УСТРОЙСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИЕ ПЛАСТИНУ ИЗ ВАРИСТОРНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2011 года по МПК H01C7/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройствам защиты от скачков напряжения и, в частности, к устройству защиты от скачков напряжения, содержащему пластину из варисторного материала.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Часто на обслуживаемых линиях, которые обеспечивают энергией дома, а также коммерческие объекты и учреждения, имеют место чрезмерные напряжения. Подобные перенапряжения или скачки напряжения могут быть, например, следствием ударов молний. Скачки напряжения являются предметом особого беспокойства в телекоммуникационных распределительных центрах, больницах и иных объектах, где повреждение оборудования, вызванное скачками напряжения, и последующее время простоя могут привести к очень большим затратам.

Как правило, применяется один или более варисторов (то есть зависящих от напряжения резисторов) для защиты оборудования от скачков напряжения. Как правило, варистор присоединен непосредственно в параллель вводу переменного напряжения и параллельно защищаемой схеме. Варистор имеет такое характерное предельное напряжение, так что в случае превышения напряжения выше предписанного значения варистор формирует шунтирующую цепь с малым сопротивлением для тока перенапряжения, которая уменьшает потенциал опасности для чувствительных элементов. Как правило, в защитной схеме может быть включен линейный предохранитель, который может перегореть при прохождении сверхтока в случае отказа варисторного элемента.

Варисторы создавались согласно нескольким конструктивным решениям для различных применений. Для применений в тяжелых режимах, например, где необходима защита от сверхтоков в пределах от 60 до 200 кА, при защите телекоммуникационного оборудования, обычно применяются блочные варисторы. Блочный варистор, как правило, содержит дисковой варисторный элемент, который запечатан в пластиковый корпус. Варисторный диск формируется посредством литья под давлением с применением материалов из окисей металла, например окиси цинка или иного подходящего материала, такого как карбид кремния. Медь или иной электропроводящий материал наносится на противоположные поверхности диска посредством пламенного напыления. Кольцеобразные электроды прикрепляются к покрытым противоположным поверхностям, и сборка из диска и электрода заключается в пластиковый корпус. Примеры таких блочных варисторов включают изделие №SIOV-B860K250, производимое Siemens Matsushita Components GmbH&Co.KG, и изделие №V271BA60, производимое Harris Corporation.

Другое конструктивное решение варистора включает высокоэнергичный варисторный диск, заключенный в дисковой диодный корпус. Диодный корпус имеет противолежащие электродные пластины, а варисторный диск размещается между ними. Один или оба электрода содержат пружинный элемент, размещенный между электродной пластиной и варисторным диском для удержания варисторного диска на месте. Пружинный элемент или элементы обеспечивают сравнительно малую площадь контакта с варисторным диском.

Еще одним типом устройства защиты от перенапряжений с применением варисторной пластины является модуль защиты от перенапряжений Strikesorb™, производимый греческой фирмой Raycap Corporation, который может входить в состав системы ограничения переходных скачков напряжения Rayvoss™.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства защиты от перенапряжений, которое может обеспечить ряд преимуществ для безопасного, длительного и последовательного использования при экстремальных, повторяемых и/или критических («на пределе ресурса») перенапряжениях.

Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания устройства защиты от перенапряжений, содержащего первый и второй электропроводящие электродные элементы, варисторный элемент, сформированный из варисторного материала и электрически присоединенный к каждому из первого и второго электродных элементов, а также электропроводящий, плавкий элемент. Плавкий элемент восприимчив к теплоте в устройстве для того, чтобы расплавиться и сформировать путь тока между первым и вторым электродными элементами через плавкий элемент.

Согласно некоторым вариантам осуществления, путь тока, формируемый плавким элементом, полностью проходит от первого электродного элемента ко второму электродному элементу, где плавкий элемент входит в контакт с каждым из первого и второго электродных элементов.

Плавкий элемент может быть сформирован из металла. Согласно некоторым вариантам осуществления температура плавления плавкого элемента лежит в пределах от 110 до 160°C.

Согласно некоторым вариантам осуществления первый электродный элемент содержит корпус, определяющий камеру, при этом плавкий элемент и, по меньшей мере, часть второго электродного элемента расположены в этой камере. Плавкий элемент установлен на части второго электродного элемента в камере.

Предпочтительно электропроводящий усиливающий элемент расположен в камере, между первым и вторым электродными элементами, причем усиливающий элемент сформирован из материала, имеющего более высокую температуру плавления, чем материал корпуса, а усиливающий элемент расположен так, чтобы принимать электрическую дугу от второго электродного элемента. Камера может быть запечатана. В камере расположен электроизоляционный элемент между первым и вторым электродными элементами.

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения устройство защиты от перенапряжений содержит варисторный элемент, сформированный из варисторного материала, и электропроводящий, плавкий элемент. Устройство предназначено для направления тока через варисторный элемент в случае перенапряжения. Плавкий элемент восприимчив к теплоте, чтобы расплавиться и сформировать новый путь тока в устройстве, чтобы ингибировать, по меньшей мере часть выделяемого тепла. Новый путь тока направляет ток от варисторного элемента.

Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает защиту от перенапряжений и включает следующие операции использованияустройства защиты от перенапряжений, содержащего первый и второй электропроводящие электродные элементы, варисторный элемент, сформированный из варисторного материала и электрически соединенный с каждым из первого и второго электродных элементов, и электропроводящий, плавкий элемент, плавление плавкого элемента при увеличении теплоты в устройстве для формирования токовой цепи между первым и вторым электродными элементами через плавкий элемент.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные функциональные особенности и преимущества настоящего изобретения поясняются описанием предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает общий вид устройства защиты от перенапряжений в разобранном виде, согласно изобретению;

фиг.2 - общий вид сверху устройства защиты от перенапряжений, согласно изобретению;

фиг.3 - продольный разрез устройства защиты от перенапряжений по линии III-III на фиг.2, согласно изобретению;

фиг.4 - продольный разрез устройства защиты от перенапряжения, где плавкий элемент устройства защиты от перенапряжений реконфигурирован путем плавления в вертикальном положении, согласно изобретению;

фиг.5 - продольный разрез устройства защиты от перенапряжений, где плавкий элемент устройства защиты от перенапряжений реконфигурирован путем плавления в горизонтальном положении, согласно изобретению;

фиг.6 - принципиальную схему, содержащую устройство защиты от перенапряжений, согласно изобретению;

фиг.7 - продольный разрез устройства защиты от перенапряжений, согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения;

фиг.8 - общий вид сборки плавкого элемента в разобранном виде, согласно дополнительным вариантам осуществления настоящего изобретения;

фиг.9 - вид сверху плавкого элемента в разобранном виде, согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение может быть реализовано во многих различных формах и не должно быть истолковано как ограниченное описанными далее вариантами осуществления. Эти варианты осуществления предоставлены для того, чтобы описание было исчерпывающим и полностью передало объем изобретения.

Относящиеся к пространству термины, такие как «под», «ниже», «нижний», «над», «верхний» использованы для упрощения описания положения одного элемента относительно другого элемента(ов).

Широко известные функции или конструкции не описаны подробно для краткости и/или ясности.

Выражение «и/или» включает любую и все сочетания из одного или более связанных, перечисленных пунктов.

Использованная терминология имеет целью описать только частные варианты осуществления и не предназначена для установления границ изобретения.

Если не определено иного, все использованные термины (включая технические и научные термины) имеют то же значение, что и обычно в данной области техники.

Термин «пластина» обозначает подложку, имеющую толщину, которая сравнительно меньше размеров ее диаметра, длины или ширины.

На фиг.1-5 показано устройство 100 защиты от перенапряжений согласно первому варианту осуществления изобретения. Устройство 100 имеет продольную ось А-А (фиг.3). Устройство 100 содержит корпус 120, электрод 130 в форме поршня, пластину 110 из варисторного материала и другие элементы, описанные более детально ниже. Корпус имеет донную электродную стенку 122 и цилиндрическую боковую стенку 124, проходящую от электродной стенки 122. Боковая стенка 124 и электродная стенка 122 образуют камеру или полость 121, соединенную с проходом 126. Резьбовой столбик или стержень 129 проходит наружу от корпуса 120. Электрод 130 имеет головку 132, расположенную в полости 121, и неразъемный шток 134, который выступает наружу через проход 126. Варисторная пластина 110 расположена в полости 121 между и в контакте с электродной стенкой 122 и головкой 132. Устройство 100 содержит также электропроводящий плавкий элемент 180, для предотвращения перегрева или теплового разрушения устройства, как описано более подробно ниже.

При использовании устройство 100 может быть непосредственно соединено в параллель ввода переменного или постоянного тока (например, в электрическом распределительном шкафу). Обслуживаемые линии присоединены непосредственно или через иные элементы сети к электродному штоку 134 и столбику 129 корпуса так, что электрическая цепь формируется через электрод 130, варисторную пластину 110, электродную стенку 122 корпуса и столбик 129 корпуса. При отсутствии перенапряжения варисторная пластина 110 обеспечивает высокое электрическое сопротивление так, что через устройство 100 не протекает значительный ток, так как оно является разомкнутой цепью. В случае перенапряжения (относительно проектного напряжения устройства) сопротивление варисторной пластины быстро уменьшается, ток протекает через устройство 100 и образует шунтирующий путь для тока, чтобы защитить другие элементы связанной электрической системы. Общее использование и применение устройств защиты от перенапряжений, таких как варисторные устройства, широко известны в этой области техники и поэтому не описаны подробно.

Устройство 100 дополнительно содержит пружинную шайбу 140, плоскую шайбу 145, изоляционное кольцо 150, концевую крышку 160, зажимную стопорную шайбу 170 и уплотнительные кольца 172, 174, 175, расположенные в полости 121. Каждый из этих элементов описан более подробно ниже.

Электродная стенка 122 корпуса 120 имеет обращенную внутрь, по существу, плоскую контактную поверхность 122А. Кольцевая канавка 123 сформирована на внутренней поверхности боковой стенки 124. В некоторых вариантах осуществления корпус 120 сформирован из алюминия. Однако может быть использован любой подходящий электропроводящий металл. Корпус 120 является цельным. Корпус 120 имеет цилиндрическую форму, но он может быть также иной формы.

Головка 132 (фиг.3) электрода 130 имеет, по существу, плоскую контактную поверхность 132А, которая обращена к контактной поверхности 122А электродной стенки 122. Верхняя поверхность 132В головки 132 имеет фаску или конусообразную форму (то есть имеет радиальный откос) направленную наружу и вниз от нижней части 134А штока. Нижняя часть 134А штока имеет меньший диаметр по сравнению с диаметром головки 132. Верхняя часть 134В штока проходит от верхнего конца нижней части 134А штока. Верхняя часть 134В штока имеет меньший диаметр по сравнению с диаметром нижней части 134А штока. В некоторых вариантах осуществления часть 134В штока имеет диаметр в пределах от 1 до 1,5 дюймов. Интегральный кольцевой промежуточный фланец 138 проходит радиально наружу от штока 134 между частями 134А, 134В штока. Кольцевой, обращенный в стороны паз 139А определен в окружной боковой стенке фланца 138. Еще один кольцевой, обращенный в стороны паз 139В определен в верхней части 134В штока. В конце штока 134 сформировано резьбовое глухое отверстие 136 для ввода болта для фиксации токопроводящей шины или иного электрического соединителя к электроду 130. Электрод 130 сформирован из алюминия. Однако может быть использован любой электропроводящий металл.

Плавкий элемент 180 установлен на электроде 130. Плавкий элемент 180 является цилиндрическим трубчатым отрезком или муфтой, окружающей нижнюю часть 134А штока, которая расположена в центральном канале плавкого элемента 180. В некоторых вариантах осуществления плавкий элемент 180 находится в контакте с нижней частью 134А штока, либо плавкий элемент 180 находится в контакте с нижней частью 134А штока вдоль, по существу, всей длины нижней части 134А штока. Плавкий элемент 180 также находится в контакте с нижней поверхностью фланца 138 и верхней поверхностью 132В головки 132.

