CN107077931B

CN107077931B - 具有短路装置的过压保护装置

Info

Publication number: CN107077931B
Application number: CN201580051861.5A
Authority: CN
Inventors: A·埃尔哈特; M·弗罗姆
Original assignee: De Ensey Co Ltd
Current assignee: De Ensey Co Ltd
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: DE102014016938B3; DK3198692T3; DE102014016830B4; WO2016045982A1; EP3198692B1; EP3198692A1; CN107077931A; DE102014016830A1

Abstract

本发明涉及一种过压保护装置，具有：短路装置，所述短路装置包括两个相对置的接触电极，所述接触电极在短路情况下在机械预紧下地受弹簧力辅助相对于彼此实施相对运动，在接触电极之间设有作为间隔保持件的牺牲元件，所述牺牲元件由热和/或电流条件引起释放接触电极的相对运动；金属的壳体，所述壳体容纳接触电极和牺牲元件；以及位于壳体上或穿过壳体的接线端。根据本发明，所述壳体构造成至少两部分式的，从而形成至少一个第一腔和第二腔，在第一腔中设置活动的、受弹簧力辅助的接触电极，第一腔和第二腔之间的分隔壁形成固定的接触电极，此外，在第二腔中还设置过压放电器，所述过压放电器在其朝向分隔壁的侧面上具有接触板，所述牺牲元件位于所述接触板和活动的接触电极之间，并且与此相关地，分隔壁具有与牺牲元件的尺寸相适配的通孔。

Description

具有短路装置的过压保护装置

技术领域

本发明涉及一种过压保护装置，具有：短路装置，所述短路装置包括两个相对置的接触电极，所述接触电极在短路情况下在机械预紧下受弹簧力辅助相对于彼此实施相对运动，在接触电极之间设有作为间隔保持件的牺牲元件，所述牺牲元件在热和/或电流条件下释放接触电极的相对运动；金属的壳体，所述壳体容纳接触电极和牺牲元件；以及位于壳体上或穿过壳体的接线端。

背景技术

由DE 10 2005 048 003 B4在先已知一种用于在低压或中压设备中使用的短路装置，用于物品和人员保护。这种短路装置包括开关元件，所述开关元件能由故障检测装置的触发信号操作。此外，存在两个相对置的具有用于导流的结构的接触电极，所述接触电极能够接通到具有处于不同电势的接线端的电路上。

接触电极处于机械预紧下并且能够在短路的情况下受弹簧力辅助相对于彼此实施相对运动。

此外，这种已知的短路装置包括牺牲元件作为接触电极之间的间隔保持件以及具有在牺牲元件和开关元件与一个接触电极的电连接结构，以便有目的地引起由于电流导致的牺牲元件的热破坏。

这里的牺牲元件构造成由高熔点的金属材料制成的薄壁的空心圆柱体，空心圆柱体的直径与壁厚的比例>10:1。

US 3,813,577给出一种用于具有故障安全功能的气体放电器的短路器。这里的布置系统仅对过压起响应。这种短路器由于较小工作能力不适用于这样的使用目的，对于这种使用目的重要的是，非常快速地实现短路。就是说，考虑到必要的焊接环，这里的短路器的作用启动过慢。

DE 1 018 953 B给出一种用于短路器的触发装置，所述触发装置应以尽可能小的延迟达到其全运行速度，这里使用了蓄力器或蓄能器。在这里的实施形式中，存在短路板，所述短路板下降到两个触点上。与此相关地在先已知的牺牲元件由不导电的材料制成。在建立接触和达到终点位置之后才能出现电流，这导致反应时间过长。

在根据EP 1 116 246 B1的带有作为过压放电器的压敏电阻盘的过压保护装置中，设有金属的、基本上为圆柱形的壳体，所述壳体形成一个空腔。带有相对置的盘表面的盘状压敏电阻定位在壳体空腔的内部。所述壳体具有基本上平面的第一电接触面和金属侧壁以及开口。连接电极与压敏电阻盘接触。此外，设有盘簧形式的机械预紧元件，以便实现压敏电阻盘在壳体底部或相应的接触板上牢固的接通。圆柱形壳体的底部和顶盖设计成螺纹嵌件，其中与此相关地，壳体的内壁至少局部地设有相应的互补的螺纹。通过功能重要的各部件相互牢固地压紧，一方面应实现与压敏电阻盘良好的电接触，另一方面应在过压放电器受到热负荷时实现充分的散热。

