金属形成。合适的金属可包括镍黄铜或诸如CuSn6或Cu-ETP的铜合金。在一些实施例中，接地电极134是一体的（复合的或单块的），并且在一些实施例中，接地电极134是单块的。

第二或断开电极136包括周边部分136A和端子凸出部137。部分136A形成接触部分，并且端子凸出部137形成延伸部分。

端子凸出部137具有限定凸出部平面的基本上平面的接触表面137A。在一些实施例中，凸出部平面横向于由接触表面132B限定的平面，并且在一些实施例中基本上正交于由接触表面132B限定的平面。

断开电极136是导电的。在一些实施例中，断开电极136由金属形成。合适的金属可包括镍黄铜或诸如CuSn6或Cu-ETP的铜合金。在一些实施例中，断开电极136是一体的（复合的或单块的），并且在一些实施例中，断开电极136是单块的。

电阻器180对应于图1或图2的电阻器R1。电阻器180可以是通孔电阻器，其包括电阻器主体182和相对的引线184A、184B。电阻器180可以是如在图8中所示的轴向引线电阻器，或具有另一配置（例如，径向引线电阻器）。

电阻器引线184A机械地且电连接到凸出部134D。电阻器引线184B机械地且电连接到接触表面132B的金属化层133。在一些实施例中，引线184A和184B被钎焊到凸出部134D和表面132B的金属化层133。

用于电阻器180的合适的通孔电阻器可包括可从美国的威世集团得到的额定为1MΩ的金属膜电阻器类型HVR3700001004JR500。

接地电极134和断开电极136被安装在压敏电阻132的外表面132A和132B上。更特别地，接地电极134通过焊料结合到接触表面132A的金属化层133，并且断开电极136通过焊料结合到接触表面132B的金属化层133，使得电极134和136分别电连接到接触表面132A和132B。

端子凸出部137用作电导体，其侧向延伸通过框架114中的孔120。端子凸出部137的一区段侧向突出超出压敏电阻132的表面132B规定的侧向延伸距离。

过电压钳位元件子组件130包含在腔118A中，使得端子凸出部137延伸通过槽120并到腔118B中。腔118A中的其他未占据的空间填充有灌封P。

每个GDT 140包括主体140A以及在主体140A的相对端上的阳极端子140B和阴极端子140C。如在本领域中已知的，主体140A包含阳极、阴极和火花隙腔室。

在一些实施例中并且如图所示，每个GDT 140是圆柱形的。环形电绝缘体（例如，陶瓷）可在端子140B、140C之间包围主体140A。

在一些实施例中，主体140A包括密闭或气密密封的腔室或单元，其中包含所选择的气体。端子140B、140C电连接到气体（例如，通过与所包含的气体流体接触的相应的电极部分）。低于规定的火花放电电压，GDT 140在端子140B、140C之间电绝缘。当在端子140B、140C两端施加的电压超过规定的火花放电电压时，所包含的气体被电离以导致电流流过气体（通过汤森放电过程）并且由此在端子140B、140C之间流动。因此，取决于所施加的电压，GDT 140将选择性地电绝缘或导电。启动和维持导电（放电）所需的电压将取决于GDT 140的设计特性（例如，几何形状、气体压力和气体组合物）。

在一些实施例中，每个GDT 140具有至少与和GDT 140串联使用（组合）的MOV压敏电阻片132的浪涌电流和能量承受能力一样大的浪涌电流和能量承受能力。

合适的GDT可包括I类和II类GDT。合适的GDT可被额定在从5kA到100kA的脉冲电流处，以及从60 V到1200 V的最大连续操作电压处。合适的GDT可包括可从日本的TDK-EPC公司得到的额定在500V处的浪涌避雷器类型A80-A500XTP的GDT。

接触板142是导电的。在一些实施例中，接触板142由金属形成。合适的金属可包括镍黄铜或诸如CuSn6或Cu-ETP的铜合金。

接触板142例如通过焊料机械地固定且电连接到接地电极134。每个GDT 140的阳极端子140B例如通过焊料机械地固定且电连接到接触板142。

第一电接触构件166（图7）包括基座166A和一体的U形模块端子连接器166B。每个GDT 140的阴极端子140C例如在接合部J1处（图12）通过钎焊或焊接机械地固定且电连接到基座166A。

GDT 140因此在压敏电阻132和接触构件166之间并联电连接。

当在制造期间形成接合部J1时，接地电极134和基座166A的相对位置可以调整或改变。例如，接触构件166相对于接地电极134的侧向位置可以调整并且然后被固定（例如，通过钎焊或焊接）以容纳不同厚度的压敏电阻132。该浮动接触或接合部可以允许使用相同的接地电极134来组装不同厚度的压敏电阻132。

接触构件166可由任何合适的一种或多种材料形成。在一些实施例中，接触构件166由金属形成。合适的金属材料可包括例如镍黄铜、CuSn 0.15、CuSN 6、CuP 0.008。在一些实施例中，接触构件166是一体的，并且在一些实施例中是单块的。

热断开器机构151包括断开弹簧150和焊料层159。

断开弹簧150包括悬臂式自由腿部。自由腿部包括下部分154A和上接触部分154B。接触部分154B包括面向端子凸出部137的内接触面。弱区域156位于下部分154A和接触部分154B之间的弹簧150中。弱区域156可包括限定在弹簧150的侧边缘中的凹口。因此，弹簧150在弱区域156处具有减小的横截面面积。

弹簧150可由任何合适的一种或多种导电材料形成。在一些实施例中，弹簧150由金属形成。合适的金属材料可包括例如CuSn 0.15合金（青铜）、镍黄铜、CuSn6、Cu-ETP、无氧铜。根据一些实施例，弹簧150在就绪位置（图11）中具有在从大约5 N到50 N的范围内的回复力。根据一些实施例，弹簧150具有至少14nΩ·m的导电率（在20℃处）。

第二电接触构件168（图7）包括一体的U形模块端子连接器168B。弹簧150固定到接触构件168（例如，通过铆钉）。接触构件168可由任何合适的一种或多种材料形成。在一些实施例中，接触构件168由金属形成。合适的金属材料可包括例如镍黄铜、CuSn 0.15、CuSN 6、CuP 0.008。在一些实施例中，接触构件168是一体的，并且在一些实施例中是单块的。

焊料159可由任何合适的一种或多种材料形成。在一些实施例中，焊料159由金属形成。合适的金属材料可包括例如58Bi42Sn。

根据一些实施例，选择焊料159使得其熔点大于规定的最大标准操作温度但小于或等于规定的断开温度。最大标准操作温度可以是在正常操作（包括在模块100的设计范围内处理过电压浪涌）期间焊料159中的预期最大温度。规定的断开温度是意图焊料159释放弹簧150以便致动第一自动防故障机构102的焊料159所处的温度。

根据一些实施例，焊料159具有在从大约109℃到160℃的范围内的熔点，并且在一些实施例中具有在从大约85℃到200℃的范围内的熔点。

指示器机构170包括摆臂172、指示器梭或构件174以及指示器弹簧176。指示器构件174可滑动地固定到框架116的轨道或前壁，以沿指示器轴线I-I滑动（图11）。

指示器弹簧176弹性地拉伸，使得其在摆臂172上施加持续的拉力。

当模块100组件处于如在图9-11中所示就绪配置中时，断开弹簧150弹性地弯曲、变形或偏转，使得其在焊料159上持续地施加沿释放方向DR拉离端子凸出部137的偏压负载。

在就绪配置中，摆臂172被断开弹簧150锁定在图11中示出的位置中。指示器弹簧176弹性地延伸或拉伸，使得其持续地施加沿枢转方向DP（即，朝向前壁116B）拉动摆臂172的偏压负载。指示器构件174由此被固定在就绪位置中，其中，指示器构件174的指示器表面不与窗口112B对准且通过窗口112B不可见。

