Устройство для ограничения перенапряжений с функцией самодиагностики состояния защитного элемента
DEVICE FOR OVERVOLTAGE LIMITATION WITH SELF-DIAGNOSTICS FUNCTION OF PROTECTIVE ELEMENT STATE

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для повышения надежности работы электрооборудования применяемого в электрических сетях с рабочим напряжением до 1000 В переменного тока и до 1500 В постоянного тока.
Из уровня техники (патент RU №2289864) известно устройство для ограничения перенапряжений.
Такое устройство содержит расположенные на противоположных внутренних поверхностях сторон электроизоляционного корпуса первый и второй электрические выводы, каждый из которых выполнен в виде электропроводной контактной пластины и электропроводной соединительной пластины, закрепленной одним из своих концов на поверхности одной из боковых сторон электропроводной контактной пластины и выходящими другими своими концами через боковую поверхность электроизоляционного корпуса наружу.
Концы электропроводных пластин первого и второго электрических выводов расположены в параллельных плоскостях, симметрично относительно центральной оси электроизоляционного корпуса, отогнуты встречно друг другу своими концами и перпендикулярно торцевым поверхностям нелинейного резистора и размещены своими отогнутыми концами в одной плоскости, или каждый из которых выполнен в виде электропроводной контактной пластины, электропроводной соединительной пластины, закрепленной одним из своих концов на поверхности одной из боковых сторон электропроводной контактной пластины и электропроводного цилиндрического штыря, закрепленного одним из своих концов на другом конце электропроводной соединительной пластины и выходящими другими своими концами через боковую поверхность электроизоляционного корпуса наружу.
Концы электропроводных соединительных пластин первого и второго электрических выводов расположены в параллельных плоскостях, симметрично относительно центральной оси электроизоляционного корпуса, отогнуты встречно друг другу своими концами перпендикулярно торцевым поверхностям нелинейного резистора, размещены своими отогнутыми концами внутри электроизоляционного корпуса в одной плоскости и закреплены своими соответствующими отогнутыми концами на соответствующих концах выводов электропроводных цилиндрических штырей, расположенных другими своими концами, выходящими наружу через боковую поверхность электроизоляционного корпуса, в одной плоскости и параллельно друг другу.
Технический результат, достигаемый данным техническим решением, заключается в исключении контактных сопротивлений промежуточных элементов, предназначенных для подсоединения концов первого и второго электрических выводов к сети, питающей различные виды электрических аппаратов, в снижении массо- и весогабаритных параметров и в расширении арсенала технических средств защиты.
Также из уровня техники (патент RU №2096850) известно техническое решение, содержащее:
- электроизоляционный пустотелый цилиндрический корпус с дном и с крышкой, установленной на верхнем конце электроизоляционного пустотелого цилиндрического корпуса;
- первый электрический вывод, выполненный в виде металлического фланца, установленного своей соответствующей поверхностью на дне электроизоляционного пустотелого цилиндрического корпуса, и электропроводного стержневого выступа (болта), подсоединенного одним своим концом к нижней поверхности металлического фланца первого электрического вывода и выходящим другим своим концом наружу из электроизоляционного пустотелого цилиндрического корпуса через отверстие, выполненное в дне электроизоляционного пустотелого цилиндрического корпуса;
- как минимум, один нелинейный резистор, установленный одной из своих торцевых поверхностей на верхней поверхности металлического фланца первого электрического вывода;
- второй электрический вывод, выполненный в виде металлического фланца, установленного между внутренней нижней поверхностью крышки и верхней торцевой поверхности, как минимум, одного нелинейного резистора и электропроводного стержневого выступа (болта), подсоединенного одним своим концом к верхней поверхности металлического фланца второго электрического вывода и выходящим другим своим концом наружу из электроизоляционного пустотелого цилиндрического корпуса через отверстие, выполненное в крышке электроизоляционного пустотелого цилиндрического корпуса;
- герметик, расположенный внутри электроизоляционного пустотелого цилиндрического корпуса.
Общими признаками заявленного технического решения и приведенных аналогов являются:
- электроизоляционный корпус;
- первый электрический вывод, установленный своей соответствующей поверхностью на нижней внутренней поверхности электроизоляционного корпуса и выходящим своим концом наружу из электроизоляционного корпуса;
- нелинейный резистор, установленный одной из своих торцевых поверхностей на поверхности первого электрического вывода;
- второй электрический вывод, установленный своей соответствующей поверхностью на верхней торцевой поверхности нелинейного резистора и выходящим своим концом наружу из электроизоляционного корпуса.