EP 1 798 742 B在基本构思上与根据EP 1 116 246 B1的教导相类似，但其中设置了相对于位于壳体中的壳状压敏电阻实现短路的可能性。与此相关地，存在当升温时熔化的焊料，所述焊料跨接相关的各接触面并且引起希望的短路。通过熔化的焊料这样直接实现短路由于短路形成与时间相关而不能确保不出现电弧并且在实用中表现得过于缓慢。

在过压保护范围内新的应用领域越来越多地要求有坚固的过压放电器，并且可以直接连接在电缆或汇流排上。这种过压放电器除了足够的机械坚固性以外在过载时还应是本质安全的，并且使得能够尽可能直接地以及不需要附加措施地在恶劣的环境条件下使用。此外实际应用还要求有这样的过压放电器，这种过压放电器在发生故障的情况下能可靠地引导短路电流并且可靠且没有延迟触发具有高额定电流强度的过电流保护装置。

发明内容

因此，基于前面所述的内容，本发明的目的是，给出一种改进的具有短路装置的过压保护装置，所述过压保护装置能够满足所述实用的要求并且所述过压保护装置在具有简单且经济的结构形式的同时以及在给定的连接条件下在不进行根本的结构改变的情况下允许实现不同的放电器设计方案。

本发明因此以具有短路装置的过压保护装置为出发点，其中，所使用的短路装置具有两个相对置的接触电极，所述接触电极在短路情况下在机械预紧下受弹簧力辅助相对于彼此实施相对运动，在接触电极之间设有作为间隔保持件的牺牲元件，所述牺牲元件在由热和/或电流引起地释放接触电极的相对运动，此外，所述过压保护装置还包括金属的壳体以及位于壳体上或穿过壳体的接线端，所述壳体容纳接触电极和牺牲元件。这里壳体本身的一部分也可以是接线元件，例如形式为接线销或接线孔。根据本发明，所述壳体构造成至少两部分式的，从而形成至少一个第一腔和第二腔。

在第一腔中设置活动的、受弹簧力辅助的接触电极。此外在第一腔和第二腔之间存在分隔壁，所述分隔壁直接形成固定的接触电极。

在第二腔中设置至少一个过压放电器，所述过压放电器在其朝向分隔壁的侧面上具有接触板，所述牺牲元件位于所述接触板和活动的接触电极之间。与此相关地，分隔壁具有与牺牲元件的尺寸相适配的通孔。

由根据本发明的设计构思出发，第一腔具有绝缘的通孔用于使各有效构件电接触。此外，在第一腔中还设有至少一个弹簧，用于操作活动的接触电极，下面也将接触电极称为短路板。固定的接触电极或固定的短路板除了用于牺牲元件的通孔之外将在第一腔和第二腔之间分隔所述空间。

