РАЗРЯДНИК ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ С КОРПУСОМ И ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНИМ РАЗРЯДНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
DISCHARGER FOR PROTECTION AGAINST OVERVOLTAGES WITH BODY AND AT LEAST ONE DISCHARGE ELEMENT

Область техники
Изобретение относится к разряднику для защиты от перенапряжений с корпусом и по меньшей мере одним разрядным элементом, например варистором, а также к разъединяющему приспособлению (размыкателю), служащему для того, чтобы разъединять разрядный элемент или разрядные элементы от сети, причем размыкатель включает в себя место спайки, которое включено в электрический путь соединения в пределах разрядника, причем через место спайки подвижный участок проводника или подвижная электропроводная перемычка связан или связана с одной стороны с разрядным элементом, а с другой стороны - с первым электрическим внешним выводом разрядника, а также включающий в себя средство, создающее усилие предварительного натяжения, например пружину, причем соответствующий вектор силы опосредовано или непосредственно через подвижный разделительный кронштейн воздействует на участок проводника или на перемычку в направлении разъединения, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения как дополнения к немецкой заявке на патент номер 102006052955.3.
Уровень техники
Известны размыкатели, в том числе и с функцией короткого замыкания, в которых при разделенном или сработавшем состоянии разъединяющего приспособления путь тока через поврежденный элемент разрядника замкнут накоротко таким образом, что ток от разрядного элемента направляется на подключенный байпас.
Включенный таким образом низкоомный путь короткого замыкания может использоваться, например, для того, чтобы приводить в действие подсоединенный перед ним коммутирующий элемент, который настроен на ток короткого замыкания соответствующей сети, или же производить заданное продолжительное короткое замыкание, которое для некоторых случаев применения определяют как так называемое отказобезопасное или отказоустойчивое состояние.
К этому уровню техники относится, например, патентный документ ЕР 0860927 А1. В этой публикации описано очень дорогостоящее электромеханическое устройство, которое отслеживает ток, идущий через варистор, и которое при превышении заданного предельного значения замыкает накоротко байпас к цепи варистора, переключая электромеханические контакты.
Согласно патентному документу DE 3734214 С2 к уровню техники относится разъединяющее приспособление, приводимое в действие термическим способом, переключающий элемент которого представляет собой контакт двустороннего действия. Контакт двустороннего действия известным способом замыкает цепь варистора через место пайки. Когда переключающий элемент срабатывает, замыкается еще один контакт, который позволяет перекоммутировать его либо как внутренний или внешний индикатор повреждения, или же, через соответствующее внешнее соединение, как короткое замыкание.
К уровню техники относится и конструкция для защиты от перенапряжений, в которой предусмотрены несколько ограничивающих перенапряжение элементов, как, например, варисторов или диодов, и отключающие средства, приводимые в действие, например, при перегреве или при обнаружении тока утечки, согласно патентному документу DE 4124321 С2. Чтобы улучшить надежность такой конструкции, в частности создать резервирование, предусмотрено, что в ней установлены по меньшей мере два ограничивающих перенапряжение элемента, каждый из которых достаточен для обеспечения защиты от перенапряжения на соответствующем месте применения. Устройство теплового отключения типа термопредохранителя контролирует ток утечки элементов, ограничивающих перенапряжение, так что, например, первый элемент при перегреве может отключаться, а второй элемент подключаться.
Дополнительное обеспечение надежности на случай, если после отказа первого варистора откажет и подключенный резервный варистор, состоит, согласно патентному документу DE 4124321 С2, в том, что резервный варистор разъединяется путем отключения от напряжения либо при помощи переключателя в поперечной ветви цепи, либо при помощи переключателя в продольной ветви цепи. Тем самым защищаемая система одновременно разъединяется от сети и предохраняется от вредных перенапряжений.
В качестве альтернативы должна иметься также возможность перемыкать поперечную ветвь цепи путем закрытия дополнительного переключателя, так что, в конце концов, защищенная система оказывается замкнутой накоротко. Открывание этого необходимого переключателя может производиться синхронно при общем приведении системы в действие. Если отключение защищаемой системы и/или ее замыкание накоротко нежелательно, возможность срабатывания вышеупомянутого выключателя отменяют, используя перемыкание или удаление такого средства. Однако в принципе требуется установка дополнительных переключателей для короткого замыкания либо поперечной, либо продольной ветви цепи, что еще больше увеличивает сложность разрядника защиты от перенапряжений, и без того находящегося в ограниченном монтажном пространстве.
