ТОКОВЫЙ ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ МЕХАНИЧЕСКИМ РАЗМЫКАТЕЛЕМ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНО В ВИДЕ УДАРНИКА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В УСТРОЙСТВАХ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
CURRENT FUSE WITH ADDITIONAL MECHANICAL CIRCUIT BREAKER, PREFERABLY IN FORM OF STRIKER, FOR USE IN OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICES

Область техники
Изобретение относится к токовому предохранителю с дополнительным механическим размыкателем, предпочтительно в виде ударника, для использования в устройствах защиты от перенапряжения согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Уровень техники
Устройства защиты от перенапряжения используются в электрических сетях и в сетях сбора, обработки и передачи информации с целью защиты установок, пользователей и оконечных устройств.
Подобные устройства защиты от перенапряжения ограничивают напряжение до некритических значений, особенно в случае переходных перенапряжений, например, в случае молнии.
Ограничение происходит в случае перенапряжения посредством отвода импульсных токов в поперечной цепи и, тем самым, в целом, параллельно подключениям пользователей.
В качестве элементов защиты от перенапряжения, среди прочего, используются искровые промежутки, варисторы, супрессорные диоды, газоотводы, емкости и нелинейные сопротивления, а также их комбинации.
Вышеуказанные элементы имеют, в целом, нелинейную характеристику срабатывания.
При частом срабатывании этих элементов или при перегрузке вследствие слишком высоких или слишком длительных перенапряжений или токов может возникнуть постепенное старение или разрушение устройств защиты от перенапряжений.
В случае обычно ступенчатого расположения разрядников защиты от перенапряжений с различной мощностью и/или с различным уровнем защиты от перенапряжения, вследствие старения или также вследствие изменений установки опасность перегрузки может возрасти даже при изначально правильном определении размеров и положения разрядников.
Перегрузка подобных согласованных приборов, часто с различными принципами действия, может привести к нежелательным повреждениям, а также к повреждениям, которые частично разрушают всю установку.
Причины перегрузки при этом разнообразны и специфичны в зависимости от соответствующего защитного прибора.
В случае, например, упомянутого варистора при постепенном старении вследствие очень маленьких токов утечки за длительный период времени могут возникнуть повреждения. Поэтому в качестве защиты от подобных нагрузок во многих случаях используются тепловые разъединительные устройства.
Посредством тепловых разъединительных устройств в пределах их быстродействия при маленьких токах утечки в диапазоне от миллиампера до нескольких амперов и в низковольтной области варистора достаточная защита обычно может быть реализована.
Если варистор нагружается импульсными токами выше своей мощности или нагружается с экстремально высокой крутизной характеристики тока и напряжения, то варистор может быть пробит.
При нагрузке длительными переходными перенапряжениями или перенапряжениями, имеющими частоту сети, напротив, может возникнуть тепловое сплавление или пробой варистора через несколько десятков миллисекунд.
Последние из указанных неисправностей не могут быть сдержаны известными тепловыми разъединительными устройствами, так как их время срабатывания, как правило, составляет несколько секунд.
Поэтому по вышеуказанной причине принято эксплуатировать варисторы последовательно включенными с традиционным электрическим плавким предохранителем или с коммутационными аппаратами.
Для обеспечения достаточной защиты изготовители варисторных пластин часто задают максимальное значение номинального тока подобных входных предохранителей. Обычные плавкие предохранители срабатывают при импульсных нагрузках, в целом, уже существенно ниже их теоретического адиабатического интегрального параметра плавления.
В случае коротких, но высоких импульсных токов, которыми нагружаются варисторы, граница нагрузки варисторов лежит, однако, уже существенно выше теоретического значения предохранителей и, тем самым, значительно выше их практических максимальных значений.
Это означает, что импульсные значения, которые варисторы без труда многократно отводят, уже при однократной нагрузке могут привести к повреждению предохранителя, который максимально допустим для защиты варисторной пластины в соответствии с ее техническими данными.
2
Чтобы по возможности просто использовать мощность варисторной пластины, изготовителями устройств защиты от перенапряжения поэтому часто рекомендуются предохранители большего значения. Однако в случае ошибки по причине более высокой lt-нагрузки, которая возникает вследствие слишком позднего срабатывания, это может привести к существенным повреждениям приборов.
Наряду с защитной функцией элемента защиты от перенапряжения, срабатывание предохранителя часто используется в качестве критерия перегрузки и разъединения элемента защиты от перенапряжения.
Для этого оценивается выключение тока или повышенное падение напряжение посредством предохранителя.
Наряду с оптической индикацией, электрический сигнал используется также для акустической индикации или для открывания и закрывания выключателей для дистанционной сигнализации. Использование электрической энергии для выдачи сигналов обладает, однако, множеством недостатков. Множество индикаторов требуют энергию и вызывают нежелательные токи утечки. Отключение при нагрузках ударного тока предохранителей часто является неопределенным и нежелательным.