由模块100形成的电路在图1和图2中分别示意性表示为过电压保护电路600和700。

可以根据本发明的方法按照如下使用系统101。

参考图5，图5中示出了可以在其中使用一个或多个SPD组件101的示例性电路15。SPD组件101可被安装在DIN轨道92（图6）上。所图示的电路15是使用“3+1”保护配置的三相系统。在所图示的电路15中，存在三个SPD组件101（分别表示为S1、S2、S3），每个SPD组件连接在相应的线L1、L2、L3和N（即，L-N）之间。附加的SPD模块SPE被连接在N和PE（即，N-PE）之间。SPD模块SPE可通过本地接地端子EBB（例如，等电位结合汇流条）连接到PE。SPD模块SPE还可是如本文中所述的SPD组件101。每条线L1、L2、L3可以提供有主断路器或熔断器FM以及外部断开器，诸如在线及其SPD组件S1、S2、S3之间的辅助熔断器FS。在其他实施例中，SPD组件S1、S2、S3、SPE中的一个或多个可以具有与如本文中公开的SPD组件101不同的构造。

将在下文中描述SPD组件S1的操作和线L1上的条件或瞬态过电压事件。然而，将了解的是，该描述同样适用于SPD组件S2、S3和线L2、L3。

在使用中，如在图6中所示，基座80被安装在DIN轨道92上。DIN轨道92被接收在通道82F中，并且通过钩82H和闩锁机构82G固定。

电缆CL、CP（在图6中以虚线示出）82C插入穿过电缆端口并固定在夹持连接器85A中。在一些实施例中，电缆CL连接到线L1，且电缆CP连接到保护接地（PE）。

然后，模块100沿着轴线A-A沿插入方向穿过前开口轴向地塞入或插入到接收器槽83D中。如在图6中所示，模块100被往回推到接收器槽83D中直到模块100的后端基本上接合后壳体区段83A的前侧为止。

模块100到槽83D中的插入导致端子166B和168B沿着插入轴线I-I插入到连接器组件84和86的插口85B中。

因为热断开器机构151处于其就绪位置中，所以指示器构件174被保持在缩回位置中（图11）。另外，当模块100插入到接收器槽83D中时，远程控制销88A由此被摆臂172的覆盖端口122的端部按下。由此，模块100通过被按下的远程控制销88A提供模块100已经被安放在基座80中并且模块100处于其就绪或操作（非失效）条件的反馈。

通过执行与前述程序相反的操作，可以从基座80释放和移除模块100。将模块100或其他合适配置的模块安装在基座80中和从基座80移除的前述步骤可以重复多次。例如，在模块100的压敏电阻132劣化或损坏或不再具有用于预期应用的适当规格的情况下，可以用新的或合适构造的模块更换模块100。

在压敏电阻132失效的情况下，故障电流将在对应线（例如，图5的线L1）和中性线N之间传导。如公知的，压敏电阻具有固有标称钳位电压VNOM（有时称为“击穿电压”或简称“压敏电阻电压”），在该电压处，压敏电阻开始传导电流。在VNOM以下，压敏电阻实际上将不传导电流。在VNOM以上，压敏电阻将传导电流（即，泄漏电流或浪涌电流）。压敏电阻的VNOM通常被规定为在1 mA的DC电流的情况下压敏电阻两端的所测量的电压。

如公知地，压敏电阻具有三种操作模式。在（上文中讨论的）第一正常模式中，直到名义电压，压敏电阻实际上是电绝缘体。在（同样在上文中讨论的）第二正常模式中，当压敏电阻经受过电压时，压敏电阻在过电压条件期间暂时且可逆地变成电导体，并且之后返回到第一模式。在第三模式（所谓的寿命终止模式）中，压敏电阻被有效地耗尽并且变成永久的非可逆的电导体。

压敏电阻还具有固有钳位电压VC（有时简称为“钳位电压”）。根据标准协议，钳位电压VC被定义为，当随时间向压敏电阻施加规定的电流时，压敏电阻两端的所测量的最大电压。

在没有过电压条件的情况下，压敏电阻132提供高电阻，使得近似没有电流流过模块100，如其在电方面表现为开路一样。也就是说，通常每个压敏电阻近似不传递电流。在过电流浪涌事件（通常是瞬态；例如，雷击）或超过VNOM的过电压条件或事件（与过电流浪涌事件相比，通常持续时间更长）的情况下，压敏电阻片的电阻迅速减小，从而允许电流流过模块100，以形成用于电流流动的分流路径，以便保护关联的电气系统的其他部件。通常，压敏电阻从这些事件恢复而模块100不会显著过热。

压敏电阻具有多种失效模式。失效模式包括：1）压敏电阻作为短路失效；以及2）压敏电阻作为线性电阻失效。压敏电阻到短路或到线性电阻的失效可由传导具有足够的大小和持续时间的单个或多个浪涌电流或由将驱动足够的电流通过压敏电阻的单个或多个连续的过电压事件导致。

短路失效通常表现为延伸通过压敏电阻的厚度的局部针孔或穿孔部位（在本文中，“失效部位”）。该失效部位在两个低电阻的电极之间形成用于电流流动的路径，但是该电阻足够高以产生欧姆损耗且甚至在低故障电流处导致装置过热。通过压敏电阻的足够大的故障电流可以熔化在失效部位区域中的压敏电阻，并且产生电弧。

压敏电阻作为线性电阻失效将导致有限的电流传导通过压敏电阻，这将导致热量的累积。该热量累积可能导致灾难性的热失控，并且装置温度可能超过规定的最大温度。例如，可通过代码或标准来设定用于装置的外表面的最大允许温度，以防止邻近部件燃烧。如果泄漏电流不在某些时间段处中断，则过热将最终导致压敏电阻到如上文中限定的短路的失效。

在一些情况下，通过失效的压敏电阻的电流也可受电力系统自身（例如，在系统中的接地电阻或在光伏（PV）电源应用中，其中，故障电流取决于系统在失效时刻处的发电能力）的限制，从而导致温度的逐渐累积，即使压敏电阻失效是短路。例如，由于因电力系统失效引起的时间延长的过电压条件，存在其中有限的泄漏电流流过压敏电阻的情况。另外，压敏电阻在低于阈值的电压处将表现出一些泄漏电流，在该阈值处，在压敏电阻变成基本上导电。这些条件可能导致装置中的温度累积，诸如当压敏电阻已经作为线性电阻失效，并且会可能导致压敏电阻如上文所描述地作为线性电阻失效抑或作为短路失效。

如上文所讨论的，在一些情况下，模块100可以呈现“寿命终止”模式，其中压敏电阻132全部或部分耗尽（即，处于“寿命终止”状态中），从而导致寿命终止失效。当压敏电阻达到其寿命终止时，模块100将基本上变成具有非常低但是非零欧姆电阻的短路。因此，在寿命终止条件下，甚至在没有过电压条件的情况下，故障电流也将连续流过压敏电阻。

取决于压敏电阻132的状态和外部事件条件，SPD组件101具有若干种操作模式。

在一些模式中，第一自动防故障机构102通过加热焊料159直到焊料熔化来操作，并且允许弹簧150的弹性弹簧负载导致接触部分154B拉离端子凸出部137并由此离开与电极136的电气连续性。压敏电阻132由此从接触构件168电断开，从而在端子166B、168B之间形成开路。

在一些模式中，第二自动防故障机构104通过如下操作：在弱区域156处加热弹簧150直到弱区域被充分热软化以允许弹簧150的负载导致弹簧150在弱区域156处断裂。接触部分154B可通过焊料159保持结合到端子凸出部137，但是下部分154A拉离接触部分154B并由此离开与电极136的电气连续性。压敏电阻132由此从接触构件168电断开，从而在端子166B、168B之间形成开路。

在正常操作期间（在本文中称为模式1），模块100在线电缆CL和PE电缆CP之间作为开路操作。热断开器机构151保持在就绪位置（图11）中，其中断开弹簧150的接触部分154B通过焊料159结合到端子凸出部137且与端子凸出部137处于电气连续性中。在该正常模式中，压敏电阻132是绝缘体（且因此SPD模块100也是绝缘体），直到标称钳位电压VNOM。在该模式中，自动防故障机构102、104不被致动（即，热断开器151保持在就绪位置（图11）中）。

