CN102576980A

CN102576980A - 过电压保护元件

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Publication number: CN102576980A
Application number: CN2010800450802A
Authority: CN
Inventors: R·迪尔斯; C·德普林
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: EP2483976A1; CN102576980B; EP2483976B1; WO2011039342A1; DE102009048045B4; RU2497250C1; DE102009048045A1; US20120268850A1

Abstract

本发明提供一种过电压保护元件，其具有壳体(1)及至少两个电导体(2)，所述至少两个电导体(2)穿入壳体(1)内以与所述过电压保护元件电性连接，其中在壳体(1)中设置有用于限制电导体(2)的过电压的电涌放电器(3)以及用于使电导体(2)短路的压敏开关(4)。因此，根据本发明提供一种过电压保护元件，其即使在电涌放电器(3)有缺陷的情况下，也能在壳体(1)中形成电弧时可靠地并安全地使所述电导体(2)短路，从而可触发优选地连接于所述过电压保护元件的上游的过电流保护(例如熔丝)。

Description

过电压保护元件

技术领域

本发明涉及一种过电压保护元件，其具有壳体及至少两个电导体，所述至少两个电导体引入所述壳体内以与所述过电压保护元件电性连接。

背景技术

电气回路及设备在其规定电压(即所谓的额定电压)下以无故障的方式运行，除非出现过电压。过电压被视为高于额定电压的可容许的上限的所有电压。这还首先包括暂态过电压，暂态过电压的出现可归因于大气放电、也可归因于供电电网中的开关操作或短路，暂态过电压可以电流方式、电感方式或电容方式耦合至电路中。现在，为保护各种使用领域中的电气电路或电子电路、尤其是电子测量电路、控制电路及开关电路不受暂态电压的损害，已开发出过电压保护元件，过电压保护元件已在现有技术中存在了几十年。

每一种工业设备的基础均是由测量及控制技术的线路或导体形成的。这些线路的平稳运作需要所传输的信号具有高度的可用性(availability)。因此，对应的过电压保护元件的保护电路必须适用于各种信号及测量原理。因此，尤其使用变阻器、抑制二极管(suppressor diode)及充气式电涌放电器或火花隙以及上述组件的组合来作为电涌放电器。因此，可尤其通过放电容量水平或保护水平来区分各个电涌放电器。变阻器通常用作中间保护段，而充气式过电压放电器及火花隙通常用作粗略保护。此外，各个电涌放电器可细分为电压限制元件(例如变阻器)及电压切换元件(例如充气式电涌放电器及火花隙)。以下将变阻器具体地视为过电压放电器，而本发明并非限制于此。

电涌放电器、尤其是变阻器及火花隙容易老化，从而改变电涌放电器的额定参数。所述老化随着时间的进行可引起例如不期望有的泄漏电流增大以及在放电操作期间或在干线(mains)条件下引起电涌放电器的后续故障。因此，具有变阻器的电涌放电器常常具有热切断装置，借助所述热切断装置将不再正常运行的变阻器从所要监测的电流路径上切除。如果在放电操作期间或由于暂时过电压(temporary overvoltage；TOV)而使电涌放电器过载，则无法清楚地定义电涌放电器通常所进入的电气状态。具体而言，电涌放电器的阻抗可发生变化而使高的干线工作电流流过电涌放电器，然而所述电流仍然太小而无法触发上游过电压保护装置。此种已变为低阻抗的过电压保护元件的高功率转换会迅速加热过电压保护元件的组件而使得通常的热隔离开关不能及时切断，从而出现开放的电弧。现有技术中已知的隔离开关也不是针对高切换容量而设计的，因而在已有大的电流流动且隔离开关打开时，会同样地出现无法熄灭的电弧。在这两种情形中，电弧均可引起点火、爆炸及/或高压力的积聚，而这些无法通过过电压保护元件的通常的塑料壳体在不发生损坏的情况下进行控制。此种电弧的后果是例如IP保护类型出现不可接受的损失以及对邻近部件造成损坏直到整个工业设备受到破坏。

此外，在现有技术中已知如下的过电压保护元件：其中将电涌放电器囊封于金属壳体中，以使得壳体内部的故障不会导致任何不可接受的排放物进入周围环境。此外，在此种实施例中，在电涌放电器过载的情况下，可形成电弧而使得其可通过金属导电壳体发生短路，从而使内部能量转换最小化，并可加速启用上游过电压保护(例如熔丝)。因此，此种过电压保护元件表现为：在被囊封的电涌放电器发生故障的情况下，在金属壳体的内部将会出现电弧，所述电弧自动熄灭或通过上游电涌放电器所作出的反应而熄灭。