位于第二腔中的过压放电器可以构造成多个压敏电阻的串联电路或构造成压敏电阻和散热器的串联电路形式的夹层布置结构。

在第二腔中用作过压放电器的压敏电阻或多个压敏电阻的串联电路也可以构造成具有气体放电器的串联电路。

在一个补充的根据本发明的变型方案中，第一腔还可以包括保险装置，用于通过内部断路来获得希望的本质安全性(Eigensicherheit)。

根据本发明的壳体优选构造成旋转对称的，特别是构造成圆柱形的，尤其是构造成空心圆柱形的。

活动的接触电极的弹簧的力矢量通过牺牲元件和接触板作用到过压放电器上，并且将过压放电器压紧到壳体的第二腔的与此相关的底部上。

与现有技术不同，不需要设置附加的用于热和电接触过压放电器、特别是盘状的压敏电阻的机械压紧件。

过压放电器的接触板优选可以构成散热器并且因此可以构造成紧凑的和大体积的。接触板位于距分隔壁下侧的确定距离处，以便由此可以实现内置的火花隙。

补充地，可以在过压放电器的接触板和分隔壁之间设有辅助短路器。

所述辅助短路器例如可以构造成双金属开关、形状记忆金属开关或利用焊料固定的能热激活的开关或以类似的方式构成。

在本发明的一个改进方案中，牺牲元件间接地通过热敏的支座支承在接触板上，在所述支座受到相应的热负荷时，所述支座发生屈服并由此能够触发短路，从而可以避免过压放电器失效，并同时避免所有与此相关的后果和风险。

此外存在这样的可能性，即，设有用于有目的地将在过压放电器短接的情况下可能出现的电弧向火花隙引导的器件。这例如可以通过用于规定确定的电弧运动路径的通道和缺口来实现。

附图说明

下面应根据实施例以及参考附图来详细说明本发明。

其中：

图1示出根据本发明的过压保护装置的简化实施形式的纵向剖视图；

图2示出过压保护装置的构成的不同可能性的电路图，其中所使用的压敏电阻的短路，气体放电器和压敏电阻的串联电路短路的可能性的电路图以及能使过压放电器短路并具有集成的前置保险装置的过压保护装置的构成的电路图；

图3示出过压保护装置的一个实施形式的详细剖视图，所述过压保护装置具有双腔壳体和气体放电器和压敏电阻的作为有效过压放电器的串联电路；

图4示出过压保护装置的另一个实施形式的纵向剖视图，所述过压保护装置具有短路器、过压放电器和集成的前置保险装置；以及

图5示出根据本发明的装置和所实现的电弧朝在结构上设置的火花隙的强制移位的简化等效电路图。

具体实施方式

根据本发明的过压保护器的基本结构可以根据图1用简化的纵向剖视图来了解。

第一电接线端1通过绝缘嵌件2固定在壳体3中。

第一接线端1例如具有用于将过压保护装置连接在汇流排上的盲孔。

壳体3例如可以构造成两部分式的，具有中央螺纹连接部。

用于短路装置的弹簧4向活动的接触电极5产生预紧力，所述接触电极用作活动的短路板。

区域A和B形成第一壳体腔。

区域C形成第二壳体腔。第一和第二壳体腔之间的分隔壁构造成固定的短路板7或固定的接触电极。

分隔壁或固定的短路板7具有通孔。牺牲元件6穿过这个必要时绝缘化的通孔，所述牺牲元件支承在活动的短路板5和接触板8之间。备选地，牺牲元件6可以设有外周侧的绝缘套。

接触板8与压敏电阻10相应的表面处于电接触。压敏电阻10的下侧与壳体3的底部处于电和机械的连接。在壳体3的底部区域上设有例如螺栓形式的第二外接线端11。

在流动通过牺牲元件6的电路大到使得牺牲元件失去其机械稳定性的情况下，活动的短路板5被释放并与腔分隔壁或固定的短路板7发生接触。由此在过压保护装置的第一接线端1和第二接线端11之间形成直接的电连接。

如图2中(左图)所示，与此相关地可以使压敏电阻10短路。

但也可以在第二腔C的内部设置由气体放电器和压敏电阻组成的串联电路(见图2中央)。

同样存在这样的可能性，即，构成内置的前置保险装置，所述前置保险装置优选位于第一腔A、B的区域内(见图2右图)。

壳体3优选由稳固的金属材料制成，并且例如当要将过压保护装置与粗大的电缆端部或汇流排接通时，壳体满足所有对于在外部区域以高连接力矩进行直接连接的要求。壳体3内部的各腔或各区域A、B、C在功能上或空间上分开并且优选按夹层式结构形式堆叠排列。

有效的过压保护部件位于区域C中。实际的短路装置设置在第一腔中，并且是设置在区域B中，所述短路装置可以建立金属短路，以便桥接区域C中有效过压保护部件。

短路装置以及过压保护部件都构成简单的堆叠布置结构并且由于来自弹簧4的力矢量处于共同的机械预紧力下。弹簧预紧力同时固定所述部件并操作短路器、即操作活动的短路板5。由于带有过压保护部件的区域基本上与短路器区域在几何上分开，在过压保护部件过载的情况下，所引起的后果可以仅限于出现在下部区域上，即仅限于出现在第二腔。

