CN104364872B - 用于避免电路过载的开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于避免电路过载的开关(S)。所述开关(S)一般由触发组件(A)和断续组件(B)组成，其中，所述触发组件(A)包括感应单元(1)、热断续器(2)和致动针(3)。所述感应单元(1)包括具有轭铁(14)的线圈(12)，用于发生短路时，使所述致动针(3)朝所述断续组件(B)位移。所述热断续器(2)包括双金属膜(20)，所述双金属膜(20)与所述致动针(3)机械互连并且在过剩电流和生成热量的情况下朝所述断续组件(B)位移。为了提供还能防护例如由雷击导致的瞬变电压的该开关(S)，该开关(S)配备有变阻器(4)，所述变阻器(4)位于与所述热断续器(2)呈导热关系的触发组件(A)内。

Description

用于避免电路过载的开关

本发明涉及电学，即涉及基本电气元件，尤其涉及电气开关以及保护开关的详细情况，这些开关借由电热机构和电磁机构的组合触发并且借由合适的控制杆致动。

本发明的目的在于制造一种开关，该开关可以集成入各个一次性电路中使电路避免短路电流还避免长时间过剩电流和/或电压过载，此外，还避免瞬变电压，其中，该开关应该具有尽可能最小的尺寸并且应该与集成在适应于安装在普通配电盘内的标准壁架上的标准外壳中的其他同类开关相似。

在DE 36 37 275 A1中对用于避免电流过载或者由于过剩电流而造成的过载的开关进行了描述。该开关包括磁芯，该磁芯插入管状外壳内并且配备有中央通道，轴向移动的致动针穿设在中央通道内并且从中央通道朝断续构件伸出，该断续构件即是能够保持已建立的电路或者一旦致动针将其与制动针的致动端部邻接时便迅速且可靠地中断电路的构件。所述外壳包裹有导电线，该导电线形成电绕组，即，线圈。除了所述线圈之外，电磁轭铁预设在所述外壳的外表面上，线圈由电磁轭铁围住。致动针配备有展宽，该展宽设置为远离所述磁芯，从而使磁芯位于所述展宽的一侧并且使电磁锚位于所述展宽的相对侧。在所述锚和所述磁芯之间插入有压缩弹簧，从而使针由所述弹簧围住。针延伸贯穿磁芯并且还贯穿轴向固定在针上的锚。致动针延伸贯穿所述锚并且朝双金属膜伸出，双金属膜在室温下朝远离锚和磁芯的方向偏转并且位于远离致动针的相应端部，然而通过升高温度，双金属膜在相对的方向上偏转，即，偏向锚和磁芯，并且停在致动针的该端部上，致动针从双金属膜伸出。

当该开关集成入各个一次性电路时，致动针的第一端部位于远离双金属膜，并且第二端部位于远离建立电路所用的断续组件。每当出现短路电流时，电压升高并且在线圈内生成适当的磁场，通过该磁场，通过同时将所述展宽邻接在针上，使锚朝磁芯和断续组件位移，然后将针朝中断电路的断续构件按压。

每当出现长时间过剩电流或者电压过载时，在电导体内生成热量并朝双金属膜转移，双金属膜朝致动针的方向偏转以便最后朝断续构件位移，然后通过断续构件中断电路。同时，在磁芯和锚之间压入弹簧。一旦消除了过剩电流，双金属膜所在区域的温度下降，而膜偏转回到其初始位置，由此，断续构件实现电路建立并且进一步实现对其的操作。

当考虑锚和/或双金属膜对电路内的各种不规则的响应时，该保护开关能够在几毫秒内对过剩电流或者电压过载背景下的不规则或者过载做出反应。然而，针对例如在闪电时发生的所谓瞬变电压，各个过压冲程的持续时间通常是几微秒，所以不能借由之前提到的开关来防止瞬变电压的效果和影响，因为不管是线圈还是双金属膜都不能在这样短的时间内做出反应。

