ВСТАВНОЙ РАЗРЯДНИК ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ
INSERT DISCHARGE ARRESTER OF OVERVOLTAGE PROTECTION

Область техники
Изобретение относится к вставному разряднику защиты от перенапряжения с корпусом для размещения разрядного элемента, который посредством проводящего соединительного элемента соединяется со штепсельными контактами, проходящими сквозь дно корпуса, причем между контактом разрядного элемента и соответствующим соединительным элементом образована термическая подпружиненная плавкая вставка, а также с воздействующим на плавкую вставку разделительным кронштейном, передающим усилие предварительного напряжения, и индикатором состояния согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Уровень техники
Монтаж разрядников защиты от перенапряжения различается для различных областей применения и конфигураций сети и должен соответствовать особенностям каждой области применения.
В низковольтной сети разрядники защиты от токов молнии и разрядники защиты от перенапряжения применяются согласно зонной концепции защиты от молнии в различных точках разрыва. Такие согласованные и скоординированные блоки сдерживают все виды переходных перенапряжений вплоть до высоких энергетических нагрузок при прямом разряде молнии.
Благодаря согласованному с конфигурацией сети соединению соответствующих разрядников защиты от перенапряжения с внешними проводами или находящимися под напряжением проводами с нулевым проводником или местным заземлением образуется согласованная с соответствующим вариантом сети концепция защиты, которая спроектирована с учетом оптимального действия защиты и помехозащищенности. Отдельные варианты монтажа для низковольтных сетей разъясняются в DIN VDE 0100, часть 534.
При монтаже ТТ-систем применяется так называемая схема 3+1, в которой три находящихся под напряжением внешних провода соединяются с нулевым проводником, в то время как между нулевым проводником и местным заземлением (PE/система защитного проводника) помещается еще один, так называемый N/PE-разрядник.
В случае перенапряжения, обусловленного разрядом молнии, срабатывают разрядники сети и разрядники N/PE, так что получающийся ток молнии распределяется по отводам, предоставляемым системой. Как правило, это внешние проводники в направлении местного заземления. Как следствие, ток молнии приблизительно равными долями распределяется по внешним проводникам, а полный ток с внешних проводников через разрядник N/PE стекает на местное заземление. Это означает, что разрядник N/PE должен быть рассчитан на полный ток, а разрядники во внешних проводниках - лишь на соответствующие доли тока.
Учитывая многообразие вариантов нагрузки, принципиально возможных для разрядника N/PE, нельзя исключить перегрузку этого разрядника в последовательно замкнутом состоянии, то есть тогда, когда он выполняет свою защитную функцию.
Начинающаяся перегрузка сначала может проявиться в виде нагрева. В этом состоянии разрядник может находиться в течение известного времени без вредных последствий для себя. При превышении этого времени или достижении температуры, опасной возможностью пожара, предлагается выполнить определенное отключение, в частности, в случае применения разрядника внутри помещения.
Вследствие сильной нагрузки разрядник может быть механически разрушен, так как, например, сначала нагреваются в течение долей секунды только токопроводящие части. При этом может произойти перегорание соединений, вследствие чего в итоге может произойти термическое разрушение корпуса разрядника или даже разрушение взрывом под действием возникающей электрической дуги.
Чтобы исключить выход из строя в описанных случаях нагрузки, необходимо защитное устройство, настроенное на конкретный вариант применения или разрушения разрядника N/PE, отключающее токоведущую часть разрядника при перегрузке и обеспечивающее надежное электрическое отсекание от возникающих напряжений.
Например, здесь применяются так называемые термические разъединительные устройства, которые, как правило, содержат плавкую вставку. При превышении температуры плавления этой вставки в соединении контактов образуется разрыв.
На уровне техники в настоящее время в качестве разрядников N/PE применяются газовые разрядники или искровые промежутки. Преимущество этих разрядников заключается в том, что в нормальном режиме работы большее сопротивление изоляции по сравнению с варисторными разрядниками, применяющимися со стороны внешних проводников.
