CN111316518A

CN111316518A - 充气式过压放电器的触发电路

Info

Publication number: CN111316518A
Application number: CN201880066859.9A
Authority: CN
Inventors: 赖内·达诗
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2038-10-18
Also published as: WO2019077019A1; DE102017218585A1; CN111316518B

Abstract

本发明涉及一种充气式过压放电器（GDT）的触发电路，用于压敏电阻（VAR1）的保护，充气式过压放电器（GDT）与所述压敏电阻（VAR1）并联，所述充气式过压放电器（GDT）具有至少四个电极（E1，E2，E3，E4），其中：第一电极（E1）和第二电极（E2）连接到待保护的压敏电阻（VAR1）两端，第三电极（E3）和第四电极（E4）作为点火辅助电极布置，一个触发电路与压敏电阻（VAR1）并联，触发电路输出与第三电极（E3）和第四电极（E4）连接，所述触发电路（TR）具有确定所述压敏电阻承受功率的转换电路。

Description

充气式过压放电器的触发电路

技术领域

一种充气式过压放电器（GDT）的触发电路，用于压敏电阻（VAR1）的保护。

背景技术

众所周知，设备上的过压可能有多种原因。

与相应的过压事件相关的能量含量非常不同。但是，通常可以假定，具有高能量含量的过压事件比具有低能量含量的过压事件少见。

例如，发生具有低能量含量的过压事件（例如开关操作导致的过压）比具有高能量含量的过压事件（例如直接或间接的雷击）更为普遍。

为了使这些过压事件变得不危险，已经开发出过压保护设备，其被设计为释放相应的过压。

为此通常使用压敏电阻。但是，过大的负载和老化效应会损坏压敏电阻。由于这种损坏，压敏电阻可能会失去保护功能，并因热过载而爆炸。除了着火的危险外，压力波还可能造成损坏。过去，为了抑制这些影响，已经尝试在这种损坏事件发生之前通过分离装置分离压敏电阻。但是，这通常导致在达到压敏电阻的最大放电容量之前就进行了分离。

发明内容

基于上述情况，本发明的目的是提供一种安全的过压装置，其能够更可靠地检测可能的过载。

该目的通过根据权利要求1的触发电路来实现。其他有利的改进方案是从属权利要求，通过附图进行的详细说明。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明，下面附图中：

图1示出了本发明实施例的一般形式，

图2示出了本发明实施例的第一方面，

图3示出了本发明实施例的第二方面，

图4示出了本发明实施例的第三方面，

图5示出了可用于本发明的压敏电阻的示例性特征曲线，以及

图6示出了本发明的实施例的第四方面。

具体实施方式

下面将参考附图更详细地说明本发明。应当注意，实施例描述了不同的方面，其可以单独或组合使用。

也就是说，除非明确显示为纯替代，否则任何方面均可与本发明的不同实施例一起使用。

此外，为了简单起见，下面通常仅引用一个实体。除非明确指出，否则本发明也可以具有多个相关实体。在这方面，词语“一”、“一个”和“一种”的使用仅应被理解为在简单的实施例中使用至少一个实体而不排除使用多个实体。

根据本发明的实施例，提供用于作为压敏电阻VAR1的保护的充气式过压放电器GDT的触发电路TR。

充气式过压放电器GDT与压敏电阻VAR1并联连接。充气式过压放电器GDT具有至少四个电极E1，E2，E3，E4，其中第一电极E1和第二电极E2连接至待保护的压敏电阻VAR1两端的电势。电极E1，E2是放电器的主要回路。第三电极E3和第四电极E4被布置作为点火辅助电极。触发电路TR的输入侧与待保护的压敏电阻VAR1并联连接。触发电路TR输出侧与第三电极E3和第四电极E4连接，其中，触发电路TR具有用于确定压敏电阻承受功率的转换电路。

通过上述所展示的布置，可以保护压敏电阻VAR1免受任何类型的过载，同时保持压敏电阻放电容量的全部性能。为此，压敏电阻VAR1并联连接可触发的过压放电器GDT，在过载情况下，它会使压敏电阻VAR1短路。这种短路例如会触发可能存在的备用保险丝Si。

过载检测可以多种方式进行，可以单独使用或以任何组合使用。例如，可以通过压敏电阻VAR1估算/确定所承受的功率。另一方面，当达到压敏电阻VAR1的最大允许功率电压时，可以使用触发器。触发器用于压敏电阻VAR1的不允许加热的触发。

