УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ, СОДЕРЖАЩЕЕ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДИН РАЗРЯДНИК
SURGE PROTECTION, COMPRISING AT LEAST ONE ARRESTER

Область техники
Изобретение относится к устройству защиты от перенапряжения, включающему по меньшей мере один разрядник защиты от перенапряжений и одно термически расцепляемое переключающее устройство, включенное последовательно с разрядником защиты от перенапряжений, причем вышеупомянутые средства образуют унифицированный узел и термическое расцепляющее средство расположено в области ожидаемого нагревания разрядника защиты от перенапряжений при его перегрузке согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Из патентного документа DE 29519313 U1 ранее известен разрядник защиты от перенапряжений на основе варистора, причем обеспечивается непосредственная передача тепла, в недопустимом количестве выделяющегося в варисторе в случае повреждения, на термическое расцепляющее средство. Для этого во вставляемой детали имеется несущая стенка, причем варистор расположен на одной боковой поверхности несущей стенки, а термический расцепитель, а также относящееся к нему переключающее средство - на другой боковой поверхности несущей стенки. В результате этого термический расцепитель находится напротив варистора. В варианте осуществления один или несколько выводов варистора проведены сквозь отделяющую его стенку в ту область, в которой находится термический расцепитель и соответствующее переключающее средство.
Прохождение рабочего тока или появляющихся токов перегрузки происходит через контактное средство вставляемой детали, которое в свою очередь вводится в ее основную часть. Электрический ток попадает на варистор через средство переключения таким образом, что само термическое расцепляющее средство, в частности припой, также находится под напряжением.
В целом исполнение и конструкция технического решения по патентному документу DE 29519313 U1 в состоянии переключать только очень небольшие токи. В случае появления токов короткого замыкания или же при применении постоянного напряжения требуется дополнительный внешний коммутационный орган, например, в форме отдельного переключающего средства или предохранителя.
Из патентного документа EP 1447831 B1 или патентного документа EP 2065914 A1 известны конструктивные комбинации вставляемых деталей, воспринимающих перенапряжения, с дополнительными переключателями, которые либо привнесены в совместный основной корпус, либо окружены таким основным корпусом. Решения, отображенные в вышеприведенном уровне техники, проявляют при разъединении или отключении поведение, которое не приспособлено к особенным качествам соответственно примененных разрядников защиты от перенапряжений, например варисторов.
В устройстве защиты от перенапряжения согласно патентному документу EP 2096657 A1, во-первых, имеется одно тепловое отделяющее приспособление с гасящими электрическую дугу свойствами. Сверх того второе переключающее приспособление образовано плоскими гасительными электродами. Этот уровень техники соответствует коммутационному устройству, которое дополнено функцией защиты от перенапряжения и которое имеет лишь ограниченные показатели по мощности, а также подходит только для специальных случаев применения.
Если обобщить уровень техники, тепловые отделяющие приспособления, как правило, выполнены так, что они отслеживают характеристики старения деталей, ограничивающих напряжение, напр., варисторов, и срабатывают при нагревании свыше определенной критической температуры. Во время процесса разделения протекают только очень незначительные токи, как правило, в области от миллиампер до максимум единиц ампер. В этом отношении коммутационная способность классических тепловых разделительных устройств находится только в этих пределах невысоких значений электрического тока.
В результате на практике случаи перегрузки и/или повреждения разрядников защиты от перенапряжений могут приводить также к полному выходу из строя или к сплавке ограничивающих перенапряжение деталей. Появляющийся после этого ток короткого замыкания от присоединенного источника электроснабжения должен быть прерван предвключенными защитными устройствами, например предохранителем или механическим коммутационным устройством, чтобы сохранить функцию резервных защитных средств.
Согласно патентному документу EP 1447831 B1 идущий ток короткого замыкания прерывается соответствующим специальным переключателем.
Недостатком при комбинации устройств защиты от перенапряжений с предохранителем или механическим коммутационным устройством является то, что для срабатывания или разъединения этих элементов всегда должен иметь место ток короткого замыкания, соответствующий многократному номинальному электрическому току переключателя или предохранителя.
