CN102231478B - 过电压保护元件 - Google Patents

Abstract

描述一种有外壳(2)的过电压保护元件，其包括：布置在外壳(2)中的过电压限制器件(3)；用来将过电压保护元件(1)连接到要受保护的电流或信号线路上的连接元件；带指示元件(4)的用来显示过电压保护元件(1)状态的状态指示器(5)。按照本发明的过电压保护元件，可以用简单的方式判断或者推断过电压保护元件的状态：设置有热敏性吸热材料(6)，该材料不仅与过电压限制器件(3)热接触，而且也与状态指示器(5)的指示元件(4)机械接触；当过电压限制器件(3)发热超过一定的最小温度时，指示元件(4)就会由于热敏性吸热材料(6)膨胀而发生位置变化，且位置变化的大小就是用来衡量过电压限制元件(3)发热程度的尺度。

Description

过电压保护元件

技术领域

本发明涉及一种有外壳的过电压保护元件，其具有：至少一个设置于外壳之中的过电压限制器件；用于将过电压保护元件连接在要被保护电流或信号线路上的接线元件；带显示元件的用来显示过电压保护元件状态的状态指示器。

背景技术

设置于过电压保护元件中的过电压限制器件尤其是变阻器和火花隙的性能会渐进退化，也就是会因为老化而使得过电压限制器件的参数发生变化。所述退化过程可能会随着时间的推移而导致过电压放电器在放电过程中或者甚至在电网条件下发生失灵。

无论在所施加的工作电压情况下还是每次出现放电过程时，变阻器均会“老化”。渐进退化主要会使得变阻器在“非导通”状态下的电阻减小，所出现的漏电流将会增大，从而导致变阻器发热。在众所周知的过电压保护元件中均利用变阻器的这种发热效应使得分断机构从某一个预先设定的温度起脱扣，从而将变阻器与要被保护的电流或信号线路在电方面分断。

与变阻器的区别在于，火花隙通常仅在放电过程中“老化”。在火花隙的电极之间发生放电时所产生的电弧一方面会导致电极本身受损，另一方面也会导致电极周围的绝缘件受损。火花隙的内部元器件的状态通常并不为人所知，而且只能在某些检测周期之内进行测量，非常有限地确定其状态。火花隙中通常不像变阻器那样配有分断机构。

DE 44 13 057 A1公开了一种检测闪电电流或者浪涌电流的方法，将一个预磁化的数据载体在空间上布置在闪电电流或者浪涌电流所经过的导体附近，从而使得数据载体的磁化强度发生变化。然后就可以利用一种该数据载体必须插入其中的读取器来检测、分析数据载体的磁化强度变化。这种方法一方面需要经过相应培训的人员主动进行操作，另一方面也只能检测、分析每次所出现的最大磁化强度或磁化强度变化，因此并不能识别例如最大浪涌电流之前或之后的多个较小的脉冲。因而利用这种方法只能测定闪电电流或浪涌电流的最大电流强度；但是并不能由此直截了当地推断放电器的状态。

DE 20 2004 006 227 U1公开了一种过电压保护元件，可根据温度开关原理监测变阻器的状态，能在变阻器过热时分断设置在变阻器和隔断元件之间的钎焊连接，从而使得变阻器在电方面分断。此外当分断钎焊连接时，还通过弹簧的回位力推动一个塑料元件从第一位置进入第二位置，通过该塑料元件将弹性金属舌片形式的隔断元件与变阻器隔开，实现隔热并且隔断电流，从而消除金属舌片和变阻器触点之间可能产生的电弧。由于塑料元件具有两个相邻排列的彩色标记，因此还可起到光学状态指示器的作用，这样就能直接在现场查看过电压保护元件的状态是正常(绿色)还是分断(红色)。

