ЭЛЕМЕНТ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
OVERVOLTAGE PROTECTION ELEMENT

Изобретение относится к элементу защиты от перенапряжения с корпусом и по меньшей мере одним установленным в корпусе ограничивающим перенапряжение компонентом, прежде всего газонаполненным разрядником, искровым разрядником, защитным диодом или варистором.
Защита от перенапряжения может быть классифицирована по разным областям применения. При этом прежде всего делают различие между защитой от перенапряжения для техники измерения, управления и регулирования и для информационной техники и телекоммуникаций. Интерфейсы техники измерения, управления и регулирования намного чувствительней к перенапряжению, чем системы электроснабжения. Поэтому для защиты от перенапряжения в области техники измерения, управления и регулирования используют большей частью элементы защиты от перенапряжения с комбинированными схемами защиты, при этом по меньшей мере один ограничивающий перенапряжение компонент служит для грубой защиты и по меньшей мере один ограничивающий перенапряжение компонент служит для тонкой защиты. Поэтому часто используют косвенное параллельное включение газонаполненного разрядника и защитного диода, при этом между газонаполненным разрядником и защитным диодом располагается развязывающий резистор.
Известные элементы защиты от перенапряжения часто конструктивно выполнены в виде «защитных штекеров», которые вместе с нижней часть прибора образуют прибор для защиты от перенапряжения. Для установки подобного прибора для защиты от перенапряжения в нижней части прибора предусматривают соответствующие соединительные клеммы для отдельных проводников. Для простого механического и электрического контактирования нижней части прибора с элементом защиты от перенапряжения присоединительные элементы на элементе защиты от перенапряжения выполнены как штекеры, которым в нижней части прибора соответствуют связанные с соединительными клеммами штекерные гнезда, так что элемент защиты от перенапряжения просто вставляется в нижнюю часть прибора.
У таких приборов для защиты от перенапряжения установка и монтаж путем вставления элемента защиты от перенапряжения осуществляются очень легко и с экономией времени. Вдобавок, подобные приборы для защиты от перенапряжения имеют устройство дистанционной индикации в качестве датчика сигналов состояния элемента защиты от перенапряжения, выполненное обычно в виде реле, а также оптический индикатор состояния в элементе защиты от перенапряжения. Индикатор состояния показывает, являются ли находящиеся в элементе защиты от перенапряжения компоненты все еще работоспособными или нет. В качестве ограничивающего напряжения компонента в зависимости от области применения используются варисторы, газонаполненные разрядники, искровые разрядники или диоды, прежде всего защитные диоды.
Вследствие старения, предповреждения под действием процессов утечек и иногда возникающих перенапряжений длительностью в несколько секунд наблюдается, прежде всего, у элементов защиты от перенапряжения с варистором в качестве ограничивающего перенапряжение компонента нежелательное увеличение токов утечки варистора при рабочих напряжениях. Поэтому элементы защиты от перенапряжения с варистором в качестве разрядника в настоящее время часто имеют в своем составе тепловые отключающие устройства, с помощью которых уже не работающий безупречно варистор отключается от защищаемой токопроводящей дорожки. Кроме того, тепловые отключающие устройства используются также у элементов защиты от перенапряжения с искровым разрядником.
Подобный элемент защиты от перенапряжения известен, например, из DE 202004006227 U1. У существующих элементов защиты от перенапряжения наблюдение за состоянием ограничивающего перенапряжение компонентом, прежде всего варистора, осуществляется по принципу температурного выключателя, так что при перегреве варистора происходит разъединение паяного соединения, предусмотренного между варистором и разделительным элементом, что приводит к электрическому отсоединению варистора. Кроме того, при разъединении паяного соединения пластмассовый элемент под действием возвращающей силы пружины переводится из первого положения во второе положение, в котором выполненный в виде пружинного металлического язычка разделительный элемент отделяется пластмассовым элементом термически и электрически от варистора. Поскольку пластмассовый элемент имеет две расположенные рядом цветные метки, то он дополнительно выполняет функции оптического индикатора состояния, благодаря чему состояние элемента защиты от перенапряжения может быть легко считано. Однако с помощью такого встроенного индикатора может быть лишь подан сигнал о дефекте элемента защиты от перенапряжения.