在线L1中的瞬态过电压或浪涌电流的情况下，电力系统负载装置的保护可能需要提供用于浪涌电流的过剩电流到接地的电流路径。浪涌电流可在线电缆CL和PE电缆CP之间产生瞬态过电压，这可克服压敏电阻132和GDT 140中的一个或两个的隔离。在该事件和模式中（在本文中称为模式2），压敏电阻132经受超过VNOM的过电压，并且暂时且可逆地变成低电阻电导体。类似地，GDT 140经受超过其击穿电压的瞬态过电压，并且暂时地且可逆地变成低电阻电导体。然后，GDT 140和压敏电阻132将在短的持续时间内转移、分流或允许高浪涌电流或脉冲电流从线电缆CL通过基座连接器84、通过接触构件168、通过弹簧150、通过焊料159、通过端子凸出部137、通过电极136、通过压敏电阻132、通过电极134、通过GDT140、通过GDT电极142、通过接触构件166并通过基座连接器86流动并且到达保护接地电缆CP。

在模式2中，自动防故障机构102不操作，因为过电压事件持续时间短，并且通过浪涌电流产生的热量不足以熔化焊料159。

在模式2中，自动防故障机构104不操作，因为在弹簧150中产生的热量不足以使弱区域156弱化到断裂点。

如果浪涌或脉冲电流低于SPD模块100额定的最大浪涌/脉冲电流，则外部熔断器FS将不会熔断，并且压敏电阻132应当保持起作用。在该情况下，因为自动防故障机构102、104没有跳闸，所以SPD模块100可以保持就位以用于未来的过电压事件。

如果浪涌或脉冲电流超过SPD模块100额定的最大浪涌/脉冲电流，则熔断器FS通常将熔断或跳闸。压敏电阻132还可在内部作为短路（具有针孔）或具有有限的电阻失效。在这种情况下，操作模式将是如下文中针对模式3、4或5描述的失效模式。

在第三模式（模式3）中，压敏电阻132处于寿命终止模式中，其中在线L1和PE之间具有低泄漏电流。压敏电阻132作为线性电阻失效。该类型的压敏电阻失效可以是多次浪涌/脉冲电流的结果。泄漏电流由欧姆损耗在压敏电阻132中产生热量。在一些情况下，泄漏电流在正常操作期间发生并且是低的（从大约0到0.5A）。在压敏电阻132中产生的热量逐渐使压敏电阻132劣化并在延长的持续时间上累积。

在模式3中，自动防故障机构102操作。更特别地，热量（例如，来自压敏电阻132中的欧姆损耗）从压敏电阻132传递到电极136，并且然后传递到焊料159。在延长的时间段上（例如，在从大约60秒到48小时的范围内），热量在焊料159中累积，直到焊料159熔化。熔化的焊料159将弹簧150释放成断开或释放配置，以断开SPD模块100中的电路。由此防止压敏电阻132灾难性地过热。

在模式3中，自动防故障机构104不操作，因为在弹簧150中产生的热量不足以使弱区域156弱化到断裂点。

在模式3中，SPD模块100必须被更换，因为自动防故障机构102已经跳闸。

在第四模式（模式4）中，压敏电阻132处于良好条件中（即，不处于寿命终止条件中），但是存在临时过电压（TOV）事件，其中端子166B、168B两端的电压迫使压敏电阻132传导增加的浪涌电流（通常，在从大约0到10A的范围内）。该电流在一定的持续时间（例如，在从大约5秒到120分钟的范围内）上累积热量，该持续时间比在模式3中触发自动防故障机构102的浪涌电流的持续时间更短，但比在模式2中通过压敏电阻132传导的脉冲电流长得多。

在模式4中，自动防故障机构102跳闸（即，弹簧150被焊料159释放），以便以与针对模式3描述的相同的方式断开通过SPD模块100的电路。

在模式4中，自动防故障机构104不操作，因为弹簧150中产生的热量不足以使弱区域156弱化到断裂点。

在模式4中，SPD模块100必须被更换，因为自动防故障机构102已经跳闸。

在第五模式（模式5）中，压敏电阻132作为短路或线性电阻处于寿命终止模式中，其允许传导来自电源的电流从其通过。传导的电流的值可以在大约10安培和电源的最大短路电流（其应当比SPD模块100的短路电流额定值更低）之间。这取决于电气设备的具体配置和压敏电阻失效的严重程度。

对于模式5，存在操作以保护SPD模块100的两个机构：即，如上文所描述的外部熔断器FS和自动防故障机构104。对于在10安培和中等电流水平（通常是外部熔断器FS的额定值的五倍）之间的电流水平，自动防故障机构104被触发。对于更高的电流水平，外部熔断器FS将首先跳闸以保护SPD 100。例如，对于高达1000A的电流水平，可通过自动防故障机构104保护SPD 100，并且对于高达25kA的电流水平，利用200A外部熔断器FS来保护SPD 100。

在模式5中，对于中等电流，电流水平没有足够高到使外部熔断器FS在合理的时间量内（例如，在从大约50 ms到5000 ms的范围内）跳闸的程度。此外，自动防故障机构102过慢且不能保护SPD模块100。到自动防故障机构102跳闸的时候，将会对SPD模块100造成显著的内部损坏。

因此，在模式5中，自动防故障机构104跳闸以断开通过SPD模块100的电路。更特别地，电流在弱区域156处加热弹簧150，直到弹簧150的负载导致弹簧150在弱区域156处断裂并且在电极之间产生必需的距离以用于消除关联的电弧。压敏电阻132由此与接触构件168电断开，从而在端子166B、168B之间形成开路。仅自动防故障机构104及时操作并且在发生任何内部损坏之前断开SPD 100。

替代地，可以使用额定值更低的熔断器FS，使得熔断器FS将快得多地跳闸并且甚至在中等电流水平处保护SPD 100。例如，可以使用10A熔断器FS，并且可以省略自动防故障机构104。但是另一方面，这种额定值更低的熔断器FS将在低于SPD 100可实际上承受的水平的浪涌/脉冲电流处跳闸。因此，通过使用自动防故障机构104，SPD 100的性能在浪涌/脉冲电流方面得到扩展。

如上文所描述的断开弹簧150的释放（通过致动自动防故障机构102或自动防故障机构104）还致动本地警报机构107。弹簧150沿释放方向DR的移位使摆臂172从弹簧150脱离。摆臂172被弹簧176沿枢转方向DP（图11）从锁定位置（图11）驱动到指示位置。指示器构件174由此被弹簧176驱动以沿发信号方向DS（图11）沿着前壁滑动。指示器构件174由此移位到如图所示的警报位置，在该警报位置中，指示器表面174A与模块壳体110的前窗口112B对准并且通过前窗口112B可见。与壳体指示器表面116C相比，指示器表面174A具有通过前窗口112B的明显不同的视觉外观，从而提供视觉警报或指示，使得操作员可以容易地确定本地警报机构107已经被激活。例如，壳体指示器表面116C和指示器表面174A可具有明显不同的颜色（例如，绿色与红色）。以这种方式，本地警报机构107可以提供模块100已经呈现其开路配置或状态的方便指示。

如上文描述的摆臂172的释放还致动远程警报机构108。在模块100的就绪位置中，开关臂172的端部覆盖框架的后开口，使得基座80的开关销88A维持压缩。摆臂172枢转远离后开口，使得从而允许开关销88A进一步延伸到模块100中到达警报信号位置。远程销88A连接到开关电子器件或传感器，其检测销88A的移位并经由连接器向远程装置或端子提供电信号。以这种方式，远程警报机构108可以提供模块100已经呈现其开路配置或状态的方便远程指示。

如上文所讨论的，热断开器机构151在电流流过压敏电阻132时响应于在SPD模块100中的温度上升并且将压敏电阻132从电力线断开。通常，热断开器机构151可配置成期望地平衡SPD组件100和熔断器FS对脉冲或浪涌电流的响应与对泄漏电流的响应。压敏电阻132的失效模式可是上文中讨论的模式中的一个，例如：压敏电阻132的将导致在正常操作处增加的泄漏电流（例如，0-0.5A）的逐渐劣化；将导致泄漏电流的增加的传导（例如，0.5A-10 A）的临时过电压（TOV）事件；或压敏电阻132的短路，其可能导致显著的电流传导（几安培高达电力线的完全预期短路电流，例如，高达200 kArms）。