通常，触发电路TR在运行时与压敏电阻VAR1一起被安装或集成在过压保护设备SPD中。在运行期间，过压保护设备SPD以及因此待保护的压敏电阻VAR1和触发电路在输入侧与电势L和N连接。也就是说，第一电极E1布置在第一电势L处，第二电极E2布置在第二电势N处，第一电势L与第二电势N的电势不相同。

所述触发电路TR为了通过压敏电阻VAR1确定/估计功耗，可以用例如具有积分电路的集成电路，积分电路由电阻器R1，电容器C和非线性组件VAR2连接组成。

在此，可以利用压敏电阻本体VAR1在损坏之前可能承担的已知最高温度。当压敏电阻达到该温度时，该温度是取决于压敏电阻的热质量和压敏电阻中转换的功率。

对于温度为T_Abs的放电情况（也称为准绝热失效或寿命终止）：

，其中T_u为环境温度，而

为提供的（能量转换）温度，其中

是压敏电阻VAR1中的沉积能量，c是压敏电阻陶瓷的热容，m是压敏电阻的质量。

压敏电阻的特性曲线可用于确定功率P（t），例如参见图5。对于压敏电阻，电压和电流（有时是非常非线性的）之间存在明显且稳定的联系。因此，根据在放电情况下已知的电压u（t）通过形成积分来制定压敏电阻何时过载的措施。

也就是说，

图1示出了原理性的触发电路TR，该电路对压敏电阻VAR1两端的电压u（t）进行积分，并从合适的阈值开始触发四电极过压放电器GDT。点燃过压放电器GDT接管电流，释放过载的压敏电阻VAR1，并触发可能存在的保险丝Si，该保险丝可以集成在过压保护设备SPD中或布置在过压保护设备SPD的前面。如果保险丝Si是过压保护设备SPD的一部分，则其触发导致过载的过压保护设备SPD不可逆地断开。

保险丝的触发和过压保护设备SPD或压敏电阻VAR1的相关故障可以相应地发出信号和/或远程报告。为此，可以提供合适的本地报告以及远程报告。

图2示出了过载保护的第一单极设计方案。在此，放电期间在压敏电阻VAR1两端下降的电压u（t）通过由二极管Dio，电阻器R1和另外的压敏电阻VAR2和电容器C组成的串联积分电路。压敏电阻VAR1上流过的脉冲越高和/或越长，电容器C两端的电压就越高。通过适当的调整时，电容器C两端的电压-在很大程度上与脉冲形状无关-达到（充气）过压放电器GDT的点火电压。击穿的过压放电器GDT释放压敏电阻VAR1，并触发备用保险丝Si。

设置的二极管Dio（可以设计为简单二极管或桥式整流器）可以防止系统放电，例如在脉冲下冲时。

电阻R2可以被选择为具有相对较高的阻抗，并且在没有表现出过载的正常放电情况（正常情况）之后，使电容器C放电并且因此建立相同的启动条件。

优选地，通过电阻R对放电进行调节，以使压敏电阻VAR1的冷却恢复原始状态，从而在不久之前发生的导致发热的过压事件的情况下，在随后的过压事件就不会在电容器放电时开始，使存储的残留热量导致新集成过程的抵消。

触发电路TR中的压敏电阻VAR2可以这样确定尺寸，使得在压敏电阻VAR2两端施加的工作电压时，没有相关的电荷流到电容器C上，或者VAR2的电阻明显大于放电电阻R2。

并联的过压放电器GDT的尺寸优选确定为使得其在电极E1和E2之间的响应电压高于待保护的压敏电阻VAR1的极限电压。因此，对于所有正常的放电情况（该情况表现为没有待保护的压敏电阻VAR1的过载），过压放电器GDT保持隔离。过压放电器GDT（仅）通过两个隔离的点火辅助电极E3和E4实现点火。两个点火辅助电极E3和E4之间的响应电压通常基本上低于电极E1和E2之间的主回路的响应电压。以这种方式，即使在脉冲后方的电流已经急剧下降的情况下，在积分期间电容器C处的充电电压也保持较低，以实现积分。在该时间点，根据压敏电阻VAR1上的特性曲线，电压也将更低，特别是低于电流最大值。如果压敏电阻电压u（t）降至压敏电阻的电容器电压以下，则无法进一步充电，因此将无法再识别脉冲后压敏电阻的过载情况。因此，寻求尽可能低的电容器端电压，但仍要足够高以点燃过压放电器GDT。

