УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ КРАТКОВРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H02H3/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству защиты от кратковременных электрических перенапряжений.

Такое устройство обычно включается между одним защищаемым проводником и другим защищаемым проводником или цепью заземления. Ток, проходящий через устройство, практически равен нулю до тех пор, пока напряжение, приложенное к его выводам, не превысит пороговое значение или контрольное напряжение.

При превышении порогового значения ток проходит через устройство, ограничивая тем самым перенапряжение, приложенное к проводнику. Проходящий ток отводится в цепь заземления.

Уровень техники

Применение устройства, содержащего два ограничивающих напряжение пассивных компонента, подключенных параллельно между выводами устройства, известно из документа ЕР 0716493.

Для функционирования устройства достаточно одного рабочего компонента. Дисплейный элемент отображает количество рабочих компонентов. Поэтому, когда один из двух компонентов достигает конца срока службы и прекращает функционировать, устройство остается активным, благодаря второму компоненту.

Устройство, содержащее дефектный компонент, необходимо заменять, однако, оно продолжает оставаться активным в интервале времени между прекращением функционирования компонента и заменой устройства.

Такая конструкция в большой степени уменьшает опасность отказа устройства. Однако согласно существующему уровню техники два указанных компонента устройства являются по существу идентичными.

Поэтому нагрузка каждого компонента является по существу одинаковой, и следует учитывать опасность одновременного отказа двух компонентов. Фактически, если оба компонента становятся дефектными, устройство более не является рабочим и не выполняет своей задачи по защите от перенапряжений.

Кроме того, обнаружение прекращения функционирования компонента пользователем и замена устройства не обязательно происходят сразу после прекращения функционирования компонента.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение всех или некоторых недостатков, указанных выше.

В данной заявке глаголы "присоединять", "соединять", "связывать", "включать", "устанавливать соединение" и их производные относятся к электрическому соединению между двумя отдельными компонентами.

В этой связи настоящее изобретение относится к устройству защиты от кратковременных электрических перенапряжений, содержащему два ограничивающих напряжение пассивных компонента и размыкатели, которые чувствительны к состоянию этих компонентов и выполнены с возможностью индивидуального отключения каждого компонента с окончившимся сроком службы, причем указанные компоненты подключены параллельно между первым и вторым выводами устройства.

Устройство характеризуется тем, что контрольное напряжение первого компонента меньше, чем контрольное напряжение второго компонента, при этом отношение контрольных напряжений составляет меньше 2.

Согласно одному из аспектов изобретения, отношение контрольных напряжений превышает 1,2. Согласно другому аспекту изобретения, отношение контрольных напряжений превышает 1,4. Согласно еще одному аспекту изобретения, отношение контрольных напряжений составляет менее чем 1,6.

В соответствии с изобретением контрольное напряжение первого компонента меньше, чем порог срабатывания или контрольное напряжение второго компонента. Устройство характеризуется тем, что максимальное напряжение установившегося режима меньше или равно контрольному напряжению первого компонента.

Отношение контрольных напряжений, составляющее около 1,5, одновременно позволяет:

- защищать второй компонент, когда два компонента соединены,

- иметь достаточно низкое значение контрольного напряжения второго компонента, чтобы устройство играло роль эффективной защиты от перенапряжений, когда первый компонент отключен.

Таким образом, когда напряжение, приложенное к выводам устройства, имеет величину, лежащую в пределах между значениями контрольных напряжений, основная часть тока циркулирует через ветвь, содержащую первый компонент, в то время как небольшая часть тока проходит через ветвь, содержащую второй компонент. Согласно одному из примеров осуществления, для отношения контрольных напряжений, составляющего около 1,5, распределение между ветвью, содержащей первый компонент, и ветвью, содержащей второй компонент, составляет примерно 90% и 10%.

Поэтому второй компонент имеет небольшую нагрузку, пока функционирует первый компонент. Износ второго компонента является ограниченным, когда первый компонент прекращает функционировать.

Поэтому второй компонент остается активным и выполняет свою роль защиты от электрических перенапряжений.

Таким образом, пользователь имеет в своем распоряжении достаточный период времени, чтобы заменить устройство после прекращения функционирования первого компонента.

В соответствии с одним из аспектов изобретения, по меньшей мере один из ограничивающих напряжение компонентов представляет собой варистор.