DE 10 2007 006 617 B3公开了一种过电压保护元件，具有两个设置于外壳之中的过电压限制器件，这两个过电压限制器件可以是两个圆盘变阻器，可在过热时将其逐一分断。通过一个旋转指示器形式的光学状态指示器显示某一个或两个钎焊连接是否分断。可以通过光学状态指示器显示三种不同的状态：两个变阻器功能正常，一个变阻器功能不正常且已分断，两个变阻器功能均不正常且已分断。但即使采用这种过电压保护元件，也只能通过光学状态指示器显示一个或两个变阻器是否功能正常。所述已知的过电压保护元件并不能显示某一个功能尚且正常的变阻器的除此之外的状态。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种开头所述的过电压保护元件，其能够以尽可能简单的方式和方法判断或推断过电压保护元件的状态。

就开头所述的过电压保护元件而言，解决这一任务的方式为：设有一种不仅与过电压限制器件有热接触、而且也与状态指示器的指示元件有机械接触的热敏性吸热材料，当过电压限制器件发热超过一定的最小温度时，指示元件就会因为热敏性吸热材料膨胀而发生位置变化，且位置变化的大小即为用来衡量过电压限制器件发热程度的尺度。

本发明基于这样的认识：可以针对某一个过电压限制器件确定或设定该器件能够或者应当在其使用寿命范围内转换的最大能量，且不会使得该器件的额定参数出现临界变化。如果已经转换了该最大能量，则可能会影响过电压保护元件的典型参数，例如最大抗脉冲能力、漏电流特性或者电网电流(Netzfolgestrom)特性，因此就要更换过电压保护元件。此外本发明还基于这样的认识：过电压限制器件中的能量转换始终会导致器件发热，且发热程度就是衡量内部能量转换的直接尺度。大于器件特有的温度阈值之后，例如在泄放浪涌电流时所出现的器件发热程度与过电压限制器件的退化程度成正比。

在本发明所述的过电压保护元件中，利用过电压限制器件由于转换能量而释放的热量来激活吸热的化学或物理过程。与过电压限制器件有热接触的热敏性吸热材料此时不仅可承担用来检测过压限制器件发热程度的传感器的功能，而且也可承担执行器的用来操动状态指示器的指示元件的功能。

市场上有能够在热作用下产生体积增大的不同热敏性吸热材料可用来加工塑料，例如防火应用。尤其也可以使用或者在材料中加入发泡剂(Treibmittel)，这些材料含有例如填充了液化气体的塑料微球，这些微球会在受热时因为球内部压力升高而膨胀。

材料开始膨胀的最小温度应当大致等于预期过电压限制器件会发生退化的温度。(器件内部能量转换所引起的)过电压限制器件每次发热一旦高于最小温度，就会使得热敏性吸热材料发生膨胀，从而使得状态指示器的指示元件出现相应的位置变化。

现在原则上可以利用另一个检测装置来检测由于吸热材料膨胀而引起的指示元件的每次位置变化，以便据此确定被监测的过电压限制器件的渐进老化过程。然而按照一种首选设计方案，采用适当的热敏性吸热材料，使得因为过电压限制器件发热超过一定的最小温度而产生的材料膨胀不可逆转。因此，即使当过电压限制器件以及材料均已重新冷却下来后，因发热到一定程度而产生的材料膨胀也会依然保持。这样就会随着过电压限制器件每次发热高于最小温度而产生一种渐进的过程，该过程表达了过电压限制器件所释放的热量的积累程度，因此与过电压限制器件的退化有关系。

无论是一次性转换大量的能量从而使得过电压限制器件急剧发热，还是接连转换多次较少的能量从而使得该器件多次以较小的幅度发热，均会使得状态指示器的指示元件出现一定的位置变化。过电压放电器尤其是火花隙和变阻器的损坏过程是随脉冲幅度和发热程度而变化的非线性曲线。一次性非常高的脉冲会导致急剧发热，因此其损害性影响要比中等功率和发热程度的多次脉冲大得多。较小的脉冲几乎不会使得变阻器发热，即使次数很多也不会造成明显的损害。这种特性与那些在阈值温度以下几乎没有反应、而在强烈受热时有过度反应的适当的发泡剂的膨胀进程十分一致。