当压敏电阻132具有扩大的泄漏或浪涌电流传导时（上文中讨论的模式3和4），然后压敏电阻132将在延长的时间段上逐渐过热。最终，热断开器机构151将对通过电极凸出部137传递到焊料接合部的压敏电阻132的温度上升做出反应。热断开器机构151将对在压敏电阻132的给定温度分布上的该事件多么快速地做出反应取决于热断开器机构151的部件的材料和焊料159的熔点。可以选择这些参数以调节热断开器机构151对不同事件分布或事件类型的响应。

此外，热断开器机构151的反应时间不应当过快，因为在其中压敏电阻132传导具有增加的能量的浪涌电流的情况下，压敏电阻132将会过热并且断开器机构151可能跳闸，即使压敏电阻132是完整的。因此，期望或必需微调热断开器机构151的反应时间。因此，对于在SPD模块100可能面对的所有种类的事件/暴露期间的适当操作而言，对构成热断开器机构151的元件的材料和形状的选择是重要的，并且可能是关键的，因为反应时间取决于该选择。

在压敏电阻132到短路的突然失效期间，通过压敏电阻132的电流可从中等值（几kA）达到最高达电力线的最大短路电流。对于中等电流值，通常热断开器的弱点156将首先过热、熔化并且经由第二自动防故障机构104断开电流。做到这一点是因为热断开器机构151的弱点156具有带有更高的电阻的减小的横截面积。对弱区域156的材料的选择对于其快速的反应时间来说也是重要的，因为在这种事件中，热断开器机构151的第二自动防故障机构104必须非常快速地反应。第二自动防故障机构104不响应于浪涌电流，因此不存在对其反应时间的下限。另外，如果第二自动防故障机构104不足够快速地反应，则SPD模块100可能由于所传导的高电流而被损坏。进一步，在这些事件期间，焊料159将不熔化，因为第一自动防故障机构102花费相对长的时间来反应（几秒），而第二自动防故障机构104执行得更快，并且弱点156将在几毫秒（ms）内熔化。

当短路电流足够高时，那么SPD模块100通过外部熔断器FS得到保护。通常，当短路电流足以使熔断器FS跳闸时，外部熔断器FS将跳闸。当短路电流不足以使熔断器FS跳闸时，热断开器机构151（第一自动防故障机构102抑或第二自动防故障机构104）将跳闸。

GDT 140与压敏电阻132的串联设置可以提供基本上无泄漏的操作。在没有浪涌电流的情况下，GDT 140将保持不导电，并且将由此防止通过压敏电阻132传导泄漏电流。在浪涌的情况下，压敏电阻132将钳位并传导，从而允许GDT 140转折并传导。当浪涌消退时，压敏电阻132将返回到其高电绝缘状态，从而导致GDT 140的电弧消除。以这种方式，压敏电阻132可以使原本会导致GDT 140失效的延长的持续电流截止。

灌封P可以向SPD模块100提供强度和抗振性，并且与环氧树脂相比使用成本更低。灌封P可以提供热吸收，以冷却压敏电阻132和GDT 140。

在一些实施例中，模块100是I类浪涌保护装置（SPD）。在一些实施例中，模块100符合基于在IEC 61643-11的条款8.1.1中定义的脉冲放电电流波形的用于SPD（条款8.3.4.4）的“用于测试I类的附加能率测试”的IEC 61643-11，该脉冲放电电流波形通常称为10/350微秒（“µs”）电流波形（“10/350 µs电流波形”）。10/350 µs电流波形可表征其中在大约10 µs处达到最大电流（100%）且电流在大约350 µs处为最大值的50%的电流波。在10/350 µs电流波形下，根据一个或多个标准，传递到SPD的电荷Q和比能W/R应当与峰值电流相关。例如，在表1中图示了用于I类SPD测试的IEC61643-11参数，其如下：

表1 用于I类SPD测试的参数

50 μs内的<i>I</i><sub>imp</sub> (kA)	5 ms内的Q (As)	5 ms内的W/R (kJ/Ω)
			25	12.5	156
20	10	100
			12.5	6.25	39
10	5	25
			5	2.5	6.25
2	1	1
			1	0.5	0.25

期望的是，SPD模块具有小的形状系数。特别地，在一些应用中，期望的是，SPD模块各自具有根据在1992年十一月1日公布的DIN标准43871的1TE的大小。根据一些实施例，模块100具有平行于轴线F1-F1的大约18mm的最大宽度W9（图6）。

参考图14和图15，其中示出了本发明的另外的实施例的模块化过电压保护装置或浪涌保护装置（SPD）模块并且标记为200。出于解释的目的，在图14和图15中仅示出了模块200的某些内部部件。除了以下之外，模块200以与模块100相同的方式构造、使用和操作。

SPD模块200包括图1的过电压保护电路600。

断开电极236包括一体的接触凸出部236B。

模块200包括代替电阻器180的PCB电阻器组件281。PCB电阻器组件281包括电阻器280、印刷电路板（PCB）282和焊料285。

PCB 282包括在其上具有传导层284A、284B的不导电基底283。传导层284A、284B可以是沉积或层压到基底283的外表面上的铜箔轨道（track）。基底283可由诸如例如玻璃环氧树脂的任何合适的材料形成。在基底283的一个侧边缘中限定相对浅的槽283A。在基底283的相对的侧边缘中限定相对更深的槽283B。

电阻器280可以是表面安装器件（SMD）电阻器。合适的SMD电阻器包括可从美国的伯恩斯股份有限公司得到的额定在1 MΩ处的厚膜高压芯片电阻器类型CHV2512-FX-1004ELF。电阻器280包括电阻器主体280A和相对的电端子280B、280C。电阻器280机械地贴附到PCB 282，使得端子280B和280C分别电连接到传导层284A和284B。在一些实施例中，端子280B和280C通过焊料285贴附并电连接到传导层284A和284B。

接地电极234的接触凸出部234D被安放在槽283D中。断开电极236的接触凸出部236B安放在槽283A中。接触凸出部236B通过焊料285机械地固定且电连接到传导层284A。接触凸出部234D通过焊料285机械地固定且电连接到传导层284B。以这种方式，端子280B电连接到电极236，并且端子280C电连接到电极234。

槽283B使模块200的部件能够被方便地配置成用于不同厚度的压敏电阻232。不同厚度的压敏电阻可用于不同的电压保护水平。不同厚度的压敏电阻要求电极234、236之间的不同间距和凸出部234D、236B之间的不同间隙。在制造期间，可以通过根据需要将凸出部234D沿侧向方向DL滑动到槽283B中并且然后使用焊料285将凸出部234D固定且电连接到铜层284B来适应该变动。

参考图16，其中示出了根据本发明的另外的实施例的模块化过电压保护装置或浪涌保护装置（SPD）模块并且标记为300。出于解释目的，在图16中仅示出了模块300的某些内部部件。除了以下之外，模块300以与模块200相同的方式构造、使用和操作。

模块300可包括根据本发明构思的一些实施例的图2的过电压保护电路700。模块300包括与电阻器380电串联地安装在PCB 382上的电感器386。电感器386对应于图2的过电压保护电路700的电感器L1。

电感器386可以是表面安装器件（SMD）电感器线圈。合适的SMD电感器线圈包括可从美国的伯恩斯股份有限公司得到的Wirewound芯片电感器CC453232系列类型331KL。电感器386的端子可通过焊料贴附且电连接到PCB 382的传导层。

参考图17-20，其中示出了根据本发明的另外的实施例的模块化浪涌保护装置（SPD）或过电压保护装置并且标记为400。根据一些实施例，过电压保护装置400在如上文所述的电路中被用作SPD。例如，可以使用过电压保护装置400来代替在图5的系统15中的SPDS1、S2、S3中的一个或多个。

过电压保护装置400包括图1的过电压保护电路600。替代地，装置400可以被修改以包括对应于图2的电感器L1的电感器，在该情况下，经修改的装置400将包括图2的过电压保护电路700。

过电压保护装置400配置成具有纵向轴线B-B（图17）的单元或模块。过电压保护装置400包括第一电极或壳体422、活塞形第二电极424、两个弹簧垫圈428E、平垫圈428D、绝缘环构件428C、两个O型环430A、430B、端帽428A、固定夹428B、可熔化构件432、压敏电阻452、GDT 440、第一内部电极460、第二内部电极462、电阻器480、电绝缘体486和GDT接触构件442。压敏电阻452、内部电极460、462、电阻器480和绝缘体486形成过电压钳位元件子组件450。