特别是在希望的内部断路时，在壳体内部，例如在容纳导通触点(Durchführungskontakt)的空间中，在所述区域后面跟随另一个带有断路元件、例如所述保险装置的区域或另一个腔。

如果活动的短路板5和第一接线端1的位于第一腔中的固定部分没有构造成闭合的滑动触点，则在执行短路运动时也可以完全取消与第一接线端的接触，由此实现中断。这样的分离也可以与用于中断电流的换向支路相结合。

通过第二腔的尺寸设计而存在这样的可能性，即使用各种不同厚度的盘式压敏电阻作为过压放电器。同样可以将不同数量的盘式压敏电阻串联地安装到相应地结构相同的壳体3中。

因此，只需要对压力传递链的一个部件、例如接触板8的厚度进行适配。

同样还存在这样的可能性，即，将气体放电器嵌入接触板8中。

通过例如第一接线端1的带有或没有也可以构造成假体(Dummy)的前置保险装置的简单设计，过压保护装置可以设计成具有非常高的短路和持续电流承受能力的实现短路的放电器，但也可以将其设计成本质安全的、可分离的过压保护元件。

在使用盘状压敏电阻10时，通过盘端侧实现压敏电阻的冷却，此时可以将壳体3用作散热器。

由于金属的短路触点优选位于与容纳压敏电阻的第二腔分开的第一腔中，不存在压敏电阻过载时短路器的金属触点可能发生损坏或由于闭合前的电弧金属触点可能提前损坏的危险。

如果希望，关于过压保护装置的状态的显示和远程报告以短路器的运动为基础或者可以基于短路器的运动触发所述显示和远程报告。

根据图3的纵向剖视图示出具有内置在接触板8的自由空间内部的气体放电器90的过压保护装置。在短路器的区域内构成的同轴的、导流的滑动触点在图3中用附图标记30标注。

在正常功能中，瞬时干扰量的导出通过接线端1和11之间的低电感的串联电路、即牺牲元件6和压敏电阻10以及必要时还有气体放电器90进行。

共同的弹簧4通过活动的短路板5、牺牲元件6和接触板8或必要时还有中间板或气体放电器90将接触力施加到压敏电阻10上，由此避免了形成电火花或者说避免了压敏电阻和散热器从壳体底部上抬起。

由于牺牲元件6的电流负载，牺牲元件失去机械强度并由于弹簧4的力发生变形。

由于起间隔保持件或支承元件作用的牺牲元件6的长度缩短，短路器的相对置的接触板之间的距离被克服并且在部分5和7之间并且由此在接线端1和11之间形成金属短路。

由于牺牲元件有方向性的机械稳定性，通过牺牲元件沿过压保护装置的对称轴线方向伸长的形状，侧向作用在牺牲元件6的固定部或直接作用在牺牲元件6上的力可以有目的地用于取消支承和间隔保持功能。

所使用的压敏电阻具有最大可靠的脉冲电流承受能力，所述可以在不损坏构件的情况下导出脉冲电流。可靠的幅值的大小这里与电流的波形、例如8/20μs或10/350μs相关。对于常规的压敏电阻，所述值可以为40kA8/20μs和1.5kA10/350μs。

触发短路器功能的牺牲元件6选择成，使得其最大负载强度分别仅略微高于前面所述的值。牺牲元件的这种设计确保了确定地操作金属的短路器。这里，压敏电阻是否出现实际的损坏并不重要。在出现极小的过载时，在牺牲元件由于升温和弹簧力发生的变形导致短路之前，压敏电阻不会发生击穿或闪络

在脉冲特别高或陡时，在短路器的触点金属跨接压敏电阻之前，压敏电阻可能会发生闪络或击穿。在这种情况下，根据本发明的解决方案还具有另一个优点。压敏电阻的闪络通过内部火花隙的相应设计这样来选择，使得不能通过过载电流跨接牺牲元件。