Плавкий элемент 180 сформирован из плавкого электропроводящего материала. В некоторых вариантах осуществления плавкий элемент 180 сформирован из металла. В некоторых вариантах осуществления плавкий элемент 180 сформирован из электропроводящего сплава металла, либо из сплава металла из группы, в которую входят сплав алюминия, сплав цинка и/или сплав олова, но могут быть использованы любые подходящие электропроводящие сплавы.

Плавкий элемент 180 выбран так, что температура плавления выше предписанной максимальной стандартной рабочей температуры. Максимальная стандартная рабочая температура может быть наивысшей возможной температурой, ожидаемой в течение нормальной работы, включая управление скачками перенапряжения в заданных границах устройства 100, но не в течение работы, которая, будучи оставленной без контроля, приведет к тепловому разрушению. Плавкий элемент 180 может быть сформирован из материала, имеющего температуру плавления в пределах от 110 до 160°C, в некоторых вариантах осуществления - в пределах от 130 до 150°C. Температура плавления плавкого элемента 180, по меньшей мере, на 20°C меньше, чем температура плавления корпуса 120, электрода 130 и изоляционного кольца 150, либо, по меньшей мере, на 30°C меньше, чем температура плавления корпуса 120, электрода 130 и изоляционного кольца 150, либо, по меньшей мере, на 40°C меньше, чем температура плавления корпуса 120, электрода 130 и изоляционного кольца 150.

Плавкий элемент 180 имеет удельную электрическую проводимость в пределах от 3×10⁷ Сименс на метр (С/м) до 4×10⁷ С/м, в некоторых вариантах в пределах от 3,5×10⁷ С/м до 3,8×10⁷ С/м.

Плавкий элемент 180 может быть установлен на электроде 130 любым подходящим способом. Плавкий элемент 180 может быть отлит или спрессован на электроде 130, либо механически закреплен на электроде 130.

Варисторная пластина 110 имеет первую и вторую противоположные, по существу, плоские контактные поверхности 112. Варисторная пластина 110 размещена между контактными поверхностями 122А и 132А. Как описано более подробно ниже, головка 132 и стенка 122 механически нагружены к варисторной пластине 110 для обеспечения прочного и равномерного контакта между поверхностями 132А, 122А и соответствующими противоположными поверхностями 112 варисторной пластины 110.

В описываемом варианте осуществления варисторная пластина 110 имеет форму диска. Тем не менее, варисторная пластина 110 может иметь и другую форму. Толщина и диаметр варисторной пластины 110 зависят от требуемых характеристик варистора в зависимости от конкретного применения. Варисторная пластина 110 может содержать пластину из варисторного материала, покрытую с каждой стороны проводимым покрытием так, чтобы открытые поверхности покрытий служили как контактные поверхности. Покрытия могут быть сформированы из алюминия, меди или серебра.

Варисторным материалом может быть любой подходящий материал, традиционно используемый для варисторов, т.е. материал с нелинейной характеристикой сопротивления в зависимости от приложенного напряжения. Предпочтительно, сопротивление становится очень низким, когда превышается предписанное напряжение. Варисторным материалом может быть легированная окись металла или карбид кремния. Подходящие окиси металла включают смеси карбида цинка.

Пружинная шайба 140 окружает верхнюю часть 134В штока и контактирует с верхней поверхностью фланца 138. Каждая пружинная шайба 140 содержит отверстие 142, в которое проходит верхняя часть 134В штока электрода 130. Пружинная шайба 140 упирается в верхнюю грань фланца 138. В некоторых вариантах осуществления зазор между отверстием 142 и частью 134В штока лежит в пределах от 0,015 до 0,035 дюймов. Пружинная шайба 140 может быть сформирована из упругого материала. Как показано на фиг.3, пружинная шайба 140 является тарельчатой пружиной, сформированной из пружинной стали. Несмотря на то, что показана только одна пружинная шайба 140, может быть использовано большее количество.

Плоская металлическая шайба 145 размещена между пружинной шайбой 140 и изоляционным кольцом 150 так, что часть 134В штока проходит через отверстие 146, сформированное в шайбе 145. Шайба 145 служит для распределения механической нагрузки пружинной шайбы 140, для предотвращения врезки пружинной шайбы в изоляционное кольцо 150.

Изоляционное кольцо 150 лежит и опирается на шайбу 145. Изоляционное кольцо 150 имеет основное корпусное кольцо 154, цилиндрический верхний фланец или муфту 156, проходящую вверх от основного корпусного кольца 154, и цилиндрический нижний фланец или муфту 158, проходящую вниз от основного корпусного кольца 154. Часть 134В штока проходит в отверстие 152. Зазор между отверстием 152 и частью 134В штока находится в пределах от 0,025 до 0,065 дюймов. Основное корпусное кольцо 154 и муфты 156, 158 могут быть скреплены или отлиты как одно целое. Направленный вверх и наружу окружной паз 159 сформирован у верхнего угла основного корпусного кольца 154.

Изоляционное кольцо 150 предпочтительно сформировано из диэлектрического или электрически непроводящего материала, имеющего высокую температуру плавления и горения. Изоляционное кольцо 150 может быть сформировано из поликарбоната, керамики или высокотемпературного полимера, например. Изоляционное кольцо 150 сформировано из материала, имеющего температуру плавления, которая выше, чем температура плавления плавкого элемента 180.

Концевая крышка 160 лежит и опирается на изоляционное кольцо 150. Концевая крышка 160 имеет отверстие 162, в которое проходит часть 134В штока. Зазор между отверстием 162 и частью 134В штока лежит в пределах от 0,025 до 0,065 дюймов. Концевая крышка 160 может быть сформирована из алюминия.