然而，存在以下缺点：所述电弧的状态及其对过电压保护元件的内部安装空间及其电功能组件的影响是不明确的且未知的。如果出现电弧，则金属在电弧的基点处熔化并蒸发，从而使过电压保护元件的金属壳永久性地受到机械性削弱，而这从过电压保护元件的外部并不明显。由电弧引起的金属蒸气沉积于过电压保护元件的壳体的内表面上。如果金属蒸气沉积于壳体的绝缘材料上，则会出现不确定的绝缘条件。当电弧自动熄灭且未触发上游过电压保护、从而完全未注意到对过电压保护元件的内部损坏时，内部损坏尤其严重。因此，有可能即使上游过电压保护已被触发，也无法辨别出原因，且有缺陷的或严重受损的过电压保护元件将会再次投入运行。

发明内容

因此，本发明的目的是揭露一种过电压保护元件，其以特别简单的方式确保即使在电涌放电器有故障的情形中也能安全地切断故障电流。

此目的根据本发明通过独立权利要求项的特点来实现。在附属权利要求项中给出了本发明的较佳实施例。

因此，通过一种过电压保护元件来实现此目的，所述过电压保护元件具有壳体及至少两个电导体，所述至少两个电导体引入壳体内以与过电压保护元件电性连接，其中在壳体中设置有用于限制电导体的过电压的电涌放电器以及用于使电导体短路的压敏开关。

因此，根据本发明提供一种过电压保护元件，其即使在电涌放电器有缺陷的情况下，也能在过电压保护元件的壳体中出现电弧时以低的阻抗可靠地并安全地使电导体短路，从而可启用优选地连接于上游的过电压保护(例如熔丝)。这将避免现有技术中已知且在上文所述的在过电压保护元件的壳体中出现电弧的缺点，所述缺点会导致电涌放电器的功能受限，而从过电压元件的外部无法观察到此种受限的功能。因此，本发明采用全新的方式来避免上述现有技术的缺点。

在壳体中由于电弧而出现增大的压力，使得会在压力增加时进行切换的压敏开关由于压力增大而使电导体短路，从而使优选地位于上游的过电压保护(例如熔丝)被触发并切断施加于导体上的故障电流。过电压保护的反应因此而被清楚地确定，从而排除现有技术中已知的如下危险：相对高阻抗的电弧会导致过电压保护的反应延迟。因此，电弧仅在壳体中很短暂地燃烧，且无法以出现排放物(例如金属蒸气)的方式破坏壳体。同样有利的是，由于电弧的燃烧持续时间短，会减小由于电弧而在壳体中出现的压力增大，使得即使小的壳体壁厚也足以控制压力，从而可有成本效益地制造过电压保护元件。

换言之，即使在电涌放电器有缺陷的情况下以及在壳体中出现电弧的情况下，根据本发明的过电压保护元件也可特别安全及简单地切断电路，由于电弧而在壳体中形成的压力作用于压敏开关上而使压敏开关将电导体短路，从而使优选地位于上游的过电压保护(例如熔丝)被启用并切断电路或施加于导体的故障电流。所属领域的技术人员将由此使压敏开关与壳体容积相互协调，以使得即使低容量的电弧或才刚刚形成的电弧也会引起压敏开关的反应(即切换)。另一方面，所属领域的技术人员会将过电压保护元件设计成使壳体中的压力差异不会引起压敏开关的反应，所述压力差异是由于受热、周围大气的波动及/或工业设备的典型震动而产生。尤其优选的是使压敏开关迅速反应(即进行切换)以使得电弧中没有相关的电源持续电流流动。

电涌放电器可被实施成现有技术中已知的任何电涌放电器，即，例如实施成变阻器、抑制二极管及/或充气式电涌放电器或火花隙、以及上述组件的组合。过电压保护元件的壳体优选地被以抗压的方式实施，即，优选地被实施成使壳体中的压力增大不会扩大壳体所包含的容积。极其优选地，壳体是由非导电材料(例如塑料)或金属(即优选为导电的)制成。优选地，电涌放电器及/或压敏开关以导电的方式连接至导体。

尤其优选的是将压敏开关实施成在超过壳体中的预定压力时，开关会使电导体短路。由此，预定压力可高于壳体的输出压力2％、5％、10％、20％或50％。输出压力是指在无电压或无电流施加于壳体中的导体的情况下壳体中的主导压力。此外，优选的是使压敏开关可以可变的方式进行调整，从而可根据可调整的压力来决定所述开关的“反应”。

