CN104078965B - 过电压保护元件 - Google Patents

Abstract

示出并且描述了一种过电压保护元件，其具有壳体和具有至少一个布置在壳体中的限制过电压的部件、尤其是充气式电涌保护器（1）、抑制二极管（2）或者压敏电阻。根据本发明，通过使限制过电压的部件与检测流经限制过电压的部件的电流（i）的监控部件相关并且通过设置有分析监控部件的信号的分析单元，能够在运行期间实现对过电压保护元件的高效能性和状态的控制。

Description

过电压保护元件

本申请是申请日为2010年1月7日、申请号为201080004305.X、国际申请号为PCT/EP2010/000041、发明名称为“过电压保护元件”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种过电压保护元件，其具有壳体和具有至少一个布置在壳体中的限制过电压的部件、尤其是充气式电涌保护器（Ueberspannungsableiter）、放电间隙（Funkenstrecke）、抑制二极管或者压敏电阻。

背景技术

过电压保护可以划分成不同的使用领域。在此，尤其是在用于电源、用于测量、控制和调节技术（MSR技术）和用于信息技术和电信的过电压保护之间予以区分。MSR技术的接口比电源系统对过电压敏感得多。因而，针对过电压保护，在MSR领域中大多使用具有组合的保护电路的过电压保护元件，其中至少一个限制过电压的部件用于粗略保护而至少一个限制过电压的部件用于精细保护。常常在此使用充气式电涌保护器和抑制二极管的间接并联电路，其中在充气式电涌保护器和抑制二极管之间布置有去耦电阻。

公知的过电压保护元件常常被构造为“保护插头（Schutzstecker）”，这些过电压保护元件与设备下部共同形成过电压保护设备。为了安装这样的过电压保护设备，在壳体下部上针对单个导体设置有相对应的连接端子。为了简单地机械接触和电接触设备下部与相应的过电压保护元件，在过电压保护元件中将连接元件构造为插销，对于所述插销在设备下部中布置有对应的与连接端子连接的插孔，使得过电压保护元件可以简单地插到设备下部上。

在这样的过电压保护设备中，安装和装配由于过电压保护元件的可插接性而可以非常简单且省时地执行。附加地，这样的过电压保护设备在过电压保护元件中还部分地具有远距离指示装置（Fernmeldung）以及光学状态显示器，所述远距离指示装置作为过电压保护元件的状态的信号发生器，所述远距离指示装置通常被实施为转换接触部（Wechselkontakt）。通过状态显示器显示，布置在过电压保护元件中的限制过电压的部件是否还是高效能的。根据过电压保护元件的使用目的，作为限制过电压的部件采用压敏电阻、充气式电涌保护器、放电间隙或者二极管、尤其是抑制二极管。

由于老化、通过放电过程和在数秒范围中的暂时出现的过电压（TOV）造成的初期损伤（Vorschaedigung），尤其是在具有压敏电阻作为限制过电压的部件的过电压保护元件中发生压敏电阻的泄漏电流在工作电压的情况下不希望地升高。具有压敏电阻作为放电器的过电压保护元件因而目前常常具有热分离装置，通过该热分离装置将不再完好地运行的压敏电阻与要监控的电流路径在电方面分离。此外，即使在具有放电间隙作为放电器的过电压保护元件的情况下也使用热分离装置。

这样的过电压保护元件例如从DE 20 2004 006 227 U1中公知。在公知的过电压保护元件中，根据温度开关的原理来对限制过电压的部件（尤其是压敏电阻）的状态进行监控，使得设置在压敏电阻和分离元件之间的焊接连接在压敏电阻过热时拆开，这导致压敏电阻的电气分离。此外，在拆开焊接连接时，塑料元件通过弹簧的复位力从第一位置移动到第二位置，在该第二位置，构造为有弹性的金属簧片的分离元件通过塑料元件与压敏电阻在热学上和在电方面隔离。由于塑料元件具有两个并排布置的有色标记，所以该塑料元件附加地也用作光学状态显示器，由此过电压保护元件的状态可以直接在现场简单地读取。然而，通过这样的集成的显示器只能用信号通知过电压保护元件的故障。