Этот электрический ток, который, как правило, составляет несколько сот ампер или достигает области килоампер, может приводить к разрушению или взрыву ограничивающих перенапряжение деталей и представлять пожаропасность для самого устройства или для соседних устройств.
Таким образом, если появляющийся в устройстве защиты от перенапряжения ток повреждения больше, чем тот, который может гаситься самим тепловым отделяющим приспособлением, однако меньше, чем ток срабатывания резервных защитных устройств, как, напр., предохранителя, тогда возможно разрушение разрядника с вышеупомянутыми последствиями.
Раскрытие изобретения
Поэтому, исходя из вышеизложенного, задача изобретения - обеспечить усовершенствованное устройство защиты от перенапряжения, содержащее по меньшей мере один разрядник защиты от перенапряжений и термически расцепляемое переключающее устройство, включенное последовательно с разрядником защиты от перенапряжений, причем регистрируется состояние применяемого разрядника защиты от перенапряжений, например варистора, в соответствии с характеристиками его эксплуатации и перегрузки, и ограничивающая перенапряжение деталь отключается, прежде чем наступает ее полный отказ или разрушение.
При этом согласно изобретению появляющиеся обусловленные состоянием сети токи повреждения или токи короткого замыкания, которые еще не приводят к разъединению внешних предохранителей, должны автоматически отключаться интегрированным переключателем, чтобы создавался расширенный непрерывный диапазон самозащиты.
Решение задачи изобретения достигнуто устройством защиты от перенапряжения согласно комбинации признаков по пункту 1 формулы изобретения, причем зависимые пункты формулы изобретения представляют по меньшей мере целесообразные варианты осуществления и усовершенствования изобретения.
В соответствии с этим предложено устройство защиты от перенапряжения, содержащее по меньшей мере один разрядник защиты от перенапряжений и термически расцепляемое переключающее устройство, включенное последовательно с разрядником защиты от перенапряжений, причем вышеупомянутые средства образуют унифицированный узел, а термическое расцепляющее средство расположено в области ожидаемого нагрева разрядника защиты от перенапряжений при его перегрузке.
Согласно изобретению термическое расцепляющее средство в отличие от известного уровня техники выполнено в виде детали-ограничителя, не находящейся под действием рабочего тока или ударного тока, которая разблокирует размыкание переключающего устройства при термической перегрузке, причем последнее имеет повышенную собственную гасящую способность по сравнению с известными вариантами.
Вышеупомянутая деталь-ограничитель термически и механически связана с разрядником защиты от перенапряжений и блокирует путь перемещения размыкающего шибера.
Переключающее устройство имеет два расположенных напротив друг друга контактных элемента, взаимодействующих друг с другом, причем по меньшей мере один из контактных элементов выполнен подвижным и подпружинен в направлении открывания переключающего устройства. Закрытое состояние переключающего устройства зафиксировано механизмом размыкания и может быть разблокировано термическим расцепляющим средством для открывания переключающего устройства. В одном из вариантов исполнения контактные элементы представляют собой элементы из электропроводного, предпочтительно металлического, материала, подобные штифтам.
Согласно изобретению при открывании переключающего устройства, т.е. в случае контактных элементов, перемещающихся в направлении друг от друга, в получающийся промежуток входит разделительный элемент. Возможно выполнение этого разделительного элемента из изолирующего материала, выделяющего газ для дугогашения, например полиоксиметилен.
Изолирующий разделительный элемент также подпружинен для обеспечения быстрого и направленного проникновения в промежуток. При этом конец разделительного элемента, направленный к промежутку, может быть выполнен в виде разделительного клина или участка, снабженного фаской.
По меньшей мере некоторые участки контактных элементов находятся внутри фигурного корпуса, образующего дугогасительную камеру, причем фигурный корпус имеет выступ, который ориентирован под углом относительно направления движения подвижного контактного элемента. Здесь может подразумеваться ориентация под углом 90°. Фигурный корпус имеет приемные пространства для приема в них контактных элементов.
Выступ также имеет полость для приема в нее разделительного элемента и подпружинивающего устройства, создающего силу предварительного напряжения пружины.
Возможно выполнение поверхностей контактных элементов переключающего устройства, обращенных друг к другу, с определенным контуром для увеличения площади переходного контакта и уменьшения переходного сопротивления.