Зажимная стопорная шайба 170 является упругой и имеет форму усеченного кольца. Стопорная шайба 170 частично входит в канавку 123 и частично радиально проходит внутрь от внутренней стенки корпуса 120 для ограничения осевого смещения концевой крышки 160. Стопорная шайба 170 может быть сформирована из пружинной стали.

Уплотнительное кольцо 172 расположено в пазе 139А так, что оно фиксируется между фланцем 138 и нижней муфтой 158. Уплотнительное кольцо 174 расположено в пазе 139В так, что оно фиксируется между частью 134В штока и верхней муфтой 156. Уплотнительное кольцо 175 расположено в пазе 159 и зафиксировано между изоляционным кольцом 150 и боковой стенкой 124. При установке уплотнительные кольца 172, 174, 175 сжимаются так, что они смещаются к смежным стыкующимся поверхностям и формируют уплотнение между ними. В случае перенапряжения побочные продукты, такие как горячие газы и фрагменты пластины 110, могут заполнить или рассеяться в полости 121. Посредством уплотнительных колец 172, 174, 175 может быть ограничена или предотвращена утечка этих побочных продуктов из устройства 100 защиты от перенапряжений вдоль канала между штоком 134 и изоляционным кольцом 150 или канала между изоляционным кольцом 150 и боковой стенкой 124.

Уплотнительные кольца 172, 174, 175 могут быть сформированы из одного и того же или из различных материалов. В некоторых вариантах уплотнительные кольца 172, 174, 175 сформированы из упругого материала, такого как эластомер, либо из резины. Они могут быть сформированы из фторуглеродной резины, такой как VITON™, производимой фирмой DuPont. Могут быть использованы другие резины, такие как бутилкаучук. Резина имеет твердость по Шору в пределах от 60 до 100 пунктов по шкале A. Температура плавления каждого из уплотнительных колец 172, 174, 175 выше температуры плавления плавкого элемента 180.

В собранном состоянии, (фиг.3), корпус 120, пластина 110, часть 134А электродного штока, головка 132, фланец 138 и нижняя муфта 158 определяют кольцеобразную камеру 102, которая является запечатанной подкамерой полости 121 корпуса. Плавкий элемент 180 находится в камере 102.

Электродная головка 132 и электродная стенка 122 упираются в варисторную пластину 110 для прочного и равномерного контакта между поверхностями 112 пластины и поверхностями 122А, 132А. Эта особенность устройства 100 может быть оценена при рассмотрении способа сборки устройства 100. Уплотнительные кольца 172, 174, 175 устанавливаются в пазы 139А, 139В, 159. Варисторная пластина 110 размещается в полости 121 так, что поверхность 112 пластины входит в контакт с контактной поверхностью 122А. Электрод 130 вводится в полость 121 так, что контактная поверхность 132А входит в контакт с поверхностью 112 варисторной пластины. Пружинная шайба 140 направляется вниз по части 134В штока и размещается над фланцем 138. Шайба 145, изоляционное кольцо 150 и концевая крышка 160 направляются вниз по части 134В штока и размещаются над пружинной шайбой 140. Зажимное устройство (не показано) или иное подходящее устройство используется для прижимания концевой крышки 160 вниз, что приводит к сжиманию пружинной шайбы 140. В то время как концевая крышка 160 находится под нагрузкой зажимного устройства, стопорная шайба 170 сжимается и вводиться в канавку 123. После этого стопорная шайба 170 отпускается и возвращается к первоначальному диаметру, вследствие чего она частично занимает канавку и частично радиально проходит внутрь в полость 121 от канавки 123. Таким образом, стопорная шайба 170 и канавка 123 служат для сохранения нагрузки на концевую крышку 160, чтобы частично сжать пружинную шайбу 140. Нагрузка от концевой крышки 160 на изоляционное кольцо 150 и от изоляционного кольца на пружинную шайбу 140 в свою очередь передается на головку 132. Таким образом, варисторная пластина 110 формирует сэндвич-структуру (зажим) между головкой 132 и электродной стенкой 122.

Как описано выше, при отсутствии перенапряжения варисторная пластина 110 обеспечивает большое сопротивление так, что через устройство 100 ток не протекает, так как оно электрически представляет собой разомкнутую цепь. В случае перенапряжения (относительно проектного напряжения) сопротивление варисторной пластины быстро уменьшается, ток начинает протекать через устройство 100 и образует шунтирующую цепь для протекания тока, чтобы защитить другие элементы связанной электрической системы. Тем не менее, при определенных состояниях может возникнуть увеличение теплоты в устройстве 100. Например, устройство 100 может попасть в режим «на пределе ресурса», в котором варисторная пластина истощается полностью или частично (то есть в состоянии «на пределе ресурса»). Также в устройстве 100 может иметь место случай сверхтока или несколько случаев сверхтока, следующих подряд. В таких случаях варисторного материала может оказаться недостаточно для проведения тока, что приводит к дугообразованию между электродом 130 и корпусом 120. Кроме того, эффективного сечения электропроводящей цепи может оказаться недостаточно для действующего тока, что приводит к высоким омическим потерям и генерации теплоты. Подобное образование дуги может, в свою очередь, привести к увеличению теплоты в устройстве 100. Без контроля это увеличение теплоты может привести к тепловому выходу из-под контроля и температура устройства может превысить предписанную максимальную температуру. Например, максимальная допустимая температура внешних поверхностей устройства может быть установлена сводом правил или стандартом для предотвращения воспламенения смежных элементов (например, согласно UL 1449). Одним из вариантов предупреждения подобного теплового выхода из-под контроля является отключение тока через устройство 100, используя предохранитель, который перегорает до возникновения перегрева в устройстве 100. Однако, как описано ниже, в некоторых случаях этот подход нежелателен, так как он может вызвать повреждение других важных элементов в связанной схеме или оставить нагрузку без защиты после отсоединения устройства защиты от перенапряжений.