按照本发明的另一种有益设计方案，适当选择热敏性吸热材料的用量、布置方式和特性，从而使得材料在过电压限制器件已经转换了应当或允许在其使用寿命范围内最多转换的能量时达到其最大膨胀程度。如果已经在过电压限制器件中转换了之前所确定的最大能量，从而达到了该器件的规定使用寿命终点，则吸热材料也应当达到其最大膨胀程度。这样就能以简单的方式和方法，同时确定状态指示器的指示元件的最大位置变化，从而能够根据指示元件的位置识别出过电压限制器件的剩余使用寿命。

可以使用例如具有记忆效应的一种材料作为热敏性吸热材料。已知具有记忆效应的材料既有塑料也有金属，可以利用所谓的单程记忆效应，实现之前所述的优选不可逆的材料膨胀。

但作为热敏性吸热材料，除此之外，也可以使用一种优选由低熔点塑料例如聚乙烯(PE)或者聚丙烯(PP)与发泡剂组成的膨胀性材料。已发现特别适宜使用发泡剂与聚烯烃和蜡的混合物，该混合物在低于发泡剂膨胀温度的某一温度下就已成为液态或者粘滞态。在没有发热的工作状态下，该膨胀性材料呈固态。当膨胀性材料的温度因为过电压限制器件发热而升高时，膨胀性材料就会改变其聚集态变成液态。在超过一定的温度之后，膨胀性材料就会做出反应，体积急剧增大；膨胀性材料起泡。

本发明所述的过电压保护元件可以利用因为温度升高而引起的膨胀性材料体积增大来改变状态指示器的指示元件的位置。如果膨胀性材料仅在很短时间内受热，或者仅仅温度升高到最小温度以上的某一比较小的温度，那么只有一部分膨胀性材料作出反应，也就是起泡。膨胀性材料的体积增大于是-按照意愿-可作为衡量膨胀性材料受热程度的尺度，因此也可作为用来衡量过电压限制器件内能量转换的尺度。

有不同的方法可用来相对于过电压限制器件并且相对于状态指示器的指示元件布置热敏性吸热材料，最好采用一种能够在过电压限制器件和材料之间保证良好、尽可能持久地热接触的布置方式。

按照本发明的一种首选构造方案，在热敏性吸热材料和状态指示器的指示元件之间布置一个棒状致动元件，该致动元件的一端与指示元件相连，另一端与一个活塞相连。将热敏性吸热材料布置在一个外壳之中，活塞和致动元件的一部分也以可移动的方式布置在该外壳之中，从而能够通过扩张的材料使得活塞在起到缸筒作用的外壳之中移动。容纳吸热材料、活塞以及致动元件的一部分的外壳与过电压限制器件之间有热接触，为此可以将外壳直接固定在过电压限制器件(例如圆盘状变阻器)的外侧面上。已发现适宜用一种具有很高热导率的材料制成外壳，且热导率尤其大于热敏性吸热材料的热导率，这样就能尽量避免已经部分膨胀的材料引起热解耦的危险。

为了使热敏性吸热材料的膨胀程度尽可能随温度呈线性增大，可以在外壳之内布置一个弹簧元件，其弹簧力可克服热敏性吸热材料膨胀时形成的压力。所述弹簧元件可以是例如一个圆柱弹簧，例如可以将其夹紧在致动元件活塞的背向吸热材料的一侧与对面的外壳内壁之间，并且同心围住致动元件。

为了保证热敏性吸热材料尽可能大面积均匀受热，按照本发明的另一种首选设计方案所述，可在外壳之内适当布置多个导热元件，使得这些导热元件一端与外壳导热地相连，另一端与热敏性吸热材料形成热接触。所述导热元件优选与外壳整体成型。如果所述热敏性吸热材料是一种膨胀性材料，那么这些导热元件优选伸入到膨胀性材料之中，或者被膨胀性材料所包围，且导热元件的长度大于膨胀性材料在未膨胀状态下的相应长度。这样即使膨胀性材料处在已经(部分)膨胀的状态，也能保证通过导热元件将热量导入到膨胀性材料之中。

