ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE LIMITER WITH OVERVOLTAGE PROTECTION

Область техники
Техническое решение относится к защитному устройству, которое предупреждает возникновение напряжения прикосновения выше допустимых значений и снижает перенапряжение, в частности на железных дорогах, а именно на пассажирских железнодорожных станциях и постах секционирования.
Защитное устройство предназначено для защиты от перенапряжения, вызванного наличием потенциала рельса при эксплуатации и коротких замыканиях. Устройство обеспечивает переходное соединение обратной цепи с заземлением тяговой сети в течение времени превышения допустимого значения напряжения, и таким способом защищает людей от случайного опасного контакта с этими частями.
Описание известного уровня техники
Изменения нормативной базы в отношении устройств защиты от напряжения прикосновения в электрической тяговой сети и разрядников для электрического железнодорожного оборудования полностью изменили требования к устройствам защиты. Некоторые защитные устройства по своим параметрам не соответствуют требованиям полностью или частично, являются излишне сложными технически и, следовательно, дорогостоящими.
Известно техническое решение, раскрытое в патенте США №2004257742 А1 "Ограничитель напряжения", в котором описана конструкция, состоящая из варистора, соединенного с запускающим элементом из двух антипараллельных тиристоров, и управляющего устройства, которое контролирует разность потенциалов и опасное напряжение прикосновения и устраняет его путем активации соответствующего тиристора. Дополнительно, документ раскрывает конструкцию устройства защиты; в частности, соединение отдельных подсистем в один блок. Конструкция выполнена асимметрично: защитный элемент варистор расположен сверху, управляющее устройство посередине и оба тиристора снизу, между двумя пластинами. Наружная пластина соединена с анодом первого тиристора и катодом второго тиристора, при этом катод первого тиристора и анод второго тиристора соединены с внутренней пластиной. Внутренняя пластина расположена внутри корпуса и изолирована с помощью оболочки и внутренней изоляции, поэтому не может отводить такое же количество тепла, как внешняя пластина. Недостатком этого решения является неравномерное охлаждение анода одного из тиристоров в результате асимметричной конструкции. Это приводит к неравномерной нагрузке на тиристор, поэтому необходимо выбирать более высокие параметры тиристора для достижения требуемых параметров даже при менее эффективном отводе тепла.
Также известно техническое решение, раскрытое в документе Европейского патентного ведомства №1855365 А1 "Модуль устройства защиты от перенапряжения и способ его формирования", содержащее варистор, с которым два тиристора и цепь пуска соединены встречно-параллельно. Цепь пуска контролирует разность потенциалов и возникновение опасного напряжения прикосновения и устраняет его путем активации соответствующего тиристора. Документ также раскрывает конструкцию устройства защиты; в частности соединение отдельных подсистем в одном блоке и их расположение на монтажной плате. Устройство частично устраняет недостатки предшествующего технического решения, однако его недостатками являются большие габариты и сложность конструкции. Также существуют недостатки, присутствующие в техническом решении согласно патенту США №2004257742 А1, связанные с неравномерным охлаждением обоих анодов тиристора.
Другой пример технического решения, защищенного полезной моделью, описан в патенте Чехии 22115 «Силовой полупроводниковый ограничитель напряжения», в котором раскрывается один из возможных вариантов встречно-параллельной конструкции двух идентичных силовых полупроводниковых блоков, содержащих схемное соединение таких элементов, как тиристоры, динисторы, стабилитроны, варисторы, резисторы и конденсаторы. Конкретная схема расположения отдельных элементов ограничителя не указана.
Патент Германии №4217234 "Схема ограничения напряжения для электронного устройства гашения" раскрывает решение, содержащее цепь, параллельную конденсатору гашения, ограничивающую напряжение конденсатора с использованием нелинейного сопротивления и запираемого тиристора», отличительной чертой конструкции которого является тиристор и карбидо-кремниевый вариант осуществления варистора. Это техническое решение относится только к электрическому соединению элементов, которое не соответствует современному состоянию техники, в частности потому, что карбидо-кремниевые варисторы не обладают достаточным сопротивлением импульсам, не производятся и вышли из употребления.