更进一步，在SI 21584A中对模块化保护设备进行了描述，该模块化保护设备由借由磁场触发的开关以及与所述开关串联连接以便建立公用电路的过压保护电路组成。该开关与在DE 36 37 275 A1中描述的开关很相似并且包括具有磁芯和锚的外壳以及致动针，该致动针延伸贯穿外壳并且可停在开关的断续组件上，在过载的情况下，通过断续组件中断电路。一旦发生过剩电流或者电压过载，在线圈内生成对应的磁场，该磁场引导锚和致动针朝断续组件位移。所述过压保护电路包括变阻器，这些变阻器彼此并联连接并且用于避免电路的其他部件过载，尤其是当可能发生瞬变电压时。该设备能够保护电路避免短路电流并且还能部分地避免瞬变电压，但是，如果电路需要避免可能具有较长耐久性的电压过载，问题出现了。在额定电压为220V或者230V的实际电路中，这意味着电压过载高达约300V至400V，持续时间大约为1秒。在这种情况下，会发生的状况是由线圈生成的磁场可能不足以触发致动针并中断电路，这是由于如此长时间的电压过载且变阻器也发生热过载，导致变阻器毁坏，甚至爆炸。

WO 03/079388(EP 1 495 477 B1)公开了一种用于避免电路过载的开关。该开关包括触发组件和断续组件，该触发组件和断续组件适用于彼此协作。所述断续组件适用于基于从所述触发组件的一侧接收脉冲来将其集成的并且是借由至少一个相位导体和至少一个中性导体连同所述开关和至少一个电负载而建立的电路断开。所述触发组件包括感应单元、热断续器和适用于生成脉冲的致动针，基于脉冲，断续组件能够断开所述电路。感应单元包括：外壳，其用作电磁轭铁；线圈，当所述电路内发生短路电流时，由于感应电压的作用，所述线圈电集成在所述电路内用于生成磁场；以及，锚，其与所述致动针机械互连，所述锚在每当所述线圈生成磁场时借由磁场轴向地朝所述断续组件位移。所述热断续器设置为与所述感应单元相邻并导热接触并且包括双金属膜，该双金属膜与前面提到的致动针机械互连，此外，当双金属膜由于所述电路内的电流过载而被加热时，双金属膜在所述致动针的方向上可由于生成脉冲而轴向地从其初始位置朝断续组件位移，基于脉冲，迅速断开电路，并且，当双金属膜被再次冷却时，双金属膜自动回到其初始位置。

当出现过剩电流时，在线圈内生成热量，然后朝热断续器转移，并且，双金属膜通过位移到其朝断续组件偏转的另一位置而做出反应。因此，致动针朝断续组件位移，由此迅速断开电路。通过加热线圈，朝热断续器转移一些热量，但是，主要热量部分还是朝周围环境散热，这由于延长了热断续器能够反应并断开电路的时间所以降低了效率。

每当出现短路电流时，线圈通过生成磁场做出反应，由于该磁场的作用，锚朝断续组件位移，由此借由所述锚使致动针位移并且生成适当的脉冲，通过该脉冲，迅速断开电路。

由于部件的紧凑结构和小尺寸，该开关可置于标准化外壳中，该标准化外壳由绝缘材料制成并且适合安装在通常的配电盘中的标准化壁架上。然而，该开关然后能够保护其集成的各个电路免于过剩电流还能避免短路电流，但是，不能避免瞬变电压。

US 4,168,514中描述了另一种开关。该开关集成在外壳内，该外壳由绝缘材料制成并且适合安装在通常的配电盘中的标准化壁架上。在所述外壳内的电路的各个导体配备有断续组件，该断续组件由固定在外壳的内壁上的第一电接触构件和位于旋转臂上的第二电接触构件组成，该旋转臂在手柄的协助下旋转地嵌入外壳内，通过该手柄，可以手动地致动或禁用该开关。当所述臂旋转入其活动位置并且电路正确运行时，所述接触构件彼此支持直到发生不规则，在发生不规则时，借由压缩弹簧将臂旋转入其不活动位置，在该不活动位置处，所述接触构件彼此间隔隔开并且电路断开。为了确保该功能，除了所述外壳以及具有接触构件和手柄的臂之外，该开关还包括多个部件，即：弹性带、电枢和磁场块、与所述磁场块互连的双金属带以及变阻器组件，该变阻器组件经由适当的皮带与所述双金属机械连接。一方面，所述部件彼此机械地且电气地互连，另一方面，广泛分布在所述外壳内彼此隔开，这明显会使外壳笨重、组装耗时并且会产生功能的可靠性问题。