过电压保护装置400还可包括一体的自动防故障机构、装置、特征或系统402。如下文中更详细讨论的，自动防故障系统402适于防止或抑制过电压保护装置过热或热失控。

部件422、424、428A-C共同形成壳体组件423，其限定密封的围封腔室426。部件428A-E、432、460、452、462、442、440、480和486在围封的腔室426中沿着纵向轴线B-B轴向地设置在壳体422和电极424之间。

壳体422具有端电极壁422A和从电极壁422A延伸的一体的柱形侧壁422B。侧壁422B和电极壁422A形成与开口422D连通的腔室或腔422C。螺纹柱422E从电极壁422A轴向地向外突出。电极壁422A的内侧包括被配置成接收GDT 440的端子440B的圆形凹部422F。

电极壁422A具有面向内的基本上平面的接触表面422G。环形夹槽422H形成在侧壁422B的内表面中。根据一些实施例，壳体422由铝形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，壳体422是一体的并且在一些实施例中是单块的。壳体422被图示为圆柱形的，但是可以是不同形状。

内部电极424具有设置在腔422C中的头424A和向外突出穿过开口422D的一体的轴424B。

头424A具有基本上平面的接触表面424C，接触表面424C面向电极壁422A的接触表面422G。一对一体的环形轴向间隔开的凸缘424D从轴424B径向向外延伸，并且在其之间限定环形的侧向开口的凹槽424E。在轴424B的端部中形成螺纹孔以接收螺栓，以例如用于将电极424固定到母线。

根据一些实施例，电极424由铝形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，电极424是一体的并且在一些实施例中是单块的。

在头424A和侧壁422B的最接近的邻近表面之间径向地限定环形间隙。根据一些实施例，该间隙具有在从大约4到45 mm的范围内的径向宽度。

可熔化构件432是环形的，并且安装在电极424上处于凹槽424E中。可熔化构件432与侧壁422B间隔开一定距离，该距离足以将可熔化构件432从侧壁422B电隔离。

可熔化构件432由可热熔化的导电材料形成。根据一些实施例，可熔化构件432由金属形成。根据一些实施例，可熔化构件432由导电的金属合金形成。根据一些实施例，可熔化构件432由来自包括铝合金、锌合金和/或锡合金的组的金属合金形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。

根据一些实施例，选择可熔化构件432，使得其熔点大于规定的最大标准操作温度。最大标准操作温度可以是在正常操作（包括在系统的设计范围内处理过电压浪涌）期间而不是在如果不加以抑制将导致热失控的操作期间的可熔化构件432中的预期最大温度。根据一些实施例，可熔化构件432由具有在从大约80到460℃的范围内的熔点且根据一些实施例在从大约110到160℃的范围内熔点的材料形成。根据一些实施例，可熔化构件432的熔点比壳体422和电极424的熔点小至少20℃，并且根据一些实施例，比那些部件的熔点小至少40℃。

根据一些实施例，可熔化构件432具有在从大约0.5×40⁶西门子/米（S/m）到4×40⁷S/m的范围内且根据一些实施例在从大约4×40⁶ S/m到3×40⁶ S/m的范围内的导电率。

压敏电阻片452和两个内部电极460、462在电极头424和电极壁422之间轴向地堆叠在腔室426中。内部电极460、462以在图1的示意电气图中表示的方式使片452、电阻器480和电极422、424电互连。压敏电阻片452、内部电极460、462、电阻器480和绝缘体486形成子组件450。

根据一些实施例，压敏电阻452是压敏电阻片（即，是片形或盘形的）。在一些实施例中，压敏电阻片452形状是圆形并且具有基本上均匀的厚度。然而，压敏电阻片452可以以其他形状形成。压敏电阻片452的厚度和直径将取决于针对特定应用期望的压敏电阻特性。此外，压敏电阻片452可以更换为轴向堆叠的多个压敏电阻片。

在一些实施例中，压敏电阻片452具有至少3的直径D4与厚度T4比。在一些实施例中，压敏电阻片452的厚度T4（图19）在从大约0.5到15 mm的范围内。在一些实施例中，压敏电阻片452的直径D4（图19）在从大约20到100 mm的范围内。

压敏电阻片452具有第一和第二相对的、基本上平面的接触表面452U、452L和外围边缘452E。

压敏电阻材料可以是传统上用于压敏电阻的任何合适材料，即，随着施加的电压表现出非线性电阻特性的材料。优选地，当超过规定的电压时，电阻变得非常低。压敏电阻材料可以例如是掺杂的金属氧化物或碳化硅。合适的金属氧化物包括氧化锌化合物。

压敏电阻片452可包括压敏电阻材料的片，其在任一侧上涂覆有导电涂层，使得涂层的暴露表面用作接触表面452U、452L。涂层可以是由例如铝、铜或银形成的金属化涂层。替代地，压敏电阻材料的裸露表面可用作接触表面452U、452L。

内部电极460、462是导电的。每个内部电极460、462包括接触部分460A和一体的连接凸出部460B，连接凸出部460B从接触部分460A的外围边缘径向向外延伸。每个凸出部460A可包括孔460C（例如，通孔）。

根据一些实施例，每个接触部分460A是基本上平面的相对薄的并且是片形或盘形的。在一些实施例中，每个接触部分460A具有至少15的直径与厚度比。在一些实施例中，每个接触部分460A的厚度在从大约0.1到3 mm的范围内。在一些实施例中，每个接触部分460A的直径在从大约20到100 mm的范围内。

根据一些实施例，每个接触部分460A不具有延伸穿过接触部分的厚度的任何通孔。

根据一些实施例，内部电极460、462由铜形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，内部电极460、462是一体的并且在一些实施例中是单块的。

如在图19中所示，压敏电阻片452被夹设或夹置在内部电极460、462之间。内部电极460的接触部分460A接合接触表面452U。内部电极462的接触部分460A接合接触表面452L。每个所述接合在标识的内部电极接触部分和压敏电阻接触表面之间形成紧密的物理或机械接触。每个所述接合在所标识的互连构件接触部分和压敏电阻接触表面之间形成直接电连接或联接。

在一些实施例中，每个内部电极接触部分460A覆盖并接合对应配合的压敏电阻片表面452U、452L的表面面积的至少40%。

电阻器480对应于图1的电阻器R1。电阻器480可以是通孔电阻器，其包括电阻器主体482和相对的引线484A、484B。电阻器480可以是如在图18中所示的轴向引线电阻器，或具有另一配置（例如，径向引线电阻器）。

电阻器引线484A机械地且电连接到电极460的凸出部460B。电阻器引线484B机械地且电连接到电极462的凸出部460B。在一些实施例中，引线484A和484B钎焊到凸出部460B。在一些实施例中，引线484A、484B的端部安放在凸出部460B的孔460C中并被钎焊就位。

用于电阻器480的合适的通孔电阻器可包括可从美国的威世集团得到的额定在1MΩ处的金属膜电阻器类型HVR3700001004JR500。

电阻器引线484A、484B和凸出部460B被电绝缘体486覆盖。在一些实施例中，绝缘体486是电绝缘环氧树脂。在一些实施例中，绝缘体486是电绝缘热收缩热塑性塑料。在一些实施例中，绝缘体486覆盖每个引线484A、484B从其凸出部460A到电阻器主体482的整体，并且还覆盖凸出部460A。

GDT 440是片形或盘形的，并且包括主体440A和在主体440A上的主要相对面上的相对电端子440B和440C以及在端子440B、440C之间包围主体440A的环形电绝缘体（例如，陶瓷）。在一些实施例中并且如图所示，端子440B、440C的外面是基本上平坦且平面的，或包括基本上平坦或平面的圆形或环形接触区域。根据一些实施例，GDT 440的直径与其厚度的比在从大约4到15的范围内。根据一些实施例，GDT 440的厚度在从大约3 mm到8 mm的范围内。在一些实施例中，GDT 440的直径在从大约20 mm到40 mm的范围内。在一些实施例中，GDT440具有至少与在同一SPD 400中的与GDT 440串联使用的MOV压敏电阻片452的浪涌电流和能量承受能力一样大的浪涌电流和能量承受能力。合适的GDT可包括可从斯洛文尼亚的瓦尔西（Varsi）公司得到的额定在600V处的GDT的Flat气体放电管类型3L30-25或日本（EPCOS）的TDK-EPC公司的D20-A800XP。