В частности, у фотоэлектрических установок их рабочий ток из-за параметров источника питания приблизительно равен току короткого замыкания. Классическое отсоединение при нагреве варистора и его разъединяющего приспособления при таком применении постоянного напряжения не достигает цели, так как системное напряжение фотоэлектрических установок достигает 1000 В, а прерывание 1000-вольтных цепей постоянного тока вообще реализуемо только со значительными конструктивными или аппаратными издержками.
Раскрытие изобретения
Поэтому, исходя из вышеизложенного, задача изобретения - создать усовершенствованный разрядник для защиты от перенапряжений с корпусом и по меньшей мере одним разрядным элементом, например варистором, а также разъединяющим приспособлением (размыкателем), который, в том числе и после возможного дооборудования, в состоянии надежно проводить ток короткого замыкания, так что для вновь собираемого или дооборудуемого разрядника в этом смысле открываются новые области применения.
Решение задачи изобретения предоставляет разрядник защиты от перенапряжений согласно совокупности признаков пункта 1 формулы изобретения, причем зависимые пункты представляют собой по меньшей мере целесообразные варианты осуществления и усовершенствования изобретения.
Согласно изобретению известные разъединяющие приспособления для разрядников перенапряжения оборудуются дополнительным соединением, которое добавляет к имеющейся функции отделения функцию короткого замыкания, позволяющую в течение ограниченного времени проводить аварийный ток. При этом предлагается выполнять дополнительное соединение различным образом, так что при необходимости в разряднике защиты от перенапряжений, реализованном соответствующим образом, становится возможной также его активизация извне.
Нижеприведенное описание в отношении разъединяющего приспособления исходит из того, что последнее включает в себя место спайки с припоем, плавящимся при соответствующей температуре срабатывания. Разумеется, разъединяющее приспособление может быть выполнено также на основе других плавящихся материалов, которые сами по себе не имеют электропроводных свойств, а именно в том случае, когда электрическое соединение с цепью вывода реализовано через деталь-перемычку, механическое положение которой обеспечивается с помощью расплавляемого материала.
Согласно изобретению на траектории движения подпружиненного проводника или подпружиненной перемычки расположен по меньшей мере один проводящий элемент, первый конец которого при срабатывании разъединяющего приспособления контактирует с участком проводника или с перемычкой.
Второй конец проводящего элемента соединен со вторым электрическим внешним выводом. Кроме того, предусмотрены средства для защиты места контакта между участком проводника или перемычкой и проводящим элементом от разбрызгивающихся остатков припоя или паяльного материала или вышеупомянутого расплавляемого материала.
В предпочтительном варианте осуществления проводящий элемент выполнен как перемычка в форме скобы, второй конец которой соединяется с электрическим внешним выводом при затягивании предусмотренной для этого клеммы. Благодаря этому монтаж упрощается, так как не приходится создавать контакт со скобой-перемычкой отдельно.
В другом предпочтительном варианте осуществления первый конец проводящего элемента имеет как бы плоскую форму или форму несколько изогнутой пластины, причем пластина ориентирована по существу параллельно участку проводника или перемычке, именно относительно их положения в случае разделения.
Это параллельное расположение позволяет реализовать по возможности низкоомный контакт, соприкосновение и прилегание на как можно большей поверхности.
Пластина может иметь на своей нижней стороне, обращенной ко второму концу, углубление или уступ, принимающий на себя разбрызгивающийся припой или расплавляемый материал. Благодаря этому удается эффективно препятствовать оседанию припоя на пластине с образованием там выпуклостей, вызывающих возникновение нежелательного переходного сопротивления. При необходимости углубление может также вмещать в себя эродирующий материал участка проводника или скобы.
Согласно изобретению возможно позднейшее дополнительное вмонтирование проводящего элемента в разрядник, чтобы реализовать наряду с функцией отделения также функцию отказоустойчивости на основе короткого замыкания.
Скоба-перемычка, предпочтительно предусматриваемая в качестве проводящего элемента, имеет средства для крепления ее в корпусе или на корпусе разрядника. Проводящий элемент имеет такие параметры или такую конструкцию, что по прошествии заданного времени действие функции короткого замыкания прекращается.
Средства для крепления могут включать в себя, например, паз или выемку в скобе, а также соответствующие им выступ или контрпаз в корпусе, для создания геометрического замыкания. Специфические видоизменения такого средства для крепления, разумеется, тоже относятся к допустимым альтернативам.