При этом в варианте осуществления возможны поверхности, образующие конус и контрконус, взаимодействующие друг с другом.
Размыкающий шибер, который предпочтительно состоит из синтетического материала или выполнен в виде пластмассовой детали, отлитой под давлением, с одной стороны прилегает к детали-ограничителю, а с другой стороны фиксирует переключающее устройство, т.е. подвижный контактный элемент, находящийся в подпружиненном состоянии.
Кроме того, размыкающий шибер имеет шиповидный участок, который фиксирует находящийся в подпружиненном состоянии контактный элемент переключающего устройства.
В области подпружиненного контактного элемента, которая зафиксирована шиповидным участком размыкающего шибера, закреплено гибкое электрическое соединительное средство, которое ведет к месту подключения разрядника защиты от перенапряжений.
Фигурный корпус, полость и разделительный элемент предпочтительно выполнены таким образом, что, в частности, при открытом переключающем устройстве реализуется герметичная изоляция, так что в результате образуется как бы закрытая камера сгорания электрической дуги или соответствующая дугогасительная камера.
Процесс перемещения подвижного контактного элемента может поддерживаться воздействием давления образующейся электрической дуги.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно разъясняется на основе варианта осуществления, а также с помощью фигур.
При этом показаны:
фиг.1а - принципиальная электрическая схема решения согласно изобретению, причем цепь Ü контроля и цепь S эксплуатации или цепь S ударного тока, функционально разделены;
фиг.1b - аксонометрическое изображение устройства защиты от перенапряжения согласно изобретению, выполненного как вставляемая деталь, принимаемая в (непоказанную) основную часть, причем внутри вставляемой детали находятся фигурный корпус с переключающим устройством, а также термическое расцепляющее средство;
фиг.2а - принципиальное изображение дисковидного разрядника защиты от перенапряжений, например варистора, с подобной раме металлической поверхностью и термическим расцепляющим средством, например, в форме изолятора с электропроводным напылением на одной стороне;
фиг.2b - изображение, аналогичное фиг.2а, однако дополненное переключающим устройством вместе с размыкающим шибером в закрытом состоянии;
фиг.2c - изображение, аналогичное фиг.2b, однако в состоянии термически разъединенного открытого переключающего устройства;
фиг.3а - детальное изображение фигурного корпуса для приема переключающего устройства с разделительным элементом при закрытом состоянии переключающего устройства, с частичным разрезом;
Фиг.3b - изображение, аналогичное фиг.3a, однако в положении открытого переключающего устройства и с разделительным элементом, введенным в промежуток;
Фиг.4a - изображение, аналогичное фиг.2b, однако с дальнейшим вариантом осуществления переключающего устройства, выполненного в виде размыкающего шибера в закрытом состоянии;
Фиг.4b - изображение, аналогичное фиг.4а, однако с размыкающим шибером в открытом состоянии;
Фиг.5а - детальное изображение размыкающего шибера, как показано на фиг.4а и 4b, причем с частичным разрезом, чтобы показать переключающее устройство, находящееся в закрытом состоянии;
Фиг.5b - изображение, аналогичное фиг.5а, с открытым размыкающим шибером и контактным элементом, который интегрирован в сквозное отверстие шибера.
Осуществление изобретения
Изображение принципиальной электрической схемы по фиг.1а имеет в основе средство 1 защиты от перенапряжения, в котором цепь S ударного-рабочего тока и цепь Ü контроля функционально разделены. Интегрированное переключающее устройство 3 имеет расширенные собственные возможности коммутации и гашения, причем цифрой 2 обозначен разрядник защиты от перенапряжений, например, выполненный как варистор. Цифра 4 на фиг.1а обозначает размыкатель переключающего устройства 3, а обозначением 4K указан термический соединительный элемент как термическое расцепляющее средство.
Реализованная согласно изобретению вставляемая деталь включает в себя устройство 1 защиты от перенапряжения с разрядником 2 защиты от перенапряжений, размыкающий шибер 4 и фигурный корпус 3, в котором заключено переключающее устройство. Кроме того, на нижней поверхности вставляемой детали имеются штепсельные контакты для подвода рабочего тока. Цифрой 8 на фиг.1b обозначен подвижный участок проводника, замыкающий электрическую цепь от штепсельного контакта в изображении слева через переключающее устройство к варистору и от него к штепсельному контакту в изображении справа.