如图3所示，触发电路TR可替代地或附加地还具有可热激活的开关S，该可热激活的开关S热耦合至待保护的压敏电阻VAR1。在激活的情况中，开关S实质上将第一电极E1的电势引导至第三电极E3。由于点火辅助电极E3与点火辅助电极E4或电极E2处的电势之间的距离较短，因此可以实现加速点火。

也就是说，通过提供可热激活的开关S，可以覆盖压敏电阻VAR1的另一种故障情况。术语开关S应被广义地理解，应包括热敏电路和热敏元件。在已经描述的压敏电阻的老化过程中，已知的情况是，压敏电阻的绝缘被损坏/老化，以至于泄漏电流流动导致压敏电阻持续发热。在此流过的电流通常在几毫安至几十毫安的范围内，因此通常不会被图2中所述的装置检测到。对于这些情况，压敏电阻可以配备一个断开装置，该断开装置通过弹簧偏置的焊点与压敏电阻进行电接触。在过载或不允许的持续加热的情况下，压敏电阻的温度升高到足以使焊点软化和弹簧预紧力中断电接触的程度。这些系统在其安全功能方面在更大电流范围上受到严格限制。一方面，必须使接触点坚固耐用，以便其在确定的放电能力时承受磁力和热量，另一方面，该系统必须具对热敏感，使得在压敏电阻合金化和高短路电流流过之前及时实现热分离。通常，只能在一定程度上控制这种目标冲突。这些系统的进一步限制来自两个分离触点的简单机械设计。这些系统通常具有非常有限的开关容量，因此不再能够切断更大的电流，而是会出现立弧，这会导致压敏电阻的损坏。如果工作电压为直流，则这种情况尤为严重。相应于图3，因此另外提出了热敏开关S（例如，双金属开关，闭合器，半导体开关，热监控电路，例如具有运算放大器），其在达到最大允许温度时导致过压放电器GDT的立即触发。热敏开关S的电气连接可以功能性地在各个位置实现。

如图4所示，触发电路TR可以替代地或附加地具有电压开关元件ZDio1，例如齐纳二极管，其中，当达到一定的电压时，第一电极E1的电势基本上传递给第三电极E3。由于点火辅助电极E3与点火辅助电极E4或电极E2处的电势之间的距离较短，因此可以实现加速点火。

图4示出了保护的另一种补充，其可以覆盖压敏电阻VAR1的另一极限情况。压敏电阻的特性曲线在正常工作范围内逐渐减小。当电压通过纯欧姆电阻随电流线性增加时，压敏电阻VAR1的特性曲线仍远低于随电流增加的线性增加（与电压有关的电阻）。然而，在特性曲线末端的压敏电阻的特性曲线场，即在特别高的电流下，显示出电压的新的指数上升。该区域显示在图5的最右侧。压敏电阻陶瓷晶界之间的路径电阻在该区域发挥作用。取决于电压下降的电阻是晶界层的效果，压敏电阻/陶瓷压敏电阻的ZnO晶粒的主体表示线性欧姆电阻，该电阻在特性曲线的末端占主导地位。如果在该区域使用陶瓷压敏电阻，则能量转换会急剧增加，并且可能会导致快速破坏。为了实现在该区域中的（完全）过载的压敏电阻VAR1的立即释放，提出了另一种电压切换“旁路元件”，其例如可以大大消除积分的时滞。如果在放电情况中压敏电阻VAR1到达临界区域，则电压开关元件ZDio1接通，电容器C几乎突然充电并且过压放电器GDT点火并释放压敏电阻VAR1上的负载。

在图6所示的另一设计方案中，另一电压开关元件ZDio2用作替代或补充。也就是说，触发电路TR除了用于确定压敏电阻功率转换电路和随后的第三电极E3之外，在二者之间还具有另外的电压开关元件ZDio2。借助于附加的电压开关元件ZDio2，可以确定过压放电器GDT的“切换点”，该“切换点”比过压放电器GDT的点火辅助电极E3/E4的实际切换点更大和/或更精确。例如，过压放电器GDT的辅助点火路径E3/E4以100V的静态电压点火。现在可以通过另一个电压开关元件ZDio2规定，仅应在电容器C的180V电压处实现触发。因此，通过能在多个电压值中提供的齐纳二极管ZDio2的选择，可以很容易地将开关点适配到用于不同运行电压的待监控的压敏电阻VAR1。在此，电阻器R3的任务是通过齐纳二极管ZDio2转移泄漏电流，使其流过高度绝缘的过压放电器GDT。电阻R3通常大于或等于1MOhm。也就是说，通过抑制二极管ZDio2可以确定过压放电器GDT的精确开关点，只要抑制二极管ZDio2的阈值电压高于过压放电器GDT的最大直流响应电压。由于过压放电器GDT的自电容通常非常低，相对于抑制二极管ZDio的自电容而言很小，因此电阻R3与点火电极E3/E4并联连接。当过压放电器GDT烧毁时，电阻器R4可以限制流过后支路的电流，从而可以保护该连接免受电过载的影响。