根据本发明的另一优选实施例，提供用于阻止开关的切换的锁定开关已提供，且可通过压力的增大及/或壳体中的热量变化来将锁定开关解锁。此外，优选的是提供作用于开关上的弹簧，该弹簧具有弹力，以使得所述弹簧在锁定开关解锁后致动开关。开关的切换操作一方面通过此种类型的实施例(即，由于由弹簧作用于开关上的弹力)而得到加速，另一方面被定义成仅在壳体中的压力增大及/或壳体中出现热量变化(即，例如由于温度升高、尤其是由于电弧)时，锁定开关才会解锁，从而所述开关使电导体短路而启用优选地位于上游的过电压保护(例如熔丝)。

根据本发明的进一步改进，优选的是设置热断路器及火花隙，热断路器热连接至电涌放电器，且热断路器被实施成使热断路器可将火花隙点火。“热连接”在此是指在电涌放电器的温度升高的情况下，电涌放电器会将温度升高传导至热断路器，即热断路器的温度也会升高。热断路器可被实施成现有技术中已知的任何热断路器，例如双金属热断路器。本发明的此种类型的实施例确保例如在可预先选择最高温度的情况下，热断路器进行切换而使得由于以定向方式触发的电弧或其压力积聚，压敏开关受到切换。由此，例如为在壳体中逐步积聚压力，火花隙可具有依据DE 101 46 728的点火原理。同样优选的是根据DE 10 2004 009 072来实施火花隙的点火元件。

此外，根据本发明的另一实施例，极其优选的是以不可逆的方式致动开关。“不可逆”是指一旦开关被切换，其便保持于被切换的位置。在本上下文中，更优选的是设置用于锁定被切换的开关的锁定元件。因此，锁定元件可被实施成例如现有技术中已知的锁耳(locking lug)并具有对应于此锁耳的容置部。

根据另一优选实施例，锁定元件被实施成使锁定元件以磁性方式锁定被切换的开关。锁定元件优选地被实施成借助于固定磁铁的磁性挂钩装置、回程阻挡弹簧机构及/或通过将开关在被切换位置或触点上进行焊接、钎焊或熔融而形成短路来实施。通过此种实施例，可实现使有缺陷的或严重受损的过电压元件不被再次投入运行，这是因为开关在一旦被切换后便被锁定元件锁定。

为指示压敏开关的切换，根据本发明较佳实施例的过电压保护元件具有用于指示被切换的开关的装置。用于指示的此种类型的装置可包括例如用于显示过电压保护元件的状态的机械或光学显示装置。作为另一选择或另外，可设置远程指示来传达过电压保护元件的状态信号，为此，优选地在过电压保护元件上包含相应的转换触点作为信号发生器。可例如通过著色的罩或施加于壳体上的漆涂层或膜而形成光学显示装置，其颜色根据壳体的温度而改变。

原则上，开关可被实施成现有技术中已知的任何压敏开关。然而，根据本发明的另一实施例，尤其优选的是将开关实施成滑动元件。此外，优选的是在导体之间引导滑动元件或在导体其中之一与壳体的壁之间引导滑动元件。极其优选地，将滑动元件实施成传导性的、导电密封的及/或自动回程阻挡式的短接桥。此外，优选的是将滑动元件实施成具有短接桥的滑动的、电绝缘的及/或动态密封的滑动件。通过此种类型的实施例，可实现过电压保护元件或压敏开关的特别简单的设计，其中在电涌放电器爆炸的情况下，滑动元件可对壳体施加额外的动态密封作用。尤其在使用导电材料制成的壳体的情况下，极其优选的是在滑动元件与壳体之间提供绝缘。所述绝缘优选地由非导电性的及/或不可燃的材料制成。

根据本发明的较佳实施例，在壳体中提供第一气体体积，其中第一气体体积围绕电涌放电器，且第一气体体积的压力的增大将使开关进行切换。根据本发明的另一较佳实施例，在壳体中提供第二气体体积，壳体具有用于使第二气体体积逸出壳体的装置，且开关的切换会增大第二气体体积的压力，从而使第二气体体积通过所述装置而逸出壳体。第一及/或第二气体体积优选地被实施成不可压缩的及/或不易燃的或不可燃的气体，例如具有现有技术中已知的惰性气体。用于使第二气体体积逸出的装置优选地被如上所述实施成壳体中的钻孔及/或实施成开孔。

根据本发明的另一优选实施例，设置有用于使电导体短路的热隔离开关。此种类型的隔离开关是现有技术中已知的(例如参见DE 93 05 796 U1或US 6 430 019)。此外，优选的是使壳体由金属制成且电导体其中之一电性连接至壳体。此种类型的实施例使壳体能够具有特别简单且有利的实施例。

