CN107731635B - 一种用于电涌保护器的后备断路保护器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SPD后备保护断路器，用于SPD的后备保护。在SPD异常时，能够提供反时限保护和瞬时保护，分断工频电流，保护SPD免受损坏或在SPD损坏瞬间使其迅速从供电回路中脱离，可对SPD失效进行预防性保护，避免起火等灾害发生。本发明包括外壳、手柄、上、下接线端子、安装卡、脱扣机构、动触头、静触头，灭弧室，还包括放电间隙、正温系数电阻、双金属片和电磁脱扣器。本发明能对SPD进行保护，且不影响SPD对被保护设备保护的功能。

Description

一种用于电涌保护器的后备断路保护器

技术领域

本发明涉及电涌保护，尤其涉及一种后备保护断路器，用于在规定的雷击电流下不动作，并在较小的工频电流下将电涌保护器从电路中分离。

背景技术

当今社会各种自然灾害频发，雷电就是其中之一。雷电是由带电的云在空中放电导致的一种特殊的天气现象，它能够产生数十乃至一、二百千安的雷电冲击电流，这些冲击电流能够产生巨大的电磁效应、热效应和机械效应，是造成电气设备和电子设备损坏的重要原因，它威胁家用电器产品、通讯、电力、铁道、机场、石化、工控、军事、等各个领域的电气设备和电子信息系统的安全稳定运行。在与电气设备、电子设备连接的电源线、信号线以及控制线等线路上安装电涌保护器(SPD)是雷电防护的重要措施之一。

电涌保护器(Surge Protection Device，SPD)是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置，过去常称为“避雷器”或“过电压保护器”，其英文简写为SPD。电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。由于环境因素和SPD本身老化失效，在极限情况下(如SPD续流不遮断或SPD失效模式为短路时等)引起起火等电气故障，必须在电路中SPD上端加装SPD保护装置，在SPD损坏瞬间使其迅速从供电回路中脱离。

现有技术中，按工作原理分类，SPD可以分为电压开关型和限压型，电压开关型SPD在没有瞬时过电压时呈现高阻抗，一旦响应雷电瞬时过电压，其阻抗就突变为低阻抗，允许雷电流通过，也被称为“短路开关型SPD”；限压型SPD当没有瞬时过电压时为高阻抗，但随电涌电流和电压的增加，其阻抗会不断减小，其电流电压特性为强烈非线性，有时被称为“钳压型SPD”。为了防止开关型电涌保护器在雷电高压冲击时，产生负载工频电压的后续持续电流，导致配电系统整体断电，故在开关型电涌保护器上串联断路保护装置，一旦雷击时发生工频续流不遮断，则断路器就会动作使得电涌保护器快速与电力线路实现分断，防止开关型电涌保护器续流引起用户端非正常断电事故发生。限压型电涌保护器，多数采用压敏电阻，是半导体类电涌保护器，属于易老化类热击穿产品，频繁的雷电及过电压可以造成其内部工频泄漏电流的逐步增大，最终发生热击穿现象。为了减少类似现象发生，则标准要求在限压型电涌保护器上串联断路装置，防止因电涌保护器损坏造成的用户端非正常断电事故发生。

现有技术中的一种方案是采用小型断路器对SPD进行保护，在SPD损坏瞬间使其迅速从供电回路中脱离。但小型断路器在用于SPD保护时有一些缺陷：

1.在雷击电流冲击下小型断路器易误动，使得SPD脱离电路，电路失去雷电防护；

2.小型断路器在作为SPD后备保护时，一般需要选择额定电流几十安培的断路器，瞬时分断电流达一、二百安培，但市场上大多SPD自身的内部脱扣器只能有效保护不大于500mA的电流，所以只要SPD发生的大于500mA长时流过或2A及以上电流的瞬时击穿现象时，如果外部脱离器没有有效保护，即使产品经过电流之前是正常工作的，没有性能变化或劣化，后续通过系统电流后也会导致产品起火。

