ВАРИСТОР С РАЗМЫКАТЕЛЕМ Российский патент 2018 года по МПК H01C7/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к варистору, содержащему размыкатель.

Уровень техники

Из уровня техники известно, что разрядники для защиты от перенапряжений, в частности варисторы, в силу подвода больших количеств энергии подвергаются старению (также известному как деградация), с которым необходимо считаться. При этом можно констатировать, что на старение оказывают влияние различные факторы. Однако особенное влияние на старение имеют преобладающие условия окружающей среды, а также количество, частота и величина подводов энергии. По мере возрастания старения возникают, например, токи утечки, вызывающие (непрерывный) нагрев разрядника для защиты от перенапряжений.

По этой причине для защиты разрядников для защиты от перенапряжений, а также окружающей аппаратуры, часто используются автоматы тепловой защиты, у которых электрическое контактирование разрядника для защиты от перенапряжений реализовано посредством системы подпружинивания, прикрепляемой припайкой к разряднику с использованием терморазмягчаемого припоя или клея. И тогда, при возникновении недопустимого нагрева, припой или клей размягчается, вследствие чего аккумулированная в системе подпружинивания энергия разрывает непосредственный электрический контакт для разрядника для защиты от перенапряжений.

Впрочем, случаются сбои и неисправности, при которых уже вступают в действие непомерно большие токи (ток повреждения или ток утечки). В этих случаях, в частности, в сетях постоянного напряжения (DC-сетях), очень затруднено прерывание электрической дуги, существующей при отсоединении, а тем самым и отключение тока. Из-за образования плазмы электрические дуги имеют очень малую электропроводность. В таких случаях либо возникает опасное (ибо неконтролируемое) разрушение разрядника для защиты от перенапряжений, либо же происходит срабатывание включенного перед ним ("предвключенного") предохранителя, так что теперь уже от сети отсоединяется не только разрядник для защиты от перенапряжений, но и собственно защищаемые приборы. Это приводит к значительным и дорого обходящимся периодам времени простоя оборудования.

Для устранения данной проблемы предлагались многочисленные ныне известные из уровня техники устройства, решающие задачу гашения электрической дуги за счет смещения изоляционных защитных элементов. При этом необходимо непосредственно создать повышенный изоляционный промежуток для блокирования образования электрической дуги и возможных последствий ее воздействия на (отсоединяющееся) место контакта.

Существенный недостаток данной системы заключается в том, что резкое прерывание уже проходящего тока утечек приводит к сильному возрастанию напряжения на самом месте контакта. Это вызывает высокую нагрузку на изоляцию системы, в результате чего могут случиться ее пробои, из-за которых вся система опять-таки выходит из строя. Причиной тому магнитная энергия, накопившаяся в электросети к моменту времени отсоединения за счет уже протекающего тока. Эта накопленная в электропроводке энергия должна быть обязательно рассеяна. Следовательно, чем быстрее прерывается ток, тем сильнее возрастает напряжение на месте отсоединения.

Поэтому предъявляемые к этим устройствам требования чрезвычайно высоки, вследствие чего разрабатывать их можно только с высокими трудозатратами на проектирование и к тому же они являются дорогостоящими в плане стоимости материалов и изготовления. Кроме того, следует констатировать, что существующие до сегодняшнего дня устройства приводят к существенному увеличению габаритов конструкции и занимаемого ей объема, тогда как рыночным трендом является спрос на все более и более миниатюрную продукцию.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в создании усовершенствованного и экономически оптимального варистора, содержащего размыкатель, в котором устранены один или несколько существующих в уровне техники недостатков.

Поставленная задача решается согласно изобретению признаками, изложенными в независимом пункте формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения и в подробном описании приведены предпочтительные варианты выполнения изобретения.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено подробное описание изобретения на примере предпочтительных вариантов его выполнения, сделанное со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг. 1 - схематический разрез согласно первому варианту выполнения изобретения;

на фиг. 2 - схематический разрез согласно второму варианту выполнения изобретения;

на фиг. 3 - схематический разрез согласно третьему варианту выполнения изобретения;

на фиг. 4 - схематический разрез согласно четвертому варианту выполнения изобретения; и

на фиг. 5 - схематический разрез согласно четвертому варианту выполнения изобретения, при нахождении заявляемого устройства в сработавшем состоянии.