当在电路内发生过流时，所述双金属由于其电阻的影响而受热然后发生偏转。该偏转然后转移至电枢，电枢通过将臂松开并且借由弹簧自身进行旋转会触发开关，之后，电路断开。然而，当双金属受热时，与双金属电气互连的其他部件也会集中受热，这意味着，主要热量部分不用于加热并使双金属偏转，而是仅仅朝着外壳内的相邻部件和周围区域散热，这延长了双金属的加热和最终断开的时间并且本质上降低了开关的效率。

在过压情况下，在所述磁场块内生成磁场，该磁场块然后用于位移电枢以将臂松开，该臂然后借由弹簧旋转入其活动位置，由此断开电路。因此，与所述双金属互连的所述磁场块必须由铁磁材料组成，并且还暴露在电流中。该磁场块必须具有足够大的体积以生成足够强的磁场使电枢位移。然而，在过流情况下，所述磁块事实上是必要的热沉，虽然该热量应该仅用于加热并有助于双金属偏转。

该开关也能够避免电路过压。为此，将变阻器连接至各个电路。各个金属氧化物变阻器盘夹设在两个板状电极之间，这两个板状电极经由接线带与双金属热耦合。因此，若需要，当在变阻器内生成热量时，热量朝双金属转移以协助加热双金属从而触发电路的断开。然而，各个变阻器位于与双金属相距一定距离。当变阻器开始加热时，热量首先转移至其间夹设有变阻器的金属板。在热量流过所述带到达双金属并且加热双金属发生之前，该生成的热量的主要部分从所述金属板散热到周围环境中。从逻辑上讲，所述散热也在各个带所在区域中继续。因此，从变阻器朝双金属的热量转移不仅需要很长的时间，而且还涉及到必要的散热和生成热量流动的损失。

本发明涉及一种用于避免电路过载的开关，其中，该开关一般包括触发组件和断续组件，对所述触发组件和所述断续组件进行调节以彼此协作。所述断续组件适合于在适当的时候基于从所述触发组件的一侧容纳脉冲来中断各个电路，所述电路是借由至少一个相位导体和至少一个中性导体连同所述开关和至少一个电力用户或负载而建立的。所述触发组件包括感应单元、热断续器和适用于生成脉冲的致动针，基于所述脉冲，所述断续组件能够中断所述电路。所述感应单元至少包括：外壳，其用作电磁轭铁；线圈，当所述电路内发生短路电流时，由于感应电压的作用，所述线圈电集成在所述电路内用于生成磁场；以及，锚，其与所述致动针机械互连，所述锚在每当所述线圈生成磁场时借由磁场轴向地朝所述断续组件位移。所述热断续器设置为与所述感应单元相邻并导热接触并且包括双金属膜，所述双金属膜与前面提到的致动针机械互连，此外，当所述双金属膜由于所述电路内的电流过载而被加热时，所述双金属膜在所述致动针的方向上可由于生成脉冲而轴向地从其初始位置朝所述断续组件位移，基于所述脉冲，迅速中断所述电路，并且，当所述双金属膜被再次冷却时，所述双金属膜自动回到其初始位置。

所述变阻器预设在该开关内并且设置为与所述热断续器呈导热关系。所述变阻器为中空圆柱形圆柱。

所述线圈可由该变阻器围住并且设置为与所述热断续器导热接触，其中，也在所述线圈和所述变阻器之间建立该导热接触。

在本发明的一个实施例中，所述变阻器的第一电触头电连接至所述电路的相位导体，而所述变阻器的第二电触头电连接至所述电路的中性导体。

在本发明的替代实施例中，所述变阻器的第一电触头电连接至所述电路的相位导体，而所述变阻器的第二电触头电连接至所述电路的接地导体。

下面将借由在附图中得以展示的实施例对本发明进行进一步阐释。在附图中：

图1是根据本发明的用于避免电路电过载的开关的示意性概念，即是在出现短路电流而中断电路的状态下；

图2是如图1中的开关的示意性概念，然而，是在由于过剩电流而中断电路的状态下。

图3示出了根据本发明的在由于存在短路电流而中断电路的时刻的开关的触发组件。

图4示出了根据本发明的开关的触发组件，其中，由于存在短路电流而中断了电路。

图5是适于避免电路过载的开关的非常实用的实施例，其中，依据国际标准IEC 60898，根据图3和图4的断续组件安装在外壳内，外壳的宽度是18mm或者是18mm的倍数。