3.小型断路器的内部电感和电阻使得雷击电流通过时，产生较大残压。

因此，需要研发一种新型的SPD后备保护断路器，作为专用保护器用在SPD回路中。根据现有SPD后备保护断路器的不足，改进后的SPD后备保护断路器应当克服现有技术的种种问题，并且达到如下技术效果：1.能耐受雷击电流(最大放电电流或冲击电流)冲击，即流过雷击电流时不误断，以保证过电压保护的连续性；2.工频电流大于500mA提供反时限保护，工频电流2安及以上时，提供瞬时保护，使SPD脱离电源，即SPD失效流过工频电流时，能够提供反时限保护和瞬时保护分断工频电流，以保证电源安全并避免火灾；3.雷击电流通过时的SPD后备保护断路器的残压值要低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种SPD后备断路保护器，以解决现有技术中的安全隐患问题。

本发明提供一种用于电涌保护器的后备断路保护器，所述后备断路保护器包括：上接线端子1、下接线端子8、双金属片2、正温度系数电阻4、静触头5、动触头13、放电间隙6、电磁脱扣器9、脱扣机构12；其中，上接线端子1、放电间隙6、动触头13、静触头5、下接线端子8构成雷击电流通路；上接线端子1、正温度系数电阻4、双金属片2、电磁脱扣器9、动触头13、静触头5、下接线端子8构成工频电流或直流电路通路；其中上接线端子1与动触头13连接，下接线端子8与放电间隙6的一侧连接，电磁脱扣器9、双金属片2通过脱扣机构12控制动触头13与静触头5的接触或分离。

根据本发明的一个方面，正温度系数电阻4、双金属片2与电磁脱扣器9的电磁线圈92串联；放电间隙6并联在电磁脱扣器9的电磁线圈92和正温度系数电阻4、双金属片2的两端。

根据本发明的一个方面，正温度系数电阻4的一个面贴合在双金属片2的一个面上，并且所述相互贴合的面之间紧密接触。

根据本发明的一个方面，采用焊接、粘接、压接中的一种方式或者多种组合方式使得所述相互贴合的面之间紧密接触。

根据本发明的一个方面，所述电磁脱扣器9包括：动铁芯91、电磁线圈92、线圈骨架93、回位弹簧94、静铁芯95和脱口顶杆96。

根据本发明的一个方面，所述放电间隙6的击穿电压大于工频电流在电磁脱扣器9的电磁线圈92两端产生的感生电压。

根据本发明的一个方面，所述放电间隙6是带惰性气体的气体放电管，或者是空气间隙。

根据本发明的一个方面，所述脱扣机构12包括：手柄连接杆1201、跳扣轮1202、连接件1203、触头座1204、锁扣1205、杠杆轮1206。

根据本发明的一个方面，所述后备断路保护器还包括：安装卡7、外壳10、手柄11、灭弧室3。

根据本发明的一个方面，正温度系数电阻的室温阻值为10欧姆，适合工频电源电压230V系统，400V-1500V过电压，电磁脱扣器脱扣电流值工频电流或直流电流2～3A，双金属片最大不动作电流值0.5A。

根据本发明的一个方面，正温度系数电阻的室温阻值为1欧姆，适合工频电源电压110V系统，250V-800V过电压，电磁脱扣器脱扣电流值工频电流或直流电流0.6～1A，双金属片最大不动作电流值0.3A。

根据本发明的一个方面，正温度系数电阻的室温阻值为50欧姆，适合工频电源电压1000V系统，3000V-5000V过电压，电磁脱扣器脱扣电流值工频电流或直流电流3～5A，双金属片最大不动作电流值1A。

采用上述技术方案，本发明具有如下特性：提供一种SPD后备断路保护器，能解决如下技术问题：

1.能耐受雷击电流(最大放电电流或冲击电流)冲击，即流过雷击电流时不误断，保证过电压保护的连续性；

2.工频电流大于500mA长时，2A及以上电流的瞬时，使SPD脱离电源，即SPD失效流过工频电流时，反时限和瞬时分断，以保证电源安全和避免火灾；

3.雷击电流通过时的SPD后备保护器的残压值要低。能解决电涌电压导致电磁脱扣的误动，达到通过小电涌电压到高电涌电压的雷击电流不误动，使防雷保护持续有效使得电路正常工作。