以下将参照附图根据优选实施例来更详细地说明本发明。

附图说明

图1为根据本发明第一实例性实施例的过电压保护元件的示意图；

图2为根据本发明第二优选实例性实施例的过电压保护元件的示意图；

图3为根据本发明第三优选实例性实施例的过电压保护元件的示意图；

图4为根据本发明第四优选实例性实施例的过电压保护元件的示意图；以及

图5为根据本发明第五优选实例性实施例的过电压保护元件的示意图。

主要元件标记说明

壳体 1

导体 2

电涌放电器 3

开关 4

切换触点 5

第一气体体积 6

第二气体体积 7

逸出装置 8

密封件 9

指示装置 10

锁定开关 11

弹簧 12

锁定元件 13

热断路器 14

火花隙 15

点火元件 16

滑动元件 17

短接桥 18

切换触点 19

绝缘 20

具体实施方式

图1至图5显示根据本发明各个优选实例性实施例的过电压保护元件。过电压保护元件具有抗压壳体1及两个电导体2，所述两个电导体2引入壳体1内以与过电压保护元件电性连接。

在壳体1中设置有用于限制电导体2的过电压的电涌放电器3以及用于使电导体2短路的压敏开关4，根据图1中的优选实例性实施例，壳体1是由导电材料制成。

如图1至图4所示，电涌放电器3以导电方式连接至这两个电导体2其中之一，并以导电方式连接至壳体1，其中金属的且因此导电性的壳体1又以导电方式连接至第二电导体2。同样地，压敏开关4电性连接至这两个电导体2其中之一，其中设置有切换触点5，切换触点5连接至导电性壳体1且因此也以导电方式连接至第二电导体2。在本例中，电涌放电器3被实施成变阻器。

在电导体2中出现故障电流且由于电涌放电器3有缺陷(例如，由于老化)而无法由电涌放电器3探测到故障电流的情况下，在壳体1中产生电弧，该电弧会引起壳体1中的压力增大。在此种类型的情形(即，有缺陷的电涌放电器3不作出反应)中，壳体1中压力的增大会引起压敏开关4的切换，从而引起电导体2的短路。因此，上游过电压保护(图中未显示，例如为熔丝)可作出反应并切断在导体2中或在连接至导体2的电路中流动的故障电流。

根据所显示的本发明优选实例性实施例，在壳体1中提供第一气体体积6，此气体体积围绕电涌放电器3，且在第一气体体积6的压力增大的情况下会切换开关4。此外，在壳体1中提供第二气体体积7，其中随着开关4的切换，第二气体体积7会通过用于第二气体体积7的逸出装置8而逸出壳体1。第一气体体积6及第二气体体积7由此被实施成不可压缩的、不易起火的或不可燃的气体。如图1所示，第二气体体积7的逸出装置8被实施成用于使压力均衡的钻孔。

在压敏开关4上设置可机械移动的密封件9，该密封件设置于第一气体体积6与第二气体体积7之间。此外，过电压保护元件具有用于指示被切换的开关4的装置10，例如其可在壳体1的外侧上用颜色来表示开关4的切换及/或可向电信设备(例如监测站)发出通知。在此种情形中，用于指示被切换的开关4的装置10被实施成由开关4的切换触点所驱动的可移动的销。

根据本发明的另一实例性实施例，如图2所示，设置有用于阻止开关4进行切换的锁定开关11，其中可通过壳体1中的压力的增大及/或通过壳体1中的热量变化(例如由有缺陷的电涌放电器所产生的电弧而造成的壳体1中的温度升高)来将锁定开关11解锁。同样地，设置有作用于开关4上的弹簧12，其具有弹力，使得弹簧4在锁定开关11解锁后致动开关4(具体而言是对开关4进行切换)。通过此种类型的设计，由此通过弹力对开关4进行预加载，从而当壳体中出现电弧时，会由于壳体1中产生的压力增大或温度升高而将锁定开关11解锁，并且由于弹簧12而使开关4的切换加速进行。

为确保一旦在这两个电导体2之间产生短路便会永久性地维持(即，不会持续使用故障的过电压保护元件)，提供了用于锁定被切换的开关4的锁定元件13。锁定元件13可被实施成现有技术中已知的锁，例如如图所示，被实施成借助于固定的磁铁的磁性挂钩或被实施成回程阻挡弹簧机构。也可以定向方式对通过开关4的切换而形成开关4的短路的接触点进行焊接、钎焊或熔融。