Другими возможными примерами являются международные заявки WO 9623343 "Устройство защиты от перенапряжения" и WO 2011098359 "Устройство ограничения перенапряжения для сетей постоянного тока". Устройства, описанные в этих документах, содержат некоторые известные элементы, такие как тиристоры, варисторы и диоды; однако документы описывают только электрическое соединение элементов, а не их конструктивное расположение.
Из другой патентной литературы следует упомянуть ряд документов, раскрывающих конструкцию корпуса полупроводникового устройства, патент США №2013062749 "Полупроводниковый модуль", и соответственно документ Европейского патентного ведомства №0159797 А2 "Полупроводниковое устройство и способ его изготовления", которые описывают конструкцию полупроводникового модуля, содержащего полупроводниковый чип, соединенный с первой и второй цилиндрическими электродными пластинами, при этом обе пластины скреплены резьбовым соединением или винтами. Недостатком обоих решений является отсутствие элементов защиты от импульсного перенапряжения и цепи управления.
Другим примером технического решения является устройство, раскрытое в патенте Чехии №299882 "Разделительный элемент", специально предназначенное для заземления подземных изолированных металлических конструкций и зависящего от напряжения. Полупроводниковое устройство включает общее основание, на одной стороне которого расположены, по меньшей мере, две встречно-параллельно ориентированные сборки с кварцевыми пластинами, а на другой стороне клемма из листового металла. Сборки удерживаются с помощью зажимов со шпильками. Недостаток этого решения состоит в том, что оно не содержит какого-либо элемента защиты от импульсного перенапряжения или цепи управления для обеспечения надлежащего функционирования.
Сущность технического решения
Заявляемый ограничитель напряжения с защитой от перенапряжения устраняет вышеуказанные недостатки. Ограничитель содержит цилиндрическую изолирующую оболочку, закрытую сверху электро- и теплопроводящей первой контактной пластиной, снабженной первым контактным выводом, и снизу электро- и теплопроводящей второй контактной пластиной, снабженной вторым контактным выводом. Изолирующая оболочка содержит конструкцию из двух противоположно ориентированных запускающих полупроводниковых элементов и защитного элемента, подключенного параллельно, состоящего из одного или нескольких варисторов, соединенных параллельно. Защитный элемент расположен между двумя внутренними пластинами. Запускающие полупроводниковые элементы соединены посредством вспомогательных линий с электронным устройством управления и контактными выводами. Ограничитель снабжен зажимающей конструкцией для зажима и электрического соединения деталей. Принцип указанного нового решения заключается в том, что первый запускающий полупроводниковый элемент расположен между первой внутренней пластиной, соединенной с катодом, и первой контактной пластиной, соединенной с анодом. Второй запускающий полупроводниковый элемент расположен между второй внутренней пластиной, соединенной с катодом, и второй контактной пластиной, соединенной с анодом. Первая контактная пластина и вторая внутренняя пластина являются электро- и теплопроводящими и скреплены через первый запускающий полупроводниковый элемент, первую внутреннюю пластину и защитный элемент, с помощью, по меньшей мере, двух первых опорных элементов, расположенных перпендикулярно оси X и электрически изолированных от первой внутренней пластины первыми изолирующими оболочками. Первая контактная пластина и вторая внутренняя пластина электрически связаны. Вторая контактная пластина и первая внутренняя пластина являются электро- и теплопроводящими и скреплены через второй запускающий полупроводниковый элемент, вторую внутреннюю пластину и защитный элемент, по меньшей мере, двумя вторыми опорными элементами, расположенными перпендикулярно оси X и электрически изолированными от второй внутренней пластины вторыми изоляционными оболочками. Также вторая контактная пластина и первая внутренняя пластина электрически связаны. Первый и второй опорные элементы являются электропроводящими.
В соответствии с одним возможным вариантом конструкции, электронное устройство управления расположено снаружи изолирующей оболочки и состоит из первого устройства управления и второго устройства управления. Первое устройство управления соединено с управляющим электродом первого запускающего полупроводникового элемента, с первой контактной пластиной и первой внутренней пластиной посредством вспомогательных линий. Второе устройство управления соединено с управляющим электродом второго запускающего полупроводникового элемента, со второй контактной пластиной и второй внутренней пластиной посредством вспомогательных линиеей. Электронное устройство управления активирует один из запускающих элементов, чтобы ограничить недопустимое напряжение в случае его возникновения между контактными выводами в зависимости от полярности.
