ЭЛЕМЕНТ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
OVERVOLTAGE PROTECTION ELEMENT

Изобретение относится к элементу защиты от перенапряжений.
Элементы защиты от перенапряжений часто используются для защиты электрических и электронных установок от перенапряжений, которые могут передаваться через сеть электроснабжения. Такие перенапряжения, в частности, могут возникать в результате грозовых разрядов, попадающих в структуру сетей электроснабжения через систему заземления.
Такой элемент защиты от перенапряжений известен, например, из ЕР 0987803 В1 в виде устройства для защиты от перенапряжений электрических установок, с которыми устройство соединено с помощью средств соединения, имеющих по меньшей мере два соединителя, причем устройство, помимо этого, содержит элемент для защиты от ударов молнии, первый полюс которого непосредственно соединен с первым из соединителей. Второй полюс элемента соединен с первым участком провода. Кроме того, устройство содержит второй участок провода, непосредственно соединенный со вторым из соединителей. К тому же устройство содержит плавкие предохранители, чтобы обеспечивать электрический контакт стабильного ползунка в рабочем положении устройства с участками провода, причем эти средства служат для того, чтобы непрерывно отжимать ползунок в разомкнутое положение устройства, в котором ползунок перестает контактировать с двумя участками провода.
Однако такой элемент защиты от перенапряжений пригоден лишь для относительно низкоэнергетических импульсных нагрузок и для вызываемых ими меньших электродинамических сил. При этом электродинамические силы в решающей степени зависят от формы импульса, а частично и от величины амплитуды ударного тока.
Поэтому в основу изобретения положена задача создания элемента защиты от перенапряжений, с помощью которого обеспечивается отведение как ударных токов с большими амплитудами (с обычной длительностью импульса 8/20 мкс), которые могут возникнуть при коммутационных операциях, так и высокоэнергетических частичных токах молнии (с обычной длительностью импульса 10/350 мкс).
Задача согласно изобретению решается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Элемент защиты от перенапряжений согласно изобретению содержит контактный язычок и контактный элемент, расположенный дистанцированно от контактного язычка, причем предусмотрен соединительный элемент, переводимый в первое и во второе положения, причем в первом положении соединительный элемент для электрического соединения контактного язычка с контактным элементом прилегает к контактному язычку и к контактному элементу, а во втором положении соединительный элемент расположен дистанцированно от контактного язычка и контактного элемента, причем в первом положении между соединительным элементом и контактным язычком и между соединительным элементом и контактным элементом предусмотрено термически разъединяемое соединение, причем в первом положении соединительный элемент по меньшей мере частично охватывает контактный язычок и/или контактный элемент.
Соединительный элемент служит для установления контакта между контактным язычком и контактным элементом, расположенным дистанцированно от контактного язычка, причем в состоянии контактирования, в первом положении соединительного элемента, соединительный элемент прилегает к поверхности контактного язычка и к поверхности контактного элемента, причем соединительный элемент, предпочтительно, по меньшей мере частично согласован с контуром контактного язычка и с контуром контактного элемента. При этом поверхность контактного язычка и поверхность контактного элемента, к которым прилегает соединительный элемент, могут располагаться в одной плоскости по отношению друг к другу, так что соединительный элемент перекрывает поверхность контактного язычка и поверхность контактного элемента подобно мосту или поверхности могут располагаться друг против друга, так что соединительный элемент расположен между контактным язычком и контактным элементом. На прилегающих поверхностях соединительного элемента и контактного язычка и на прилегающих поверхностях соединительного элемента и контактного элемента для соединения соединительного элемента с контактным язычком и соединительного элемента с контактным элементом предусмотрено соответствующее термически разъединяемое соединение, например, в виде припоя. При этом термически разъединяемое соединение между соединительным элементом и контактным язычком и между соединительным элементом и контактным элементом, предпочтительно, нанесено на большой площади. При этом посредством обширного контакта благодаря бόльшему поперечному сечению может передаваться бόльшая амплитуда тока. Дополнительно большая контактная поверхность обеспечивает высокую прочность соединения.