如图1至图4所展示的，根据本发明的开关S能集成入电路中，该电路由所述开关、相位导体L₁、L₂、中性导体N₁、N₂和至少一个未单独示出的负载形成。当建立所述电路时，在正常使用期间，在所述导体L₁、L₂；N₁、N₂内存在额定电流。开关S一般由触发组件A和断续组件B组成。

触发组件A用于检测所述电路内的各种预期不规则以借由接合断续组件B对所述不规则做出反应，在这种情况下，借由断续组件B中断电路以消除在导体L₁、L₂；N₁、N₂内的电流I。

如图1和图2示意性所展示的，触发组件包括：

感应单元1，其电连接在所述电路内；

热断续器2，其设置为与感应单元1相邻并呈导热关系，通过该导热关系能够将热量从感应单元1转移至热断续器2；

致动针3，感应单元1和热断续器2与致动针3机械连接，致动针3用于触发断续组件B；

变阻器4，尤其是具有圆截面的纵向管状部分形式的中空圆柱形变阻器4，该变阻器4还设置为与热断续器2呈导热关系，其中，所述变阻器4单独连接在所述电路内，根据本发明这意味着所述变阻器4的各个连接器分别与电路的连接器L₁、L₂；N₁、N₂连接，或者，变阻器4的第一连接器与相位导体L₁、L₂连接，而第二连接器与接地导体连接，这对于本领域的技术人员而言是易于理解的，因此不再单独在附图中示出。

在图3和图4中对触发组件A的概念进行了详细示出。感应单元1由外壳11组成，该外壳11还用作由电线圈12缠绕的电磁轭铁，该外壳11在该具体情况下借由延伸贯穿外壳11的电导体L₁、L₂与各个一次性电路电连接。在示出的实施例中，磁芯13和锚14设置在所述外壳11内，弹簧15设置在二者之间，并且，致动针3从中延伸穿过同时从外壳1外朝断续组件B伸出。由于锚14的作用，所述致动针3借由磁场朝断续组件B位移，如图2和图3所示，每当发生短路电流时，由于电压增加，在所述线圈12内生成磁场。一旦电流正常化，磁场消除，于是锚12退回，同时致动针3返回到其初始位置，然后，断续组件B能够再次建立电路。

在示出的实施例(图3和图4)中，感应单元1的外壳11展开在断续组件B的一侧，即在致动针3从外壳11外伸出的区域，并且，外壳11还适合于容纳热断续器2，热断续器2配备有双金属膜20并且与致动针3机械互连以便如图1和图2所示的运行。在室温下，所述双金属膜20在远离断续组件B的方向上偏转。当出现过剩电流时，在线圈12内生成热量，然后朝热断续器2转移(一般是传导)，并且，双金属膜20通过位移到其朝断续组件2偏转的另一位置而做出反应。因此，致动针3朝断续组件2位移，由此迅速中断电路。

根据本发明，变阻器4集成在与感应单元1相邻的开关S的触发组件A所在区域中，并且可以为中空圆柱，即为具有圆形截面的管体的直线部分，此外，还单独地集成入各个一次性电路中以便在几微秒内对瞬变电压进行处理。所述变阻器4设置为间接地或者经由感应单元1与热断续器2导热接触。