Поскольку приборы защиты от перенапряжения подвержены воздействию высоких ударных токовых нагрузок, то некоторые ограничивающие перенапряжение компоненты в зависимости от величины и частоты нагрузок могу повреждаться, так что регулярно должна контролироваться работоспособность элемента защиты от перенапряжения. Для контроля работоспособности штекерных элементов защиты от перенапряжения заявителем продается переносный прибор для проверки разрядников под названием "CHECKMASTER" (каталог TRABTECH 2007, страницы с 166 по 173), имеющий контрольный разъем, в который вставляется подлежащий проверке защитный прибор со штекерами. При этом определяются фактические электрические параметры ограничивающего перенапряжение компонента и сравниваются с заданными значениями, при этом путем измерения величин допуска сильно нагруженные компоненты могут быть идентифицированы как предварительно поврежденные. Тем самым, прибор для проверки разрядников позволяет - в дополнение к индикации поврежденных элементов защиты от перенапряжения - профилактическое обследование элемента защиты от перенапряжения. Недостатком, однако, является то, что для этого элемент защиты от перенапряжения должен быть снят с нижней части прибора, так что проверка во время работы невозможна.
Поэтому в основе данного изобретения лежит задача создания описанного в начале элемента для защиты от перенапряжения, который делает возможным контроль работоспособности и состояния элемента защиты от перенапряжения во время работы.
Эта задача в случае описанного в начале элемента защиты от перенапряжения решена посредством того, что с ограничивающим перенапряжение компонентом соотнесен контролирующий компонент, который измеряет протекающий через ограничивающий перенапряжение компонент ток, и что предусмотрен блок обработки результатов, оценивающий сигнал контролирующего компонента.
Благодаря тому, что с ограничивающим перенапряжение компонентом соотнесен контролирующий компонент, который измеряет протекающий через ограничивающий перенапряжение компонент ток, прежде всего ток утечки, возможно определение нагрузки на ограничивающий перенапряжение компонент во время работы. Благодаря использованию соответствующего блока обработки результатов, который оценивает сигнал, вырабатываемый контролирующим компонентом на основании протекающего через ограничивающий перенапряжение компонент тока, можно судить о нагрузке на ограничивающий перенапряжение компонент, прежде чем произойдет повреждение компонента. Тем самым, могут быть своевременно обнаружены и заменены находящиеся в предповрежденном состоянии ограничивающие перенапряжение компоненты. При этом блок обработки результатов предпочтительно устроен так, что он, наряду с частотой и величиной нагрузки на ограничивающий перенапряжение компонент, оценивает также и длительность воздействия нагрузки, то есть продолжительность протекания тока утечки.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения блок обработки результатов гальванически изолирован от пути протекания тока утечки, по которому протекает измеряемый контролирующим компонентом ток. Поскольку при приложении перенапряжения через ограничивающий перенапряжение компонент, прежде всего газонаполненный разрядник или искровой разрядник, может протекать очень большой ток, то гальваническая изоляция блока обработки результатов от пути протекания тока утечки защищает блок обработки результатов от повреждения и позволяет снизить амплитуду оцениваемого блоком обработки результатов сигнала.
В первом предпочтительном варианте элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению в качестве контролирующего компонента используется катушка, которая индуктивно связана с путем протекания тока утечки, при этом катушка соединена с интегратором. Благодаря использованию катушки ток утечки может быть измерен без оказания влияния на фактическую цепь защиты, то есть на путь протекания тока утечки. Благодаря использованию интегратора измеряется не только сила протекающего через катушку обусловленного током утечки тока, но и его энергия. Исходя из определенной таким образом энергии импульса, могут быть определены и оценены по отдельности или в сумме нагрузки на ограничивающий перенапряжение компонент, прежде всего, газонаполненный разрядник.
В простейшем случае в качестве интегратора может быть использован конденсатор, который заряжается протекающим через катушку током, так что в конце концов оценивается напряжение на конденсаторе. Как альтернатива в качестве интегратора может быть использован микроконтроллер с, предпочтительно, встроенным аналого-цифровым преобразователем.