Легкоплавкий проводник предохранителей после импульсной нагрузки может иметь самые различные повреждения, которые могут привести к различным эффектам, начиная от отделения нескольких параллельных узких участков до общего разрушения легкоплавкого проводника, и при этом не возникнет никакого желаемого высокоомного размыкания.
На основании вышеуказанных пояснений токи в миллиамперном диапазоне или также в амперном диапазоне еще возможны, при этом неисправность прибора не будет индицирована. В случае нового перенапряжения это может, несмотря на контроль установки, привести к существенным повреждениям.
Причина указанного поведения лежит в различных принципах действия предохранителя при аварийных токах с частотой сети в продольной ветви и при импульсных токах в поперечной ветви.
В случае превышения тока с частотой сети в продольной ветви, которое ведет к срабатыванию предохранителя, разрыв легкоплавкого проводника представляет собой единственный участок разрыва, а электрическая прочность сработавшего предохранителя должна быть выше, чем напряжение сети.
Это ведет к высокоомному и весьма длинному разрыву внутри предохранителя.
В поперечной ветви, напротив, сетевая электрическая прочность в целом перенимается устройством защиты от перенапряжения, даже и при умеренных перегрузках. Это означает, что предохранитель даже после его срабатывания не в принудительном порядке нагружается напряжением сети. Это ведет иногда к неопределенному разрыву внутри предохранителя.
С другой стороны, импульсные токи часто приводят к существенной механической нагрузке легкоплавкого проводника и к весьма различному токораспределению в обычно параллельных узких участках легкоплавкого проводника. Таким образом часто возникает частичное разрушение легкоплавкого проводника. Если внутренней энергии импульса хватает еще на то, чтобы сплошь расплавить легкоплавкий проводник во всех областях узкого участка, то это не обязательно приводит к высокоомному разрыву. Расплавленные остатки легкоплавкого проводника и окружающий его заполнитель часто приводят ко все еще проводящему соединению с сопротивлением в несколько килоом. Это вполне может привести к неправильной индикации обычного устройства, основанного на электрической энергии. Наряду с индикацией неисправности разрядника при повторной импульсной нагрузке это может привести к разрушению разрядника защиты от перенапряжения и/или к разрушению предохранителя. Кроме того, по причине неисправной защиты от перенапряжения опасности подвергается потребитель. Опасность для потребителя сильно увеличивается особенно в тех случаях, когда используются так называемые комбинированные разрядники. В этих устройствах защита от перенапряжения часто реализуется только в одном приборе, то есть отпадает обычно принятое ступенчатое включение разрядников защиты от перенапряжений различной мощности с различными защитными уровнями и одновременно с избыточным действием.
DE 19914313 А1 представляет предохранитель так называемого приспособления для облегчения зажигания искрового промежутка. При этом используются плавкие предохранители или реверсивные предохранители. Расплавление предохранителя используется с помощью электронных схем для оптической, акустической и/или электронной индикации. После срабатывания предохранителя искровой промежуток должен иметь возможность без приспособления для облегчения зажигания оказывать избыточную защитную функцию с повышенным защитным уровнем. Вывод функции индикации из характеристики отключения предохранителей известен, кроме того, из DE 3831935, DE 19751470 или, например, из DE 3228471.
Патентный документ US 6157529 раскрывает разрыв цепи тока с помощью отключения предохранителя и удерживающей катушки выключателя.
Приспособления для облегчения зажигания, как они описаны в DE 19914313 А1, применяются также в комбинированных разрядниках. В этих разрядниках само приспособление для облегчения зажигания может быть выполнено в качестве самостоятельного устройства защиты от перенапряжения, причем это устройство защиты от перенапряжения только при опасности собственной перегрузки посредством триггерной функции активирует элемент короткого замыкания, в целом искровой промежуток. Комбинированный разрядник раскрыт, например, в DE 19838776 С2.
Раскрытие изобретения
Из вышесказанного следует, что задача изобретения состоит в создании усовершенствованного токового предохранителя с дополнительным механическим размыкателем предпочтительно в виде ударника для использования в устройствах защиты от перенапряжения. При этом этот токовый предохранитель обладает высокой, стабильной к старению устойчивостью к импульсному току, механической функцией индикации или поддержанием подобной функции индикации и сигнализации, а также высоким быстродействием.
Кроме того, предложенный токовый предохранитель должен обладать небольшими габаритами, быть удобным в монтаже, а также обладать высокой устойчивостью к пиковому току и обладать высоким напряжением переключения.
Задача изобретения решена в токовом предохранителе с совокупностью признаков по п.1 формулы изобретения, причем зависимые пункты представляют собой по меньшей мере целесообразные варианты реализации и развития.