Если в случае перегрузки элемента защиты от перенапряжений термически разъединяемое соединение достигает температуры, равной температуре плавления, то термически разъединяемое соединение плавится, так что соединительный элемент размыкается и перемещается из первого положения во второе положение, в котором соединительный элемент расположен дистанцированно от контактного язычка и контактного элемента. Перемещение соединительного элемента, предпочтительно, реализуется за счет того, что соединительный элемент соединен с предварительно натянутым упругим элементом, который при расплавлении термически разъединяемого соединения активизируется и отодвигает соединительный элемент от контактного язычка и контактного элемента.
Элемент защиты от перенапряжений согласно изобретению отличается тем, что в первом положении соединительный элемент по меньшей мере частично охватывает контактный язычок и/или контактный элемент. В результате в первом положении можно достичь особенно высокой механической прочности соединения между соединительным элементом и контактным язычком и/или соединительным элементом и контактным элементом, так что посредством элемента защиты от перенапряжений можно отводить ударные токи с динамичными более высокоэнергетическими формами импульсов, в отличие от элементов защиты от перенапряжений, известных из уровня техники. При этом соединительный элемент может быть выполнен U-образным, так что соединительный элемент по меньшей мере частично охватывает одну или несколько краевых областей контактного язычка и/или контактного элемента.
Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения предусмотрен очистной элемент, причем очистной элемент установлен с возможностью перемещения между контактным язычком и контактным элементом, расположенным дистанцированно от контактного язычка. Очистной элемент служит для удаления остатков термически разъединяемого соединения, оставшихся в зазоре между контактным элементом и контактным язычком при разрыве контакта между контактным элементом и контактным язычком в случае перегрузки элемента защиты от перенапряжений, с тем, чтобы в дальнейшем обеспечить отсутствие возможности электрического соединения между контактным язычком и контактным элементом. Для этого очистной элемент при перемещении соединительного элемента из первого положения во второе положение перемещается или передвигается в пределах зазора между контактным элементом и контактным язычком, для очистки зазора, предпочтительно, от термически разъединяемого соединения. При этом очистной элемент для достижения возможно более полного удаления остатков термически разъединяемого соединения, предпочтительно, перемещается в пределах зазора от контактного элемента к контактному язычку. При этом очистной элемент может быть выполнен, например, в виде очистного пальца или очистного щитка. Если очистной элемент выполнен в виде очистного пальца, то очистной элемент при разрыве контакта перемещается в пределах зазора путем перевода соединительного элемента из первого положения во второе положение, причем при достижении второго положения очистной элемент выдвинут из зазора между контактным язычком и контактным элементом. Если очистной элемент выполнен в виде очистного щитка, то очистной элемент, предпочтительно, остается во втором положении соединительного элемента в пределах зазора между контактным элементом и контактным язычком и служит тем самым в качестве защитного экрана, чтобы при разрыве контакта предотвратить возможное возникновение электрических дуг.
Очистной элемент, предпочтительно, установлен на соединительном элементе. При этом очистной элемент может быть соединен с соединительным элементом в одно целое или же установлен и закреплен на соединительном элементе как отдельный конструктивный элемент. Если очистной элемент установлен на соединительном элементе, то очистной элемент, предпочтительно, выполняет то же движение, что и соединительный элемент, так что для очистного элемента не нужно предусматривать никакого отдельного механизма движения, и очистной элемент может перемещаться также, например, посредством упругого элемента, соединенного с соединительным элементом.
В порядке альтернативы этому предпочтительно предусмотрено, чтобы очистной элемент мог перемещаться независимо от соединительного элемента. В этом варианте выполнения очистной элемент, после того как соединительный элемент перемещен из первого положения во второе положение, может быть перемещен, например, в зазор между контактным язычком и контактным элементом. Благодаря этому возможно обеспечить различный характер движений соединительного и очистного элементов. Для осуществления движения очистного элемента может быть предусмотрен, например, второй упругий элемент или рычаг, соединенный с очистным элементом.
Кроме того, предпочтительно, предусмотрено, чтобы очистной элемент был выполнен из непроводящего материала. Предпочтительно, очистной элемент выполнен из полимера. Благодаря выполнению очистного элемента из непроводящего материала может быть, например, предотвращено возможное возникновение электрических дуг между контактным язычком и контактным элементом в случае перегрузки.