Плавкий элемент 180 служит для предотвращения или препятствования подобному тепловому выходу из-под контроля без необходимости отключения тока, протекающего через устройство 100. В исходном состоянии плавкий элемент 180 имеет первую конфигурацию (фиг.1 и 3), в которой он электрически не соединяет электрод 130 и корпус 120 за исключением цепи через головку 132. В случае увеличения теплоты электрод 130 нагревается. Плавкий элемент 180 также нагревается непосредственно и/или через электрод 130. В течение нормальной работы температура плавкого элемента 180 остается на уровне ниже температуры плавления так, чтобы плавкий элемент 180 оставался в твердой форме. Однако, когда температура плавкого элемента 180 превышает температуру плавления, плавкий элемент 180 расплавляется (полностью или частично) и перетекает под действием силы тяжести во вторую конфигурацию, отличную от первой конфигурации. Когда устройство 100 расположено вертикально, расплавленный плавкий элемент 180 накапливается в нижней части камеры 102 как реконфигурированный плавкий элемент 180А (который может быть расплавлен полностью или частично) (фиг.4). Плавкий элемент 180А шунтирует или замыкает накоротко электрод 130 к корпусу 120. То есть обеспечивается новый прямоточный путь или пути от поверхности части 134А электрода к поверхностям донной стенки 122 корпуса и боковой стенки 124 корпуса через плавкий элемент 180А. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, некоторые из этих путей тока не включают варисторную пластину 110.

Таким образом, плавкий элемент 180А обеспечивает увеличенную контактную поверхность между электродом 130 и корпусом 120, а также увеличенный путь тока. То есть сечение и объем электропроводящего пути, который содержит плавкий элемент 180А, увеличиваются. Как результат, дугообразование, омический нагрев и/или другие явления, вызывающие тепловыделение, уменьшаются или ликвидируются, и тепловой выход из-под контроля и/или чрезмерный перегрев устройства 100 может быть предотвращен. Таким образом, устройство 100 может быть преобразовано в элемент со сравнительно низким сопротивлением, способный безопасно поддерживать относительно большой ток (то есть без катастрофического разрушения устройства). Понятно, что после этого устройство 100 может стать непригодным в качестве устройства защиты от перенапряжений, но катастрофического разрушения (то есть приводящего к температуре воспламенения, взрыву или выбросу материалов из устройства 100) не будет.

Из-за относительно большого диаметра нижней части 134А штока внешняя поверхность части 134А штока располагается ближе к внутренней поверхности боковой стенки 124 корпуса и обеспечивает большие контактные площади между реконфигурированной плавкой элементом 180А, частью 134А штока и боковой стенкой. Диаметры частей 134А и 134В штока подобраны так, что сверхток протекает без перегрева частей 134А, 134В штока, когда плавкий элемент 180 расплавлен и реконфигурирован в плавкий элемент 180А, и устройство 100 продолжает выдерживать сверхток или рабочий ток.

Устройство 100 может быть эффективно применено в любом положении. Например, устройство 100 (фиг.5) может быть использовано в горизонтальном положении. Когда плавкий элемент 180 плавится в случае чрезмерного тепловыделения, плавкий элемент 180 перетечет в нижнюю часть камеры 102, где сформируется реконфигурированный плавкий элемент 180В (который может быть расплавлен полностью или частично), который шунтирует электрод 130 и корпус 120, как описано выше. Фланец 138, уплотнительное кольцо 172 и нижняя муфта 158 изоляционного кольца, также как и изоляционное кольцо 150, уплотнительное кольцо 175 и боковая стенка 124, совместно формируют изоляцию камеры 102 для того, чтобы расплавленный плавкий элемент 180 не вытекал из камеры 102. Уплотнительное кольцо 174 обеспечивает вторичную изоляцию.

На фиг.6 схематически показана электрическая схема 30 согласно изобретению, содержащая источник 32 питания, выключатель 34, защищаемую нагрузку 34, заземление 40 и устройство 100 защиты от перенапряжений. Устройство 100 может быть установлено в электрическом распределительном шкафу. Источник 32 питания может быть источником переменного или постоянного тока и обеспечивает энергией нагрузку 36. Нагрузка 36 может быть любым подходящим устройством, системой, оборудованием, например электрическим прибором, передающей мачтой сотовой связи и т.п. Устройство 100 подключено в параллель нагрузке 36. В нормальном режиме работы устройство 100 будет работать как разомкнутая цепь так, что ток направляется к нагрузке 36. В случае возникновения перенапряжения, сопротивление варисторной пластины быстро уменьшается так, что предотвращается повреждение нагрузки 36 сверхтоком. Может сработать (отключиться) выключатель 34. Тем не менее, в некоторых случаях, через устройство 100 может проходить ток, превосходящий возможности варисторной пластины 110, что приводит к чрезмерному перегреву, вызываемому горением дуги и т.п., как описано выше. Плавкий элемент 180 расплавит и перетечет для замыкания устройства 100 накоротко, как описано выше. Замыкание устройства 100 накоротко, в свою очередь, приведет к отключению выключателя 34. Таким образом, нагрузка 36 может быть защищена от перенапряжения или сверхтока. Дополнительно, устройство 100 может безопасно проводить ток.

Примечательно, что устройство 100 продолжит замыкать накоротко схему 30 после протекания сверхтока. В результате выключатель 34 не может быть повторно включен, что информирует оператора о том, что устройство 100 должно быть отремонтировано или заменено. Если бы, альтернативно, ветвь устройства была разомкнута вместо замыкания накоротко, выключатель 34 можно было бы включить, а оператору могло бы быть неизвестно, что нагрузка 36 больше не защищена функциональным устройством защиты от перенапряжений.