Во втором возможном варианте осуществления ограничителя, электронное устройство управления расположено внутри изолирующей оболочки и состоит из первого устройства управления и второго устройства управления. В этом случае первая внутренняя пластина состоит из первой плоской пластины и первой дополнительной пластины, расположенной на ее верхней поверхности и имеющей перевернутое U-образное поперечное сечение. Первое устройство управления, расположенное в сформированной первой полости, соединено с управляющим электродом первого запускающего полупроводникового элемента, расположенного между первой дополнительной пластиной и первой контактной пластиной, с помощью первого соединительного штифта, проходящего через отверстие в первой дополнительной пластине, и с первой контактной пластиной и первой дополнительной пластиной посредством вспомогательных линий. Вторая внутренняя пластина состоит из второй плоской пластины и второй дополнительной пластины, расположенной на ее нижней поверхности и имеющей перевернутое U-образное поперечное сечение. Второе устройство управления, расположенное в сформированной второй полости, соединено с управляющим электродом второго запускающего полупроводникового элемента, расположенного между второй дополнительной пластиной и второй контактной пластиной, с помощью второго соединительного штифта, проходящего через отверстие во второй дополнительной пластине, и со второй контактной пластиной и второй дополнительной пластиной посредством вспомогательных линий.
Первый и второй запускающие полупроводниковые элементы состоят из инкапсулированных тиристоров или полупроводниковых микросхем.
Изолирующая оболочка преимущественно содержит герметизирующий и изолирующий материал, заполняющий пространство между поверхностью и другими частями ограничителя.
В одном возможном варианте осуществления ограничителя первый и второй опорные элементы содержат болты и гайки и являются электропроводящими.
В предпочтительном варианте осуществления ограничителя защитный элемент расположен непосредственно на оси X изолирующей оболочки, а первый и второй запускающие полупроводниковые элементы расположены симметрично друг другу относительно оси X.
Также предпочтительно, чтобы первая контактная пластина, вторая контактная пластина, простая и составная первые внутренние и простая и составная вторые внутренние пластины были цилиндрическими.
Исходя из вышеизложенного очевидно, что аноды запускающих полупроводниковых элементов в указанном варианте соединены с внешними контактными пластинами, с первой контактной пластиной и со второй контактной пластиной соответственно, что обеспечивает равномерное охлаждение, т.е. одинаковую нагрузку обоих анодов запускающих полупроводниковых элементов. Предпочтительный вариант осуществления имеет симметричную конструкцию, при этом запускающие полупроводниковые элементы расположены сверху и снизу, а защитный элемент, обычно варистор, расположен посередине оси X, при этом простая или составная первая внутренняя пластина и простая или составная вторая внутренняя пластина и электропроводящие опорные элементы соединяют защитный элемент с контактными выводами. Помимо вышеуказанного равномерного охлаждения анодов, представленное решение упрощает конструкцию, требует меньше деталей и, следовательно, сокращает затраты.
Ограничитель напряжения реагирует на все медленные и быстрые, короткие и длинные импульсы постоянного и переменного тока. Защитный элемент, варистор, всегда реагирует на возникновение импульса перенапряжения первым и защищает как запускающие полупроводниковые элементы, так и устройство, датчики и измерительные приборы от действия перенапряжения, возникающего в результате атмосферных и коммутационных явлений. Однако более длительный импульс может привести к разрушению варистора, в этом случае некоторые из запускающих полупроводниковых элементов будут активированы с задержкой порядка 1 мс. Электронное устройство управления постоянно отслеживает возникновение недопустимого напряжения между контактными выводами и в зависимости от полярности активирует один из запускающих полупроводниковых элементов и таким способом ограничивает недопустимое напряжение. Электронное устройство управления работает в пассивном режиме и не требует дополнительного источника питания. Запускающие полупроводниковые элементы имеют малые потери мощности и могут непрерывно подавать значительный ток в течение длительного времени. Если ток, проходящий через запускающий полупроводниковый элемент, падает ниже тока срабатывания, ограничитель размыкается, и состояние высокого импеданса возобновляется.