Согласно одному из других предпочтительных вариантов выполнения изобретения соединительный элемент может быть выполнен ваннообразным. Соединительный элемент выполнен ваннообразным, предпочтительно, в том случае, когда контактный элемент и контактный язычок расположены параллельно друг другу, а поверхность контактного язычка и поверхность контактного элемента, с которыми контактирует соединительный элемент, расположены друг против друга, так что соединительный элемент по меньшей мере местами установлен между контактным язычком и контактным элементом. Если соединительный элемент выполнен ваннообразным, то соединительный элемент при перемещении из первого положения во второе положение может сам удалять термически разъединяемое соединение из зазора между контактным язычком и контактным элементом без необходимости в дополнительном очистном элементе. Тем самым соединительный элемент, выполненный таким образом, может одновременно выполнять две функции: с одной стороны, в первом положении устанавливать электрический контакт между контактным элементом и контактным язычком, а с другой, - в качестве очистного элемента выполнять функцию очистки зазора между контактным элементом и контактным язычком при разрыве электрического контакта и перемещении соединительного элемента из первого положения во второе положение.
Термически разъединяемое соединение, предпочтительно, выполнено из материала, который при превышении температуры плавления может переходить в вязкотекучее состояние. Тем самым при расплавлении во время разрыва контакта можно предотвратить бесконтрольное стекание по каплям термически разъединяемого соединения. При этом термически разъединяемое соединение выполнено, предпочтительно, из не эвтектического материала, так что материал термически разъединяемого соединения при расплавлении сначала переходит в вязкую, или кашеобразную, фазу.
Ниже изобретение более подробно поясняется на основе предпочтительных вариантов выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фиг.1 - схематичное изображение элемента защиты от перенапряжений согласно первому варианту выполнения в состоянии контактирования;
фиг.2 - схематичное изображение фрагмента элемента защиты от перенапряжений, показанного на фиг.1, в разрезе;
фиг.3 - схематичное изображение элемента защиты от перенапряжений согласно первому варианту выполнения в состоянии отсутствия контактирования;
фиг.4 - схематичное изображение фрагмента элемента защиты от перенапряжений, показанного на фиг.3, в разрезе;
фиг.5 - схематичное изображение элемента защиты от перенапряжений согласно второму варианту выполнения в состоянии контактирования;
фиг.6 - схематичное изображение фрагмента элемента защиты от перенапряжений, показанного на фиг.5 в разрезе;
фиг.7 - схематичное изображение элемента защиты от перенапряжений согласно второму варианту выполнения в состоянии отсутствия контактирования;
фиг.8 - схематичное изображение фрагмента элемента защиты от перенапряжений, показанного на фиг.7, в разрезе;
фиг.9 - схематичное изображение элемента защиты от перенапряжений согласно третьему варианту выполнения в состоянии контактирования;
фиг.10 - схематичный вид сверху элемента защиты от перенапряжений, показанного на фиг.9;
фиг.11 - изображение показанного на фиг.10 элемента защиты от перенапряжений согласно третьему варианту выполнения в разрезе;
фиг.12 - схематичное изображение элемента защиты от перенапряжений согласно третьему варианту выполнения в состоянии отсутствия контактирования;
фиг.13 - схематичное изображение элемента защиты от перенапряжений согласно четвертому варианту выполнения в состоянии контактирования;
фиг.14 - схематичный вид сверху элемента защиты от перенапряжений, показанного на фиг.13;
фиг.15 - изображение показанного на фиг.14 элемента защиты от перенапряжений согласно четвертому варианту выполнения в разрезе и
фиг.16 - схематичное изображение элемента защиты от перенапряжений согласно четвертому варианту выполнения в состоянии отсутствия контактирования.