Известно множество вариантов газовых разрядников, содержащих закорачивающую скобу, которая срабатывает под действием температуры и шунтирует разрядник. В варианте разрядника N/PE в низковольтной сети такое состояние, разумеется, нежелательно с точки зрения техники безопасности.
Ракрытие изобретения
Исходя из вышесказанного, задачей изобретения является разработка усовершенствованного вставного разрядника защиты от перенапряжения с корпусом для размещения разрядного элемента, который посредством проводящего соединительного элемента соединяется со штепсельными контактами, проходящими сквозь дно корпуса, причем разрядник обеспечивает эффективное и определенное отключение как при умеренных, так и при сильных перегрузках.
Задачей изобретения решается комбинацией признаков, раскрываемых в пункте 1 формулы изобретения, причем зависимые пункты формулы раскрывают, по меньшей мере, рациональные варианты исполнения и конструкции.
Согласно изобретению один из проводящих соединительных элементов содержит переключающий язычок или переходит в такой переключающий язычок, оконечность которого имеет плавкое место контакта в виде контактного участка для спайки.
Исходя из сказанного, переключающий язычок чувствителен к току, например, в месте запрограммированного разрушения, причем такое место запрограммированного разрушения расположено в области воздействия усилия предварительного напряжения разделительного кронштейна (который сам по себе известен).
Далее, согласно изобретению, между плавким местом контакта (контактным участком для спайки) и разрядным элементом находится электропроводная и теплопроводная соединительная пластина, которая имеет выступ для образования спая с контактным участком; далее этот выступ будет называться выступом для спайки.
Сечение оконечности переключающего язычка позволяет частично охватить выступ для спайки в направлении разъединения, так что захватывается лишь определенное, довольно небольшое количество плавкого материала, которое, тем не менее, обеспечивает надежное паяное плавкое соединение.
Выступ для спайки соединительной пластины сформирован в виде штырькового вывода, а оконечность язычка - в виде дополняющей его оболочки, лотка или желобка.
На разъединительном кронштейне согласно изобретению сформирована или расположена накладка в виде носика, свободная оконечность которой механически соприкасается с местом запрограммированного разрушения переключающего язычка.
В случае разъединения накладка в виде носика вдвигается в разрыв и гасит электрическую дугу, которая могла возникнуть.
Разъединительный кронштейн устанавливается в корпусе на штифте с возможностью поворота.
На стороне соединительной пластины, противоположной выступу для спайки, имеется поверхностный контур, дополняющий соответствующую контактную поверхность разрядного элемента, благодаря чему образуется надежное, простое, механическое и электрическое соединение между этими деталями.
Путем выбора геометрии и/или материала соединительной пластины можно настроить температуру срабатывания плавкой вставки, то есть можно целенаправленно воздействовать на плотность теплового потока из внутренней части разрядного элемента на участок теплового предохранителя или плавкую вставку. Такое воздействие в зависимости от варианта монтажа и конфигурации сети, а также мощности используемого разрядного элемента позволяет регулировать чувствительность или инерцию разъединительной схемы.
По меньшей мере, проводящий соединительный элемент с переключающим язычком изготовлен в виде единой штампованной детали. Эта штампованная деталь также имеет соответствующий штепсельный контакт, проходящий сквозь дно корпуса.
В области переключающего язычка дополнительно может быть установлена натяжная пружина, состоящая из пружинного хомута или биметаллической полоски или полоски из металла с эффектом памяти.
Дополнительный проводящий соединительный элемент предпочтительно также изготовлен в виде единой штампованной детали со штепсельным контактом, причем этот соединительный элемент имеет обширную контактную поверхность, которая находится в силовом замыкании с соответствующей контактной поверхностью разрядного элемента.
Дополнительный проводящий соединительный элемент обладает пружинящими свойствами и опирается на стенку корпуса. Чтобы обеспечить равномерное давление при контакте с разрядным элементом, по меньшей мере, в опорной области корпуса предусмотрены ребра жесткости или подобные им конструктивные элементы.
Разрядный элемент предпочтительно может быть выполнен в виде газового разрядника с противоположными структурированными контактными поверхностями, причем эти контактные поверхности имеют, например, вогнутую форму.
В этом случае поверхность соединительной пластины, противоположная плавкому выступу, имеет выпуклую форму.