Согласно изобретению соответственно предусмотрена комбинация функциональных блоков. Эта комбинация содержит предназначенный для импульсных токов плавкий предохранитель с параллельно включенным индикаторным предохранителем, который перенимает функцию ударника. Ударник может служить для механического срабатывания оптической и/или электрической индикации. Ударник и сигнальная функция могут выполняться беспотенциально или с потенциалом.
2
2
Нагрузочная способность по импульсному току собственного предохранителя близко подходит к теоретическому, то есть специфичному для определенного материала интегральному параметру плавления (значение It) легкоплавкого проводника. Таким образом можно избежать в остальном принятого расчета предохранителя с запасом. Это является необходимым по уровню техники, так как обычные легкоплавкие проводники по причине динамических сил тока, несимметричного токораспределения и старения в случае импульсных токов перегружаются уже существенно ниже теоретического значения It. Причиной этого являются геометрия легкоплавких проводников, вид контактирования легкоплавких проводников, подача тока к легкоплавкому проводнику и в легкоплавком проводнике, фиксация легкоплавкого проводника, а также добавки и присадки, которые способствуют старению или преждевременной перегрузке.
Созданная изобретением небольшая по габаритам конструкция находится в диапазоне размеров обычных защитных предохранителей устройства и имеет размеры по существу 5×20 мм. Подобные небольшие устройства могут особенно простым образом крепиться на монтажной плате, также в виде компонента для поверхностного монтажа.
Согласно изобретению, имеется возможность того, чтобы использовать представленное устройство защиты от перенапряжений для триггерной схемы комбинированных разрядников.
Устройство защиты от перенапряжений содержит первый функциональный блок, который включает в себя механический размыкатель. Этот первый функциональный блок содержит первый плавкий элемент.
Второй функциональный блок выполнен в виде собственно защиты от перегрузки и содержит второй плавкий элемент.
Каждый из функциональных блоков расположен в корпусе, причем на соответствующем корпусе находятся боковые лежащие друг напротив друга колпачки или крышки, а легкоплавкие проводники расположены внутри корпуса и электрически подключаются к крышкам.
Первый и второй функциональные блоки включены электрически параллельно. Это параллельное включение соединено последовательно с устройством защиты от перенапряжения.
Функциональные блоки образуют общее механическое соединение, причем каждый корпус окружен отдельной эластичной оболочкой, или оба корпуса окружены общей эластичной оболочкой.
Крышки каждой стороны соответствующего функционального блока, соединенные электрически и механически, переходят в контактный выступ, который способствует или облегчает вышеуказанный монтаж платы всего предохранителя.
На крышке первого функционального блока расположена камера для принятия подпружиненного ударника, причем ударник держится первым плавким элементом в его неподвижном состоянии. С расплавлением первого плавкого элемента под действием силы предварительного натяжения пружины ударник перемещается в свое крайнее конечное положение.
2
Первый плавкий элемент состоит из проволоки, имеющей высокую прочность при растяжении и значение lt, которое существенно ниже, чем таковое для материала второго плавкого элемента.
Корпус первого функционального блока образует камеру электрической дуги, состоящую из трубообразного тела, к которому сбоку примыкает полость, образующая камеру для принятия ударника.
Между камерой электрической дуги и полостью расположены одна или несколько изолирующих пластинок, через которую или через которые проведен первый плавкий элемент.
Распределительная камера электрической дуги заполнена огнегасящим средством.
Полость с ударником ограничивается колпачком с манжетой, причем обращенная от камеры сгорания электрической дуги сторона колпачка с манжетой образует упор для ударной пластины ударника и, тем самым, создает ограничение хода.
Сама ударная пластина может быть окружена изолирующим колпачком.
Ударная пластина выполнена также в виде ударного стержня или ударного штифта, причем путь смещения может быть ограничен посредством упора и выемки внутри крышки кожуха.
Первый плавкий элемент может состоять из композитного материала и иметь по меньшей мере один узкий участок и/или одну область с различным импедансом или с различным сопротивлением.
Второй функциональный блок содержит полый цилиндрический корпус с боковыми колпачками или крышками, причем второй плавкий элемент проведен от крышки к крышке в виде ленты, проволоки или в форме полого цилиндра.
Здесь следует упомянуть, что также и корпус первого функционального блока может иметь форму трубы или полого цилиндра.
Проволочный или полый цилиндрический плавкий элемент второго функционального блока соединен с силовым и/или геометрическим замыканием с внутренними сторонами или с соответствующими проемами в крышках или на крышках.
Полый цилиндр второго плавкого элемента может содержать определенные узкие участки и/или сужения.
Также и корпус второго функционального блока имеет заполнение. Это заполнение может состоять из сильно уплотняемого насыпного материала или также содержать сжимаемые материалы.