На фиг.2a показан дисковидный варистор 2 с нанесенной на него металлической проводящей поверхностью 21, которая проходит в области ожидаемого сильного нагревания варистора 2, причем в этой области нанесено термическое расцепляющее средство 4K.
На фиг.2b и 2c показано исполнение переключающего устройства согласно изобретению в пределах фигурного корпуса 3.
Переключающее устройство включает в себя контактные элементы 10 и 11 (см. фиг.3a и 3d), причем в показанном примере контактный элемент 11 помещен в фигурном корпусе 3 подвижно под предварительным напряжением пружины 22.
В закрытом положении переключающего устройства подвижный контактный элемент 11 прижимается к неподвижному контактному элементу 10 и удерживается размыкающим шибером 4 и имеющимся на нем шиповидным участком 41.
Таким образом, закрытое положение переключающего устройства фиксируется средством 4 и разблокируется для открывания переключающего устройства термическим расцепляющим средством 4К.
Открытое состояние переключающего устройства иллюстрирует фиг.2 с. Здесь заметно также движение разделительного элемента 6 (см. фиг.3a и 3b), изменение положения которого становится отчетливо видно на участке 31 со стороны отверстия фигурного корпуса 3.
Итак, разделительный элемент 6 проходит в получающийся промежуток (см. фиг.3a) между контактными элементами 10 и 11, причем разделительный элемент 6 находится под предварительным напряжением еще одной пружины 61, чтобы в случае открывания быстро и направленно проникать в промежуток.
Фигурный корпус 3 имеет выступ 31, расположенный под углом относительно направления движения подвижного контактного элемента 11.
Выступ 31 включает в себя полость 32 для приема в нее разделительного элемента 6.
Обращенные друг к другу поверхности контактных элементов 10 и 11 могут иметь конический контур 111 с соответствующей ему конической выемкой 112 во встречном контактном элементе. В результате этого поверхность перехода электрического тока увеличивается и переходное сопротивление между контактными элементами 10 и 11 сокращается.
Гибкое электрическое соединительное средство 8 одной стороной соединено с подвижным контактным элементом 11, а другая сторона приводит к детали 21, в частности к сформированной на ней присоединительной ножке 23. Другой электрический вывод 24 варистора 2 ведет к штекерному разъему согласно фиг.1b справа.
При открытых контактных элементах 10 и 11 промежуток замыкается дугогасительной камерой 7, которая по большому счету как бы газонепроницаема в результате перемещения разделительного элемента 6.
Переключающее устройство находится в электрическом контакте посредством соединения 8 с ограничивающей напряжение деталью, т.е. варистором 2, и с профильной соединительной деталью 9, причем профильная соединительная деталь 9 представляет собой составную часть штекерного контакта согласно фиг.1b слева.
Внутренний контур 5 внутри фасонной детали 3 соответствует внешнему контуру подвижного контактного элемента 11 с соблюдением необходимых допусков для получения желаемой свободной подвижности соответствующего контактного элемента.
Ограничивающая перенапряжение деталь 2, предпочтительно выполненная как варистор, согласно графическим изображениям термически соединена с системой размыкания и сцепления посредством термического расцепляющего средства 4К. При этом через термически расцепляемый элемент 4К не протекает электрический ток.
Вариант осуществления термически расцепляемого элемента может выбираться абсолютно свободно для оптимизации порогового значения и тем самым для достижения хороших характеристик расцепления, а именно путем соответствующего позиционирования термически расцепляемого элемента на варисторе 2 и/или путем выбора его размеров и материала для него по теплоемкости и теплопроводности. Термически расцепляемый элемент 4К может изготавливаться как отдельная деталь, которая жестко укрепляется на варисторе припоем или термочувствительным клеем. С другой стороны, однако, термическое расцепляющее средство может также состоять даже из материала, который эластично деформируется при термическом воздействии.