主体440A包括密闭或气密密封的腔室或单元，在其中包含所选择的气体。端子440B、440C电连接到气体（例如，通过与所包含的气体流体接触的相应电极部分）。在规定的火花放电电压以下，GDT 140在端子440B、440C之间电绝缘。当在端子440B、440C两端施加的电压超过规定的火花放电电压时，所包含的气体被电离以导致电流流过气体（通过汤森放电过程）并且由此在端子440B、440C之间流动。因此，取决于所施加的电压，GDT 440将选择性地电绝缘或导电。启动和维持导电（放电）所要求的电压将取决于GDT 440的设计特性（例如，几何形状、气体压力和气体组合物）。

GDT接触构件442是盘形插入件。构件442的下侧包括圆形凹部442A，其配置成接收GDT 440的端子440B。构件442的上侧是基本上平面的以与内部电极462紧密配合。根据一些实施例，GDT接触构件442由铝形成。然而，可以使用任何合适的导电金属。根据一些实施例，GDT接触构件442是一体的并且在一些实施例中是单块的。

弹簧垫圈428E包围轴424B。最低的弹簧垫圈428E邻接头424A的顶部面。弹簧垫圈428E可由弹性材料形成。根据一些实施例并且如图所示，弹簧垫圈428E是由弹簧钢形成的波形垫圈（如图所示）或碟型垫圈。虽然示出了两个弹簧垫圈428E，但是可以使用更多或更少的弹簧垫圈。可以以不同的堆叠布置提供弹簧，诸如串联、并联或串联且并联。

扁平的金属垫圈428D被夹设在最高的弹簧垫圈428E和绝缘体环428C之间，其中，轴424B延伸穿过形成在垫圈428D中的孔。垫圈428D用于分配上部弹簧垫圈428E的机械负载，以防止弹簧垫圈428E切入到绝缘体环428C中。

绝缘体环428C覆盖在垫圈428D上且邻接垫圈428D。绝缘体环428C具有主体环和从主体环向上延伸的轴环或柱形上凸缘。绝缘体环428C优选地由具有高熔化和燃烧温度的介电材料或电绝缘材料形成。绝缘体环428C可由例如聚碳酸酯、陶瓷或高温聚合物形成。

端帽428A覆盖在绝缘体环428C上且邻接绝缘体环428C。端帽428A可由例如铝形成。

夹428B被部分地接收在槽422H中，并且从壳体422的内壁部分地径向向内延伸，以限制端帽428A的向外轴向移位。夹428B可由弹簧钢形成。

O型环430B定位在电极424中的凹槽中，使得其被捕获在轴424B和绝缘体环428C之间。O型环430A定位在绝缘体环428C中的凹槽中，使得其被捕获在绝缘构件428C和侧壁422B之间。当安装时，O型环430A、430B被压缩，使得它们抵靠邻近的接合表面偏压并且在邻近接合表面之间形成密封。在过电压或失效事件中，来自压敏电阻片452的诸如热气和碎片的副产物可填充或分散到腔的腔室426中。可以通过O型环430A、430B限制或防止这些副产物通过壳体开口422D从过电压保护装置400逸散。

O型环430A、430B可由相同或不同的材料形成。根据一些实施例，O型环430A、430B由诸如弹性体的弹性材料形成。根据一些实施例，O型环430A、430B由橡胶形成。O型环430A、430B可由诸如可从杜邦得到的VITON™的碳氟化合物橡胶形成。还可使用诸如丁基橡胶的其他橡胶。根据一些实施例，橡胶具有在大约60和100肖氏硬度A之间的硬度。

根据本发明的方法可以按照如下组装模块400。

可以预组装子组件450。压敏电阻片与内部电极460、462轴向地堆叠且夹设在内部电极460、462之间。在一些实施例中，压敏电阻片452和内部电极460、462基本上同轴对准。压敏电阻片452和内部电极460、462的配合表面可以焊接或钎焊在一起。在一些实施例中且如在图20中所示，电阻器主体482侧向定位在压敏电阻452的侧部的径向外部（相对于轴线B-B）。电阻器引线484A、484B被钎焊到接触凸出部460B。绝缘体486被施加在引线484A、484B和凸出部460B上。

GDT 440被放置在腔422C中，使得端子440B被接收在凹部422F中并且接合端壁422A的接触表面422G。

GDT接触构件442在腔422C中被放置到GDT 440上，使得端子440C被接收在凹部442A中并且与接触构件442形成良好的电接触。

压敏电阻452、电阻器480和内部电极460、462（不论是否被预组件到子组件450中）被放置在腔422C中，使得内部电极462的下接触表面接合GDT接触构件442的上面。

O型环430A、430B被安装在其相应的凹槽中。

头424A被插入到腔422C中，使得接触表面424C接合互连构件460的接触部分460A的上接触表面。

弹簧垫圈428E沿轴424B向下滑动。垫圈428D、绝缘体环428C和端帽428A沿轴424B向下滑动并处于在弹簧垫圈428E上。夹具（未示出）或其他合适的装置用于迫使端帽428A向下，进而使弹簧垫圈428E偏转。夹428B被安装在槽422H中，以维持端帽428A上的负载，以使弹簧垫圈428E部分地偏转。端帽428A到绝缘体环428C上以及从绝缘体环到弹簧垫圈上的负载进而传递到头424A。以这种方式，子组件450被夹置（夹持）在头424A和电极壁422A之间。

电极头424A和壳体端壁422A沿方向F沿着加载或夹持轴线C-C（图19）持续被偏压或加载在压敏电阻452、内部电极460、462、GDT接触构件442和GDT 440上，以确保在上文中标识的相互作用的接触表面之间的稳固和均匀的接合。在一些实施例中，夹持轴线C-C与轴线B-B（图17）基本上重合。

在所组装的过电压保护装置400中，部件422A、424A、452、460、462、442的大的平面的接触表面可以确保在过电压或浪涌电流事件期间在部件之间的可靠且一致的电接触和连接。头424A和端壁422A机械地加载在这些部件上，以确保配合的接触表面之间的牢固且均匀的接合。

在单个模块化单元中，过电压保护装置400的设计提供对压敏电阻片452和GDT440的压缩加载。过电压保护装置400提供在电极422、424、压敏电阻片452和GDT 440之间的合适的电互连，同时保留紧凑的形状系数并提供对来自压敏电阻片452的能量的适当的热耗散。

过电压保护装置400的构造提供用于该装置的安全失效模式。在使用期间，压敏电阻片452中的一个或多个可能被过热损坏，并且可能在壳体组件424内部产生电弧放电。壳体组件424可以在过电压保护装置400内包含损坏（例如，碎屑、气体和即时热），使得过电压保护装置400安全地失效。以这种方式，过电压保护装置400可以防止或降低对邻近设备（例如，在柜中的开关装置设备）的任何损坏和对人员的伤害。以这种方式，过电压保护装置400可以增强设备和人员的安全。

另外，过电压保护装置400提供响应于在压敏电阻片452中的寿命终止模式的自动防故障机构。在压敏电阻片452的失效的情况下，如上文中关于SPD 100的压敏电阻132讨论的，故障电流将在对应的线和中性线之间传导。更特别地，当压敏电阻452达到其寿命终止状态时，过电压保护装置400将基本上变成具有非常低但是不是零的欧姆电阻的短路。因此，在寿命终止条件下，甚至在没有过电压条件的情况下，故障电流也将持续地流过压敏电阻452。在这种情况下，可熔化构件432可以作为绕过失效的压敏电阻的自动防故障机构操作，并且在过电压保护装置400的端子之间以在美国专利号7,433,169中描述的方式形成永久的低欧姆短路，该文献的公开内容通过参考并入本文中。