附图说明

图1为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器内部结构立体示意图。

图2为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器内部结构俯视图。

图3为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器内部结构仰视图。

图4为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器的整体立体示意图。

图5为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器的脱扣机构和静触头的立体示意图。

图6为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器的脱扣机构的立体示意图。

图7为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器的灭弧室的立体示意图。

图8为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器的电磁脱扣器的立体示意图。

图9为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器的工作原理示意图。

图10为按照本发明的一个优选实施方式的放电层间隙的剖面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施举例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施举例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它类似的零件、结构、布局、方案和附图。另外，本说明书中的文字和附图并不构成对本发明的限制。

具体实施例1：

图1为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器内部结构立体示意图。图2为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器内部结构俯视图。图3为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器内部结构仰视图。图4为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器的整体立体示意图。

如图1-4所示，SPD后备断路保护器包括：上接线端子1、双金属片2、灭弧室3、正温度系数电阻4、静触头5、放电间隙6、安装卡7、下接线端子8、电磁脱扣器9、外壳10、手柄11、脱扣机构12、动触头13。

SPD后备保护断路器的工作原理是在保护断路器内设计了两条电流通路，一条电流通路是雷击电流通路，包括上接线端子1、放电间隙6、动触头13、静触头5、下接线端子8。另一条电流通路是工频电流或直流电流通路，包括上接线端子1、正温度系数电阻4、双金属片2、电磁脱扣器9、动触头13、静触头5、下接线端子8。该SPD后备保护断路器的工作原理图参见图9。图9为按照本发明的一个优选实施方式的SPD后备断路保护器的工作原理示意图。

如图9所示，雷击电流通路包括上接线端子1、放电间隙6、动触头13、静触头5、下接线端子8。工频电流或直流电流通路包括上接线端子1、正温度系数电阻4、双金属片2、电磁脱扣器9、动触头13、静触头5、下接线端子8。上接线端子1与动触头13连接，下接线端子8与放电间隙6的一侧连接。脱扣机构12能够在特定工作状态下分别受电磁脱扣器9、双金属片2的影响，从而通过动触头13与静触头5接触或者分离。比如，在手动操作的工作状态下，可以通过操作手柄11的分合，使得脱扣机构12带动动触头13与静触头5的接触或分离。另外，也可以通过电磁脱扣器9受短路电流的驱动动作推动脱扣机构12带动动触头13与静触头5实现过流保护分离动作，或者通过双金属片2受过载电流的驱动动作推动脱扣机构12带动动触头13与静触头5实现过流保护分离动作。

根据本发明的一个具体实施方式，脱扣机构12的示意图如图6所示。图6中，脱扣机构12包括：手柄连接杆1201、跳扣轮1202、连接件1203、触头座1204、锁扣1205、杠杆轮1206。由于脱扣机构并非本发明的创新，本领域的技术人员完全可以实现其结构和功能，故不再赘述其结构和工作原理。

根据本发明的一个具体实施方式，放电间隙6的结构示意图如图10所示。图10中，放电间隙6包括上电极601、陶瓷间隔602、下电极603以及惰性气体604。放电间隙是带惰性气体的气体放电管，或者是空气间隙。

根据本发明的一个具体实施方式，如图8所示，电磁脱扣器9包括：动铁芯91、电磁线圈92、线圈骨架93、回位弹簧94、静铁芯95和脱口顶杆96。回位弹簧94用于使动铁芯动作后恢复至动作前所在位置。

根据本发明的一个具体实施方式，正温度系数电阻4、双金属片2与电磁线圈92串联。正温度系数电阻4的一个面与双金属片2的一个面相互贴合，并且所述相互贴合的面之间紧密接触。其中，采用焊接、粘接、压接中的一种方式或者多种组合方式使得所述相互贴合的面之间紧密接触。

根据本发明的一个具体实施方式，双金属片由主动层金属和被动层金属复合形成，主动层的金属热膨胀系数较大，材料为CuNiMn系列材料或FiNiMn系列，被动层的金属热膨胀系数比主动层的金属热膨胀系数小，材料为FeNi系列材料。当有大电流流过，主动层产生迅速产生较大热量发生变形并带动被动层共同变形。