Однако ни один из приведенных аналогов не позволяет определить работоспособность защитного элемента устройства ограничения перенапряжений без проведения сложного инструментального контроля, проводимого, как правило, с демонтажем устройства.
В случае деградации защитного элемента, устройства ограничения перенапряжений могут явиться источником пожарной опасности. В связи с этим, при эксплуатации устройств, необходимо с определенной периодичностью производить инструментальную проверку состояния устройств ограничения перенапряжений в лабораторных условиях.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из приведенных аналогов, заключается в том, что заявленное устройство ограничения перенапряжений с функцией самодиагностики позволяет обеспечить визуальный контроль состояния защитного элемента, с возможностью отключения устройства защиты от защищаемой электрической сети в случае необратимой деградации характеристик защитного элемента.
Причиной невозможности достижения технического результата приведенными выше, известными из уровня техники устройствами, является то, что ни в одном из приведенных аналогов не предусмотрена индикация работоспособности защитного элемента, а также отключение защищаемого элемента от электрической сети при необратимой деградации его технических характеристик.
Проведенный анализ известных технических решений показал, что ни одно из них не содержит как всей совокупности существенных признаков, так и отличительных признаков предлагаемого устройства для ограничения перенапряжений, что позволило сделать вывод о его новизне и изобретательском уровне.
Обращается внимание на то, что ток утечки, вызывающий нагрев защитного элемента может иметь величину менее 1А, при этом температура нагрева защитного элемента может достигать величины, значительно превышающей значения в 100°С. Обеспечить отключение таких токов существующими стандартными аппаратами (автоматическими выключателями и предохранителями) не представляется возможным.
Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений можно сделать вывод, что задача создания устройств ограничения перенапряжений в герметичном корпусе, с функцией самодиагностики состояния защитного элемента, является актуальной на сегодняшний день.
Технический результатом, достигаемым заявленным техническим решением, является визуальный контроль состояния защитного элемента, с возможностью отключения устройства защиты от защищаемой электрической сети в случае необратимой деградации характеристик защитного элемента.
Достижение технического результата обеспечивается за счет наличия в заявленном техническом решении индикатора аварийного отключения и устройства аварийного отключения.
Наличие индикатора аварийного отключения, позволяет визуально определить работоспособность устройства и избежать периодического проведения дорогостоящих процедур инструментальной проверки работоспособности устройств ограничения перенапряжений.
Также наличие устройства аварийного отключения позволяет избежать нагрева защитного элемента до температуры, вызывающей опасность воспламенения оборудования и элементов монтажа в месте установки устройства ограничения перенапряжений.
В общем виде заявленное техническое решение представляет собой устройство для ограничения перенапряжений с функцией самодиагностики состояния защитного элемента, включающее изоляционный корпус (1) с крышкой (9).
Внутри изоляционного корпуса расположен защитный элемент (2), представляющий собой размещенный внутри пластмассового герметичного корпуса высоконелинейный резистор, соединенный с одной стороны с контактной пластиной, имеющей выход в полость между изоляционным корпусом и крышкой, а с другой стороны с первой контактной пластиной для подключения к цепи, установленной с одной стороны в поверхности изоляционного корпуса и выходящей с другой стороны наружу из изоляционного корпуса (3).
Также внутри корпуса расположены индикатор срабатывания аварийного отключения (7), подвижный контакт аварийного отключения (6), соединенный при помощи припоя с контактной пластиной, имеющей выход в полость между изоляционным корпусом и крышкой (4), контактирующий со второй контактной пластиной для подключения к цепи, установленной с одной стороны в поверхности изоляционного корпуса и выходящей с другой стороны наружу из изоляционного корпуса (5).
Подвижный контакт аварийного отключения связан с индикатором срабатывания аварийного отключения таким образом, что при повреждении защитного элемента происходит размыкание связи между подвижным контактом аварийного отключения и второй контактной пластиной для подключения к цепи, соединение между подвижным контактом аварийного отключения и контактной пластиной, имеющей выход в полость между изоляционным корпусом и крышкой, отпаивается, за счет пружинящих свойств контакт аварийного отключения отодвигается, одновременно передвигая флажок индикатора срабатывания аварийного отключения, что позволяет визуально определить аварийное отключение защитного элемента.