作为替代或补充方案，也可以按照一种设计方案所述，使用一种与热敏性吸热材料有热接触的有源加热元件，使得有源加热元件发出的热量可以导致热敏性吸热材料受热。为了使有源加热元件仅在过电压限制器件也发热时才会发热，可将有源加热元件与过电压限制器件串联。然后，流过过电压限制器件的漏电流同样也会流过加热元件，从而形成所需的加热元件发热效果。将加热元件埋入在吸热材料之中，就能保证有源加热元件和吸热材料之间有良好的热接触。例如可以使用半导体电阻尤其是热敏电阻(PCT电阻)作为有源加热元件。

如前所述，状态指示器具有一个指示元件。所述状态指示器在最为简单的情况下可以只是一种光学状态指示器，所述光学状态指示器除了具有指示元件之外，还具有一个光学指示装置，尤其是指示刻度。但除此之外，指示元件也可以与电的指示装置尤其是直滑电位计配合作用，使得状态指示器不仅是一个光学状态指示器，同时也是一个电的状态指示器。尤其也可以将电的指示器用来将过电压保护元件的状态信号远程发送给控制台。

如果并非(仅仅)通过模拟式指示刻度来显示过电压限制器件的状态，那么也可以给指示元件分配一个用来将指示元件位置变化数字化的装置，为此尤其可以使用增量式编码器。然后就能以特别简单的方式继续处理数字化值。

按照本发明的过电压保护元件的另一种首选设计方案，还可采用一个附加开关，当热敏性吸热材料达到其最大膨胀程度时，即可操作该开关。最好可以通过也与指示元件相连的棒状致动元件末端来操作开关。在操作开关时激活另一个指示器，可以通过该指示器以电的、光的和/或声的方式显示过电压限制器件的使用寿命是否结束。最好也能利用所述开关来远程发送过电压保护元件的状态信号。

附图说明

具体而言，现在有若干方法可用来实施、改进本发明所述的过电压保护元件。为此不仅可以参考权利要求1的从属权利要求，也可参考以下结合附图描述的首选实施例。附图所示如下：

附图1为本发明所述过电压保护元件的第一种实施例示意图；

附图2为本发明所述过电压保护元件的第二种实施例示意图；

附图3示出本发明所述过电压保护元件的一部分的另一种实施方式，其中一幅图包括没有膨胀的膨胀性材料，另一幅图包括已经部分膨胀的膨胀性材料；和

附图4示出过电压保护元件的一部分的另一种实施例，其中一幅图包括没有膨胀的膨胀性材料，另一幅图包括已经完全膨胀的膨胀性材料。

具体实施方式

附图所示为本发明所述过电压保护元件1的不同实施例，具有一个附图1和2中以虚线表示的外壳2，在外壳中布置一个示意性地示出的过电压限制器件3，所述器件可以是例如一个变阻器。但是原则上也可以使用火花隙或者充气的过电压放电器作为过电压限制器件。除此之外，属于过电压保护元件1的还有具有一个指示元件4的状态指示器5，在实际实现过电压保护元件1时将所述状态指示器适当布置在外壳2之中，从而可以从外壳2之外，例如通过一个相应的观察窗看见状态指示器5。

在本发明所述的过电压保护元件1中，适当布置一种热敏性吸热材料6(例如一种膨胀性材料)使其与过电压限制器件3热接触，从而使得过电压限制器件3发热超过一定的最小温度就会引起材料6发生相应的膨胀。由于材料6通过棒状致动元件7与状态指示器5的指示元件4机械相连，因此热敏性吸热材料6膨胀就会使得指示元件4的位置发生变化，该位置变化的大小就是用来衡量过电压限制器件3受热程度的尺度，进而也是用来衡量器件3退化程度的尺度。