На фиг.1-4 изображен элемент защиты от перенапряжений согласно первому варианту выполнения. Элемент защиты от перенапряжений обычно установлен в данном случае в не показанном корпусе. Элемент защиты от перенапряжений содержит контактный язычок 10 и контактный элемент 12, расположенный дистанцированно от контактного язычка 10. Для установления электрического контакта между контактным язычком 10 и контактным элементом 12 предусмотрен соединительный элемент 14, который в состоянии контактирования, как это показано на фиг.1 и 2, прилегает к контактному элементу 12 и контактному язычку 10. При этом соединительный элемент 14 в первом положении прилегает одной из своих боковых поверхностей к поверхности контактного язычка 10 и к поверхности контактного элемента 12, расположенной в одной плоскости с поверхностью контактного язычка 10. Таким образом, контактный язычок 10 и контактный элемент 12 в первом положении прилегают к одной и той же боковой поверхности 22 соединительного элемента 14. При этом контактная поверхность в решающей степени определяет максимальную амплитуду ударных токов, которые могут быть отведены. Между боковой поверхностью 22 соединительного элемента 14 и боковой поверхностью контактного язычка 10, обращенной в направлении боковой поверхности 22, и боковой поверхностью контактного элемента 12, обращенной в направлении боковой поверхности 22, предусмотрено термически разъединяемое соединение, предпочтительно, в виде припоя, который фиксирует соединительный элемент 14 в первом положении на контактном элементе 12 и контактном язычке 10 и который плавится в случае перегрузки элемента защиты от перенапряжений при достижении температуры равной температуре плавления материала термически разъединяемого соединения, так что фиксация деблокируется и соединительный элемент 14 может быть отодвинут в направлении второго положения, как это показано на фиг.3 и 4. Перемещение соединительного элемента 14 осуществляется с помощью предварительно натянутого упругого элемента 18, соединенного с соединительным элементом 14 посредством передвижного ползуна 20.
В этом варианте выполнения соединительный элемент 14 выполнен таким образом, что он охватывает краевые области контактного элемента 12 и контактного язычка 10, для чего на соединительном элементе 14 предусмотрены боковые части 16, расположенные под углом. В результате в состоянии контактирования достигается особенно высокая механическая прочность соединения соединительного элемента 14 с контактным язычком 10, а также контактным элементом 12, благодаря чему элемент защиты от перенапряжений может быть использован в случае особенно высокоэнергетических ударных токов.
На боковой поверхности 22 соединительного элемента 14 установлен очистной элемент 24 в виде очистного пальца, посредством которого после разрыва контакта между контактным язычком 10 и контактным элементом 12 зазор 42 между контактным язычком 10 и контактным элементом 12 может освобождаться от остатков термически разъединяемого соединения. В первом положении, в состоянии контактирования, очистной элемент 24, как показано на фиг.1 и 2, установлен в зазоре 42 между контактным язычком 10 и контактным элементом 12. При перемещении соединительного элемента 14 из первого положения во второе положение, показанное на фиг.3 и 4, очистной элемент 24 перемещается в пределах зазора 42, двигаясь от контактного элемента 12 в направлении контактного язычка 10, а затем удаляется, то есть выдвигается, из зазора 42.
На фиг.5-8 изображен второй возможный вариант выполнения элемента защиты от перенапряжений согласно изобретению. Показанный в данном случае элемент защиты от перенапряжений в основном соответствует элементу защиты от перенапряжений, изображенному на фиг.1-4, причем очистной элемент 24 выполнен в виде очистного щитка, который и во втором положении соединительного элемента 14, как показано на фиг.7 и 8, остается в зазоре 42 между контактным язычком 10 и контактным элементом 12, так что очистной элемент 24 служит в качестве защитного элемента для предотвращения возникновения электрических дуг при размыкании между контактным язычком 10 и контактным элементом 12. В этом втором варианте выполнения очистной элемент 24 посредством шарнирного элемента 26 установлен на соединительном элементе 14 в качестве отдельного конструктивного элемента.
На фиг.9-12 изображен третий возможный вариант элемента защиты от перенапряжений, причем контактный язычок 10 и контактный элемент 12, располагаясь друг напротив друга, установлены параллельно друг другу, так что в первом положении по меньшей мере одна подобласть соединительного элемента 14 расположена между контактным язычком 10 и контактным элементом 12, причем соединительный элемент 14 охватывает контактный язычок 10 U-образно, как это показано на фиг.10 и 11, а с помощью установленной под углом стенки 28 дополнительно частично охватывает контактный элемент 12. Термически разъединяемое соединение предусмотрено, соответственно, на граничных поверхностях 34, 36, как показано на фиг.11, между соединительным элементом 14 и контактным язычком 10, а также контактным элементом 12.