可熔化构件432适于和配置成作为热断开器操作，以使施加到围绕压敏电阻片452的关联的过电压保护装置400的电流电短路，以防止或降低在压敏电阻中的产生热量。以这种方式，可熔化构件432可以作为开关操作以绕过压敏电阻片452，并且防止如上文描述的过热和灾难性失效。如在本文中使用的，在发生导致自动防故障系统如所描述的操作以使电极422A、424A短路所必需的条件时，自动防故障系统被“触发”。

当被加热到阈值温度时，可熔化构件432将流动以桥接和电连接电极422A、424A。可熔化构件432由此重新引导施加到过电压保护装置400的电流绕过压敏电阻片452，使得压敏电阻的电流感应加热停止。可熔化构件432可由此用于防止或抑制热失控（通过压敏电阻452引起或在压敏电阻452中产生），而不要求中断通过过电压保护装置400的电流。

更特别地，可熔化构件432最初具有如在图19中所示的第一配置，使得除了通过头424A以外，可熔化构件432不电联接电极424和壳体422。在发生热量累积事件时，电极424由此被加热。可熔化构件432还被直接加热和/或通过电极424加热。在正常操作期间，在可熔化构件432中的温度保持低于其熔点，使得可熔化构件432保持固体形式。然而，当可熔化构件432的温度超过其熔点时，可熔化构件432熔化（全部或部分地），并且通过重力流到不同于第一配置的第二配置中。可熔化构件432使电极424桥接或短路到壳体422，以绕过压敏电阻片452。也就是说，通过可熔化构件432提供了从电极424的表面到壳体侧壁422B的表面的新的一条或多条直接流动路径。根据一些实施例，这些流动路径中的至少一些不包括压敏电阻片452。

根据一些实施例，过电压保护装置400被调整，使得当可熔化构件432被触发以使过电压保护装置400短路时，过电压保护装置400的传导率至少与连接到该装置的馈电和出口电缆的传导率一样大。

根据一些实施例，在每个电极接触表面和压敏电阻接触表面之间的接合区域各自至少一平方英寸。

根据一些实施例，取决于压敏电阻的表面面积，偏压电极（例如，电极422和424）沿着轴线C-C向压敏电阻施加在从2000 lbf和26000 lbf的范围内的负载。

根据一些实施例，壳体（例如，壳体422）和电极（例如，电极424）的组合热质量基本上大于在其之间捕获的压敏电阻中的每一个的热质量。壳体和电极的热质量与压敏电阻的热质量之间的比越大，在暴露于浪涌电流和TOV事件期间的压敏电阻将被保存得越好并且因此SPD的寿命越长。如在本文中使用的，术语“热质量”意指物体的一种或多种材料的比热乘以物体的一种或多种材料的质量或多个质量的乘积。也就是说，热质量是使一克物体的一种或多种材料上升一摄氏度所需要的能量的量乘以物体中的一种或多种材料的一个或多个质量。根据一些实施例，电极头和电极壁中的至少一者的热质量基本上大于压敏电阻的热质量。根据一些实施例，电极头和电极壁中的至少一者的热质量是压敏电阻的热质量的至少两倍，并且根据一些实施例，至少十倍大。根据一些实施例，头和电极壁的组合热质量基本上大于压敏电阻的热质量，根据一些实施例，是压敏电阻的热质量的至少两倍，并且根据一些实施例，至少十倍大。

如上文所讨论的，弹簧垫圈428E是碟型或波形垫圈。碟型或波形垫圈可被用于施加相对高的负载，而不需要大量的轴向空间。然而，除了或代替碟型或波形垫圈，可以使用其他类型的偏压器件。合适的替代偏压器件包括一个或多个线圈弹簧或螺旋垫圈，或弹性体弹簧构件。

模块400包括一个压敏电阻452。然而，根据进一步的实施例的SPD模块可包括电串联堆叠的两个或更多个压敏电阻。

参考图21，其中示出了本发明的另外的实施例的模块化过电压保护装置或浪涌保护装置（SPD）模块并且标记为500。出于解释目的，在图21中仅示出了模块500的某些内部部件。除了以下之外，模块500以与模块400相同的方式构造、使用和操作。

在模块500中，电阻器580轴向地安装在压敏电阻552下面（即，轴向地安装在内部电极562和电极壁422A（图19）之间）而不是如在模块400中那样在压敏电阻552侧向旁边。

参考图22-24，其中示出了本发明的另外的实施例的模块化过电压保护装置或浪涌保护装置（SPD）模块并且标记为800。出于解释目的，在图22-24中仅示出了模块800的某些内部部件。除了以下之外，模块800以与模块100相同的方式构造、使用和操作。

SPD模块800包括图1的过电压保护电路600。

SPD模块800包括过电压钳位元件组件830。过电压钳位元件子组件830包括压敏电阻832、第一电极834、第二电极836、两个气体放电管（GDT）840和GDT电极或接触板842，它们对应于压敏电阻132、第一电极134、第二电极136、GDT 140和GDT电极142（参见，例如，图8和图12）。过电压钳位元件子组件830还包括代替电阻器180的电阻材料层880。

压敏电阻832具有相对的接触表面832A、832B。外围侧边缘表面832C包围压敏电阻832并且使接触表面832A、832B分离。相应的金属化层833A、833B覆盖接触表面832A、832B。

电阻层880包括第一条带、腿部或区段882、第二条带、腿部或区段884以及在区段882、884之间延伸、邻接且电连接区段882、884中的每一个的桥接条带、腿部或区段886。

电阻层880包绕压敏电阻832，使得桥接区段886跨越侧边缘832C和第一区段882和第二区段884的部分882A、884A，分别交叠并接合金属化层833A和833B。金属化层833A和833B进而分别与电极834和836电接触。以这种方式，电阻层880通过电阻层880将电极834电连接到电极836。电阻层880由此在电极834、836之间与压敏电阻832电并联。

电阻层880可以是薄膜电阻层。电阻层880可以是厚膜电阻层。在一些实施例中，电阻层880是电阻膏层。电阻膏可包括与其他材料混合的氧化铝基底（按重量计90%或更多）。组合物可以变化。根据一些实施例，在材料被网印和烧制（fired）之前，电阻膏的材料具有在从大约100到200帕斯卡秒的范围内的粘性。合适的电阻膏包括可从美国北卡罗来纳州的帕克杜邦微电路材料三角研究中心得到的4300-系列电阻器。

在一些实施例中，电阻层880由具有在从大约1Ω/平方到1MΩ/平方的范围内的薄层电阻的电阻（例如，膏）形成。

在一些实施例中，电阻层880结合到表面832A、832B、832C和金属化层833。在一些实施例中，电阻层880直接结合到表面832A、832B、832C和金属化层833。在一些实施例中，其粘性地直接结合到所述表面。

可以选择电阻层880的尺寸，以获得期望的电性能。在一些实施例中，电阻层880具有在从大约2 μm到1000 μm的范围内的厚度T3（图24），并且在一些实施例中具有在从大约50 μm到90 μm的范围内的厚度T3。

在一些实施例中，电阻层880具有在从大约1 mm到20 mm的范围内的宽度W3（图23）。

在一些实施例中，过电压钳位元件组件830包括安装在压敏电阻832上并与压敏电阻832电并联的多个电阻层880。

电阻层880可使用任何合适的技术安装在压敏电阻832上。合适的技术可包括例如打印或沉积（例如，气相沉积、溅射或真空沉积）。

参考图25-27，在其中示出了根据另外的实施例的过电压钳位元件子组件950。可使用子组件950代替SPD 400的子组件450（图18）。子组件950包括对应于压敏电阻452的压敏电阻952和相对的金属化层953U和953L。子组件950还包括代替电阻器480的电阻层980。可以省略子组件450的内部电极460、462。

压敏电阻952具有相对的接触表面952U、952L。外围侧边缘表面952E包围压敏电阻952并且使接触表面952U、952L分离。

相应的金属化层953U和953L覆盖接触表面952U和952L。在一些实施例中并且如在图25-27中所示，每个金属化层953U、953L覆盖其表面952U、952L的整体并且具有端子外围金属化边缘954。外围金属化边缘954位于侧边缘表面952E和接触表面952U、952L之间限定的角956处，或径向向外超出角956。外围钝化层955（图27）可覆盖侧边缘表面952E。钝化层955可以是包围侧表面952E的整个周向部分的玻璃材料。