根据图3所示本发明的实例性实施例，在壳体1中还设置有热断路器14以及火花隙15。被实施成双金属开关的热断路器14热耦合至电涌放电器3，以使得在电涌放电器3受热(即温度升高)的情况下，热断路器14切换且点火元件16(例如，在DE 102004 009 072中已知的点火元件16)将火花隙15点火，从而在壳体1中出现压力增大且压敏开关4使电导体2短路。火花隙15可因而具有根据DE 101 46 728的点火原理。因此，壳体1中的压力可因以定向方式点燃的电弧而增大，从而使压敏开关4由于压力增大而切换。

如图4所示，压敏开关4可被实施成传导性的、导电的、密封的及/或自动回程阻挡式的滑动元件17。在本例中，滑动元件17被实施成短接桥18，其在导体2其中之一与壳体1的壁之间被引导或滑动。如果壳体1是由导电材料制成，则优选的是如图4所示在滑动元件17与壳体1之间设置绝缘20。所述绝缘优选地由非导电性的及/或不可燃的材料制成。

当壳体1或第一气体体积6中的压力增大时，由导体2其中之一及壳体1的壁引导的滑动元件17沿切换触点19的方向滑动，使得在第一导体2与切换触点19之间产生短路，切换触点19又以导电方式连接至第二导体2。

图5显示本发明的另一优选实例性实施例，其具有带短接桥18的可滑动的电绝缘性动态密封式滑动元件17。与图4中壳体1被实施成导电方式并以导电方式连接至这两个导体2其中之一相比，根据图5的壳体1则是由非导电材料(例如塑料)制成。

综上所述，本发明提供一种过电压保护元件，其确保即使在电导体2进行高功率转换的情况下，也可以安全且简单的方式可靠地切断在电涌放电器3有缺陷的情形中施加于导体2的故障电流。由于在过电压保护元件中设置有用于使电导体2短路的不可逆的压敏开关4，因而在壳体1中产生的电弧或由此在壳体1中引起的压力增大会触发压敏开关4的切换，从而使电导体2短路、且上游过电压保护(例如熔丝)被触发并切断导体2中的故障电流。

Claims

1.一种过电压保护元件，具有壳体(1)及至少两个电导体(2)，所述至少两个电导体(2)引入所述壳体(1)内以与所述过电压保护元件电性连接，其特征在于，在所述壳体(1)中设置有用于限制所述电导体(2)的过电压的电涌放电器(3)以及用于使所述电导体(2)短路的压敏开关(4)。

2.如权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，所述压敏开关(4)被实施成在超过所述壳体(1)中的预定压力时，所述压敏开关(4)使所述电导体(2)短路。

3.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，设置有用于阻止所述开关(4)的切换的锁定开关(11)，且可通过压力的增加及/或通过所述壳体(1)中的热量变化来将所述锁定开关(11)解锁。

4.如前述权利要求所述的过电压保护元件，其特征在于，设置有作用于所述开关(4)上的弹簧(12)，所述弹簧(12)具有弹力，以使得所述弹簧(12)在所述锁定开关(11)解锁后致动所述开关(4)。

5.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，设置有热断路器(14)及火花隙(15)，所述热断路器(14)热连接至所述电涌放电器(3)，且所述热断路器(14)被实施成可由所述热断路器(14)将所述火花隙(15)点火。

6.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，可以不可逆的方式切换所述开关(4)。

7.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，设置有用于锁定所述被切换的开关(4)的锁定元件(13)。

8.如权利要求7所述的过电压保护元件，其特征在于，所述锁定元件(13)被实施成使所述锁定元件(13)以磁性方式锁定所述被切换的开关(4)。

9.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，设置有用于指示所述被切换的开关(4)的装置(10)。

10.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，所述开关(4)被实施成滑动元件(17)。

11.如前述权利要求所述的过电压保护元件，其特征在于，在所述导体(2)之间引导所述滑动元件(17)或在所述导体(2)其中之一与所述壳体(1)的壁之间引导所述滑动元件(17)。

12.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，在所述壳体(1)中提供第一气体体积(6)，所述第一气体体积(6)围绕所述电涌放电器(3)且所述第一气体体积(6)的压力的增加将切换所述开关(4)。

13.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，在所述壳体中提供第二气体体积(7)，所述壳体(1)具有用于使所述第二气体体积(7)逸出所述壳体(1)的装置(8)，且所述开关(4)的所述切换会增加所述第二气体体积(7)的压力，以使得所述第二气体体积(7)通过所述装置(8)而逸出所述壳体(1)。

14.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，设置有用于使所述电导体(2)短路的热隔离开关。

15.如前述权利要求中的一项所述的过电压保护元件，其特征在于，所述壳体(1)是由金属制成，且所述电导体(2)其中之一电性连接至所述壳体(1)。