Осуществление изобретения

Ниже приведено более подробное рассмотрение изобретения, сделанное со ссылками на чертежи, при этом одинаковые элементы обозначены одинаковыми номерами позиций, что позволяет исключить избыточное и необязательное повторное описание элементов, описанных в связи с одним чертежом.

На чертежах показан варистор 1, содержащий размыкатель А. Варистор имеет по меньшей мере один первый вывод 2 и второй вывод 3.

Благодаря своей конструкции размыкатель А в случае неисправности может прерывать прохождение тока через варистор 1. При этом имеется в виду неисправность в самом общем смысле, и термином этим может охватываться как тепловая перегрузка из-за токов утечки, так и ущерб, причиненный высокими токами повреждения.

Кроме того, размыкатель А имеет контактный вывод 5, формирующий электрический контакт с первым выводом 2 варистора 1.

Электрический контакт обеспечен терморазмягчаемым держателем 4, так что в нормальном режиме работы контактный вывод 5 остается электропроводящим образом соединен с первым выводом 2 варистора.

Кроме того, размыкатель А имеет еще и высвободитель 6, в нормальном режиме работы поджатый аккумулятором 7 энергии. Например, к тому же может быть предусмотрена опора 8 аккумулятора энергии на варисторе 1 или на не показанном на чертежах корпусе вокруг варистора и/или размыкателя либо иного элемента размыкателя А.

В случае неисправности происходит нагрев варистора 1 и/или держателя 4 и/или иных находящихся по соседству конструктивных элементов, попадающих в зону досягаемости их теплового воздействия, вследствие чего терморазмягчаемый держатель косвенным образом и/или непосредственно нагревается настолько, что держатель 4 размягчается. Тогда под действием аккумулятора 7 энергии контактный вывод 5 механически отсоединяется от первого вывода 2 варистора 1 с помощью высвободителя 6.

Однако теперь, в отличие от более ранних решений, предлагаемый в изобретении размыкатель / высвободитель 6 выполнен резистивным, что сделано ради максимального избежания дугообразования. В итоге это приводит к ограничению еще проходящего через варистор 1 тока безопасным значением и одновременному предотвращению образования электрической дуги.

Особенно просто этого можно достичь, если высвободитель 6 обеспечивает отсоединение, механически вползая в промежуток между первым выводом 2 и контактным выводом 5, длительно оставаясь после этого в механическом и, при необходимости, также электрическом контакте с первым выводом 2 и/или контактным выводом 5.

В предпочтительном варианте выполнения по меньшей мере на отдельных участках высвободитель 6 имеет клиновидную внешнюю форму, так что процесс вдвигания (и последующее в конечном итоге отсоединение) является особенно простым.

Без ограничения общности для высвободителя можно использовать различные материалы, однако особенно простым и экономически оптимальным вариантом, дающим к тому же благоприятные электрические и механические свойства, следует считать использование пластмассовых и/или керамических материалов. Они и сами могут иметь соответствующую электропроводность, либо неотъемлемо присущую им от природы, либо за счет наполнения электропроводящими веществами, и, в качестве альтернативы или в дополнение, могут быть снабжены электропроводящей поверхностью.

В частности, например, конструктивное исполнение, как показанное на фиг. 2-5, позволяет достичь того, что электрическое сопротивление, оказываемое прохождению тока, зависит от относительного пути высвободителя 6 по отношению к первому выводу 2 варистора 1 и/или контактному выводу 5. Что именно это значит: если высвободитель 6 вдвигается далее (как, например, в показанной на фиг. 5 ситуации), то току, проходящему через контактный вывод 5 к первому выводу 2, приходится преодолевать более длинный резистивный путь по высвободителю 6, нежели чем в состоянии непосредственно при высвобождении. Это означает, что по мере прохождения пути сдвига сопротивление может (непрерывно) изменяться, что дает эффективное решение, при котором, например, поначалу имеется более низкое сопротивление, так что первым делом удается избежать электрической дуги, для последующего повышения сопротивления до такой степени, что ток может быть ограничен безопасными величинами.

При этом, например, как показано на фиг. 2-5, может оставаться либо (клиновидная) щель 9, либо, в качестве альтернативы, (клиновидная) щель 9 может быть заполнена электроизоляционным участком соответствующего исполнения. Это может быть предпочтительным, например, для получения улучшенных электрических и/или механических свойств.