放电间隙6的击穿电压大于工频电流在电磁脱扣器9的电磁线圈92两端产生的感生电压。

当雷击电流通过时，雷击电流电涌电压大于放电间隙6的点火击穿电压，击穿放电间隙6形成雷击电流通路。由于存在正温度系数电阻4，双金属片2的电阻和电磁线圈92的电感，雷击电流只有很小的一部分电流进入这个由正温度系数电阻4、双金属片2和电磁线圈92组成的工频回路，不会造成电磁脱扣器9动作和双金属片2的弯曲使脱扣机构12动作。

当工频电流通过时或者是电涌电压小于放电间隙6的击穿电压的电流通过时，由于不能击穿放电间隙6，电流只能通过工频电流或直流电流通路。当通过工频电流或直流电流通路的工频电流大于电磁脱扣器9的脱扣电流值时，电磁脱扣器9的动铁芯撞击脱扣机构12，所述脱扣机构12完成脱扣后使动触头13与静触头5由接触状态变为分离状态。当通过工频电流或直流电流通路的工频电流小于电磁脱扣器9的脱扣电流值时，这个电流通过正温度系数电阻4并且导致双金属片2被加热后发生弯曲形变，当弯曲形变到一定程度，会推动脱扣机构12，脱扣机构12完成脱扣后使动触头13与静触头5由接触状态变为分离状态。

由于浪涌电流的时间很短，不足以使电磁脱扣器9动作和双金属片2的弯曲使脱扣机构12动作，它们的能量会消耗在正温度系数电阻4、双金属片2的电阻上。

根据本发明的一个实施例，正温度系数电阻4的室温阻值为1～50欧姆。

电磁线圈92、正温度系数电阻4和双金属片2串联连接，放电间隙6并联在电磁线圈92和正温度系数电阻4、双金属片2两端。脱扣机构12能够使所述动触头13动作，当双金属片2受到通过工频电流的正温度系数电阻4加热弯曲，推动脱扣机构12动作，使动触头13与静触头5由闭合状态变成分离状态，使得电路分断。当大的工频电流通过电磁线圈时，动铁芯91动作时，动铁芯91撞击脱扣机构12，所述脱扣机构12完成脱扣后使动触头13与静触头5由接触状态变为分离状态。外壳10内部安装着手柄11、上接线端子1、下接线端子8、脱扣机构12、动触头13及静触头5、灭弧室3，还包括放电间隙6、正温度系数电阻4、双金属片2和电磁脱扣器9。所述的安装卡7安装在外壳10底部。其中，灭弧室3包括：301连接侧板和302灭弧栅片，如图7所示。

根据本发明的一个具体实施例，正温度系数电阻4的室温阻值为10欧姆，适合工频电源电压230V系统，400V-1500V过电压，电磁脱扣器9脱扣电流值工频电流或直流电流2～3A，双金属片2最大不动作电流值0.5A。

根据本发明的一个具体实施例，正温度系数电阻4和双金属片2串联在电磁线圈92外部。

当通过电路中的雷击电流电涌电压大于放电间隙6的击穿电压，能够击穿放电间隙6形成通路，雷击电流从设有放电间隙6的支路通过。

当通过电路中的雷击电流不能够击穿放电间隙6形成通路，电流从设有电磁脱扣器9的支路通过，与电磁脱扣器9串联的正温度系数电阻4和双金属片2使得设有电磁脱扣器9的支路通过的电流变小，不足以推动电磁脱扣器9的动作。由于工频电流的持续时间长，正温度系数电阻4温度不断升高，加热双金属片2使双金属片2弯曲，推动脱扣机构12使脱扣机构12脱扣，当脱扣机构12脱扣时，整个电路断开，工频电流被阻断。

电磁脱扣器9串联了正温度系数电阻4和双金属片2，能解决电涌电压导致电磁脱扣的误动，达到通过小电涌电压到高电涌电压的雷击电流不误动，使防雷保护持续有效使得电路正常工作。