В варианте реализации второго плавкого элемента в виде ленты эта лента состоит из плоской проволоки с соотношением ширины к толщине менее 4:1.
Второй плавкий элемент может быть закреплен находящимися в корпусе направляющими перемычками, направляющими кольцами или подобными средствами.
Как первый, так и второй функциональный блок могут быть окружены общим внешним корпусом или быть расположены в таком корпусе.
Краткий перечень чертежей
Далее изобретение поясняется более подробно на основании варианта реализации, а также с помощью чертежей.
На них показано следующее.
Фиг.1: принципиальный вид электрической конструкции токового предохранителя.
Фиг.2: вид сбоку варианта реализации токового предохранителя с электрическим и геометрическим параллельным включением.
Фиг.3: вид в разрезе предпочтительного варианта реализации первого функционального блока.
Фиг.4а-4с: другие варианты реализации функционального блока с вариантами выполнения ударника.
Фиг.5: варианты изменения импеданса легкоплавкого проводника первого функционального блока.
Фиг.6: расположение резистивного материала в камере электрической дуги первого функционального блока.
Фиг.7: принципиальная конструкция второго функционального блока с предохранительной лентой или предохранительной проволокой.
Фиг.8: вид в разрезе варианта реализации аналогично фиг.7, но с направляющими перемычками.
Фиг.9: вид в разрезе комбинации обоих функциональных блоков с показанной внутренней конструкцией.
Фиг.10: другой вариант комбинации функциональных блоков с измененным внутренним прохождением тока между первым и вторым функциональными блоками.
Фиг.11 и 12: альтернативные конструкции для крепления функциональных блоков.
Фиг.13: вид в разрезе варианта реализации первого функционального блока, который может быть расположен отдельно от второго функционального блока, как, например, по фиг.11 или 12 на монтажной плате в электрической параллельной схеме, но не с геометрическим замыканием.
Осуществление изобретения
Фиг.1 показывает принципиальную схему изобретения. Предложенный изобретением прибор А состоит из двух функциональных блоков. Функциональный блок А1 берет на себя защиту от перегрузки элемента В перенапряжения и образует собственно токовый предохранитель. Другой функциональный блок А2 после срабатывания функционального блока А1 реализует механическую функцию индикации и сигнализации, предпочтительно, с помощью используемого ударника.
Представленный токовый предохранитель для приборов защиты от перенапряжения предпочтительно состоит из неподвижного соединения двух функциональных блоков 1 и 2, соединенных параллельно как электрически, так и геометрически, то есть расположенных пространственно параллельно.
Электрическое контактирование происходит предпочтительно совместно посредством контактов 6, выполненных с возможностью контактирования с монтажной платой, которые одновременно могут служить для механического сцепления параллельных функциональных блоков 1 и 2.
Показанные на фиг.2 контакты 6 могут иметь сужение, вследствие чего положение ударника относительно платы (не показана) определяется однозначным образом.
Посредством соединения обоих функциональных блоков 1, 2 создается удобное для монтажа решение, и одновременно достигается небольшой габаритный размер. Как видно из фиг.2, функциональные блоки 1 и 2 находятся друг над другом.
При соответствующем сгибании контактов 6 оба соединенных функциональных блока могут принимать положение, параллельное не показанной монтажной плате, или любое угловое положение.
Каждый функциональный блок 1, 2 обертывается или окружается эластичной оболочкой 4 по периметру, а также общими боковыми колпачками или крышками 3 и, тем самым, является механически стабильным и зафиксированным.
Эластичная оболочка 4 может быть выполнена в простой форме в виде шланга или усадочного рукава с тканевыми элементами или без них, а также в виде второй трубки, например, из эластичного пластмассового материала.
Вышеуказанные меры и фиксация на монтажной плате приводят к увеличению быстродействия функциональных блоков.
Первый функциональный блок 1 реализует желаемую механическую индикаторную функцию посредством ударника или пластины 5 ударника, а также реализует создание высокого напряжения переключения.
Второй функциональный блок 2 берет на себя другие, уже названные задачи.
2
Посредством целесообразного разделения на функциональные блоки, несмотря на небольшие габариты при высоком значении It блока может быть реализовано высокое быстродействие и надежное в работе срабатывание ударника.
Первый функциональный блок 1 содержит механизм для срабатывания ударника.
С помощью ударника на расстоянии, не превышающем половины общей длины функционального блока, на систему срабатывания или на индикаторное устройство может воздействовать определенная сила.
Величина передаваемой силы может задаваться и регулироваться с определенным интервалом в диапазоне примерно от одного ньютона до нескольких десятков ньютонов.
В предпочтительном варианте реализации для этого используются предварительно напряженные нажимные пружины. Конечно, и сам ударник может быть использован в качестве оптического индикатора аналогично простому обычному сигнализатору.