С учетом связи между током, проходящим через варистор, и напряжением, приложенным к выводам варистора, порог срабатывания ограничивает два режима функционирования.

Первый, когда напряжение меньше, чем порог срабатывания или максимальное напряжение установившегося режима, ток почти равен нулю: мы говорим о токе утечки. Второй, когда напряжение превышает порог срабатывания, ток представляет собой функцию напряжения, которая является возрастающей и по существу аффинной.

В соответствии с одним из аспектов изобретения, первый компонент представляет собой варистор с первой характеристикой плотности тока, проходящего через него согласно напряжению между его выводами, а второй компонент представляет собой варистор со второй характеристикой плотности тока, проходящего через него согласно напряжению между его выводами.

С учетом связи между током, проходящим через каждый варистор, и напряжением, приложенным к выводам варисторов, различаются два режима функционирования. Первый, когда напряжение меньше, чем порог срабатывания или контрольное напряжение первого варистора, ток практически равен нулю: мы говорим о токе утечки. Второй, когда напряжение превышает порог срабатывания первого варистора, ток представляет собой функцию напряжения, которая является возрастающей и по существу аффинной для первого варистора.

Плотность тока, проходящего через первый компонент, также превышает плотность тока, проходящего через второй компонент.

Согласно одному из аспектов изобретения с размыкателями соединены указатели неисправности компонентов.

Размыкатели выполнены с возможностью прерывания тока через тот или иной компонент, когда указатель неисправности обнаруживает неисправность.

После определенного времени работы под нагрузкой свойства компонента ухудшаются.

Согласно одному из аспектов изобретения указанные размыкатели представляют собой тепловые размыкатели.

Признаком ухудшения свойств компонента является повышение температуры, которое может быть связано, например, со значительным током утечки при напряжении, меньшем, чем порог срабатывания.

Согласно одному из аспектов изобретения размыкатели соединены с дисплейным элементом, который выполнен с возможностью информирования о прерывании тока в по меньшей мере одной ветви устройства, при этом указанная по меньшей мере одна ветвь содержит один из ограничивающих напряжение пассивных компонентов.

В соответствии с первым вариантом прерывание тока размыкателями является обратимым. Это позволяет, например, отключать ветвь, содержащую компонент с аномальным нагревом вследствие большей нагрузки.

Восстановление или повторное подсоединение компонента может быть выполнено предпочтительно при помощи сварки, которая разрушается размыкателями во время прерывания тока в указанном компоненте.

В соответствии со вторым вариантом размыкатель одного компонента содержит биметалл, обеспечивающий размыкание вследствие перегрева и/или длительной токовой перегрузки.

Указанный биметалл предназначен также для автоматического повторного соединения, когда компонент возвращается к нормальной температуре.

В соответствии с третьим вариантом прерывание прохождения тока размыкателем является необратимым.

Прерывание прохождения тока в одной из ветвей означает прекращение функционирования компонента, содержащегося в этой ветви.

Согласно одному из аспектов изобретения в нем предусмотрен дисплейный элемент для информирования о прерывании тока в обоих компонентах устройства.

Прекращение функционирования одного из двух компонентов является сигналом для замены устройства на новое устройство такого же типа. Однако устройство продолжает оставаться функционирующим.

Согласно одному из аспектов изобретения в нем предусмотрен дисплейный элемент для информирования о прерывании прохождения тока в двух ветвях, содержащих ограничивающие напряжение пассивные компоненты.

Дисплейный элемент предпочтительно содержит визуальные индикаторы.

Согласно одному аспекту изобретения размыкатели соединены с дистанционными предупреждающими блоками, выполненными с возможностью информирования о прерывании тока в по меньшей мере одной из двух ветвей, содержащих ограничивающие напряжение пассивные компоненты.

Дистанционные предупреждающие блоки выполнены с возможностью передачи информации о количестве рабочих компонентов на дистанционное приемное устройства в соответствии с проводным и/или беспроводным протоколом связи.

Согласно одному аспекту изобретения устройство содержит также элемент для регулирования разбаланса токов между первой ветвью, содержащей первый ограничивающий напряжение пассивный компонент, и второй ветвью, содержащей второй ограничивающий напряжение пассивный компонент, при этом первая и вторая ветви подсоединены параллельно между первым и вторым выводами устройства.