Это означает, что высвободитель 6 имеет один участок 9 или несколько участков 9, фрагментарно проходящих поперек показанной на чертежах пунктиром соединительной линии между контактом 2 и контактным выводом 5 и имеющих меньшую проводимость, чем другие участки высвободителя, вследствие чего электрическое сопротивление высвободителя 6 изменяется в зависимости от относительного пути тока.

В вариантах выполнения, продемонстрированных на фиг. 3-5, вдобавок может быть предусмотрено, что размыкатель А дополнительно имеет средство 10 прерывания электрической связи, производящее электрическое отсоединение контактного вывода 5 от вывода 2 варистора 1, после достижения сначала резистивного воспрепятствования прохождению тока в случае неисправности. Это означает, что в ситуации, соответствующей изображению на фиг. 5, где размыкатель А показан в сработавшем состоянии, ток проходить более уже не может, поскольку теперь между контактным выводом 5 и высвободителем 6 (в противном случае функционировавшим бы резистивно) оказывается сместившийся туда изолирующий клин 10.

В частном варианте настоящего изобретения, не ограничивающем его общность, в составе терморазмягчаемого держателя 4 может иметься электропроводящий припой или электропроводящий клей.

В предпочтительном варианте выполнения может быть предусмотрено, что высвободитель 6 дополнительно содержит еще один электрический контакт 11, расположенный таким образом, что по отношению к первому контакту 2 и контактному выводу 5 резистивным материалом высвободителя 6 формируется делитель напряжения.

Теперь внутри высвободителя 6, расположенного по существу поперек направления прохождения тока, его верхняя часть, находящаяся между дополнительным электрическим контактом 11 и контактным выводом 5, образует первое сопротивление, а нижняя часть, оказывающаяся между первым выводом 2 и дополнительным электрическим контактом 11 - второе сопротивление. Таким образом, на дополнительном электрическом контакте 11 обеспечен делитель напряжения, в результате чего (например, даже после срабатывания в случае неисправности) на дополнительном контакте 11 обеспечено напряжение, которое может быть использовано для других функций, таких как анализ и сигнализация. Однако, в показанном на фиг. 3-5 варианте выполнения этот делитель напряжения актуален лишь до тех пор, пока контактный вывод 5 будет электрически отсоединен от вывода 2 варистора 1 посредством электрического отсоединителя 10. Это означает, что в данном случае, например, отсутствие напряжения на дополнительном электрическом контакте 11 может послужить знаком отсоединенности.

Без ограничения общности настоящего изобретения характер функции сопротивления высвободителя 6 может быть различной природы. В частности, помимо линейного характера сопротивления также может иметь место нелинейный характер сопротивления, например, высвободитель 6 может иметь характеристику варисторного типа или температурно-зависимую характеристику, например, терморезистора с положительным температурным коэффициентом сопротивления (от англ. "positive temperature-coefficient resistor").

Это означает, что в изобретении теперь предложено рассеять все еще накопленную в сети энергию на протяжении определенного периода времени. Для этого изменение состояний места отсоединения, заключающееся в переходе из электропроводящего состояния в состояние с большим сопротивлением (высокоимпедансное), происходит не резко, а изобретение позволяет дальнейшее протекание тока на протяжении некоторого промежутка времени (определить который можно временем на смещение высвободителя 6), при котором, однако, электрическая дуга теперь уже не возникает.

Подходящее конструктивное исполнение, например, за счет использования подходящих материалов, таких, например, как резистивные пластмассы, позволяет сформировать подходящее сопротивление также в окружающем корпусе, соответственно, в находящихся внутри компонентах корпуса или в механических фиксирующих компонентах, а также подсредством их. При этом необходимое электрическое контактирование может осуществляться, в частности, также за счет заливки токоведущих деталей резистивными пластмассами методом литья под давлением.

Особенно предпочтительно, если во время отсоединения сопротивление между контактным выводом 5 и первым выводом 2 изменяется, например, начиная с низкого сопротивления до высокого. Реализовать это можно, например, за счет скользящих контактов или за счет ползунка. При этом может быть обеспечено, что одновременно с раскрытием места отсоединения действует омическое контактирование, и тем самым протекающий ток ограничивается омически, т.е. за счет активного сопротивления. Это позволяет рассеять магнитную энергию, в результате чего, в отличие от традиционных приборов, на месте отсоединения может наступить сильное возрастание напряжения.