Альтернативно вышеназванной пружине, могут быть предусмотрены также газогенераторы или инициирующие заряды для функции ударника.
2
2
При использовании пружины необходимое высокое и стабильное относительно старения предварительное натяжение реализуется с помощью проволоки, которая обладает высокой прочностью на растяжение. Значение It проволоки согласуется так, что оно существенно меньше, чем значение It второго функционального блока. Предпочтительно, значение меньше 1%. Метровое сопротивление проволоки, напротив, существенно выше, чем таковое во втором функциональном блоке. Предпочтительно используются соотношения, которые больше чем 1:100. К тому же проволока может быть намотана на носитель, чтобы иметь дополнительный импеданс.
Благодаря вышеуказанному согласованию достигается то, что проволока первого функционального блока при импульсной нагрузке остается почти ненагруженной. В случае неисправности, то есть при прерывании прохождения тока во втором функциональном блоке, легкоплавкий проводник также почти незамедлительно разрушается током, величина которого в несколько раз превышает его допустимую токовую нагрузку. Это имеет место также в случае неисправностей вследствие токов с частотой сети. Предпочтительны коэффициенты перегрузки примерно от 20 до 1000. Эти коэффициенты гарантируют адиабатическое нагревание проволоки и разрушение легкоплавкого проводника.
Это разрушение ведет к высокому напряжению переключения. На величину этого напряжения могут влиять геометрическая форма и выбор материала проволоки. Величина напряжения переключения определяется также причиной неисправности и имепдансными соотношениями цепи аварийного тока. В случае триггерной поддержки, которая часто содержит импульсный трансформатор, созданное напряжение электрической дуги может быть повышено вследствие увеличения индуктивности цепи тока.
При подходящем согласовании, тем самым, даже при небольших габаритах функциональных блоков, могут создаваться напряжения переключения, составляющие от нескольких сотен до многих тысяч вольт. Эти напряжения, как правило, достаточны для того, чтобы зажечь, в особенности, искровые промежутки для скользящих разрядов.
Фиг.3 показывает предпочтительную конструкцию первого функционального блока.
В этом виде не показаны эластичная оболочка 4 и образование общих крышек 3. Функциональный блок 1 состоит из камеры 17 электрической дуги и полости 16, которая служит для принятия ударника 5. Камера 17 электрической дуги и полость 16 лежат рядом друг с другом на общей оси.
Камера 17 электрической дуги ограничивается неподвижной трубкой 7, например, из керамики и крышками 8 и 9. Расположенный внутри легкоплавкий проводник 11 проводится через камеру 17 электрической дуги и полость 16 к ударнику 5. Для этого в крышке 9 предусмотрено отверстие.
Для лучшего разделения камеры 17 электрической дуги предусмотрены одна или две изолирующие пластинки 10. Пластинки 10 предпочтительно изготавливаются из эластичного и устойчивого к электрической дуге изоляционного материала. Это позволяет достичь легкого прокалывания материала и плотного прилегания к легкоплавкому проводнику 11, вследствие чего может быть предотвращен нежелательный зазор между пластинками и легкоплавким проводником.
Камера электрической дуги может быть заполнена огнегасящим средством 15, например кварцевым песком.
Полость 16 закрыта специальным колпачком 9. Ударник 5 имеет внешний экран, площадь которого больше, чем площадь полости 16. Ударник 5 также содержит отверстие, через которое проводится и крепится легкоплавкий проводник 11. В полости 16 находится предварительно натянутая пружина 12, которая служит для выполнения функции ударника.
Фиг.4а-4с показывают альтернативные варианты реализации ударника. Согласно фиг.4а весь ударник находится в полости колпачка 9.
Согласно фиг.4b ударник, например электропроводящий, закрыт дополнительной крышкой 13 из изоляционного материала. Тем самым, контактирование выполняется беспотенциальным образом, а крышка 13 служит в качестве дополнительной защиты от выходящих газов или загрязнений.
Ударник по фиг.4с не может выпасть даже в том случае, если нет внешнего упора.
Ход и конечная сила ударника определяются упором на краю колпачка 21 кожуха.
В этом варианте реализации простым образом возможно, чтобы в качестве поддержки пружинной силе использовать дополнительно к ней давление, возникающее в камере. Кроме того, можно отказаться от пластинки 10 перед полостью колпачка 9. Герметизация для предотвращения задувания плазмы достигается с помощью выполнения ударника согласно фиг.4с. Такой вариант реализации годится также для реализации пиротехнического ударника.
Особое значение отводится изолирующим пластинкам 10. Эти пластинки 10 служат для герметизации камеры, вследствие чего предотвращается выход ионизированной плазмы. Этой плазме будет противостоять незадутое поведение разрядников и в случае стесненного пространства она будет представлять опасность.