Краткое описание чертежей
Ниже приводится описание ограничителя напряжения с защитой от перенапряжения согласно заявляемому решению со ссылками на прилагаемые чертежи. Для лучшего понимания на Фиг. 1 показана схема подключения двухполюсного ограничителя напряжения с защитой от перенапряжения, которая, однако, не является объектом патентования. На Фиг. 2 показана схема одного варианта осуществления ограничителя. Фиг. 3 иллюстрирует другой вариант осуществления ограничителя.
Примеры осуществления технического решения
Двухполюсный ограничитель напряжения с защитой от перенапряжения согласно Фиг. 1 содержит конструкцию из двух противоположно ориентированных запускающих полупроводниковых элементов, соответственно первого запускающего полупроводникового элемента 5 и второго запускающего полупроводникового элемента 13 и параллельно включенного защитного элемента 17, состоящего здесь из варистора. Для увеличения импульсного сопротивления можно использовать больше варисторов, соединенных параллельно. На схеме также показано электронное устройство управления, состоящее из первого устройства 4 управления и второго устройства 12 управления, используемых для активации запускающих полупроводниковых элементов.
На Фиг. 2 показано первое возможное конструктивное решение двухполюсного ограничителя напряжения с защитой от перенапряжения. Ограничитель содержит цилиндрическую изолирующую оболочку 26, закрытую сверху электро- и теплопроводящей первой контактной пластиной 2, снабженной первым контактным выводом 1. Нижняя часть изоляционной оболочки 26 закрыта второй контактной пластиной 10, снабженной вторым контактным выводом 9. Первая контактная пластина 2 и вторая контактная пластина 10 являются электро- и теплопроводящими. Запускающие полупроводниковые элементы, а именно первый запускающий полупроводниковый элемент 5 и второй запускающий полупроводниковый элемент 13, и защитный элемент 17 согласно Фиг. 1 соединены параллельно и расположены внутри изолирующей оболочки 26. Защитный элемент 17 расположен здесь между двумя внутренними пластинами, соответственно между первой внутренней пластиной 3 и второй внутренней пластиной 11. Первый запускающий полупроводниковый элемент 5 и второй запускающий полупроводниковый элемент 13 могут состоять из инкапсулированных тиристоров или полупроводниковых микросхем.
Первый запускающий полупроводниковый элемент 5 расположен между первой внутренней пластиной 3, связанной с катодом 7, и первой контактной пластиной 2, связанной с анодом 6. Второй запускающий полупроводниковый элемент 13 расположен между второй внутренней пластиной 11, связанной с катодом 15, и второй контактной пластиной 10, связанной с анодом 14. Первая внутренняя пластина 3 и вторая внутренняя пластина 11 являются электро- и теплопроводящими. Первая контактная пластина 2 и вторая внутренняя пластина 11 скреплены через первый запускающий полупроводниковый элемент 5, первую внутреннюю пластину 3 и защитный элемент 17, по меньшей мере, с помощью двух первых электропроводящих опорных элементов 18, расположенных перпендикулярно относительно оси X и электрически изолированных от первой внутренней пластины 3 первыми изолирующими оболочками 20, при этом первая контактная пластина 2 и вторая внутренняя пластина 11 электрически соединены. По аналогии, вторая контактная пластина 10 и первая внутренняя пластина 3 скреплены через второй запускающий полупроводниковый элемент 13, вторую внутреннюю пластину 11 и защитный элемент 17, по меньшей мере, двумя вторыми электропроводящими опорными элементами 19, расположенными перпендикулярно к оси X и электрически изолированными от второй внутренней пластины 11 вторыми изоляционными оболочками 21, которые при этом также электрически соединяют вторую контактную пластину 10 и первую внутреннюю пластину 3. Первые опорные элементы 18 и вторые опорные элементы 19 предпочтительно образуют зажимающую конструкцию для взаимного зажима, и обеспечивают электрическое соединение с соответствующими частями ограничителя.