为此，壳体3的壁部的距离和压敏电阻10的压敏电阻厚度这样来确定，使得优选发生从散热器或接触板8到壳体壁的闪络。

接触板8到固定的接触电极或固定的短路触点7的距离设计成小于活动的接触板5和固定的接触板7之间的距离。前面所述的措施确保了，在散热器8在空间上抬起时以及在形成电弧并与此相关地形成等离子体时，散热器8和固定的短路板7的下侧之间的火花隙会发生响应。由此，除了使牺牲元件受到强制性的电流加载，还对接触区域、即短路器的上侧7和下侧6进行保护，防止出现污染。除了通过固定的短路板7的牺牲元件6的受保护的通孔以外，这也可以利用附加的未示出的覆盖件得到辅助。

在任何情况下，都保持将所出现的电弧限制在压敏电阻、壳体底部和固定的短路触点7之间的空间上，即限制在第二腔上。

所实现的金属短路能够引导数个10kA的高短路电流，直至外部的过电流保护机构被触发。同样可以承受数个100A的持续电流。

在存在特别高的瞬时过压负载时，压敏电阻10可能由于供电频率的电压在没有脉冲负载的情况下就已经过载。此时可能会出现压敏电阻10的短接/失效(Durchlegieren)。此时形成通过压敏电阻体部的电弧通道。与此相关的电弧由于受到(空间)限制通常具有非常高的、明显在100V之上的弧电压，这种弧电压一方面限制的续流，但另一方面可能导致严重的材料燃烧。这种材料燃烧主要会使得对壳体材料具有较高的要求。此外，通过电流限制，提高了短路器的触发时间。

为了减轻前面所述的不希望的效应，提出了下面要说明的措施。

对于压敏电阻10升温较慢的较小过载的情况，在散热器8和下部的短路板7之间集成有辅助短路器。就是说，这里所形成的火花隙通过金属触点跨接。所述触点的电流承受能力可以设计成等于或小于牺牲元件6的电流承受能力。辅助触点例如可以实现成双金属触点、卡扣双金属(Schnappbimetall)、基于形状记忆合金的开关或者也可以类似于热分离装置构造成弹簧预紧的并用焊料固定的触点。

对于在短接之前实现可靠的热激活非常复杂的高过载，这里建议，将电弧从短接区域引入火花隙区域，优选是散热器和壳体或固定的短路触点之间的火花隙区域，由此能明显降低电弧电压和电流限制。

通过火花隙的在元件、材料和电极表面的间距方面的构成以及通过避免采用释放气体的材料，电弧电压低于50V，由此，通过电弧几乎不会发生电流限制，由此牺牲元件6根据其特性曲线无延迟地触发短路器。

为了引导电弧，可以在散热器8和压敏电阻10或者壳体底部3之间的接触区域中构成槽。备选地或附加地，可以设置通过散热器8的开口，所述开口将电弧引向短路板7或引向短路板的下侧。

根据本发明的解决方案具有这样的优点，即，只需要唯一一个产生弹簧力的、会在牺牲元件升温时导致牺牲元件变形的元件。这种弹簧布置结构操作短路器，以便处理高的短路电流或持续电流。同时，压敏电阻为了避免形成火花被很好地压紧在壳体3的金属底部区域上。

牺牲元件的所述设计使得能够与不同的脉冲负载相协调，并且作为保险装置可以在I²t值非常高时以非常小持续电流承受能力实现非常平坦的时间-电流特性曲线。

所使用的活动的同轴滑动触点30对于相邻的电流回路及其力作用并不敏感。此外，这种滑动触点承受脉冲能力强、是低电感的并且不用焊接。对于柔性的导体，对于运动可以不必考虑材料变形。在这种已知的解决方案中，可以消除不可避免地存在的回路的力作用。

最后，与例如当其余的压敏电阻连接元件或常规的短路棒连同弹簧预紧件运动时相比，短路装置可以设计成明显能效更强。

图5示出根据本发明的过压保护装置的简化的等效电路图。用1和11表示主接线端、用6表示牺牲元件、用10表示压敏电阻。F1对应于活动和固定短路触点5和7之间的火花隙。