Наглядно заявленное техническое решение проиллюстрировано на фигуре 1 (вид спереди) и фигуре 2 (вид сбоку). На фигуре 3 проиллюстрирован вид устройства спереди с контактом устройства аварийного отключения в разомкнутом виде.
Позиции, указанные на фигурах 1-3:
1. Корпус изоляционный;
2. Защитный элемент;
3. Первая контактная пластина для подключения к цепи;
4. Контактная пластина, имеющая выход в полость между изоляционным корпусом и крышкой;
5. Вторая контактная пластина для подключения к цепи;
6. Подвижный контакт устройства аварийного отключения;
7. Индикатор срабатывания аварийного отключения;
8. Место пайки подвижного контакта;
9. Крышка.
Устройство ограничения перенапряжений с функцией самодиагностики состояния защитного элемента состоит из следующих элементов:
Корпус изоляционный (1) выполнен из конструкционной пластмассы. Защитный элемент (2) представляет собой высоконелинейный резистор цилиндрической формы (в форме диска), с расположенными с двух противоположных сторон токопроводящими пластинами, помещенный в изоляционный корпус, изготовленный из огнестойкой конструкционной пластмассы.
Для снижения переходного сопротивления между поверхностью защитного элемента и токопроводящими контактными пластинами, заливка пластмассой защитного элемента совместно с первой контактной пластиной для подключения к цепи (3) и контактной пластиной, имеющей выход в полость между изоляционным корпусом и крышкой (4), производится под высоким давлением.
Этим обеспечивается плотность прилегания и герметичность защитного элемента, который очень чувствителен к попаданию влаги.
Контактная пластина для подключения к защищаемой цепи (3), прилегающая к корпусу защитного элемента, является контактом для подключения к защищаемой цепи.
Контактная пластина(4), имеет вывод сквозь изоляционный корпус в полость корпуса закрываемую крышкой (9), выполненной из пластика.
Внутри полости изоляционного корпуса расположен подвижный контакт устройства аварийного отключения (6).
Подвижный контакт устройства аварийного отключения (6) соединен со второй контактной пластиной для подключения к цепи (5).
Соединение между контактом устройства аварийного отключения (6) и контактной пластиной(4) выполнено таким образом, чтобы при выходе из строя защитного элемента происходило размыкание между контактом устройства аварийного отключения (6) и второй контактной пластиной для подключения к цепи (5).
Принцип действия системы самодиагностики защитного элемента состоит в следующем.
При повреждении защитного элемента, через него протекает повышенный ток проводимости, при этом, происходит нагрев соединения подвижного контакта устройства аварийного отключения (6) и контактной пластины (4) и его расплавление.
Подвижный контакт устройства аварийного отключения (6) отключается от выхода контактной пластины (4) и разрывает соединение защитного элемента со второй контактной пластиной для подключения к цепи (5), которая подключена к защищаемой цепи.
Таким образом, ток проводимости протекающий через защитный элемент прерывается. Тем самым обеспечивается снижение пожароопасности оборудования. Контакт (6) может быть изготовлен из пружинящего материала, имеющего хорошую электропроводимость. Как один из вариантов, может быть применена пружина, создающая дополнительное усилие для размыкания контактов (4) и (6). Контактная группа (6; 4) герметично закрывается изоляционной крышкой (9), обеспечивающей защиту от попадания влаги и механических повреждений. Характеристики контактной группы (6;4) и узел соединения этих контактов припоем (8), рассчитываются также на протекание импульсного тока с амплитудно - временными характеристиками на которые рассчитан защитный элемент.
Для визуального определения работоспособности устройства ограничения перенапряжений служит индикатор срабатывания аварийного отключения (7). Принцип действия индикатора заключается в следующем: подвижный контакт (6) одним своим концом соединенный с флажком индикатора (7), при аварийном отключении, под действием собственных пружинящих свойств (или как вариант под действием дополнительной пружины) отодвигается от выхода контактной пластины (4) одновременно передвигая флажок индикатора, флажок индикатора при этом перекрывает прозрачное окно индикатора, расположенное в верхней части корпуса устройства, что позволяет визуально определить аварийное отключение защитного элемента без проведения достаточно сложного инструментального контроля. Таким образом устройство ограничения перенапряжений с функцией самодиагностики состояния, позволяет не только контролировать состояние защитного элемента, но и обеспечивает визуальной отображение информации в случае выхода его из строя.