在附图所示的实施例中，棒状致动元件7的一端8直接与指示元件4相连；将在这些实施例中呈三角形的指示元件4固定在棒状致动元件7的末端8上。将一个活塞10固定在致动元件7的对面一端9上，所述活塞10与棒状致动元件7的一部分一起以能够移动的方式布置在一个起到缸筒作用的外壳11之中。由于在外壳11中也将膨胀性材料6布置在活塞10的背向致动元件7的一侧，因此膨胀的材料6就会使得活塞10在外壳11之内移动(按照附图1～4所示向右移动)，从而使得指示元件4也会在状态指示器5的范围内移动。

附图1和2所示为指示元件4的状态，不仅有热敏性吸热材料6的未受热也就是未膨胀状态(实线)，也有材料6膨胀程度最大时的状态(虚线)，指示元件4此时处在其表示过电压限制器件3的使用寿命已结束的终点位置。

按照附图2所示的本发明所述过电压保护元件1的实施例，在外壳11之内布置了一个与棒状致动元件7同心的圆柱弹簧形式的弹性元件12。圆柱弹簧12一端支撑在活塞10的背向膨胀性材料6的一侧，另一端支撑外壳11的在对面的内壁13上。因此圆柱弹簧12的弹簧力可克服在材料6膨胀时作用于活塞10上的压力。因此可以适当选择圆柱弹簧12的弹簧特性曲线，调整致动元件7的力/行程变化曲线，进而也调整指示元件4的位移，从而使得指示元件4的位置变化随过电压限制器件3的退化程度尽可能呈线性上升。

附图3和4所示分别仅为本发明所述过电压保护元件1的一部分，即只有外壳11与布置于其中的膨胀性材料6以及活塞10和棒状致动元件7的一部分。按照附图3所示的实施例，外壳11具有多个导热元件14，这些导热元件沿着外壳11的纵向进而也沿着活塞10的移动方向延伸。通过设置有导热元件14，将由过电压限制器件3传输给外壳11的热量大面积地传递到膨胀性材料6之中，从而使得材料6比较均匀地受热。由于导热元件14的长度大于膨胀性材料6在未膨胀状态(附图3a)下的相应长度，因此即使该材料已经有些膨胀(附图3b)，也能保证将热量顺利地传递到膨胀性材料6之中。

附图4所示也为外壳11的两个示意图，其中一个包括未膨胀的膨胀性材料6(附图4a)，另一个则包括已经膨胀到最大程度的膨胀性材料6(附图4b)。与附图1所示实施例的区别在于，外壳11之内的膨胀性材料6布置在一个可以伸长的附加包套15之中，因此当材料6膨胀时，必须耗费一部分力使得包套15伸长。所述包套15尤其还可用来防止正在膨胀的膨胀性材料6粘着在外壳11内壁上。为了减小包套15和外壳11内壁之间的摩擦以及外壳11内壁和对面的活塞10表面之间的摩擦，按照附图4所示的实施例，在外壳11的内壁表面上涂覆一层滑动层16。

最后按照附图1和2所示，为了便于查看指示元件4的位置，状态指示器5还具有一个指示刻度形式的光学指示装置17。可以利用指示刻度17以简单方式显示过电压限制器件3的剩余使用寿命，从而能够在现场快速、简单直接地辨别何时应当更换过电压保护元件1。

除此之外，指示元件4也可与一个直滑电位器形式的电的指示装置18相连，从而也可以用电的方式检测过电压保护元件1的状态，或者通过控制中心(einer zentralen Stelle)上的相应远程信号装置显示该状态。最终过电压保护元件1还可以具有一个开关19，当热敏性吸热材料6达到其最大膨胀程度时，即可操作该开关。还可以通过开关19激活另一个以电、光和/或声的方式显示过电压限制器件3使用寿命是否结束的附加指示器。也可以将开关19设计成远程信号触点形式，从而能够以简单方式远程监视过电压保护元件1的状态。

Claims (1)