На фиг.7 показано устройство 200 защиты от перенапряжений согласно дополнительному варианту осуществления изобретения. Устройство 200 аналогично устройству 100, за исключением дополнительной втулки 290 в камере 202. Втулка 290 является трубкой или муфтой из электропроводящего и теплопроводящего материала. Втулка 290 сформирована из материала, имеющего большую температуру плавления, чем материал корпуса 220, например, из стали, а корпус 220 сформирован из алюминия. В случае сверхтока некоторая часть дуги или вся дуга перенаправляется от электрода 230 и/или варисторной пластины 210 к втулке 290 вместо самого корпуса 220 (и, в частности, боковой стенки 224). Таким образом, втулка 290 предотвращает или задерживает локальное плавление корпуса 220, которое может привести к пробою корпуса 220 или иным образом вызвать отказ корпуса 220. Втулка 290 также может конструктивно усилить боковую стенку 224 корпуса для обеспечения дополнительной жесткости, если боковая стенка 224 становится мягче под действием теплоты. Следовательно, втулка 290 предоставляет дополнительное время для плавкого элемента 180, чтобы он расплавился, перетек и обеспечил увеличенный путь тока между электродом 230 и корпусом 220.

На фиг.8 показана сборка 381 плавкого элемента согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения в разобранном виде. Сборка 381 может быть использована вместо плавкого элемента 180. Сборка 381 содержит пару частей 382 и скобу 384. Части 382 могут быть размещены вокруг нижней части 134А электрода и закреплены на месте, используя скобу 384 в качестве удерживающего приспособления. Части 382 могут быть сформированы из материалов, которые обсуждались в отношении плавкого элемента 180. На внешних поверхностях частей 382 могут быть сформированы окружные выемки под скобу 384 для того, чтобы скоба частично или полностью входила в части 382.

На фиг.9 показана сборка 481 плавкого элемента согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения. Сборка 481 может быть использована вместо плавкого элемента 180. Сборка 481 содержит пару частей 482 плавкого элемента. Каждая часть 482 имеет интегральные элементы крепления в форме штырькового выступа 484А и охватывающего глухого отверстия 484В. Части 482 могут быть размещены вокруг нижней части 134А электрода и закреплены на месте посредством сцепления соответственных выступов 484А и глухих отверстий 484В. Выступы 484А и глухие отверстия 484В могут быть соответствующим образом подобраны по размерам и форме для обеспечения неподвижной посадки. Части 482 могут быть сформированы из материалов, которые обсуждались в отношении плавкого элемента 180.

Устройства защиты от перенапряжений, например устройства 100, 200, могут предоставить некоторое количество преимуществ в дополнение к упомянутым выше. Устройства могут быть сформированы так, чтобы иметь относительно компактные размеры. Устройства могут быть сменными для установки вместо устройств защиты от перенапряжений аналогичного типа, не содержащих плавкого элемента. В частности, настоящие устройства могут иметь ту же длину, что и прежние устройства.

Согласно некоторым вариантам осуществления устройства защиты от перенапряжений, например, устройства 100, 200, устроены так, что, когда плавкий элемент плавится для замыкания накоротко устройства защиты от перенапряжения, проводимость устройства защиты от перенапряжения, по крайней мере, не меньше проводимостей питающего и отходящего кабелей, присоединенных к устройству.

Устройства защиты от перенапряжений выдерживают ток величиной 1000 А в течение, по меньшей мере, семи часов без разрушения корпуса или превышения температуры внешней поверхности выше 170°C.

Несмотря на то, что плавкие элементы или сборки плавких элементов выше описаны как установленные так, что они окружают электроды и находятся с ними в контакте (например, электрод 130), в других вариантах осуществления изобретения плавкий элемент может быть установлен в другом месте в устройстве. Например, плавкий элемент (муфта или втулка из плавкого материала) может быть установлен на внутренней поверхности боковой стенки 124 и/или под фланцем 138. Плавкий элемент может иметь иную форму. Например, плавкий элемент может не иметь трубчатую форму и/или быть несимметричным относительно камеры, электрода и/или корпуса.

Площадь контакта между каждой из контактных поверхностей (например, контактных поверхностей 122А, 132А) и поверхностями варисторной пластины, например варисторных поверхностей 112, составляет, по меньшей мере, 0,5 квадратных дюймов.

Общая тепловая масса корпуса 120 и электрода 130 существенно больше тепловой массы варисторной пластины 110. Термин «тепловая масса» означает произведение удельной теплоемкости материала или материалов варисторной пластины 110 на массу материала или материалов предмета. То есть тепловая масса - это количество энергии, необходимое для того, чтобы повысить температуру одного грамма материала или материалов на один градус по Цельсию, умноженное на массу или массы материала или материалов в предмете. Тепловая масса головки 132 электрода или электродной стенки 122, по меньшей мере, в два раза превышает тепловую массу варисторной пластины 110, а в некоторых случаях превышает в десять раз.

Способы формирования некоторых элементов устройства защиты от перенапряжений очевидны для специалистов в данной области техники. Например, корпус 120, электрод 130 и концевая крышка 160 могут быть сформированы путем механической обработки, литья или штамповки. Каждый из этих элементов может быть сформирован как одно целое или собран из множества элементов, соединенных, например, сваркой.

Множество варисторных пластин (не показаны) может быть составлено в стопку и зажато между головкой электрода и донной стенкой. Внешние поверхности самой верхней и самой нижней варисторной пластины в стопке служат как контактные поверхности пластины. Однако свойства варисторной пластины, предпочтительно, модифицируются путем изменения толщины отдельной варисторной пластины, вместо составления стопки из множества варисторных пластин.

Как описано выше, пружинная шайба 140 является тарельчатой шайбой. Тарельчатые шайбы могут быть использованы для приложения сравнительно большой нагрузки, без необходимости существенного осевого пространства. Однако другие типы средств сжимания могут быть использованы в дополнение или вместо тарельчатой пружины или пружин. Подходящие альтернативные средства сжимания включают одну или более спиральных пружин, волнистые шайбы или спиральные шайбы.

Заявленное изобретение имеет множество модификаций, не выходя за пределы сущности и объема изобретения. Следовательно, следует понимать, что проиллюстрированные варианты осуществления были изложены исключительно в целях примера, и их не следует принимать как устанавливающие границы изобретения, как определено в нижеследующей формуле изобретения.