Согласно одному аспекту изобретения элемент для регулирования разбаланса содержит по меньшей мере один резистивный элемент, установленный в одной из ветвей устройства между первым и вторым выводами устройства.

Согласно одному аспекту изобретения устройство содержит также конденсатор, подсоединенный между первым и вторым выводами устройства.

Указанный конденсатор предназначен для того, чтобы во время отключения пассивного компонента ограничивать опасность возникновения электрической дуги на размыкателях указанного пассивного компонента.

Согласно другому аспекту изобретения устройство содержит два конденсатора, каждый из которых подключен к ветви параллельно размыкателю.

Краткое описание чертежей

Изобретение станет более понятным из приведенного ниже описания, изложенного со ссылкой на прилагаемые схематические чертежи, на которых в качестве неограничительного примера показаны некоторые варианты заявленного устройства.

Фиг. 1 - электрическая схема устройства, содержащего два ограничивающих напряжение пассивных компонента согласно первому варианту изобретения.

Фиг. 2 - электрическая схема устройства, содержащего прерывающий компонент, согласно первому варианту изобретения.

Фиг. 3 - электрическая схема, содержащая два прерывающих компонента согласно первому варианту изобретения.

Фиг. 4 - зависимость плотности тока от напряжения в двух компонентах устройства согласно первому варианту изобретения.

Фиг. 5 - электрическая схема устройства, содержащего дополнительные пассивные элементы резистивного типа согласно второму варианту изобретения.

Фиг. 6 - электрическая схема устройства, содержащего конденсатор согласно третьему варианту изобретения.

Фиг. 7 - электрическая схема устройства, содержащего конденсатор согласно четвертому варианту изобретения.

Осуществление изобретения

Как показано на фиг. 1, согласно первому варианту изобретения устройство 1 защиты от кратковременных электрических перенапряжений содержит два ограничивающих напряжение пассивных компонента.

Согласно первому варианту изобретения пассивные компоненты представляют собой варисторы 3а, 3b, включенные параллельно между первым выводом 5 и вторым выводом 7 устройства 1.

Каждая ветвь 9а, 9b содержит варистор 3а, 3b. Также последовательно в каждую ветвь включен размыкатель тока, при этом каждый размыкатель предназначен для отключения ветви 9а, 9b.

Указатели неисправности связаны с размыкателями для управления отключением соответствующих ветвей 9а, 9b.

Согласно первому варианту изобретения размыкатели представляют собой тепловые размыкатели 11а, 11b. Указатели неисправности включают в себя каждый контакт 13а, 13b с варистором 3а, 3b. Указатели неисправности реагируют на температуру варисторов 3а, 3b.

В альтернативной модификации первого варианта изобретения размыкатели могут также представлять собой плавкие предохранители или размыкающие устройства, содержащие биметаллы.

Тепловой размыкатель 11а, 11b по умолчанию находится в замкнутой позиции и размыкается, когда температура варистора 3а, 3b превышает предельное значение. Является ли размыкание окончательным или неокончательным, зависит от выбранной технологии.

Увеличение температуры варистора 3а, 3b связано с ухудшением его свойств. При достижении предельного значения температуры варистор 3а, 3b прекращает функционировать.

Как показано на фиг. 4, первый 3а и второй 3b варисторы имеют, соответственно, разные характеристики С1, С2 зависимости плотности тока от напряжения.

Контрольное напряжение Urefl первого варистора 3а меньше, чем контрольное напряжение Uref2 второго варистора 3b. Разность между этим двумя значениями контрольных напряжений представляет собой дельту Uref = Uref2 - Uref1

В первой части I графика напряжение U(V) меньше, чем контрольное напряжение Uref1, и характеристики С1 и С2 имеют плотность тока i(A), равную, по существу, нулю.

Во второй части II графика напряжение U(V) превышает контрольное напряжение Uref1, при этом характеристика С1 имеет возрастающую плотность тока i(A) в соответствии с по существу аффинной функцией напряжения U(V). Аналогично этому характеристика С2 имеет возрастающую плотность тока i(A) в соответствии с по существу аффинной функцией напряжения U(V) от величины напряжения U(V), равной Uref2.

Во второй части II графика характеристики С1 и С2 имеют расхождение, увеличивающееся вместе с увеличением плотности тока, при этом характеристика С2 имеет напряжение, превышающее напряжение характеристики С1.