Разрядник защиты от перенапряжения согласно изобретению предпочтительно применяется в устройстве защиты от перенапряжения для установки между нулевым проводником и системой заземляющих проводников низковольтной установки, причем основная идея изобретения может быть использована и в других вариантах применения разрядников защиты от перенапряжения.
Как уже говорилось, существенный признак изобретения заключается в создании комбинации плавкой вставки в качестве теплового предохранителя и места запрограммированного разрушения с заданными свойствами на пути ударного тока в разряднике в качестве дополнительного токового предохранителя или устройства отключения тока.
При этом плавкая вставка контролирует тепло, которое при умеренной перегрузке передается через контакты на соединения, и размыкает предварительно напряженный переключающий язычок, как только нагрев вызовет расплавление используемой плавкой вставки.
Устройство контроля тока, напротив, учитывает особенности поведения разрядника при перегрузке ударным током. В этом случае плавкое устройство контроля было бы перегружено и не смогло бы выполнять защитные функции в достаточной мере. При помощи подводящего проводника соответствующей конструкции, то есть особого сечения и/или формы подводящего проводника, аналогично плавкому предохранителю, обеспечивается возможность достаточно быстрого срабатывания разъединительного устройства и его разрывная способность.
Комбинированное разъединительное устройство имеет компактную конструкцию и состоит из единого элемента, который содержит подводящий проводник, место запрограммированного разрушения и плавкую вставку или плавкий выключатель, причем плавкий выключатель располагается непосредственно на контролируемом узле, в предлагаемом случае -предпочтительно на искровом промежутке газового разрядника.
Краткое описание чертежей
Изобретение подробно поясняется ниже на основании одного из вариантов исполнения и прилагаемых чертежей. На чертежах изображено:
фиг.1 - вид вставного разрядника защиты от перенапряжения со снятым защитным колпачком, благодаря чему можно видеть внутреннее строение;
фиг.2 - детальный вид согласно фиг.1 с переключающим язычком, плавкой вставкой и местом запрограммированного разрушения в области воздействия предварительно напряженной накладки разъединительного кронштейна, имеющей форму носика.
Осуществление изобретения
Согласно фиг.1 разрядник защиты от перенапряжения содержит корпус 1. На корпусе 1 имеется лицевая поверхность 1a, предназначенная для индикатора состояния, причем выступ 1b образует упор для этого индикатора состояния.
Индикатор состояния 2d сформирован на разъединительном кронштейне 2 таким же образом, каким на разъединительном кронштейне 2 сформирована накладка 2b, имеющая форму носика.
Вся представленная на фиг.1 конструкция, за исключением штепсельных контактов 4b и 6b, закрывается крышкой, в которой имеется смотровое окошко, соответствующее лицевой поверхности 1a.
Штепсельные контакты 4b и 6b служат для образования контакта в нижней части (не показана), к которой подходит подводящий проводник от внешних соединений.
Два этих внешних штепсельных контакта 4b и 6b ведут во внутреннюю часть корпуса 1 и соединяются в нем с обеих сторон с разрядным элементом 5.
Согласно варианту исполнения оба контактных элемента/соединительных элемента 4 и 6 изготавливаются путем штамповки, вытягивания или вырубки цельной детали из преимущественно упругого материала с хорошими электропроводными свойствами, например медно-бериллиевого сплава. На их оконечностях или краях в каждом случае контактные пружины образуют штепсельные контакты 4b и 6b. Далее контактная скоба 6a расположена на соединительном элементе, осуществляющем электрическое соединение с передней стороной разрядного элемента 5.
Один из соединительных или контактных элементов выполняется в виде комбинированного разъединительного устройства. Этот соединительный элемент состоит из выштампованной по центру шины 4, выштамповка 4 с которой образует подводящий проводник к разрядному элементу 5 и одновременно переключающий язычок.
На оконечности переключающего язычка находится контактный участок 4d для спайки, который при умеренной нагрузке разрядного элемента 5 припаивается к его контакту 5a путем теплопередачи и, в результате переключающего движения переключающего язычка 4c, вызывает отключение в виде разрыва.