由于过电压保护设备遭受高冲击电流负荷，所以根据载荷（Beanspruchung）的大小和频率可使各个限制过电压的部件受损害，使得应有规律地控制过电压元件的高效能性。为了控制可插接的过电压保护元件的高效能性，本申请人以名称“CHECKMASTER”销售一种便携式放电器测试设备（Ableiterpruefgeraet）（目录TRABTECH 2007，第166至173页），该便携式放电器测试设备具有分别要检查的保护插头可以被插入到的测试容纳部（Pruefaufnahme）。在此，确定限制过电压的部件的当前的电参数，并且将这些电参数与参考值相比较，其中通过公差值测量将承受重负荷的部件标识为受初期损伤。放电器测试器因此（除了显示有故障的过电压保护元件之外）也能够实现过电压保护元件的预防性检验。然而不利的是，为此必须将过电压保护元件从设备下部取下，使得不可能在运行期间进行测试。

发明内容

因而，本发明所基于的任务是提供一种开头所描述的过电压保护元件，该过电压保护元件能够实现对过电压保护元件在运行期间的高效能性（Funktionstuechtigkeit）和状态的控制。

该任务在开头所描述的过电压保护元件的情况下通过如下方式来解决：使限制过电压的部件与检测流经限制过电压的部件的电流的监控部件相关，并且设置有分析监控部件的信号的分析单元。

通过使限制过电压的部件与检测流经限制过电压的部件的电流（尤其是放电电流）的监控部件相关，能检测运行中的限制过电压的部件的载荷。通过使用相对应的分析单元，其中该分析单元分析由监控部件由于流经限制过电压的部件的电流而提供的信号，在发生部件故障之前，能断言（Aussage）限制过电压的部件的负荷。因此，可以及时识别和更换初期损伤的过电压保护元件。分析单元在此优选地被构造为使得该分析单元除了分析限制过电压的部件的负荷的频率和大小之外也分析负荷的持续时间（也就是放电电流的持续时间）。

根据本发明的有利的扩展方案，分析单元与以下放电电流路径电（galvanisch）隔离：由监控部件检测的电流经过该放电电流路径流动。由于在施加过电压时非常高的电流可流经限制过电压的部件、尤其是充气式电涌保护器或者放电间隙，所以分析单元与放电电流路径的电隔离保护分析单元免受损伤并且能够实现减小要由分析单元分析的信号的幅度。

在根据本发明的过电压保护元件的第一优选变形方案中，线圈被用作监控部件，该线圈电感性地与放电电流路径耦合，其中线圈与积分器相连。通过使用线圈可以检测放电电流，而不影响真正的保护回路、即放电电流路径。通过使用积分器不仅确定由于放电电流引起的流经线圈的电流脉冲强度而且检测该电流脉冲的能量。从这样所确定的脉冲能量能够单独地或合计地确定和分析限制过电压的部件的负荷，尤其是确定和分析充气式电涌保护器的负荷。

在最简单的情况下，电容器可以用作积分器，该电容器通过流经线圈的电流充电，使得紧接着分析该电容器上的电压。替换于此地，也可以将带有优选地集成的模拟/数字转换器的微控制器用作积分器。

依照根据本发明的过电压保护元件的第二变形方案，光电元件被用作监控部件，其中在该变形方案中作为限制过电压的部件而设置有充气式电涌保护器或者放电间隙。在充气式电涌保护器或者放电间隙的情况下，在施加过电压时在放电电流流经的两个电极之间形成电弧。光电元件在此在光学上与充气式电涌保护器或者放电间隙相连接，使得光电元件检测到即将发生的（anstehend）电弧。通过光电元件在放电电流路径与连接在光电元件下游的分析单元之间进行电隔离。

分析单元在根据本发明的过电压保护元件的该变形方案中被构造为使得优选地可以不仅分析电弧的强度而且可以分析电弧的持续时间。该变形方案的优点在此尤其是在于，可以通过对电弧的持续时间进行分析来识别，在真正的放电过程之后何时不发生电弧的熄灭，这导致电网续流（不希望地）通过即将发生的电弧流动。

依照根据本发明的过电压保护元件的另一变形方案，光电耦合器被用作监控部件，该光电耦合器与串联于限制过电压的部件的电阻并联并且该光电耦合器检测流经该电阻的电流。将光电耦合器用作监控部件不仅适于用于粗略保护的限制过电压的部件，例如适于充气式电涌保护器或者放电间隙，而且适于用于精细保护的限制过电压的部件、例如抑制二极管。

如果光电耦合器被用于对充气式电涌保护器或者放电间隙进行功能监控，则与限制过电压的部件串联的电阻具有分流器的功能，其中该电阻与光电耦合器并联。该电阻因此具有相对小的值，使得该电阻不影响限制过电压的部件的功能。