В большинстве случаев желательна очень быстрая и термически чувствительная характеристика расцепления. Реализация ее возможна за счет того, что термическое расцепляющее средство непосредственно соединяется с деталью, ограничивающей перенапряжение, при оптимальной теплопроводности или выполняется из термически изолирующего материала, образующего покрытие-оболочку, чтобы избежать тепловых потерь. Теплопроводных соединений для как бы паразитного теплоотвода следует избегать.
Поскольку при решении согласно изобретению цепь Ü контроля не находится на пути ударного тока S, параметры конструкции устройства термического контроля определяются исключительно с точки зрения характера отказов конструктивного элемента, ограничивающего напряжение.
При превышении установленной критической температуры термическая связь с ограничивающим перенапряжение элементом разрывается. Термическое расцепляющее средство убирается с учетом силы пружины и размыкающего шибера 4, так что переключающее устройство разблокируется.
Реализованное разделение цепи Ü контроля и рабочей цепи S эксплуатации и ударного тока позволяет своевременно регистрировать возможные случаи аварийной перегрузки применяемого разрядника защиты от перенапряжений и производить отключение, прежде чем происходит разрушение, в частности плавление, разрядника или разрядников защиты от перенапряжений и появляется сетевой ток короткого замыкания.
На основании собственной гасящей способности, обусловленной конструкцией переключающего устройства с фигурным корпусом, возможно надежное отключение даже при более высоком токе перегрузки или токе повреждения.
Эта повышенная собственная гасящая способность достигается при помощи различных конструктивных элементов, уже показанных выше.
В закрытом рабочем режиме согласно фиг.3a ток проходит через контактные элементы 10 и 11, причем соответствующее место соприкосновения К находится под действием предварительно напряженной пружины.
С разблокированием переключающего устройства контактные элементы перемещаются в направлении друг от друга. При достижении положения В уже упомянутый разделительный элемент 6 входит в дугогасительную камеру 7. Вследствие связанного с этим эффекта охлаждения напряженность поля электрической дуги сильно возрастает.
Коммутационная способность возрастает еще больше благодаря выбору в качестве материала разделительного элемента 6 и материала фигурного корпуса 3, образующего дугогасительную камеру, диэлектрика, выделяющего газ для дугогашения. В результате этого достигается настолько резкое увеличение напряжения электрической дуги, что становится возможным гашение значительного электрического тока повреждения или тока короткого замыкания, причем также и в случаях использования постоянного потока.
Капсулирование дугогасительной камеры 7 вызывает повышение внутреннего давления под воздействием электрической дуги, что оказывает дальнейшее положительное влияние на коммутационную способность.
Достигнутая высокая скорость разъединения контакта конструкции в целом, а также большой зазор между контактами (см. фиг.3b) обуславливают дальнейшее улучшение характеристик коммутации.
Варианты исполнения согласно фиг.4а, 4b и фиг.5а и 5b исходят из решения, которое также использует размыкающий шибер.
При этом варианте исполнения переключающее устройство также находится внутри фигурного корпуса 3. Согласно фиг.4а разделительный элемент 6 еще находится в положении, зафиксированном средством 4K. Открытое состояние переключающего устройства с деталями контакта или контактными элементами 10 и 11 проиллюстрировано на фиг.4b.
Из совместного рассмотрения фиг.5а и 5b понятно, как разделительный элемент 6 после разблокирования термического расцепляющего средства 4K проникает между контактными элементами 10 и 11, а именно при содействии движению разделительного элемента 6, оказываемом предварительно напряженной пружиной 61 (см. фиг.4b).
Из изображения согласно фиг.5а и 5b также очевидно, что здесь контактный элемент 111 интегрируется в шибер или в разделительный элемент 6. Это приводит к следующим преимуществам. Сначала продолжительность горения электрической дуги между контактами 10 и 11 сокращается, так как открытая электрическая дуга не возникает, пока шибер не войдет в промежуток между контактными элементами 10 и 11. По сравнению с изображенным выше вариантом осуществления при том же самом размере имеется возможность конструктивно реализовать большие разделительные расстояния, т.е. устройство применимо для более высоких напряжений. В конечном счете возможна простая в технологическом отношении конструкция, в которой контактный элемент 111 помещается в шибере как вставляемая деталь. Следовательно, здесь не требуется неразъемное соединение конического контактного элемента.