Пусковые полупроводниковые элементы 5 и 13 связаны посредством вспомогательных линий с электронным устройством управления. В варианте осуществления ограничителя согласно Фиг. 2 электронное устройство управления расположено снаружи изолирующей оболочки 26 и состоит из двух частей, а именно первого устройства 4 управления, соединенного с управляющим электродом 8 первого запускающего полупроводникового элемента 5, с первой контактной пластиной 2, с первой внутренней пластиной 3, и второго устройства 12 управления, соединенного с управляющим электродом 16 второго запускающего полупроводникового элемента 13, со второй контактной пластиной 10 и со второй внутренней пластиной 11. Устройства 4 и 12 управления, расположенные снаружи ограничителя напряжения, могут быть объединены в один блок, который может быть помещен в любое подходящее место, при этом существуют технически более предпочтительные варианты. Поверхность изолирующей оболочки 26 состоит из герметизирующего и изолирующего материала. В предпочтительной модели узел ограничителя напряжения вставляется в форму и при пониженном давлении заполняется герметизирующим и изолирующим материалом, который заполняет пространство между поверхностью изолирующей оболочки и другими частями ограничителя. В результате этой процедуры осуществляется герметизация корпуса. Существует большое количество возможных герметизирующих материалов, предпочтительно использовать полиуретановые, силиконовые и эпоксидные герметики.
Второй возможный вариант осуществления ограничителя показан на Фиг. 3 и отличается тем, что электронное устройство управления расположено внутри ограничителя и также состоит из первого устройства 4 управления и второго устройства 12 управления. По этой причине первая внутренняя пластина 3 отделена и состоит из первой плоской пластины 3А и первой дополнительной пластины 3В, расположенной на ее верхней поверхности и имеющей перевернутое U-образное поперечное сечение. Первое устройство 4 управления расположено в сформированной первой полости 24 и соединяется с управляющим электродом 8 первого запускающего полупроводникового элемента 5, расположенного между первой дополнительной пластиной 3В и первой контактной пластиной 2, с помощью первого соединительного штифта 22, проходящего через отверстие в первой дополнительной пластине 3В.
Первое устройство 4 управления соединено с первым контактным выводом 1 и вторым контактным выводом 9 посредством вспомогательных линий, предпочтительно через первую плоскую пластину 3А и вторую плоскую пластину 11А. Данное решение, наряду с расположением электронного устройства управления в полости, упрощает конструкцию, делая ее компактной, и обеспечивает возможность простой герметизации. По аналогии, вторая внутренняя пластина 11 также отделена и состоит из второй плоской пластины 11А и второй дополнительной пластины 11В с U-образным поперечным сечением, расположенной на ее нижней поверхности.
Второе устройство 12 управления расположено в сформированной второй полости 25 и соединяется с управляющим электродом 16 второго запускающего полупроводникового элемента 13, расположенного между второй дополнительной пластиной 11В и второй контактной пластиной 10, с помощью второго соединительного штифта 23, проходящего через верхнюю поверхность второй дополнительной пластины 11В. Второе устройство 12 управления соединено с первым контактным выводом 1 и вторым контактным выводом 9 посредством вспомогательных линий, предпочтительно через первую плоскую пластину 3А и вторую плоскую пластину 11А.
По аналогии, согласно схеме на Фиг. 2, первые опорные элементы 18 и вторые опорные элементы 19 являются электропроводящими и, предпочтительно образуют зажимающую конструкцию для взаимного зажима и электропроводное соединение соответствующих частей ограничителя. Аналогично, согласно схеме на Фиг. 2, оба первых опорных элемента 18 электрически изолированы от первой дополнительной пластины 3В посредством первых изолирующих оболочек 20, а вторые опорные элементы 19 электрически изолированы от второй дополнительной пластины 11В посредством вторых изолирующих оболочек 21.
В предпочтительной модели первая изолирующая оболочка 20 и вторая изолирующая оболочка 21 образованы непосредственно герметизирующим и изолирующим материалом.
В двух приведенных вариантах осуществления ограничителя первые опорные элементы 18 и вторые опорные элементы 19 выполнены электропроводящими болтами. Защитный элемент 17 расположен здесь непосредственно на оси X изолирующей оболочки 26, а первый запускающий полупроводниковый элемент 5 и второй запускающий полупроводниковый элемент 13 расположены симметрично друг другу относительно оси X.