Изобретение относится к устройствам защиты от скачков напряжения. Устройство защиты от перенапряжений содержит первый и второй электропроводящие электродные элементы, варисторный элемент, сформированный из варисторного материала и электрически соединенный с каждым из первого и второго электродных элементов, и электропроводящий плавкий элемент. Плавкий элемент восприимчив к теплоте в устройстве и предназначен для того, чтобы расплавиться и сформировать путь тока между первым и вторым электродными элементами через плавкий элемент. Способ защиты от перенапряжений заключается в использовании устройства защиты от перенапряжений и заключается в том, что направляют ток через варисторный элемент, отвечающий на перенапряжение, и при этом происходит расплавление плавкого элемента для формирования нового пути тока в устройстве, для сдерживания нагрева, по меньшей мере, части устройства. Материал варисторного элемента выбран из группы, содержащей смеси окисей металлов и карбид кремния. Техническим результатом является обеспечение безопасного и длительного использования устройства при экстремальных, повторяемых и/или критических перенапряжениях. 5 н. и 36 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство защиты от перенапряжений, содержащее
а) первый и второй электропроводящие электродные элементы;
б) варисторный элемент, сформированный из варисторного материала и электрически соединенный с каждым из первого и второго электродных элементов,
в) электропроводящий плавкий элемент, восприимчивый к нагреву в устройстве и предназначенный для расплавления и формирования пути тока между первым и вторым электродными элементами через плавкий элемент.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что путь тока, сформированный плавким элементом, полностью проходит от первого электродного элемента ко второму электродному элементу, причем плавкий элемент входит в контакт с каждым из первого и второго электродных элементов.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плавкий элемент сформирован из металла.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что плавкий элемент сформирован из металла, выбранного из группы, состоящей из сплава алюминия, сплава цинка и/или сплава олова.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плавкий элемент имеет температуру плавления в пределах от 110 до 160°С.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый электродный элемент содержит корпус, определяющий камеру, при этом плавкий элемент и, по меньшей мере, часть второго электродного элемента расположены в камере.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что плавкий элемент установлен на части второго электродного элемента в камере.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что плавкий элемент отлит на части второго электродного элемента в камере.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что плавкий элемент содержит первую и вторую отдельные части, скрепленные друг с другом на части второго электродного элемента в камере посредством устройства крепления.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что плавкий элемент содержит первую и вторую отдельные части, скрепленные друг с другом на части второго электродного элемента в камере посредством, по меньшей мере, одного интегрального средства крепления.

11. Устройство по п.6, отличающееся тем, что содержит электропроводящий усиливающий элемент, расположенный в камере между первым и вторым электродными элементами, при этом усиливающий элемент сформирован из материала, имеющего более высокую температуру плавления, чем материал корпуса, и расположен так, чтобы принимать электрическую дугу от второго электродного элемента.

12. Устройство по п.6, отличающееся тем, что камера изолирована.

13. Устройство по п.6, отличающееся тем, что содержит электроизоляционный элемент, расположенный в камере и размещенный между первым и вторым электродными элементами.

14. Устройство по п.6, отличающееся тем, что корпус определяет проход, а второй электродный элемент содержит расположенную в камере головку и шток, при этом устройство дополнительно содержит металлическую концевую крышку, расположенную в проходе и имеющую отверстие для прохода штока, электроизоляционный кольцевой элемент, размещенный между вторым электродным элементом и концевой крышкой, и имеющий отверстие, через которое проходит шток.

15. Устройство по п.6, отличающееся тем, что второй электродный элемент содержит головку, расположенную в камере, шток и фланец, проходящий от штока и расположенный на расстоянии от головки, плавкий элемент установлен на штоке между головкой и фланцем, устройство дополнительно содержит пружинную шайбу, установленную на фланце, с противоположной от головки стороны, для приложения нагрузки к головке.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что варисторный элемент размещен между первым и вторым электродными элементами.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что варисторный элемент является варисторной пластиной, имеющей плоские противоположные первую и вторую поверхности, при этом первый электродный элемент имеет первую контактную поверхность, которая находится в контакте с первой поверхностью варисторной пластины и подпирается к первой поверхности пластины, второй электродный элемент имеет вторую контактную поверхность, которая находится в контакте со второй поверхностью варисторной пластины и подпирается ко второй поверхности пластины.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один из первого и второго электродных элементов упирается в поверхность пластины, находящуюся с ней в контакте.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что материал варисторного элемента выбран из группы, содержащей смеси окисей металлов и карбид кремния.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что варисторный элемент предназначен для генерирования тепла из омических потерь в варисторном элементе, при этом плавкий элемент восприимчив к теплу, генерируемому от омических потерь, и формирования нового пути тока.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что варисторный элемент предназначен для генерирования тепла из омических потерь в варисторном элементе, когда варисторный элемент находится в режиме конца срока службы, при этом плавкий элемент предназначен для генерирования тепла из омических потерь в варисторном элементе, когда варисторный элемент находится в режиме конца срока службы, для расплавления и формирования нового пути тока, для предотвращения катастрофического разрушения устройства из-за термического перегрева.

22. Устройство по п.20, отличающееся тем, что варисторный элемент предназначен для генерирования тепла из омических потерь в варисторном элементе, когда варисторный элемент подвергается неконтролируемым токовым перегрузкам.

23. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плавкий элемент имеет температуру плавления, которая больше, чем заданная максимальная стандартная рабочая температура, при этом указанная заданная максимальная стандартная рабочая температура является наибольшей температурой, ожидаемой в плавком элементе во время нормальной работы, но не во время такой работы, которая, оставаясь неконтролируемой, приведет к неконтролируемым токовым перегрузкам.

24. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство содержит корпус и предназначено для проведения тока 1000 А в течение по меньшей мере семи часов без появления разрывов в корпусе или температура внешней поверхности корпуса не превышает 170°С.