Для создания возможности избирательной активизации проводящего элемента в качестве замыкателя, действующего в случае разъединения, между проводящим элементом и участком проводника или скобой помещается изолирующая пластина. В альтернативном варианте возможно оснащение проводящего элемента, по меньшей мере на одном его первом конце, съемной изолирующей оболочкой, например, в форме изолирующего рукава. Так же, как и изолирующая пластина, изолирующая оболочка тоже удаляется через специальное отверстие в корпусе, чтобы разблокировать дополнительную функцию короткого замыкания.
Для создания возможности избирательной активизации проводящего элемента в одном из вариантов исполнения изобретения относительное расстояние между проводящим элементом и участком проводника или перемычкой является регулируемым. При этом в первом положении при разъединении осуществляется возможность попадания участка проводника или перемычки в достаточно тесный контакт с проводящим элементом. С другой стороны, путем ограничения хода участка проводника или перемычки можно препятствовать его соприкосновению с проводящим элементом. При этом варианте исполнения допустима установка передвижного эксцентрика, ограничивающего перемещение или ход.
Для создания возможности избирательной активизации проводящего элемента в качестве замыкателя, действующего в случае разъединения, в дополнительном варианте исполнения возможно применение элемента, ограничивающего путь перемещения участка проводника или перемычки, например, в форме пальца, штифта или аналогичного упора.
Как уже показано, предусматривается выполнение изолирующей пластины или штифта либо пальца доступными снаружи, через корпус, в частности, для того, чтобы иметь возможность впоследствии удалять эти средства.
Об активированной функции короткого замыкания в каждом случае сигнализирует индикатор. При этом также может предусматриваться опломбирование доступа к удалению изолирующей пластины, пальца или штифта. Возможная здесь, например, пломба в виде пробки при ее удалении убирает вместе с собой и изолирующую пластину, палец или штифт. Разрядник защиты от перенапряжений, освобожденный от пломбы таким образом, сообщает о включении предусмотренной дополнительной функции короткого замыкания.
Краткий перечень фигур чертежей
Ниже изобретение более подробно разъясняется на основе варианта осуществления, а также с помощью фигур.
При этом показаны:
На фиг.1 - принципиальная схема разрядника с варисторами и комбинируемыми свойствами для отделения и для короткого замыкания;
На фиг.2 - схематическое изображение варианта исполнения разъединяющего приспособления с переключательной функцией в не сработавшем состоянии;
На фиг.3 - изображение, аналогичное фиг.2, однако, в сработавшем и коротко замкнутом положении;
На фиг.4 - вариант исполнения переключающего устройства с удаляемыми изолирующими пластинами;
На фиг.5а и 5b - еще один вариант исполнения переключающего устройства, причем функция короткого замыкания регулируется движением проводящего элемента, управляемым при помощи эксцентрика;
На фиг.6 - вариант осуществления разрядника защиты от перенапряжений с корпусом и с разрядным элементом на основе варистора, а также термическим разъединяющим приспособлением, причем разделительный кронштейн передает механическое движение на термическое разъединяющее приспособление, и в случае разделения происходит замыкание накоротко при помощи скобы-перемычки, действующей в качестве проводящего элемента;
На фиг.6b - изображение, аналогичное фиг.6, но в отделенном состоянии и со сработавшим короткозамыкателем;
На фиг.6а - детальное изображение конца скобы-перемычки, имеющего форму пластины, с видимым углублением, в положении короткого замыкания в отношении переключающего язычка, а также
На фиг.7 - принципиальная схема с проводящим элементом в качестве переключающего устройства.
Осуществление изобретения
Согласно изображению на фиг.1 между внешними выводами А и В включен варистор 2. Этот варистор 2 отсоединяется при помощи разъединяющего приспособления (переключающего язычка) 3, которое срабатывает при термическом воздействии. Электрическое соединение между точками а и с существует, как правило, через участок проводника или перемычку, а именно в не сработавшем положении. В положении 3' разъединяющее приспособление 1 сработало, и с помощью короткозамыкающей скобы 4, которая перемыкает варистор 2, на участке было установлено соединение между а и b. Приведенное в действие или сработавшее положение короткого замыкания представлено на фигуре пунктирной линией между точками а и b. На фиг.2-5 движение переключения выполняется под действием нажимной пружины 6 (обозначение 11 на фиг.6 и 6b) после распаивания паяного соединения.
На фиг.2 схематично показан вариант исполнения переключающего устройства 1 с функцией разъединения и функцией короткого замыкания в не приведенном в действие или несработавшем состоянии.