Изолированная пластинка 10 препятствует, впрочем, стабильному опиранию дуги на противоположной крышке, вследствие чего уменьшается разрывная мощность и, тем самым, нагрузка первого блока.
Вместо пластинок 10 могут использоваться также массивные изоляционные материалы. Также, весь проходной изолятор может быть выполнен из одного изоляционного материала. В этом случае прохождение тока к проволоке осуществляется через переднюю полую цилиндрическую крышку и ударник.
Если только внутренняя область проходного изолятора изготовлена из изоляционного материала, то прохождение тока к проволоке может осуществляться через пружину, если диаметр пружины больше, чем изолированная область.
Для крепления ударника могут быть использованы и другие варианты проходного изолятора для проволоки. Также для проволоки, используемой в качестве легкоплавкого проводника, могут применяться композитные проволочные материалы.
Фиг.5 показывает вариант реализации с многокомпонентным композитным легкоплавким проводником. Этот вариант реализации имеет то преимущество, что легкоплавкий проводник испаряется только в области узкого участка. Тем самым, область электрической дуги может быть оптимально позиционирована внутри дугогасительной камеры и снижена опасность задувания плазмы.
Согласно виду по фиг.5 дополнительно к импедансу легкоплавкого проводника включен другой импеданс, а именно, например, в форме резистора 22. Этот вариант реализации обладает таким преимуществом, что ток может быть ограничен до и также после расплавления легкоплавкого проводника. Отсюда следует положительная разрывная мощность.
Согласно виду фиг.6 в камере электрической дуги располагается резистивный материал 20, причем с резистивным материалом 20 контактирует собственно легкоплавкий проводник. Альтернативно внесению сопротивлений или резистивных материалов могут использоваться и другие импедансы.
Однако импедансы могут быть расположены также уже вне функционального блока, что в случае разделенных функциональных блоков легко возможно. Однако и в случае соединения согласно фиг.2, такое расположение импедансов может происходить без затрат. Материал колпачков 8, 9 функционального блока 1 может являться резистивным материалом. Над участком перехода тока к функциональному блоку 2 общая соединительная крышка 3 может быть выполнена из резистивного материала, или в соединительной области между функциональными блоками 1 и 2 могут быть приняты меры по увеличению импеданса, например могут быть расположены узкие участки или меандры.
Уменьшение предварительного натяжения и центровка проволоки могут происходить посредством крепления припоя в области проходного изолятора. При этом проходной изолятор и характеристики припоя (например, низкая температура плавления, небольшой объем) выбраны так, что возникающая электрическая дуга разъединяет крепление проволоки.
Проволока может быть, кроме того, многократно намотана вокруг пружины для распределения силы. Ударник может быть выполнен незакрепленным или невыпадающим. Кроме того, возможны электропроводящие варианты реализации ударника, а также изолированные варианты.
Электропроводящие варианты могут наряду с основными функциями дополнительно использоваться для передачи электрических сигналов. Напротив, изолированные варианты реализации гарантируют желаемое отсутствие потенциалов возможных индикаторных средств.
Фиг.7 показывает, например, вариант реализации второго функционального блока. Этот второй функциональный блок реализует основную функцию защитного устройства.
Для достижения высокой устойчивости к импульсному току используются следующие меры.
Крепление легкоплавкого проводника 30 происходит только с минимальным использованием или с отказом от средств, которые в нормальном состоянии или при нагревании могли бы способствовать старению легкоплавкого проводника, например, посредством окисления или посредством диффузии. Такими отрицательными средами являются припои, вещества для припоя, а также прочие материалы, которые склонны к диффузии или к реакции с легкоплавким проводником. Это относится также и к заполняемым средам. Вместо паяного соединения используются предпочтительно клеммные соединения, занимающие большую площадь, избегая сужение, но также используются и сварные соединения.
Легкоплавкий проводник 30 для достижения максимальной устойчивости к импульсному току может быть выполнен цельно в форме проволоки или в виде полого цилиндра.
В случае большого поперечного сечения легкоплавкого проводника, полой цилиндрической форме отдается предпочтение перед обычным разделением параллельных легкоплавких проводников, так как такая форма, несмотря на аналогично высокое быстродействие, обладает меньшими недостатками относительно старения и возможно неравномерного разделения тока.
Для реализации отдельных узких участков для увеличения быстродействия на цилиндре могут быть расположены постепенные сужения легкоплавкого проводника. Сужения выполнены так, что и в случае высокой крутизны характеристики достигается почти равномерное распределение плотности тока в каждом осевом участке легкоплавкого проводника и особенно в области узкого участка.