电阻层980包括条带986，其具有相对的轴向端子边缘或端部986U和986L。

电阻层980覆盖压敏电阻952，使得条带986跨越侧边缘952E并且端部986U和986L分别与金属化层953U和953L的外围边缘954接合并形成电接触。金属化层953U和953L进而分别与电极头424A和GDT接触构件442（图18）电接触。以这种方式，电阻层980通过电阻层980将电极424电连接到电极422。电阻层980由此在电极422、424之间与压敏电阻952电并联。

在一些实施例中，电阻层980结合到边缘表面。在一些实施例中，电阻层980直接结合到表面952E和金属化层953U、953L。在一些实施例中，电阻层980粘性地直接结合到边缘表面952E。

在一些实施例中，子组件950包括安装在压敏电阻952上并与压敏电阻952电并联的多个电阻层980。

电阻层980可以利用与如上文中针对电阻层880讨论的相同材料、尺寸、性质（包括薄层电阻）和技术形成。

金属化层133、833A、833B、953U、953L可以由任何合适的金属（诸如铝、铜或银）形成。在一些实施例中，金属化层结合（例如，粘性地结合）到被金属化层覆盖的压敏电阻132、852、952的相应表面。在一些实施例中，每个金属化层133、833A、833B、953U、953L具有在从大约10 μm到100 μm的范围内的厚度（例如，在图24中的厚度T4）。

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，考虑本公开的益处，本领域技术人员可以做出许多改变和修改。因此，必须理解的是，仅出于示例的目的阐述所示实施例，并且所示实施例不应当被当做限制如由随后的权利要求限定的本发明。因此，随后的权利要求应理解为，不仅包括字面上阐述的元件的组合，而且包括用于以基本上相同的方式执行基本上相同的功能以获得基本上相同的结果的所有等同元件。权利要求因此被理解为包括在上文中具体图示和描述的内容、在概念上等同的内容以及并入本发明的基本构思的内容。

Claims

1.一种浪涌保护装置（SPD）模块，包括：

第一电端子；

第二电端子；

连接在所述第一电端子和第二电端子之间的过电压保护电路，所述过电压保护电路包括：

气体放电管；以及

串联连接到所述气体放电管的电流管理电路，所述电流管理电路包括在所述电流管理电路的第一节点和所述电流管理电路的第二节点之间并联连接的压敏电阻和电阻器。

2.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述电流管理电路还包括在所述电流管理电路的第一节点和第二节点之间与所述电阻器串联连接的电感器。

3.根据权利要求2所述的SPD，其中，所述电感器包括表面安装器件（SMD）电感器。

4.根据权利要求2所述的SPD，其中，所述电感器具有在从大约1 µH到大约1 mH的范围内的电感。

5.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述过电压保护电路还包括：

串联连接到所述气体放电管和所述电流管理电路的热断开器机构，所述热断开器机构配置成响应于热事件而使所述第一电端子从所述第二电端子电断开。

6.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述电阻器包括轴向电阻器，并且具有在从大约1kΩ到50 MΩ的范围内的电阻。

7.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述电阻器包括径向电阻器，并且具有在从大约1kΩ到50 MΩ的范围内的电阻。

8.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述电阻器包括表面安装器件（SMD）电阻器，并且具有在从大约1 kΩ到50 MΩ的范围内的电阻。

9.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述压敏电阻具有在大约20 kA的范围内的峰值电流额定值和大约300 V的峰值电压额定值。

10.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述气体放电管具有大约500 V的火花放电电压额定值和大约20 kA的放电电流额定值。

11.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述压敏电阻具有超过与所述第一电端子关联的周围电压电平的与其关联的钳位电压电平。

12.根据权利要求11所述的SPD，其中，所述电流管理电路配置成有助于响应于所述瞬态过电压事件的终止通过导致所述气体放电管两端的电压小于与所述气体放电管关联的电弧电压来耗散关联的能量而使所述气体放电管从所述导电状态转变到所述不导电状态。

13.根据权利要求12所述的SPD，其中，所述第一电端子配置成用于连接到线，并且所述第二电端子配置成用于连接到共用参考电压。

14.根据权利要求13所述的SPD，其中，所述线是交流电（AC）电力线或直流电（DC）电力线。

15.根据权利要求13所述的SPD，其中，所述线是配置成传输通信信号的通信线。

16.根据权利要求15所述的SPD，其中，所述通信信号是RF通信信号。

17.根据权利要求1所述的SPD，包括，第二气体放电管，其在所述电流管理电路和所述第一电端子之间与所述第一气体放电管并联连接。

18.根据权利要求1所述的SPD，包括：

基座，其配置成安装在DIN轨道上；以及

SPD模块，其配置成可移除地安装在所述基座上，其中，当所述SPD模块安装在所述基座上时，所述SPD模块和所述基座一起形成DIN轨道SPD组件，所述SPD模块包括：

模块壳体；

安装在所述模块壳体上的第一和第二电端子；

设置在所述模块壳体中的所述气体放电管；以及

设置在所述模块壳体中的所述电流管理电路。

19.根据权利要求18所述的SPD，其中，所述SPD模块包括：

定位在就绪配置中的热断开器机构，其中，所述压敏电阻与所述第二电端子电连接，所述热断开器机构被重新定位以使所述压敏电阻从所述第二电端子电断开，所述热断开器机构包括：

电连接到处于就绪配置中的所述压敏电阻的电极；以及

将所述电导体固定成与处于就绪配置中的所述压敏电阻电连接的焊料，其中：

所述焊料可响应于所述SPD模块中的过热而熔化；以及

所述热断开器机构配置成使所述电导体从所述压敏电阻电断开，并且由此使所述压敏电阻在所述焊料被熔化时从所述第二电端子断开。

20.根据权利要求19所述的SPD，其中，所述SPD模块包括指示器机构，其配置成在所述热断开器机构使所述过电压钳位元件从所述第二电端子断开时提供所述SPD模块已经失效的警报。

21.根据权利要求20所述的SPD，其中，所述指示器机构包括本地警报机构，其包括：

在所述模块壳体中的窗口；

可在就绪位置和指示位置之间相对于所述窗口移动的指示器构件；以及，

指示器弹簧，其配置成在所述热断开器机构使所述压敏电阻从所述第二模块电端子断开时迫使所述指示器构件从所述就绪位置到达所述指示位置。

22.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述SPD是SPD模块，其包括：

包括第一和第二电极的模块壳体，其中，所述第一电极包括第一电端子，且所述第二电极包括第二电端子；并且

所述气体放电管和所述压敏电阻在所述模块壳体中轴向地堆叠在所述第一和第二电极之间。

23.根据权利要求22所述的SPD，其中：

所述第一电极包括壳体电极，其包括共同限定腔的端壁和一体的侧壁；

所述第二电极延伸到所述腔中；并且

所述气体放电管和所述压敏电阻被设置在所述腔中。

24.根据权利要求23所述的SPD，其中，所述壳体电极由金属一体地形成。

25.根据权利要求22所述的SPD，包括：偏压装置，其向所述气体放电管和所述压敏电阻施加轴向压缩负载。

26.根据权利要求22所述的SPD，包括：导电的可熔化构件，其中，所述可熔化构件响应于所述过电压保护装置中的热量而熔化，并且在所述第一和第二电极构件两端形成电气短路路径。

27.根据权利要求22所述的SPD，其中，所述压敏电阻包括压敏电阻片。

28.根据权利要求27所述的SPD，包括：

第一内部电极，其被轴向地夹设在所述压敏电阻片和所述第一电极之间；以及，

第二内部电极，其被轴向地夹设在所述压敏电阻片和所述第二电极之间；

其中，所述电阻器电连接到在所述模块壳体中的第一和第二电极。

29.根据权利要求27所述的SPD，其中，所述电阻器侧向定位在所述压敏电阻片的外缘旁边。

30.根据权利要求27所述的SPD，其中，所述电阻器轴向地定位在所述压敏电阻片下面。

31.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述电阻器配置成响应于所述第一和第二电端子两端的电压浪涌事件，而释放所述压敏电阻的电容。

32.根据权利要求1所述的SPD，其中，所述电阻器是安装在所述压敏电阻上的电阻材料层。