根据第三变形方案的优选的扩展方案，其中过电压保护元件不仅具有充气式电涌保护器或者放电间隙而且具有抑制二极管作为限制过电压的部件并且其中在充气式电涌保护器或者放电间隙与抑制二极管之间布置有去耦电阻，光电耦合器与去耦电阻并联。带有充气式电涌保护器、抑制二极管和去耦电阻的过电压保护元件在现有技术中、尤其是在MSR领域中是公知的。为了对抑制二极管进行状态监控，光电耦合器作为监控部件简单地与本来就有的去耦电阻并联。在过电压保护元件的高电阻负载的情况下，通过去耦电阻的电流对应于通过抑制二极管的电流，使得通过借助光电耦合器检测通过去耦电阻的电流可以确定抑制二极管的负荷并且由此可以断言其预计的使用寿命。此外，可以识别超过流经去耦电阻的允许的负载电流，使得可以显示或防止电阻的损伤。

与是否借助光电耦合器对充气式电涌保护器或者抑制二极管就其功能进行监控无关地，通过光电耦合器建立与分析单元的电隔离并且将通过放电电流路径的所测量的电流变换成更小的、容易测量和分析的电流。在此，自然也可能的是，在具有充气式电涌保护器或者放电间隙并且具有抑制二极管的过电压元件的情况下，充气式电涌保护器的高效能性被光电耦合器监控，而抑制二极管的高效能性被另一光电耦合器监控。

根据本发明的可替换的实施形式，前述的任务在具有抑制二极管作为限制过电压的部件的过电压保护部件的情况下通过如下方式来解决：抑制二极管被布置在二极管桥式电路的桥臂中并且电容测量设备被连接到抑制二极管上，其中通过电容测量设备检测抑制二极管的电容或电容变化。作为电容测量设备例如可以使用振荡器。通过将抑制二极管布置在二极管桥式电路的桥臂中能测量抑制二极管的电容或电容变化，而不影响抑制二极管作为限制过电压的部件的功能。抑制二极管的电容的变化在此是抑制二极管的变化的标志并且由此是抑制二极管的所实现的负荷的标志。

有利地，二极管桥式电路的四个二极管分别具有比抑制二极管明显更低的电容。由此，二极管桥式电路的总电容降低，由此能够实现所连接的电路的较高的最大信号频率。

依照根据本发明的过电压保护元件的扩展方案，该扩展方案不仅在第一替换方案中而且在第二替换方案中有利地被实现，用于至少一个限制过电压的部件的至少一个光学状态显示器被布置在壳体中，使得过电压保护元件或限制过电压的部件的状态可以直接在现场显示。状态显示器在此优选地可以具有带有不同的标记的三个区域，尤其是具有带有不同的颜色（例如绿色、黄色和红色）的三个区域，使得不仅可以显示限制过电压的部件的故障而且已经可以显示初期损伤。如果过电压保护元件具有多个限制过电压的部件，则针对每个部件可以单独地显示该部件的状态。

根据本发明的另一有利的扩展方案，过电压保护元件除了具有光学状态显示器之外也具有远距离指示接触部，用于远距离指示过电压保护元件的状态或各个限制过电压的部件的状态。

附图说明

具体而言，现在存在多种可能性来扩展和改进根据本发明的过电压保护元件。为此，不仅参阅从属于专利权利要求1和10的专利权利要求，而且参阅以下结合附图对优选实施例的描述。在附图中：

图1示出了根据本发明的过电压保护元件的第一实施变形方案的简化的电路图，

图2示出了根据本发明的过电压保护元件的第二实施变形方案的简化的电路图，

图3示出了根据本发明的过电压保护元件的第三实施变形方案的简化的电路图，

图4示出了根据本发明的过电压保护元件的第四实施变形方案的简化的电路图，以及

图5示出了根据本发明的过电压保护元件的另一实施变形方案的简化的电路图。

具体实施方式

附图分别示出了根据本发明的过电压保护元件的不同的实施变形方案的简化电路图，其中在这些电路图中分别仅仅示出了一个或多个限制过电压的部件以及监控部件。图1至3在此分别示出了如下实施例，在该实施例中，充气式电涌保护器1被设置为限制过电压的部件。在根据图4和5的实施例中，除了充气式电涌保护器1作为粗略保护之外还设置抑制二极管2作为精细保护。在附图中示出的简化的电路分别具有用于连接两个线路的两个输入端子3以及具有用于连接要保护的设备（例如传感器或者控制装置）的两个输出端子4。可以设置其他端子、尤其是接地端子，即使这些端子在附图中未示出。

根据图1至4的实施例的共同之处在于：充气式电涌保护器1（图1至3）或抑制二极管2（图4）与监控部件相关，其中该监控部件检测流经充气式电涌保护器1或抑制二极管2的电流i。根据电流i由监控部件产生的信号在（此处未示出的）分析单元中予以分析，其中分析单元在根据图1至4的实施例中与如下放电电流路径5电隔离：通过充气式电涌保护器1或抑制二极管2的电流i经过该放电电流路径5流动。