Сужения могут происходить как по периметру, так и по толщине слоя. Альтернативно этому, перемычки могут быть также расположены электропроводящим образом или непроводящим образом, вследствие чего электрическая дуга может быть разделена или частично экстремально сужена.
При этом полый проводник может быть выполнен в виде полого цилиндра, но также и в виде проводящего покрытия цилиндра.
При выборе полого цилиндра он может быть заполнен той же огнегасящей средой или другой огнегасящей средой по сравнению с остальной камерой сгорания электрической дуги. В случае покрытия цилиндра, он может состоять из изоляционного материала или из полупроводящего материала. Подходящим выбором материала цилиндра может быть поддержано гашение электрической дуги. Материал может быть, например, газовыделяющим материалом. В этом варианте реализации имеется высокая механическая прочность, достаточное быстродействие и высокая устойчивость к импульсному току. Если пространственные габариты всего искрового промежутка ограничены, то, возможно, имеет смысл реализовать искровой промежуток в виде полого цилиндра с внутренним покрытием. Такой вид способствует, к тому же, равномерному распределению ударной волны к внешней стенке или к внешнему корпусу. При особо больших габаритных объемах токового предохранителя полый проводник может предложить также возможность встраивания ударника, несмотря на отдельную камеру электрической дуги.
В качестве материала для легкоплавкого проводника используются предпочтительно медь, серебро или их сплавы. При использовании меди целесообразным будет выполнить защитный слой от окисления. Направление легкоплавкого проводника происходит центрально посредством корпуса 31. Токоподвод к крышкам 32 осуществляется без токовых петель или только с небольшими токовыми петлями.
Заполняющая среда 33 выбрана так, что она не способствует никаким динамическим движениям легкоплавкого проводника 30.
Если в качестве заполняющей среды выбирается кварцевый песок, то может быть достаточно оптимального распределения размера зерен и оптимизированного уплотнения.
Дополнительно могут быть предусмотрены направляющие перемычки 34 в соответствии с фиг.8. Направляющие перемычки 34 могут быть выполнены изолированно или же в виде металлических пластин для разделения электрической дуги.
Перемычки 34 могут быть соединены друг с другом для механического направления или в другом варианте опираться, находясь параллельно на расстоянии друг от друга, на внутренней стенке корпуса 31.
В одном из вариантов заполняемого материала используется так называемый каменный песок. Альтернативно этому, для заполнения подходят также насыпные материалы, которые могут сильно сжиматься. Наряду с насыпными материалами могут применяться также заполняющие среды на эпоксидной или силиконовой основе с отвердителем или без него. К этим материалам может быть добавлен большой процент примесей огнегасящих сред, таких как песок, керамика, стекло или газовыделяющие вещества.
Если вокруг легкоплавкого проводника прокладываются простые трубки для задувания, то дополнительно может быть использовано песочное заполнение, или же преимущественным будет применение стабилизирующих перемычек или стабилизирующих жидкостей для демпфирования движения.
При использовании массивных, несжимаемых заполнений, а также в случае применения каменного песка следует учитывать, что эти материалы при образовании электрической дуги переносят ударные волны на корпус 31 почти без затуханий. Поэтому требуется очень высокая динамическая прочность корпуса. Альтернативно этому, могут быть предусмотрены сжимаемые заполняющие среды или реализуются возможности для затухания ударной волны. Это могут быть, с одной стороны, меры для равновесного распределения давления. Для этого могут быть дополнительно реализованы эластичные, но также и жесткие цилиндры между легкоплавким проводником и стенкой корпуса. Однако в заполняющей среде могут быть созданы также необходимые разрушаемые стенки (или перегородки) и компенсационные пространства. Заполняющие среды могут содержать также взрывные составные части. Здесь могут применяться полые шарики из стекла или керамики.
Вместо заполняющих сред легкоплавкий проводник может быть проложен и в твердых телах. Эти твердые тела могут быть выполнены газовыделяющими для поддержания гасящей способности. В качестве газовыделяющих сред могут использоваться, например, такие полимеры, как полиоксиметилен, "Hartgas", или также керамика или вещества с такими примесями.
Благодаря вышеописанной конструкции достигается очень высокая устойчивость к импульсному току, которая лежит вблизи теоретического значения легкоплавкого проводника. Описанный вариант реализации достаточен для требования токовых предохранителей для множества устройств защиты от перенапряжения.
В случае использовании изобретения для комбинированных разрядников, по причине специальных требований, предъявляемых к ним, также может иметь смысл и другая оценка требований к соответствующим защитным устройствам для их расчета и для создания их вариантов реализации. Если должна быть достигнута очень высокая устойчивость к импульсному току, то даже в случае меди это приводит к номинальным поперечным сечениям легкоплавкого проводника. По причине небольшого габаритного размера функциональных блоков для этого применения максимальная разрывная мощность электрической дуги задается в зависимости от вида корпуса. Простая круглая проволока, но также и полый проводник приводят в случае больших диаметров к превышению границы нагрузки. Поэтому для достижения высокого быстродействия целесообразным будет выбирать разный вид легкоплавкого проводника.