每当出现短路电流时，线圈12通过生成磁场对这种不规则做出反应，由于磁场的作用，锚14朝断续组件B位移，致动针3借由所述锚14位移并且生成适当的脉冲，迅速中断电路。每当发生持久电压或电流过载时，在变阻器4内生成热量，这一般会危害到所述变阻器4发挥作用并且在此期间会损坏变阻器4。然而，由于前面描述的根据本发明的方法，每次生成的热量被顺利地传导至热断续器2，从而，借由所述双金属膜20和使致动针3位移，迅速中断电路，由此防止变阻器4过热。由于之前描述的将变阻器4集成入所述开关S的概念带来的协同效应，有效地使电路内的各个一次性负载(包括开关S本身的线圈12)避免了瞬变电压(例如，在闪电期间发生的瞬变电压)，同时还避免了变阻器4过热，否则由于长时间电压或电流过载，变阻器4会发生过热。

在图5中图示了根据本发明的开关S的非常实用的实施例，该开关S依照国际标准IEC 60898设置在外壳6内并且被调节以附着到各个一次性配电盘中的壁架(未示出)上，配电盘也未单独示出。结合图1至图4已经对触发组件A和断续组件B的所有基本特征进行了描述，而开关S的其他部件实际上与理解本发明无关并且已经从例如PCT/SI2010/000074得到了了解并进行了详细描述。本领域的技术人员应理解，根据本发明和之前提到的协同效应，包括感应单元1和具有致动针3的热断续器2的、在由于短路电流或者过剩电流导致的过载的情况下能够触发断续组件B以迅速中断电路的常规保护开关S可简单地用中空圆柱形变阻器4升级，通过变阻器4，开关S能够使电路免于瞬变电压的损坏，并且，开关S及其外壳6维持完全不变，此外，开关S本身的可靠性也维持完全不变。

Claims (1)

1.用于避免电路(L₁、L₂；N₁、N₂)过载的开关(S)，其包括触发组件(A)以及断续组件(B)，对所述触发组件(A)和所述断续组件(B)进行调节以实现所述触发组件(A)和所述断续组件(B)之间的协作，

其中，所述断续组件(B)适合于基于从所述触发组件(A)的一侧容纳脉冲来中断各个电路(L₁、L₂；N₁、N₂)，所述电路是借由至少一个相位导体(L₁、L₂)和至少一个中性导体(N₁、N₂)连同所述开关(S)和至少一个电力用户即各个负载而建立的；

以及其中，所述触发组件(A)包括感应单元(1)、热断续器(2)和适用于生成脉冲的致动针(3)，基于所述脉冲，所述断续组件(B)能够中断所述电路；

其中，所述感应单元(1)至少包括：外壳(11)，其用作电磁轭铁；线圈(12)，所述线圈(12)设置为与所述热断续器(2)呈导热关系，并且当所述电路内发生短路电流时，由于感应电压的作用，所述线圈电集成在所述电路内用于生成磁场；以及，锚(14)，其与所述致动针(3)机械互连，所述锚在每当所述线圈(12)生成磁场时借由磁场轴向地朝所述断续组件(B)位移；

以及其中，所述热断续器(2)设置为与所述感应单元(1)相邻并呈导热关系并且包括双金属膜(20)，所述双金属膜(20)与前面提到的致动针(3)机械互连，此外，当所述双金属膜(20)由于所述电路内的电流过载而被加热时，所述双金属膜(20)在所述致动针(3)的方向上可由于生成脉冲并且断开所述电路而轴向地从其初始位置朝所述断续组件(B)位移，

以及其中，所述开关(S)进一步包括变阻器(4)，所述变阻器(4)设置为与所述热断续器(2)呈导热关系，由此：

所述变阻器(4)的第一电触头电连接至所述电路(L₁、L₂；N₁、N₂)的相位导体(L₁、L₂)，而所述变阻器(4)的第二电触头电连接至所述电路(L₁、L₂；N₁、N₂)的中性导体(N₁、N₂)；

或者，所述变阻器(4)的第一电触头电连接至所述电路(L₁、L₂；N₁、N₂)的相位导体(L₁、L₂)，而所述变阻器(4)的第二电触头电连接至所述电路(L₁、L₂；N₁、N₂)的接地导体，

其特征在于，所述线圈(12)由所述变阻器(4)围住，所述变阻器(4)为中空圆柱形变阻器，并且，在所述线圈(12)和所述变阻器(4)之间建立了导热关系。