Согласно второму варианту элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению в качестве контролирующего компонента используется фотоэлемент, при этом в этом варианте в качестве ограничивающего перенапряжение компонента предусмотрены газонаполненный разрядник или искровой разрядник. В случае газонаполненного разрядника или искрового разрядника при приложении перенапряжения между двумя электродами возникает электрическая дуга, через которую протекает ток утечки. При этом фотоэлемент оптически связан с газонаполненным разрядником или искровым разрядником таким образом, что фотоэлемент регистрирует образовавшуюся электрическую дугу. Посредством фотоэлемента происходит гальваническая изоляция пути протекания тока утечки и расположенного после фотоэлемента блока обработки результатов.
Блок обработки результатов в этом варианте элемента защиты от перенапряжения выполнен так, что, предпочтительно, могут быть оценены как интенсивность, так и длительность горения электрической дуги. Преимущество этого варианта заключается, прежде всего, в том, что путем оценки длительности горения электрической дуги можно определить случаи, когда после собственно процесса отвода тока не происходит гашения электрической дуги, следствием чего может быть протекание через не погасшую электрическую дугу нежелательного тока последействия.
Согласно еще одному варианту элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению, в качестве контролирующего компонента используется оптопара, которая подключена параллельно резистору, подключенному последовательно с ограничивающим перенапряжение компонентом, и регистрирует протекающий через резистор ток. Использование оптопары в качестве контролирующего компонента пригодно как в случае ограничивающих перенапряжение компонентов, которые служат для грубой защиты, например газонаполненного разрядника или искрового разрядника, так и в случае ограничивающих перенапряжение компонентов, которые служат для тонкой защиты, например защитного диода.
Если оптопара используется для контроля работы газонаполненного разрядника или искрового разрядника, то подключенный последовательно с ограничивающим перенапряжение компонентом резистор, который подключен параллельно оптопаре, выполняет функцию шунта. Тем самым резистор имеет относительно низкую величину сопротивления, так что не влияет на работу ограничивающего перенапряжение компонента.
Согласно предпочтительному осуществлению третьего варианта, в случае которого в элементе защиты от перенапряжения в качестве ограничивающего перенапряжение компонента присутствуют как газонаполненный разрядник или искровой разрядник, так и защитный диод, и в случае которого между газонаполненным разрядником или искровым разрядником и защитным диодом имеется развязывающий резистор, оптопара подключена параллельно развязывающему резистору. Элемент защиты от перенапряжения с газонаполненным разрядником, защитным диодом и развязывающим резистором известен из современного состояния техники, прежде всего, в области измерения, управления и регулирования. Для контроля состояния защитного диода параллельно уже имеющемуся развязывающему резистору в качестве контролирующего компонента подключена оптопара. При высокоомной нагрузке элемента защиты от перенапряжения ток через развязывающий резистор соответствует току через защитный диод, так что путем измерения тока, протекающего через развязывающий резистор, с помощью оптопары может быть определена нагрузка на защитный диод и сделан вывод о его предполагаемом сроке службы. Кроме того, может быть обнаружено превышение допустимого протекающего через развязывающий резистор тока нагрузки, так что может быть подан сигнал о повреждении резистора или предотвращено его повреждение.
Независимо от того, используется ли оптопара для наблюдения за работой газонаполненного разрядника или защитного диода, за счет использования оптопары создается гальваническая изоляция блока обработки результатов и измеренный ток в линии пути протекания тока утечки преобразуется в меньший, легко измеряемый и поддающийся анализу ток. При этом, естественно, также возможно, что у элемента защиты от перенапряжения с газонаполненным разрядником или искровым разрядником и защитным диодом работоспособность газонаполненного разрядника контролируется одной оптопарой, а работоспособность защитного диода контролируется другой оптопарой.