Симметричность конструкции гарантирует, что аноды 7 и 14 запускающих полупроводниковых элементов 5 и 13 соединены с внешними контактными пластинами, первой контактной пластиной 2 и второй контактной пластиной 10 соответственно, в результате чего обеспечивается одинаковое охлаждение и, соответственно, одинаковая нагрузка обоих анодов запускающих полупроводниковых элементов. В предпочтительной модели электропроводящие опорные элементы 18 и 19 обеспечивают механический зажим и электрически соединяют отдельные части ограничителя напряжения. Помимо заявленного одинакового охлаждения анода представленное решение упрощает конструкцию, требует меньшего количества деталей и, следовательно, меньших затрат.
Для процесса производства предпочтительно, чтобы первая контактная пластина 2, вторая контактная пластина 10, простая и составная первые внутренние пластины 3, соответственно 3А, 3В, и простая и составная вторые внутренние пластины 11 соответственно 11А, 11В, были цилиндрическими.
Ограничитель напряжения обычно подключается через одну точку подключения к защищаемому устройству и к заземляющему проводнику через второй контактный вывод. Защищаемое устройство соединяется с ограничителем напряжения с защитой от перенапряжения посредством первого контактного вывода 1 и второго контактного вывода 9, обычно образованной клеммами, винтами или болтами с гайками.
Ограничитель напряжения реагирует на все медленные и быстрые, короткие и длинные импульсы постоянного и переменного тока. В случае возникновения недопустимого напряжения между первым контактным выводом 1 и вторым контактным выводом 9, напряжение проводится через первые опорные элементы 18 и вторые опорные элементы 19, через первую внутреннюю пластину 3 и вторую внутреннюю пластину 11, к защитному элементу 17 и также к первому устройству 4 управления и второму устройству 12 управления посредством вспомогательных линий. Защитный элемент 17 реагирует первым и ограничивает напряжение, чтобы предотвратить повреждение первого запускающего полупроводникового элемента 5 или второго запускающего полупроводникового элемента 13 или любого из устройств 4 и 12 управления.
Если недопустимое напряжение имеет положительную полярность и длится более 1 мс, первое устройство 4 управления реагирует и активирует первый запускающий полупроводниковый элемент 5 посредством управляющего электрода 8 первого запускающего полупроводникового элемента 5 и ограничивает недопустимое напряжение пороговым значением. Запускающие полупроводниковые элементы имеют малые потери мощности и могут постоянно подавать значительный объем тока, соответственно в течение длительного времени. Если ток, проходящий через запускающий полупроводниковый элемент, падает ниже значения тока срабатывания, полупроводниковый элемент размыкается, и состояние высокого импеданса возобновляется.
Если недопустимое напряжение имеет отрицательную полярность и длится более 1 мс, то, по аналогии, второе устройство 12 управления реагирует и активирует второй запускающий полупроводниковый элемент 13 посредством управляющего электрода 16 второго запускающего полупроводникового элемента 13 и ограничивает недопустимое напряжение пороговым значением.
Следует отметить, что время задержки ответа устройства управления в 1 мс является ориентировочной величиной. Это значение и другие технические параметры ограничителя напряжения, в том числе величина недопустимого напряжения, варьируют в соответствии с требованиями национальных стандартов.
Промышленная применимость
Конструкция ограничителя напряжения с защитой от перенапряжения в соответствии с представленным решением может использоваться для защиты людей, инструмента, машин и металлических конструкций от опасного контактного напряжения, перенапряжения и/или от воздействия токов утечки.
Ограничитель напряжения защищает от недопустимого напряжения, вызванного наличием потенциала рельса при эксплуатации и коротких замыканиях, выравнивает потенциал на устройстве, тем самым ограничивая возможное напряжение прикосновения. Ограничитель подключается между обратной цепью и заземляющим проводником, в частности на пассажирских железнодорожных станциях или постах секционирования. Ограничитель обеспечивает переходное соединение обратной цепи с заземлением тяговой сети в течение времени превышения допустимого значения напряжения и, следовательно, защищает людей, которые могут вступать в контакт с этими частями.
Защита от перенапряжения, подключенная параллельно, эффективно устраняет сильное импульсное напряжение, возникающее во время работы тяговых систем или железнодорожных устройств или в случае грозовых разрядов.