Как показано на фиг. 1-3, устройство 1 имеет несколько стадий функционирования согласно хронологическому порядку, соответствующему этим фиг. 1, 2 и 3.

На фиг. 1 показано устройство, содержащее два варистора 3а, 3b, способные выполнять свою функцию, поскольку тепловые размыкатели 11а, 11b замкнуты. Дисплейный элемент отображает эту ситуацию. Согласно первому варианту изобретения дисплейный элемент содержит два визуальных индикатора зеленого цвета.

Если в устройстве 1 возникает перенапряжение, величина которого лежит в пределах между Uref1 и Uref2, ток проходит через устройство, главным образом, по ветви, содержащей первый варистор 3а.

Фактически, как показано на фиг. 4, плотность тока характеристики С2 является пренебрежимо малой по сравнению с плотностью тока характеристики С1 для напряжения между Uref1 и Uref2.

Аналогично этому для напряжения, превышающего Uref2, плотность тока проходящего через первый варистор 3а, превышает плотность второго тока, проходящего через второй варистор 3b.

Таким образом, нагрузка первого варистора 3а превышает нагрузку второго варистора 3b. В среднем нагрузка первого варистора 3а составляет 90%, а второго варистора 3b - 10%.

На фиг. 2 показано устройство 1, содержащее первый варистор 3а, неспособный выполнять свою функцию, поскольку тепловой размыкатель 11а разомкнут. Второй варистор 3b может функционировать. Дисплейный элемент отображает эту ситуацию. Согласно первому варианту изобретения, дисплейные элементы представляют собой два визуальных индикатора, первый из которых относится к состоянию первого варистора 3а и имеет красный цвет, а второй относится к состоянию второго варистора 3b и имеет зеленый цвет.

Согласно первому варианту изобретения устройство снабжено также дистанционными предупреждающими блоками, сообщающими о количестве рабочих компонентов.

Дистанционные предупреждающие блоки предназначены для передачи информации о количестве рабочих компонентов в дистанционное приемное устройство в соответствии с проводным и/или беспроводным протоколом связи.

На фиг. 2 показана вторая стадия функционирования, следующая после первой стадии, показанной на фиг. 1. Первый варистор 3а отключен от цепи, поэтому в случае перенапряжения, превышающего Uref2, ток может проходить только через второй варистор 3b.

Красный и зеленый визуальные индикаторы сигнализируют пользователю о том, что устройство 1 необходимо заменить новым аналогичным устройством, содержащим два варистора, способных пропускать ток. В этом случае новое устройство выполняет функцию, соответствующую первой стадии, показанной на фиг. 1.

Если устройство 1 не заменено, вероятен выход из строя второго варистора 3b.

На фиг. 3 показана третья стадия функционирования, следующая после второй стадии, показанной на фиг. 2. Устройство 1 содержит два варистора 3а, 3b неспособных функционировать. В этом случае два визуальных индикатора имеют красный цвет, сигнализируя о неисправности обоих варисторов 3а, 3b и о прекращении функционирования устройства.

Второй варистор 3b имел небольшую нагрузку во время первой стадии функционирования вследствие его большей величины по сравнению с первым варистором 3а. Перед появлением неисправности во втором варисторе 3b у пользователя имеется достаточно длительное время для замены устройства 1 перед переходом устройства 1 со второй на третью стадию.

На фиг. 5 показан второй вариант изобретения, в котором в первую ветвь 9а цепи включен резистор R1, а во вторую ветвь 9b цепи включен второй резистор R2.

Величина сопротивления резисторов R1 и R2 определяет точность настройки разбаланса ветвей. Такая настройка состоит в получении для каждой ветви характеристики плотности проходящего через нее тока, в зависимости от напряжения, приложенного между первым выводом 5 и вторым выводом 7. Таким образом, добавление резисторов R1 и R2 к устройству позволяет настраивать кривые С1 и С2, показанные на фиг. 4, при этом каждая из вновь полученных кривых (не показаны) является характеристикой соответствующей ветви 9а, 9b.

На фиг. 6 показан третий вариант изобретения, в котором параллельно первой 9а и второй 9b ветвям между первым 5 и вторым 7 выводами подключен конденсатор 15.

Добавление конденсатора 15 в схему ограничивает вероятность возникновения электрической дуги на тепловом размыкателе 11а, 11b во время его размыкания.