Согласно альтернативному варианту осуществления изобретения вышеназванная задача в случае элемента защиты от перенапряжения с защитным диодом в качестве ограничивающего перенапряжения компонента решена за счет того, что защитный диод располагается в одном плече диодной мостовой схемы и к защитному диоду подключен прибор для измерения емкости, при этом с помощью прибора для измерения емкости измеряются емкость или изменение емкости защитного диода. В качестве прибора для измерения емкости может быть использован, например, генератор. Путем размещения защитного диода в плече диодной мостовой схемы возможно измерение емкости или измерение изменения емкости без нарушения работоспособности защитного диода в качестве ограничивающего перенапряжение компонента. При этом изменение емкости защитного диода является сигналом об изменении защитного диода и, тем самым, о воздействии на защитный диод нагрузки.
Преимуществом является то, что четыре диода диодной мостовой схемы имеют существенно более низкую емкость, чем защитный диод. За счет этого снижается общая емкость диодной мостовой схемы, благодаря чему становится возможной работа подключенной схемы на более высокой частоте сигнала.
Согласно варианту выполнения элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению, который может быть предпочтительно реализован как в случае первой альтернативы, так и в случае второй альтернативы в корпусе находится по меньшей мере один оптический индикатор состояния по меньшей мере для одного ограничивающего перенапряжение компонента, так что возможна непосредственная индикация состояния ограничивающего перенапряжение компонента. Индикатор состояния может при этом иметь предпочтительно три области с различной маркировкой, прежде всего три области с разным цветом, например зеленым, желтым и красным, так что возможна индикация не только повреждения ограничивающего перенапряжение компонента, но и состояния предповреждения. Если элемент защиты от перенапряжения содержит несколько ограничивающих перенапряжение компонентов, то возможна индикация состояния для каждого отдельного компонента.
Согласно еще одному предпочтительному варианту осуществления изобретения элемент защиты от перенапряжения наряду с оптическим индикатором состояния имеет также контакт дистанционной индикации для дистанционной индикации состояния элемента защиты от перенапряжения или состояния отдельных ограничивающих перенапряжение компонентов.
В частности, имеется множество возможностей конструктивного выполнения и дальнейшего совершенствования элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению. По этому вопросу следует обратиться к пунктам 1 и 10 приведенной ниже формулы изобретения, а также последующему описанию предпочтительных примеров осуществления вместе с фигурами.
На изображении показаны:
Фиг.1 - упрощенная схема первого варианта выполнения элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению,
Фиг.2 - упрощенная схема второго варианта выполнения элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению,
Фиг.3 - упрощенная схема третьего варианта выполнения элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению,
Фиг.4 - упрощенная схема четвертого варианта выполнения элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению, и
Фиг.5 - упрощенная схема еще одного варианта выполнения элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению.
На каждой из фигур показана упрощенная схема различных вариантов выполнения элемента защиты от перенапряжения согласно изобретению, при этом на каждой схеме показаны лишь ограничивающий перенапряжение компонент или ограничивающие перенапряжение компоненты, а также контролирующий компонент.Фиг.1-3 иллюстрируют при этом по одному примеру выполнения, в котором в качестве ограничивающего перенапряжение компонента предусмотрен газонаполненный разрядник 1. В примерах выполнения согласно фиг.4 и 5 в дополнение к газонаполненному разряднику 1 в качестве грубой защиты предусмотрен еще защитный диод 2 в качестве тонкой защиты. Представленные на фигурах упрощенные схемы имеют по два входных контакта 3 для подключения двух проводов и по два выходных контакта 4 для подключения защищаемого прибора, например датчика или устройства управления. Могут быть предусмотрены и другие контакты, например контакт для соединения с корпусом, хотя они на фигурах не показаны.
Общим для примеров выполнения согласно фиг.1-4 является то, что с газонаполненным разрядником 1 (фиг.1-3) или защитным диодом 2 (фигура 4) соотнесен контролирующий компонент, который измеряет ток i, протекающий через газонаполненный разрядник 1 или защитный диод 2. Вырабатываемый контролирующим компонентом в зависимости от тока i сигнал анализируется не показанным здесь блоком обработки результатов, при этом блок обработки результатов в примерах выполнения согласно фиг.1-4 гальванически изолирован от пути 5 протекания тока утечки, по которому протекает ток через газонаполненный разрядник 1 или защитный диод 2.