最后，应该提到的是，具有特殊功能特征的所有电路变体都可以相互组合。

如果将桥式整流器用作二极管Dio，则触发电路还可在交流电压系统中提供双向功能。

对于在（缓慢）热过载（开关S）和/或极限电流过载（ZDio2）情况下显示旁路元件的变型，应注意，这些元件可以在整流器后或必要时在Dio，R1，VAR2的串联电路内电接触，因此保护网络的整体特征曲线可确保在所有情况下都能最佳利用压敏电阻VAR1，并针对所有形式的能量过载全面防止破坏性过载。

如果将不同的子方面相互结合，则可有效保护压敏电阻VAR1免受任何类型的过载，同时可提供压敏电阻的全部性能。为此，可触发的（充气的）过压放电器GDT与压敏电阻VAR1并联连接，该压敏电阻VAR1在过载情况下使待保护的压敏电阻VAR1短路，并触发备用保险丝Si。通过三种方式检测过载：

a）借助于积分电路VAR2-R-C的组合对压敏电阻上的（极限）电压泄漏的积分，以及用于确定开关点的电压开关元件ZDio2，

b）借助于电压开关元件ZDio1检测压敏电阻VAR1上的最大允许电压

c）通过热激活开关S来检测压敏电阻的不允许加热。

参考标号列表

SPD 过压保护器

GDT （充气式）过压放电器

E1，E2，E3，E4 电极

VAR1，VAR2 压敏电阻

C 电容

R 电阻

F 保险丝

L，N 电势

Si 保险丝

Tr 触发电路

ZDio1，ZDio2 齐纳二极管，抑制二极管

Dio （整流器）二极管，桥式整流器

R1，R2，R3，R4 电阻。

Claims

1.一种充气式过压放电器（GDT）的触发电路，用于压敏电阻（VAR1）的保护，其特征在于，充气式过压放电器（GDT）与所述压敏电阻（VAR1）并联，所述充气式过压放电器（GDT）具有至少四个电极（E1，E2，E3，E4），其中：第一电极（E1）和第二电极（E2）连接到待保护的压敏电阻（VAR1）两端的电势，第三电极（E3）和第四电极（E4）作为点火辅助电极布置，一个触发电路与压敏电阻（VAR1）并联，触发电路输出与第三电极（E3）和第四电极（E4）连接，所述触发电路（TR）具有确定所述压敏电阻承受功率的转换电路。

2.根据权利要求1所述的触发电路，其特征在于，所述第一电极（E1）处于第一电势（L），所述第二电极（E2）处于第二电势（N），所述第一电势（L）与所述第二电势（N）的电势不相同。

3.根据权利要求1或2所述的触发电路，其特征在于，所述转换电路是包括由积分元件（R1，C，VAR 2）组成的积分电路。

4.根据前述权利要求中任一项所述的触发电路，其特征在于，所述触发电路设置有整流器（D）。

5.根据前述权利要求中任一项所述的触发电路，其特征在于，所述触发电路还具有热激活的开关（S），待保护的压敏电阻（VAR1）与所述热激活开关热耦合，所述热激活开关（S）在激活的情况下，将所述第一电极（E1）的电势引导至所述第三电极（E3）。

6.根据前述权利要求中任一项所述的触发电路，其特征在于，所述热激活开关（S）是热敏元件和/或热敏电路。

7.根据前述权利要求中任一项所述的触发电路，其特征在于，所述触发电路还包括电压开关元件（ZDio1），其中，当达到一定电压时，所述第一电极（E1）的电势被引导至所述第三电极（E3）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的触发电路，其特征在于，所述触发电路在确定压敏电阻功率的转换电路与所述第三电极（E3）之间设置有另一电压开关元件（ZDio2）。