1.一种有第一外壳（2）的过电压保护元件，包括：至少一个布置在第一外壳（2）之中的过电压限制器件（3）；用来将过电压保护元件（1）连接到要受保护的电流或信号线路上的连接元件；带指示元件（4）的用来显示过电压保护元件（1）状态的状态指示器（5）， 

其特征在于，

设置有一种热敏性吸热材料（6），该材料不仅与过电压限制器件（3）有热接触，而且也与状态指示器（5）的指示元件（4）有机械接触，

当过电压限制器件（3）发热超过一定的最小温度时，指示元件（4）就会由于热敏性吸热材料（6）膨胀而发生位置变化，且位置变化的大小就是用来衡量过电压限制器件（3）发热程度的尺度。

2. 根据权利要求 1 所述的过电压保护元件，其特征在于，采用适当的热敏性吸热材料（6），使得因为过电压限制器件（3）发热超过一定的最小温度而产生的材料（6）膨胀不可逆转。

3. 根据权利要求 2 所述的过电压保护元件，其特征在于，适当选择热敏性吸热材料（6）的用量、布置方式和特性，从而使得材料（6）在过电压限制器件（3）已经转换了过电压限制器件（3）允许在其使用寿命范围内转换的最大能量时达到其最大膨胀程度。

4. 根据权利要求 1所述的过电压保护元件，其特征在于，热敏性吸热材料（6）是一种起泡材料。

5. 根据权利要求 1所述的过电压保护元件，其特征在于，在热敏性吸热材料（6）和状态指示器（5）的指示元件（4）之间布置一个棒状致动元件（7），该棒状致动元件的一端（8）与状态指示器（5）的指示元件（4）相连，另一端（9）与活塞（10）相连，将热敏性吸热材料（6）布置在第二外壳（11）之中，活塞（10）和致动元件（7）的一部分也以能够移动的方式布置在该第二外壳之中。

6. 根据权利要求 5 所述的过电压保护元件，其特征在于，在第二外壳（11）之内布置有弹簧元件（12），该弹簧元件的弹簧力克服在热敏性吸热材料（6）膨胀时产生的压力。

7. 根据权利要求 5 或 6 所述的过电压保护元件，其特征在于，将至少一个导热元件（14）适当布置在第二外壳（11）之中并且与第二外壳（11）导热地相连，使得导热元件（14）与热敏性吸热材料（6）有热接触，且导热元件（14）的长度适宜大于热敏性吸热材料（6）在未膨胀状态下的相应长度。

8. 根据权利要求 1所述的过电压保护元件，其特征在于，将一个有源加热元件与热敏性吸热材料（6）形成热接触，所述有源加热元件与过电压限制器件（3）串联。

9. 根据权利要求 1所述的过电压保护元件，其特征在于，热敏性吸热材料（6）被一个可以伸长的包套（15）围住。

10. 根据权利要求 1所述的过电压保护元件，其特征在于，指示元件（4）不仅与一个光学指示装置（17）配合作用，而且也与一个电的指示装置（18）配合作用。

11. 根据权利要求 1所述的过电压保护元件，其特征在于，给指示元件（4）分配一个用来使指示元件（4）的位置变化数字化的装置。

12. 根据权利要求 1所述的过电压保护元件，其特征在于，当热敏性吸热材料（6）达到其最大膨胀程度时操作开关（19），从而激活另一个以电的、光的和/或声的方式显示过电压限制器件（3）使用寿命是否结束的附加指示器。

13. 根据权利要求8所述的过电压保护元件，其特征在于，所述有源加热元件是热敏电阻。

14. 根据权利要求8所述的过电压保护元件，其特征在于，所述有源加热元件埋入在材料（6）之中。

15. 根据权利要求10所述的过电压保护元件，其特征在于，所述光学指示装置（17）是指示刻度，而所述电的指示装置（18）是直滑电位器。

16. 根据权利要求11所述的过电压保护元件，其特征在于，所述用来使指示元件（4）的位置变化数字化的装置是一个增量式编码器。