Приведенное в действие состояние, т.е. положение короткого замыкания после срабатывания, представлено согласно фиг.2 в виде пунктирного изображения между точками а и b. Как уже упоминалось, движение переключения после процесса распаивания происходит под действием силы пружины 6. Таким образом, язычок 3, который образует участок проводника, одновременно используется для реализации желаемого короткого замыкания между фиксированными выводами А и В, упираясь в проводящий элемент или короткозамыкающую скобу 4.
На основе фиг.3 поясняется приведенное в действие состояние, или положение срабатывания, т.е. желаемое короткое замыкание между точками А и В, а именно замыкание вследствие движения переключающего язычка, который находится теперь в положении 3' короткого замыкания.
При варианте осуществления в соответствии с фиг.4 изолирующая пластина 7 расположена таким образом, что переключающий язычок 3 или 3' не может прилегать к замыкающей скобе 4. Это означает, что путь перемещения переключающего язычка 3, 3' ограничивается изолирующей пластиной 7. Согласно изобретению вместо изолирующей пластины 7 возможно также применение пальца либо штифта, или же существует возможность закрывать по меньшей мере конец короткозамыкающей скобы 4, изображенный заштрихованным, при помощи съемного изолирующего рукава.
Согласно изображениям на фиг.5а и 5b в переключающем устройстве 1 возможно подключение или отключение функции короткого замыкания путем производимого вручную воздействия на определенное средство, в частности, на эксцентрик 8.
При помощи эксцентрика 8, позволяющего задавать различные расстояния 8', 8'' для воздействия, возможно изменение положения подвижной части 4' короткозамыкающей скобы относительно неподвижной части 4'' скобы таким образом, что, как показано на фиг.5b, реализуется контакт с переключающим язычком 3, невозможный в положении подвижной части 4′ замыкающей скобы по фиг.5а. С целью ограничения движения переключающего язычка при этом варианте исполнения предусмотрен также упор 9.
Эксцентрик 8 через отверстие в представленном пунктиром корпусе легко переставляется в различные положения согласно изображениям на фиг.5а и 5b, причем видимый свободный рабочий конец эксцентрика 8 к тому же отчетливо указывает, какое из соответствующих положений имеет место в данный момент (короткое замыкание или нет).
Так, в положении переключателя "разъединение" в соответствии с фиг.5а короткозамыкающая скоба 4', смонтированная в центре 5 поворота, находится вне радиуса действия и зоны досягаемости переключающего язычка 3, так что предотвращается контакт по пути а/b.
В положении "короткое замыкание" соединение по пути а/b, напротив, становится возможным вследствие перемещения подвижной короткозамыкающей скобы 4 в пределы зоны досягаемости переключающего язычка 3, которое производится при помощи диска 8' в форме эксцентрика.
В варианте осуществления в соответствии с фиг.6 разрядник защиты от перенапряжений с дополнительной функцией короткого замыкания интегрирован в корпус 10. С помощью смонтированного с возможностью поворота разделительного кронштейна 13 и натяжной пружины 11 усилие предварительного напряжения воздействует на переключающий язычок 3, который при помощи спайки 14 соединен с проведенным сквозь стенку 15 корпуса выводом 16 варистора (не показан).
Согласно варианту осуществления по фиг.6 проводящий элемент выполнен в виде скобы-перемычки 17. Эта скоба-перемычка 17 имеет первый конец 18 в форме пластины. Второй конец скобы-перемычки 17 связан с электрическим внешним выводом при затягивании предусмотренной для этого клеммы 19.
Конец 18 в форме пластины скобы-перемычки 17 имеет на своей нижней стороне, обращенной ко второму концу, углубление 20, принимающее на себя припой, который, возможно, разбрызгивается от спайки 14 при разъединении.
Скоба-перемычка 17 фиксируется на корпусе 10 разрядника или внутри него при помощи крепежного средства 21. Расстояние между концом 18 в форме пластины проводящего элемента и участком проводника или переключающим язычком 3 изменяемо или регулируемо путем загибания или отгибания конца 18 в форме пластины. Определяющим является угол между положением конца 18 в форме пластины и положением переключающего язычка 3. В любом случае для желаемого надежного замыкания контакт переключающего язычка 3 с концом 18 в форме пластины здесь должен обеспечиваться на обширной плоской поверхности.