Переключающее движение переключающего язычка 4c обуславливается предварительно натянутой пружиной, которая опосредованно передает предварительное напряжение через разъединительный кронштейн 2 на выштамповку, т.е. на переключающий язычок 4c и тем самым на контактный участок 4d для спайки.
Благодаря повороту разъединительного кронштейна 2 отсоединенный переключающий язычок 4c выполняет соответственно быстрое переключающее движение, проходя большую разъединяющую дистанцию, и создает тем самым гарантированный разрыв между разрядным элементом 5 и подводящим проводником, образованным переключающим язычком 4c.
Одновременно разъединительный кронштейн 2, выполнивший поворот, в своем крайнем положении 1b становится виден в смотровом окошке 1a, так что снаружи это положение переключения разъединительного кронштейна 2 благодаря его поверхности 2d индикации может быть распознано как положение срабатывания. Оконечность пружины 4 крепится, во-первых, в опорной точке 4a соединительного элемента, а во-вторых, в опорной точке 2b разъединительного кронштейна 2.
Разрыв электрической цепи при сильной перегрузке обеспечивает образованный выштамповкой переключающий язычок 4c за счет того, что необходимый для этого токочувствительный участок 4e запрограммированного разрушения находится на образованной этим язычком проводящей линии. Механизм происходящего здесь переключающего движения совпадает с механизмом плавкого отключения, то есть, и здесь имеет место визуальная индикация состояния. Разрыв/участок 4e запрограммированного разрушения находится в нижней трети и не в непосредственной близости от оконечности переключающего язычка 4с.
При разъединительном движении разъединительный кронштейн 2 благодаря своему повороту, обусловленному разъединением, вдвигается в разрыв, так что возможно возникшая коммутационная дуга эффективно гасится сразу же после возникновения. Это возможно благодаря тому, что накладка 2b разъединительного кронштейна 2, имеющая форму носика, расположена непосредственно над токочувствительным участком 4e запрограммированного разрушения, давит на него и при разрыве задвигается в промежуточное пространство.
Как уже упоминалось, предварительное напряжение переключающего язычка 4c обеспечивается пружиной 3, первая опорная точка которой находится на верхней оконечности контактного элемента 4a. Созданная пружиной линия воздействует на разъединительный кронштейн 2 в точке 2c воздействия, которая, в свою очередь, воздействует на вращающуюся опору 2a разъединительного кронштейна 2 и обеспечивает желаемый поворот.
Таким образом, предварительное напряжение пружины посредством разъединительного кронштейна 2 воздействует, с одной стороны, на переключающий язычок 4c и тем самым на контактный участок 4d для спайки, а с другой стороны - на токочувствительный участок 4e запрограммированного разрушения. Дополнительная поддержка этого предварительного напряжения возможна за счет встроенной во вдавленный канал натяжной пружины, которая может представлять собой, например, пружинный хомут или предпочтительно биметаллическую полоску или полоску из металла с эффектом памяти. Этот металл или комбинация металлов выбирается таким образом, чтобы существовала возможность принятия, по меньшей мере, двух стабильных положений или форм, зависящих от температуры. Этот эффект согласно изобретению используется таким образом, что переключающий язычок 4c при растущей температуре испытывает растущее давление в направлении переключения, вследствие чего дополнительно к упругости пружины увеличивается предварительное напряжение. Это оказывает положительное влияние на процесс и скорость переключения. Такая комбинация создания предварительного напряжения дополнительно повышает надежность срабатывания переключения, то есть создается избыточность или аварийный пуск на случай отказа или ограниченной функциональности одной из упомянутых систем.
Контактный участок 4d для спайки, соединяющий переключающий язычок 4c с разрядным элементом 5, имеет такую конструкцию и расположен таким образом, что разъединение происходит гарантированно и в момент, когда еще не следует ожидать термического повреждения вследствие перегрева разрядного элемента 5 (или оно еще не произошло). Эта точка определяется при помощи выбора плавкого материала, причем существенное значение имеет также описанное ранее механическое предварительное напряжение. Кроме того, выбирается оптимальное количество плавкого материала для спая 4f и оптимальное распределение тепла на контактном участке для спайки.