25. Устройство защиты от перенапряжений, содержащее
а) варисторный элемент, сформированный из варисторного материала, при этом устройство предназначено для направления тока через варисторный элемент при перенапряжении,
б) электропроводящий плавкий элемент, восприимчивый к нагреву в устройстве и предназначенный для расплавления и формирования нового пути тока в устройстве для предотвращения нагрева, по меньшей мере, части устройства.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что плавкий элемент восприимчив к нагреву в устройстве и предназначен для расплавления и формирования нового пути тока в устройстве и тем самым предотвращения нагрева устройства до температуры, превышающей заданную температуру.

27. Устройство по п.25, отличающееся тем, что новый путь тока отводит ток от варисторного элемента.

28. Устройство по п.25, отличающееся тем, что варисторный элемент предназначен для генерирования тепла из омических потерь в варисторном элементе, при этом плавкий элемент предназначен для расплавления под действием тепла, генерируемого от омических потерь, и формирования нового пути тока.

29. Устройство по п.28, отличающееся тем, что варисторный элемент предназначен для генерирования тепла из омических потерь в варисторном элементе, когда варисторный элемент подвергается неконтролируемым токовым перегрузкам.

30. Способ защиты от перенапряжений, заключающийся в том, что используют устройство защиты от перенапряжений, содержащее первый и второй электропроводящие электродные элементы; варисторный элемент, сформированный из варисторного материала и электрически соединенный с каждым из первого и второго электродных элементов; электропроводящий плавкий элемент, предназначенный для расплавления при увеличении теплоты в устройстве для формирования пути тока между первым и вторым электродными элементами через плавкий элемент.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что путь тока, сформированный плавким элементом, проходит полностью от первого электродного элемента до второго электродного элемента, включая сам плавкий элемент, первый и второй электродные элементы.

32. Способ по п.30, отличающийся тем, что направляют ток через варисторный элемент, отвечающий на событие пренапряжения, и при этом в ответ на нагрев в устройстве происходит расплавление плавкого элемента для формирования нового пути тока в устройстве, для сдерживания нагрева, по меньшей мере, части устройства.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что генерируют тепло в варисторном элементе от омических потерь в варисторном элементе; и в ответ на указанные тепловые потери происходит расплавление плавкого элемента для формирования нового пути тока в устройстве.

34. Способ по п.33, отличающийся тем, что направляют ток через варисторный элемент, причем варисторный элемент находится в режиме конца срока службы, так что тепло генерируется в варисторном элементе от омических потерь.

35. Способ по п.33, отличающийся тем, что на этапе генерирования тепла в варисторном элементе от омических потерь подвергают варисторный элемент неконтролируемым токовым перегрузкам для генерирования тепла.

36. Способ по п.30, отличающийся тем, что плавкий элемент имеет температуру плавления, которая больше, чем заданная максимальная стандартная рабочая температура, при этом указанная заданная максимальная стандартная рабочая температура является наибольшей температурой, ожидаемой в плавком элементе во время нормальной работы, но не во время такой работы, которая, оставаясь неконтролируемой, приведет к неконтролируемым токовым перегрузкам.

37. Способ по п.30, отличающийся тем, что устройство содержит корпус и предназначено для проведения тока 1000 А в течение по меньшей мере семи часов без появления разрывов в корпусе или температура внешней поверхности корпуса не превышает 170°С.

38. Устройство защиты от перенапряжений, содержащее
а) первый и второй электропроводящие электродные элементы;
б) варисторный элемент, сформированный из варисторного материала и электрически соединенный с каждым из первого и второго электродных элементов,
в) электропроводящий плавкий элемент, восприимчивый к нагреву в устройстве и предназначенный для расплавления и формирования нового пути тока между первым и вторым электродными элементами через плавкий элемент для сдерживания нагрева, по меньшей мере, части устройства,
при этом варисторный элемент предназначен для генерирования тепла из омических потерь в варисторном элементе, когда варисторный элемент находится в режиме конца срока службы и подвергается длительным токовым перегрузкам, плавкий элемент предназначен для генерирования тепла из омических потерь в варисторном элементе, когда варисторный элемент находится в режиме конца срока службы и подвергается длительным токовым перегрузкам для расплавления и формирования нового пути тока для предотвращения катастрофического разрушения устройства из-за термического перегрева, и плавкий элемент имеет температуру плавления, которая больше, чем заданная максимальная стандартная рабочая температура, при этом указанная заданная максимальная стандартная рабочая температура является наибольшей температурой, ожидаемой в плавком элементе во время нормальной работы, но не во время такой работы, которая, оставаясь неконтролируемой, приведет к неконтролируемым токовым перегрузкам.

39. Устройство по п.38, отличающееся тем, что устройство содержит корпус и предназначено для проведения тока 1000 А в течение по меньшей мере семи часов без появления разрывов в корпусе или температура внешней поверхности корпуса не превышает 170°С.

40. Способ защиты от перенапряжений, заключающийся в том, что используют устройство защиты от перенапряжений, содержащее первый и второй электропроводящие электродные элементы; варисторный элемент, сформированный из варисторного материала и электрически соединенный с каждым из первого и второго электродных элементов; электропроводящий плавкий элемент, причем плавкий элемент имеет температуру плавления, которая больше, чем заданная максимальная стандартная рабочая температура, при этом указанная заданная максимальная стандартная рабочая температура является наибольшей температурой, ожидаемой в плавком элементе во время нормальной работы, но не во время такой работы, которая, оставаясь неконтролируемой, приведет к неконтролируемым токовым перегрузкам, направляют увеличенный ток перегрузки через варисторный элемент, при этом варисторный элемент находится в режиме конца срока службы, так что тепло генерируется в варисторном элементе от омических потерь, и в ответ на нагрев от омических потерь в варисторном элементе, происходит расплавление плавкого элемента для формирования нового пути тока между первым и вторым электродными элементами через плавкий элемент, который сдерживает по меньшей мере частично нагрев устройства.

41. Способ по п.40, отличающийся тем, что устройство содержит корпус и предназначено для проведения тока 1000 А в течение по меньшей мере семи часов без появления разрывов в корпусе или температура внешней поверхности корпуса не превышает 170°С.