具体实施例2：

与具体实施例1类似，SPD后备断路保护器的结构和工作原理与具体实施例1中的SPD后备断路保护器的结构和工作原理基本相同。与具体实施例1的不同之处在于，正温度系数电阻4的室温阻值为1欧姆，适合工频电源电压110V系统，250V-800V过电压，电磁脱扣器脱扣电流值工频电流或直流电流0.6～1A，双金属片2最大不动作电流值0.3A。

具体实施例3：

与具体实施例1类似，SPD后备断路保护器的结构和工作原理与具体实施例1中的SPD后备断路保护器的结构和工作原理基本相同。与具体实施例1的不同之处在于，正温度系数电阻4的室温阻值为50欧姆，适合工频电源电压1000V系统，3000V-5000V过电压，电磁脱扣器9脱扣电流值工频电流或直流电流3～5A，双金属片2最大不动作电流值1A。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，所述后备断路保护器包括：上接线端子(1)、下接线端子(8)、双金属片(2)、正温度系数电阻(4)、静触头(5)、动触头(13)、放电间隙(6)、电磁脱扣器(9)、脱扣机构(12)；其中，

上接线端子(1)、动触头(13)、静触头(5)、放电间隙(6)、下接线端子(8)构成第一电流通路；

上接线端子(1)、动触头(13)、静触头(5)、正温度系数电阻(4)、双金属片(2)、电磁脱扣器(9)、下接线端子(8)构成第二电流通路；

其中上接线端子(1)与动触头(13)电路连接，下接线端子(8)与放电间隙(6)的一侧电路连接，电磁脱扣器(9)和双金属片(2)通过脱扣机构(12)控制动触头(13)与静触头(5)的接触或分离；

正温度系数电阻(4)、双金属片(2)与电磁脱扣器(9)的电磁线圈(92)串联；放电间隙(6)与电磁脱扣器(9)的电磁线圈(92)和正温度系数电阻(4)、双金属片(2)并联。

2.根据权利要求1所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，正温度系数电阻(4)的一个面与双金属片(2)的一个面相互贴合，并且所述相互贴合的面之间紧密接触。

3.根据权利要求2所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，采用焊接、粘接、压接中的一种方式或者多种组合方式使得所述相互贴合的面之间紧密接触。

4.根据权利要求1所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，所述电磁脱扣器(9)包括：动铁芯(91)、电磁线圈(92)、线圈骨架(93)、回位弹簧(94)、静铁芯(95)和脱口顶杆(96)。

5.根据权利要求1至4任一所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，所述放电间隙(6)的击穿电压大于工频电流在电磁脱扣器(9)的电磁线圈(92)两端产生的感生电压。

6.根据权利要求5所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，所述放电间隙(6)是带惰性气体的气体放电管，或者是空气间隙。

7.根据权利要求1至4任一所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，所述脱扣机构(12)包括：手柄连接杆(1201)、跳扣轮(1202)、连接件(1203)、触头座(1204)、锁扣(1205)、杠杆轮(1206)。

8.根据权利要求1所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，所述后备断路保护器还包括：安装卡(7)、外壳(10)、手柄(11)、灭弧室(3)。

9.根据权利要求1-4和8中任一所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，正温度系数电阻的室温阻值为10欧姆，适合工频电源电压230V系统，400V-1500V过电压，电磁脱扣器脱扣电流值为工频电流或直流电流2～3A，双金属片最大不动作电流值0.5A。

10.根据权利要求1-4和8中任一所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，正温度系数电阻的室温阻值为1欧姆，适合工频电源电压110V系统，250V-800V过电压，电磁脱扣器脱扣电流值为工频电流或直流电流0.6～1A，双金属片最大不动作电流值0.3A。

11.根据权利要求1-4和8中任一所述的用于电涌保护器的后备断路保护器，其特征在于，正温度系数电阻的室温阻值为50欧姆，适合工频电源电压1000V系统，3000V-5000V过电压，电磁脱扣器脱扣电流值为工频电流或直流电流3～5A，双金属片最大不动作电流值1A。

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