В примере выполнения согласно фиг.1 контролирующим компонентом является катушка 6, которая индуктивно связана с путем 5 протекания тока утечки, так что катушкой 6 регистрируется протекающий через газонаполненный разрядник ток i. Катушка 6 соединена с интегратором 7, с помощью которого может быть определена энергия импульса тока, протекающего через газонаполненный разрядник 1. Исходя из энергии импульса, может быть определена нагрузка на газонаполненный разрядник 1 под действием тока утечки i.
В примере выполнения согласно фиг.2 в качестве контролирующего компонента используется фотоэлемент 8, при этом фотоэлемент 8 расположен вблизи газонаполненного разрядника 1 таким образом, что фотоэлемент 8 регистрирует электрическую дугу, возникающую при приложении перенапряжения в газонаполненном разряднике 1. Путем подходящей обработки сигнала можно определить на основании зарегистрированной фотоэлементом 8 электрической дуги интенсивность и продолжительность процесса разряда и, тем самым, вычислить величину нагрузки на газонаполненный разрядник 1.
В случае обоих примеров выполнения согласно фиг.3 и 4 в качестве контролирующего компонента используется оптопара 9, при этом в варианте согласно фиг.3 оптопара подключена параллельно к включенному последовательно с газонаполненным разрядником 1 резистору 10. В то время как в случае примера выполнения согласно фиг.3 оптопарой 9 осуществляется контроль работоспособности газонаполненного разрядника 1, в примере выполнения согласно фиг.4 оптопара 9 контролирует защитный диод 2. Для этого оптопара 9 подключена параллельно развязывающему резистору 11, который расположен между газонаполненным разрядником 1 и защитным диодом 2.
На пути тока через оптопару 9 расположен еще один резистор 12, сопротивление которого намного выше сопротивления резистора 10 или развязывающего резистора 11. В примере выполнения согласно фиг.4 величина сопротивления развязывающего резистора 11 лежит в диапазоне нескольких Ом, в то время как величина сопротивления резистора 12 лежит в диапазоне, например, нескольких сотен Ом.
При этом оптопара 9 используется для регистрации протекающего через резистор 10 или развязывающий резистор 11 тока, при этом оптопарой 9 или подключенным к ней блоком обработки результатов регистрируются как амплитуда, так и длительность импульса тока i, протекающего через резистор 10 или развязывающий резистор 11 и, тем самым, при высокоомной нагрузке также через газонаполненный разрядник 1 или защитный диод.
На фиг.5 показан вариант выполнения элемента защиты от перенапряжения с газонаполненным разрядником 1 и защитным диодом 2, у которого состояние защитного диода 2 проверяется посредством того, что регистрируются емкость Сх или изменение емкости защитного диода 2, для чего к защитному диоду подключен прибор 13 для измерения емкости, например генератор и/или микроконтроллер. Как видно на фиг.5, защитный диод 2 находится в плече 14 диодной мостовой схемы 15, благодаря чему возможно измерение емкости Сх без оказания влияния на работу защитного диода 12 как ограничивающего перенапряжение компонента, а именно, ограничивающего перенапряжение компонента для тонкой защиты. Отдельные диоды диодной мостовой схемы 15 обладают существенно меньшей емкостью, чем защитный диод 2.
Хотя на фиг.1-5 предусмотрен соответственно только один контролирующий компонент для наблюдения за работоспособностью ограничивающего перенапряжение компонента, специалисту ясно, что для наблюдения за несколькими ограничивающими перенапряжение компонентами могут быть также предусмотрены несколько одинаковых или различных контролирующих компонентов.
Так, например, в элементе защиты от перенапряжения согласно фиг.4, у которого имеется как газонаполненный разрядник 1, так и защитный диод 2, работоспособность газонаполненного разрядника 1 контролируется посредством первой оптопары 9, а работоспособность защитного диода 2 посредством второй оптопары 9. Также, например, можно в случае представленного на фиг.4 и 5 элемента защиты от перенапряжения контролировать работоспособность газонаполненного разрядника 1 с помощью катушки 6 согласно фиг.1 или с помощью фотоэлемента 8 согласно фиг.2.