На фиг. 7 показан четвертый вариант изобретения, в котором каждая ветвь 9а, 9b содержит конденсатор 17а, 17b, подсоединенный параллельно тепловому размыкателю 11а, 11b указанной ветви 9а, 9b.

Как и в третьем варианте изобретения, наличие конденсаторов 17а, 17b ограничивает образование электрической дуги на тепловом размыкателе 11а, 11b во время его размыкания.

Очевидно, что изобретение не ограничено вариантами осуществления данного устройства, описанными выше в качестве примера, но распространяется также на все альтернативные варианты.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение надежности. Устройство (1) защиты от кратковременных электрических перенапряжений содержит два ограничивающих напряжение пассивных компонента и размыкатели, которые чувствительны к состоянию этих компонентов и выполнены с возможностью индивидуального отключения каждого компонента с окончившимся сроком службы. Указанные компоненты подключены параллельно между первым и вторым выводами устройства. Устройство характеризуется тем, что контрольное напряжение первого компонента меньше, чем контрольное напряжение второго компонента. Отношение контрольных напряжений (Uref2/Uref1) составляет меньше 2, причем при напряжении, приложенном между первым и вторым выводами, превышающем контрольное напряжение (Uref1) первого компонента (3а), сила тока, проходящего через первый компонент (3а), превышает силу тока, проходящего через второй компонент (3b), при этом разница между указанными силами тока увеличивается вместе с увеличением напряжения. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство (1) защиты от кратковременных электрических перенапряжений, содержащее два ограничивающих напряжение пассивных компонента (3а, 3b) и размыкатели (11а, 11b), которые чувствительны к состоянию этих компонентов (3а, 3b) и выполнены с возможностью индивидуального отключения каждого компонента (3а, 3b) с окончившимся сроком службы, причем указанные компоненты подключены параллельно между первым и вторым выводами устройства,

при этом контрольное напряжение (Uref1) первого компонента (3а) меньше, чем контрольное напряжение (Uref2) второго компонента (3b),

отличающееся тем, что отношение контрольных напряжений (Uref2/Uref1) составляет меньше 2, причем при напряжении, приложенном между первым и вторым выводами, превышающем контрольное напряжение (Uref1) первого компонента (3а), сила тока, проходящего через первый компонент (3а), превышает силу тока, проходящего через второй компонент (3b), при этом разница между указанными силами тока увеличивается вместе с увеличением напряжения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что отношение контрольных напряжений (Uref2/Uref1) превышает 1,2.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отношение контрольных напряжений (Uref2/Uref1) превышает 1,4.

4. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что по меньшей мере один из ограничивающих напряжение компонентов представляет собой варистор (3а).

5. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что размыкатели соединены с дисплейным элементом, который выполнен с возможностью информирования о прерывании тока в по меньшей мере одной ветви (9а, 9b) устройства (1), при этом указанная по меньшей мере одна ветвь (9а, 9b) содержит один из ограничивающих напряжение пассивных компонентов.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что дисплейный элемент выполнен с возможностью информирования о прерывании тока в двух ветвях (9а, 9b), содержащих ограничивающие напряжение пассивные компоненты.

7. Устройство по любому из пп. 1-3, 6, отличающееся тем, что размыкатели соединены с дистанционными предупреждающими блоками, выполненными с возможностью информирования о прерывании тока в по меньшей мере одной из двух ветвей (9а, 9b), содержащих ограничивающие напряжение пассивные компоненты.

8. Устройство (1) по любому из пп. 1-3, 6, отличающееся тем, что оно содержит также элемент для регулирования разбаланса токов между первой ветвью (9а), содержащей первый ограничивающий напряжение пассивный компонент, и второй ветвью (9b), содержащей второй ограничивающий напряжение пассивный компонент, при этом первая и вторая ветви подсоединены параллельно между первым (5) и вторым (7) выводами устройства (1).

9. Устройство (1) по п. 8, отличающееся тем, что указанный элемент для регулирования разбаланса содержит по меньшей мере один резистивный элемент, установленный в одной из ветвей (9а, 9b) устройства (1) между первым (5) и вторым (7) выводами устройства (1).

10. Устройство (1) по любому из пп. 1-3, 6, отличающееся тем, что оно содержит также конденсатор, подсоединенный между первым (5) и вторым (7) выводами устройства.