在根据图1的实施例中，监控部件是线圈6，该线圈6电感性地与放电电流路径5耦合，使得由线圈6检测通过充气式电涌保护器1的电流i。线圈6与积分器7相连，由此电流脉冲的能量可以通过充气式电涌保护器1来确定。根据脉冲能量能通过放电电流i来确定充气式电涌保护器1的负荷。

在根据图2的实施例中，光电元件8用作监控部件，其中光电元件8相邻于充气式电涌保护器1地被布置，使得由光电元件8来检测到在施加过电压时在充气式电涌保护器1中即将发生的电弧。通过合适的信号处理可能的是，借助由光电元件8检测到的电弧确定放电过程的强度和持续时间并且由此确定充气式电涌保护器1的负荷的量度。

在根据图3和4的两个实施例中，光电耦合器9被用作监控部件，其中光电耦合器9在根据图3的变形方案中与串联于充气式电涌保护器1的电阻10并联地被布置。在根据图3的实施例中利用光电耦合器9来监控充气式电涌保护器1的运行能力，而在根据图4的实施例中，光电耦合器9用于监控抑制二极管2。为此，光电耦合器9与去耦电阻11并联，该去耦电阻11被布置在充气式电涌保护器1和抑制二极管2之间。

在光电耦合器9的电流路径中，还布置有另一电阻12，该另一电阻12的电阻值明显大于电阻10或去耦电阻11的电阻值。在根据图4的实施例中，去耦电阻11在数欧姆的范围中，而电阻12例如在数百欧姆的范围中。

光电耦合器9在此用于检测流经电阻10或去耦电阻11的电流，其中利用光电耦合器9或连接在下游的分析单元不仅检测流经电阻10或去耦电阻11并且由此在高电阻负载的情况下也流经充气式电涌保护器1或抑制二极管2的电流脉冲i的幅度而且检测该电流脉冲i的持续时间。

图5示出了带有充气式电涌保护器1和抑制二极管2的过电压保护元件的实施变形方案，其中抑制二极管2的状态通过检测抑制二极管2的电容C_x或电容变化来被检验，为此电容测量设备13（例如振荡器和/或微控制器）被连接到该抑制二极管2上。如从图5中可看到的是，抑制二极管2被布置在具有四个二极管的二极管桥式电路15的桥臂14中，由此能测量电容C_x，而不影响抑制二极管2作为限制过电压的部件（即作为过电压保护元件的精细保护）的功能。二极管桥式电路15的各个二极管具有比抑制二极管2明显更小的电容。

即使在图1至5中分别仅设置了一个用于控制限制过电压的部件的高效能性的监控部件，对于本领域技术人员而言仍清楚的是，为了监控多个限制过电压的部件也可以设置多个相同的或者不同的监控部件。

这样，例如在根据图4的过电压保护部件中，其中该过电压保护部件不仅具有充气式电涌保护器1而且具有抑制二极管2，充气式电涌保护器1的高效能性借助第一光电耦合器9来监控，而抑制二极管2的高效能性借助第二光电耦合器9来监控。同样例如也可能的是，在图4和5中所示的过电压保护元件的情况下，充气式电涌保护器1的高效能性利用根据图1的线圈6或者利用根据图2的光电元件8来监控。

Claims (5)

1.一种过电压保护元件，该过电压保护元件具有壳体并且具有至少一个布置在所述壳体中的抑制二极管（2）作为限制过电压的部件，

其特征在于，

所述抑制二极管（2）被布置在二极管桥式电路（15）的桥臂（14）中，并且电容测量设备被连接到所述抑制二极管（2）上，其中通过所述电容测量设备（13）检测所述抑制二极管（2）的电容或电容变化，而不影响所述抑制二极管（2）作为限制过电压的部件的功能，其中所述抑制二极管（2）的电容的变化是所述抑制二极管（2）的负荷的标志。

2.根据权利要求1所述的过电压保护元件，其特征在于，振荡器和/或微控制器被用作电容测量设备（13）。

3.根据权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，所述二极管桥式电路（15）的二极管分别具有比所述抑制二极管（2）小的电容。

4.根据权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，在所述壳体中布置有用于至少一个限制过电压的部件的光学状态显示器。

5.根据权利要求1或2所述的过电压保护元件，其特征在于，在所述壳体中布置有远距离指示接触部，用于远距离指示至少一个限制过电压的部件的状态。