При этом соединительный элемент 14 выполнен ваннообразным, так что сам соединительный элемент 14 при перемещении из первого положения, показанного на фиг.9-11, во второе положение, показанное на фиг.12, может удалять термически разъединяемое соединение из зазора 42 между контактным язычком 10 и контактным элементом 12, как это показано на фиг.12, без необходимости использования для этого дополнительного очистного элемента. Во втором положении соединительный элемент 14 полностью удаляется из зазора 42 между контактным язычком 10 и контактным элементом 12.
При этом соединительный элемент 14 для осуществления перемещения соединительного элемента 14 из первого положения во второе положение, предпочтительно, соединен также с не показанным в данном случае предварительно натянутым упругим элементом.
Термически разъединяемое соединение, в частности, в этом варианте выполнения, предпочтительно, выполнено из материала, переходящего при достижении температуры плавления в вязкотекучее состояние. Благодаря этому при расплавлении во время размыкания контактов можно предотвратить бесконтрольное стекание по каплям термически разъединяемого соединения. При этом термически разъединяемое соединение, предпочтительно, выполнено из не эвтектического материала, так что материал термически разъединяемого соединения при расплавлении сначала переходит в вязкую, то есть кашеобразную, фазу.
На фиг.13-16 изображен четвертый возможный вариант выполнения элемента защиты от перенапряжений согласно изобретению, причем показанный в данном случае вариант выполнения элемента защиты от перенапряжений в основном соответствует элементу защиты от перенапряжений, изображенному на фиг.9-12, причем в четвертом варианте выполнения контактный элемент 12 содержит первый контактный рычаг 30 и направленный параллельно ему второй контактный рычаг 32. При этом ваннообразный соединительный элемент 14 в первом положении устанавливается между первым контактным рычагом 30 и вторым контактным рычагом 32 контактного элемента 12, как показано на фиг.13-15, причем соединительный элемент 14 U-образно охватывает контактный язычок, расположенный между первым контактным рычагом 30 и вторым контактным рычагом 32. При этом термически разъединяемое соединение в основном расположено на четырех граничных поверхностях 34, 36, 38, 40 между контактным язычком 10, контактными рычагами 30, 32 и соединительным элементом 14, так что более высокая механическая прочность контакта достигается только за счет увеличения количества граничных поверхностей 34, 36, 38, 40, на которых предусмотрено термически разъединяемое соединение, и благодаря этому могут отводиться высокоэнергетические ударные токи. Кроме того, увеличивается контактная поверхность, так что могут отводиться ударные токи с большими амплитудами. Это преимущество еще более усиливается путем разделения тока на два рычага 30, 32, расположенных параллельно друг другу.
C помощью элемента защиты от перенапряжений, изображенного на фиг.13-16, могут передаваться особенно высокоэнергетические ударные токи. Если через контактные рычаги 30, 32, расположенные параллельно друг другу, ток протекает одновременно и в одном и том же направлении, то контактный рычаги 30, 32 под действием магнитного поля, сопровождающего протекание тока, взаимно притягиваются. Вследствие этого при протекании ударного тока на термически разъединяемые соединения, предусмотренные на граничных поверхностях 34, 36, 38, 40, действует меньшая механическая нагрузка, поскольку взаимно притягивающиеся контактные рычаги 30, 32 прижимают соединительный элемент 14 к контактному язычку 10, так что в результате этого на граничных поверхностях 34, 36, 38, 40 осуществляется механическая опора термически разъединяемого соединения и поэтому сами граничные поверхности 34, 36, 38, 40 могут быть меньших размеров или может быть уменьшено количество термически разъединяемых соединений, наносимых на граничные поверхности 34, 36, 38, 40.
Перечень ссылочных позиций
10 контактный язычок
12 контактный элемент
14 соединительный элемент
16 боковая часть
18 упругий (пружинный) элемент
20 ползун
22 боковая поверхность
24 очистной элемент
26 шарнирный элемент
28 стенка
30 первый контактный рычаг
32 второй контактный рычаг
34 граничная поверхность
36 граничная поверхность
38 граничная поверхность
40 граничная поверхность
42 зазор.