Когда переключающий язычок выпаивается в месте спайки 14 в позиции согласно изображению на фиг.6, происходит поворотное движение разделительного кронштейна 13 и вместе с тем переключающее движение переключающего язычка 3 до конечного положения согласно позиции b, которая соответствует положению короткого замыкания.
Из изображения на фиг.6 видно, что усовершенствованный разрядник защиты от перенапряжений с функцией короткого замыкания без проблем размещается в стандартном корпусе для монтажа на DIN-шине, причем ее скоба-перемычка 17 легко доступна после снятия непоказанной крышки корпуса. Таким образом, с минимальными затратами становится возможным предоставление для монтажа разрядника защиты от перенапряжений как с функцией короткого замыкания, так и без нее, причем реализация функции короткого замыкания возможна также дополнительно, впоследствии, путем позднейшей вставки скобы-перемычки 17.
На фигуре 6b показано изображение разъединяющего приспособления согласно изобретению в реализованном устройстве, а именно в состоянии срабатывания (положение b переключателя - сработавшее).
Углубление 20 в области конца 18 скобы-перемычки 17 расположено таким образом, что спайка 14 переключающего язычка 3 не контактирует со скобой-перемычкой 17. Припой, который может здесь прилипать или разбрызгиваться, помещается в свободное место, имеющееся благодаря углублению 20, и не приводит к потенциально возможному созданию повышенного переходного сопротивления.
Таким образом, снабженное припоем место 14 или 14' пайки (см. фиг.6а) не участвует в самом контакте на обширной поверхности. Только часть b переключающего язычка 3' прилегает к поверхности конца 18 скобы-перемычки 17, имеющего форму пластины.
На фиг.7 показана принципиальная схема с проводящим элементом, который выполнен как переключающее устройство SE.
При длительном коротком замыкании разрядника защиты от перенапряжений, например варистора на основе окисла металла, могут встречаться проблемы в инверторах без трансформаторов в фотоэлектрических установках, а именно проблемы, обусловленные возникающим обратным током.
Кроме того, существует опасность образования электрической дуги при замене замкнутого накоротко разрядника напряжения, так как разрядник находится в замкнутом состоянии, а электрический ток фотоэлектрического генератора продолжает и дальше вырабатываться. Здесь технический персонал не может измерить напряжение, так как имеет место короткое замыкание. В этом случае при попытке замены разрядника возникает опасная электрическая дуга.
Байпас, образованный переключающим устройством в случае короткого замыкания, здесь не рассчитан на длительное восприятие токовой нагрузки. После того как аварийный ток протекает в течение определенного времени, происходит отключение байпаса. Проводящий элемент может иметь меньшие сечения токоведущих частей, что обусловлено намеренным назначением недостаточных параметров, и вследствие этого быть еще более дешевым в изготовлении.
Таким образом, проводящий элемент может быть выполнен в виде предохранителя или же иметь в своем составе также мощный полупроводник, или образовывать с мощным полупроводником электрическую цепь, причем мощный полупроводник после прохождения тока короткого замыкания с помощью начального импульса переводится в открытое состояние.
Функции, выполняемые проводящим элементом, представлены на фиг.7, в ее правой части, символическими изображениями полупроводникового переключателя или предохранителя.
Функциональную последовательность можно представить, как указано ниже. В состоянии  разрядник защиты от перенапряжений находится в надлежащем функциональном состоянии.
В случае перегрузки разрядника защиты от перенапряжений на основе металло-оксидного варистора вывод термического разъединяющего приспособления перемещается к позиции , т.е. к точке подключения элемента короткого замыкания в байпасе. Элемент SE короткого замыкания закрыт. Электрическая дуга, возникающая при открывании теплового разъединяющего приспособления, проводится контактными элементами и самопроизвольно гаснет при достижении контакта короткого замыкания. Непосредственно после достижения контакта короткого замыкания дуга гаснет, и ток течет через байпас, т.е. через переключающее устройство SE.
В качестве переключающих устройств могут применяться механические переключатели, предохранители, но также и мощные полупроводниковые приборы. Возможно и использование искровых разрядников, рассчитанных на применение в цепях постоянного напряжения. Переключающее устройство согласно изобретению может быть интегрировано в разрядник защиты от перенапряжений, при этом, однако, возможна и комбинация с внешним переключателем. После процесса отключения поврежденное устройство защиты от перенапряжения исключено из электрической цепи, однако питание сохраняется. Чтобы по прошествии определенного времени начать процесс открытия переключающего устройства SE, переключающее устройство может быть выполнено, например, с сокращением поперечного сечения, по типу плавкого предохранителя.