Форма контактного участка 4d для спайки позволяет ему принять лишь ограниченное количество плавкого материала. Для этого оконечность переключающего язычка 4c выполнена в виде узкого полужелобка. Для получения оптимального теплового распределения применяются только металлы или сплавы, или покрытия с большой теплопроводностью, по меньшей мере, в области контактного участка для спайки.
Кроме того, соединительный или контактный элемент 6 имеет такую конструкцию, что через опоры 8 в корпусе или половине 1 корпуса, предназначенной для установки конструктивных узлов, и через скобу 6a на контактную поверхность 5b разрядного элемента 5 оказывается контактное давление. Эти опоры 8 образованы, например, перемычками, которые одновременно повышают прочность половины 1 корпуса, так что постоянное контактное давление обеспечивается также соответствующей жесткостью корпуса.
Через опоры или перемычки 8 в несущей половине 1 корпуса проведены и зафиксированы оба контактных элемента или соединительных элемента 4, 6. Одновременно внутренние перемычки или выступы в определенных местах служат изоляцией контактных элементов.
Важная для изобретения соединительная пластина 7 благодаря выбору своего материала и геометрии может целенаправленно влиять на плотность теплового потока из внутренней области искрового промежутка/газового разрядника в направлении места контроля температуры (контактного участка для спайки).
Такое воздействие в зависимости от варианта монтажа и конфигурации сети, а также мощности используемого искрового промежутка/газового разрядника позволяет регулировать чувствительность, то есть срабатывание разъединительной схемы.
Так, принципиально возможно получить относительно нечувствительное к температуре разъединительное устройство путем использования материала с плохой теплопроводностью, например железа, или путем использования неблагоприятной геометрии - протяженного проводника малого сечения. Такая конструкция приводит к тому, что в описываемом случае плотность теплового потока уменьшается, в результате чего увеличивается время, необходимое для достижения контактным участком для спайки температуры плавления.
В противоположном случае путем использования для соединительной пластины 7 материала с очень хорошей проводимостью, а также соответствующей геометрии с большим сечением и малой длиной, можно повысить плотность теплового потока, вследствие чего разъединительное устройство будет срабатывать быстрее.
На фиг.2 представлена чувствительная к теплу/току область переключающего язычка 4c. Здесь также можно увидеть профиль в виде желобка, из которого сформирован переключающий язычок 4c.
В области, в которой накладка 2b разъединительного кронштейна 2, имеющая форму носика, опирается на переключающий язычок 4c, выполнено отверстие, служащее токочувствительным участком 4e запрограммированного разрушения.
Это отверстие выполнено в дне профиля в виде желобка, в то время как его боковые стороны или крылья сохраняются, по меньшей мере, большей частью. В результате возникает сужение сечения, в котором уже на этапе нагрева под действием предварительного напряжения разъединительного кронштейна образуется надлом и тем самым облегчается как разъединение, так и гашение электрической дуги разъединительным кронштейном 2.
Выходящая оконечность переключающего язычка 4c состоит из хвостовика 4d в виде желобка (контактный участок для спайки), который геометрически замыкает в направлении разъединения ведущий наружу выступ 5a для спайки в форме контактного штифта или штырького вывода таким образом, что переключающее движение переключающего язычка 4c при расплавлении плавкого материала происходит в направлении предварительного напряжения разъединительного кронштейна 2.
Эти детали образуют термочувствительную область разъединительного устройства, то есть такую область, которая реагирует на нагрев разрядника 5.
Хвостовик 4d припаян к выступу при помощи спая 4f, причем количество плавкого материала ограничено выступом 5a для спайки.
Если вследствие токовой нагрузки разрядника 5 происходит нагрев соединительной пластины 7 с выступом 5a для спайки, то по причине меньшей массы отклоненная область переключающего язычка 4c испытывает почти такой же нагрев, что и сам контактный участок для спайки. В результате жидкий плавкий материал дополнительно отводится от контактного участка посредством капиллярного эффекта, так что обеспечивается мгновенное срабатывание переключающего язычка 4c без образования перемычек из плавкого материала.