F2表示在通孔的区域中牺牲元件和固定的短路板之间的火花隙。F3表示固定的短路板和散热器7；8之间、散热器和壳体壁8；3之间以及从散热器到壳体壁部的滑动段的火花隙。

这里存在这样的要求，即，响应电压F1>F2>F3。由此在壳体中形成电弧或不形成电弧的所有故障情况下得到希望的通过牺牲元件的强制电流。这种极为有利的设计方案适用于以下响应电压关系：

F1>F2>F3(a)

F3(a)<F3(b)<F3(c)，

其中，在所有故障情况下仅应在火花隙F3上形成电弧。

Fl>F2>F3(a)

火花隙F3(a)是固定短路板和散热器之间的火花隙；火花隙F3(b)是散热器和壳体壁之间的火花隙，而火花隙F3(c)是从散热器到壳体相应的内侧的滑动段的火花隙。

Claims

1.过压保护装置，具有：短路装置，所述短路装置包括两个相对置的接触电极，所述接触电极在短路情况下在机械预紧下地受弹簧力辅助相对于彼此实施相对运动，在接触电极之间设有作为间隔保持件的牺牲元件(6)，所述牺牲元件由热和/或电流条件引起地释放接触电极的相对运动；金属的壳体(3)，所述壳体容纳接触电极和牺牲元件(6)；以及位于壳体(3)上或穿过壳体(3)的接线端(1；11)，其特征在于，所述壳体(3)构造成至少两部分式的，从而形成至少一个第一腔(A；B)和第二腔(C)，在第一腔(A；B)中设置活动的、受弹簧力辅助的接触电极(5)，第一腔和第二腔之间的分隔壁形成固定的接触电极(7)，此外，在第二腔中还设置过压放电器，所述过压放电器在其朝向分隔壁的侧面上具有接触板(8)，所述牺牲元件(6)位于所述接触板(8)和活动的接触电极(5)之间，并且与此相关地，分隔壁具有与牺牲元件(6)的尺寸相适配的通孔。

2.根据权利要求1所述的过压保护装置，其特征在于，第二腔中的过压放电器构造成压敏电阻或者构造成由气体放电器(90)和压敏电阻组成的串联电路。

3.根据权利要求1或2所述的过压保护装置，其特征在于，在第一腔(A；B)中集成保险装置(100)。

4.根据权利要求1或2所述的过压保护装置，其特征在于，壳体(3)构造成旋转对称的。

5.根据权利要求4所述的过压保护装置，其特征在于，壳体(3)构造成圆柱形的。

6.根据权利要求4所述的过压保护装置，其特征在于，壳体(3)构造成空心圆柱形的。

7.根据权利要求2所述的过压保护装置，其特征在于，压敏电阻(10)设计成堆叠的盘式压敏电阻的布置结构。

8.根据权利要求1或2所述的过压保护装置，其特征在于，活动的接触电极(5)的弹簧(4)的力矢量通过牺牲元件(6)和接触板(8)作用到过压放电器上，并且将过压放电器压紧到壳体(3)的第二腔(C)的与此相关的底部上。

9.根据权利要求1或2所述的过压保护装置，其特征在于，过压放电器的接触板(8)构成散热器，并且位于距分隔壁下侧确定的距离处，以便由此形成内置的火花隙。

10.根据权利要求1或2所述的过压保护装置，其特征在于，在过压放电器的接触板(8)和分隔壁之间设有辅助短路器。

11.根据权利要求10所述的过压保护装置，其特征在于，所述辅助短路器构造成双金属开关、形状记忆合金开关或利用焊料固定的能热激活的开关。

12.根据权利要求1或2所述的过压保护装置，其特征在于，在用于牺牲元件(6)的通孔的区域中构成绝缘部。

13.根据权利要求9所述的过压保护装置，其特征在于，设有用于有目的地将在过压放电器短接的情况下出现的电弧向火花隙引导的器件。