При этом, в зависимости от варианта выполнения, обеспечивается либо только ограничение тока безопасным значением, показанное на фиг. 1 и 2, либо же полное отсоединение, соответствующее показанному на фиг. 3-5.

Особенно предпочтительно, чтобы в показанном на фиг. 3-5 случае сопротивление, соответственно характер изменения сопротивления, можно было выбрать таким образом, что в момент времени отсоединения, производимого средством 10 прерывания электрической связи, прохождение тока уже понижено настолько, что с этого момента можно обеспечить отсоединение без риска дугообразования.

Настоящее изобретение открыло возможность переведения варистора 1 (или же иных разрядников для защиты от перенапряжений, таких, например, как искровые разрядники или TVS-диоды (от англ. "transient voltage suppressor diode") в безопасное состояние, без угрозы нанесения ущерба безопасности и дальнейшей эксплуатации установки, защищаемой разрядником для защиты от перенапряжений. Предлагаемое в изобретении конструктивное исполнение позволило сократить трудозатраты на проектирование и одновременно обеспечивает компактность за счет малых габаритов конструкции и занимаемого ей объема.

Перечень позиционных обозначений на чертежах

Изобретение относится к области электротехники. Предложен варистор (1), содержащий размыкатель (А), выполненный с возможностью прерывания прохождения тока через варистор (1) в случае неисправности, при этом размыкатель (А) имеет контактный вывод (5), формирующий электрический контакт с первым выводом (2) варистора (1), причем электрический контакт обеспечен терморазмягчаемым держателем (4), при этом размыкатель (А) дополнительно имеет поджатый аккумулятором (7) энергии высвободитель (6), который в случае неисправности, при размягчении терморазмягчаемого держателя (4), производит механическое отсоединение контактного вывода (5) от первого вывода (2) варистора (1), при этом высвободитель (6) выполнен резистивным для ограничения тока через варистор (1) и во избежание образования электрической дуги. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Варистор (1), содержащий размыкатель (А), выполненный с возможностью прерывания прохождения тока через варистор (1) в случае неисправности, при этом размыкатель (А) имеет контактный вывод (5), формирующий электрический контакт с первым выводом (2) варистора (1), причем электрический контакт обеспечен терморазмягчаемым держателем (4), при этом размыкатель (А) дополнительно имеет поджатый аккумулятором (7) энергии высвободитель (6), который в случае неисправности, при размягчении терморазмягчаемого держателя (4), производит механическое отсоединение контактного вывода (5) от первого вывода (2) варистора (1), при этом высвободитель (6) выполнен резистивным для ограничения тока через варистор (1) и во избежание образования электрической дуги.

2. Варистор (1) по п. 1, отличающийся тем, что высвободитель (6) достигает отсоединения за счет механического вползания в промежуток между первым выводом (2) и контактным выводом (5), оставаясь при этом в длительном электрическом контакте с одним из них или с обоими.

3. Варистор (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере на отдельных участках высвободитель (6) имеет клиновидную внешнюю форму.

4. Варистор (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что высвободитель (6) содержит пластмассу и/или керамику.

5. Варистор (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что электрическое сопротивление, оказываемое прохождению тока, зависит от относительного пути высвободителя (6) по отношению к первому выводу (2) варистора (1) и/или контактному выводу (5).

6. Варистор (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что высвободитель (6) имеет один или несколько участков (9), фрагментарно проходящих поперек соединительной линии между первым контактом (2) и контактным выводом (5) и имеющих более низкую проводимость, чем другие участки, в результате чего электрическое сопротивление высвободителя (6) изменяется в зависимости от относительного пути тока.

7. Варистор (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что размыкатель (А) дополнительно имеет средство (10) прерывания электрической связи, обеспечивающее электрическое отсоединение контактного вывода (5) от первого вывода (2) варистора (1), после достижения сначала резистивного воспрепятствования прохождению тока в случае неисправности.

8. Варистор (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что в составе размягчаемого держателя (4) имеется электропроводящий припой или электропроводящий клей.

9. Варистор (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что высвободитель (6) дополнительно содержит еще один электрический контакт (11), расположенный таким образом, что по отношению к первому выводу (2) и контактному выводу (5) резистивным материалом высвободителя (6) формируется делитель напряжения.

10. Варистор (1) по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что функция сопротивления высвободителя (6) носит нелинейный характер.