Если пространственные габариты сильно ограничены, а желаемая устойчивость к импульсному току очень высокая, то в качестве легкоплавкого проводника может быть использована плоская проволока. Предпочтительно здесь используется плоская проволока с соотношением ширины к толщине <4:1.
Выполнение легкоплавкого проводника в виде плоской проволоки хоть и приводит с уменьшением отношения толщины к ширине к уменьшению максимальной импульсной нагрузки по сравнению с круглой проволокой той же площади поперечного сечения, но в данном случае быстродействие может быть существенно увеличено.
Реализация легкоплавкого проводника в виде плоской проволоки дает к тому же дополнительные возможности оптимизации. Так, например, величина устойчивости к пиковому току может регулироваться довольно простым образом. Это значение является особенно важным для защиты варисторов в так называемых триггерных схемах комбинированных разрядников.
Положение плоской проволоки в предохранителе влияет наряду с геометрическим выполнением подключений второго функционального блока также на действие динамических сил тока на легкоплавкий проводник. Если плоская кромка легкоплавкого проводника находится перпендикулярно к направлению действия тока, а подключения второго функционального блока по возможности прямые, то может возникнуть очень высокое значение пикового тока (см. принципиальную конструкцию согласно фиг.9).
Если, напротив, широкая сторона легкоплавкого проводника подвержена действию сил тока и к тому же токоподвод выполнен петлеобразно, то максимальный пиковый ток превышает величину максимального импульсного тока лишь незначительно (см. принципиальную конструкцию по фиг.10).
Токовый предохранитель срабатывает в последнем из названных случаев почти исключительно вследствие сил тока, а не вследствие адиабатического нагревания. Тепловая нагрузка лежит при этом ниже интегрального параметра плавления.
Длина токоподвода при расположенных параллельно один над другим функциональных блоках может быть достигнута уже посредством изменения последовательности функциональных блоков без изменения деталей конструкции. При направлении легкоплавкого проводника в твердых материалах или также в обычных заполняемых материалах для дальнейшего снижения устойчивости к пиковому току и для увеличения гасящей способности могут быть использованы меандры или витки.
Функциональные блоки 1 и 2 обладают высокопрочным корпусом. В качестве материалов для этих корпусов может применяться специальная керамика, но также и намотанные стекловолоконные материалы.
Дополнительно каждый корпус или также оба корпуса вместе окружены эластичным цилиндром. Он служит в качестве дополнительной защиты в случае перегрузки корпуса или в случае выхода газа между крышками и корпусом. Далее, удлиняются внешние пробойные участки и предотвращаются критические увеличения напряженности поля или опасные скользящие участки.
Материал эластичных цилиндров может быть к тому же газовыделяющим веществом или может быть покрыт таким материалом. При выходе горячего газа или сажи из предохранителя это приводит к выделению газа, вследствие чего предотвращается равномерное покрытие сажей, а разрядка поверхностей может быть остановлена. Кроме того, могут быть предусмотрены другие узлы, например, в форме перемычек, которые служат для удлинения пути.
Посредством общей фиксации обоих функциональных блоков с общими стабильными соединительными крышками с геометрическим замыканием достигается высокая механическая стабильность функциональных блоков друг с другом, но также и отдельных узлов функциональных блоков, особенно крышек на корпусе.
Посредством фиксации этих общих соединительных крышек на монтажной плате, может быть дальше повышена механическая прочность.
Посредством этих мер быстродействие относительно одного единственного функционального блока может быть увеличено и далее. Названные меры ведут к возникновению мощности, которая может быть существенно увеличена по сравнению с такими же по величине традиционными предохранителями для защиты устройств.
Фиг.11 и 12 показывают альтернативное расположение для крепления второго функционального блока 2 на монтажной плате. Эти расположения должны вести к минимально возможному образованию токовых петель.
Согласно фиг.11 внешняя крышка содержит паяные соединительные накладки 40, которые подходят также для поверхностного монтажа. Фиг.12 показывает вариант, при котором функциональный блок выполнен с возможностью впаивания прямо в монтажную плату 41, причем для этого применяются клеммы 42, пригодные для пайки.
Крепление электрически параллельного функционального блока 1 может происходить также в соответствии с фиг.13. В данном случае между функциональными блоками 1 и 2 выполняется электрическое соединение посредством проводящих соединений монтажной платы, а также, при необходимости, посредством отпечатанных или дискретных импедансов.
Если быстродействие простого предохранителя монтажной платы будет достаточным, то второй функциональный блок 2 также может быть выполнен в виде подобного предохранителя.