JP2016521429A - 設備および人員を保護するための短絡機能付き過電圧保護装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、低電圧設備の設備および人員を保護するための短絡機能付き過電圧保護装置であって、少なくとも１つの過電圧保護素子および１つの熱動短絡装置を共通の１つのハウジング内に配置した構成の過電圧保護装置に関する。該装置はＮＨヒューズ部分に挿入されるように設計され、上記共通のハウジングは、ＮＨヒューズリンクと立体的に相似するように、接点ブレードを具備して設計されている。【選択図】図１

Description

本発明は、人員および低電圧システム設備を保護するための短絡機能付き過電圧保護装置であって、共通の１つのハウジング内に少なくとも１つの過電圧保護素子ならびに１つの熱動短絡装置の双方が配置されている構成の、請求項１の前文に記載の過電圧保護装置に関する。

産業設備にあっては、さまざまなメーカのコンポーネントがしばしば互いに組み合わされ、通常条件下において支障のない動作を確保すべく適合化されている。過電圧保護に関して言えば、多くの電源、装備および制御装置は特別に適合された内部保護対策を採用している。

これらの対策は、動作に起因する過電圧、一次的および過渡的な過電圧が生じた際の保護に関係している。たとえば、同期半導体の使用によって、一般に内部もしくは外部の過電圧装置を必要とするような、動作に起因した高い開閉サージが発生する。複雑な設備にあっては、こうしたそれぞれ固有な対策の適合化は困難であるために、場合により、たとえば動作範囲の重なり合いによる相互干渉に起因して、不測の障害がもたらされることがある。

ただし、設備および人員保護が互いに密接につながっている電気システムにあっては、個々の対策の適合化がいっそう重要となる。したがって、こうしたシステムにあっては、故障の防止も、選択的かつ安全な故障対策も、共に必須である。

これらの対策の安全性と有効性に関する高い要件は、とりわけ、電源電圧の遮断後でさえも、たとえば故障の調整に際して人員の危険が発生し得るような類のシステムに当てはまる。

これには、グリッドバッファ、非常用バックアップユニットまたはマルチ電源を備えた、電気的、化学的もしくは機械的エネルギー貯蔵を行なう設備が含まれる。たとえば、回転機械設備は、故障時には、エンジン運転から発電機運転に切り換わり、停止するまでのやや長い間、かなりの程度の電圧とエネルギーを供給し得る。こうした故障発生時したがって発電機運転によって生ずる電圧は、当該エンジンの制御次第で、実際の動作電圧を著しく上回っていることさえもある。

こうしたシステムの保護のため、しばしば、電圧限度に達すると短絡のような状態を実現する保護装置が設けられる。たとえば、正常運転からの逸脱時にパワー半導体の活性化によって低インピーダンス状態を実現する電子回路が知られている。これらの装置は、しばしば、複雑な測定および評価機能を特徴としており、したがって、システムの状態の判定にあたり、電圧レベルに加えて電流および周波数の評価も可能である。有利には、これらの装置は可逆的に機能し、その応答特性は非常に正確に調節することが可能である。ただし、複雑な評価がタイムラグを結果し、また、その性能が対費用効果の点で許容し得るコンポーネントによって大幅に制限されるという点が短所である。これにより、深刻な運転障害が発生した場合には、時として装置が破壊されることさえもある。加えてさらに、これらの装置を迅速に交換することはほとんど不可能である。とりわけ、これらの装置の過負荷はその他の装置の不確定な過負荷を結果することが頻繁にあり、そのため、これらの一般に非効率の装置の過負荷の後には、複雑な設備全体の総合的なチェックが不可欠となる。

こうした複雑な電子装置に代えて、たとえばスパークギャップをベースとしたシンプルな過電圧保護装置による解決法が知られている。スパークギャップの応答後、これらの装置は、一般に、電極を構成する低融点材料またはその他の付加的添加材料の溶解もしくは溶断によって導電短絡を生ずることになる。

一般にスライド距離をベースとして実現されるパッシブなスパークギャップは、比較的短い主電極間断路距離を有している。これらの装置の応答電圧は非常にばらついており、勾配依存的であり、また、環境条件に依存している。複雑なシステム内部に無数のその他の付加的な過電圧保護対策を有する上記アプリケーション環境において、これらの解決法による所定の運転は、動作電圧と、設備および人員の保護に要される電圧との間に十分な余裕がある場合にしか可能ではない。

ドイツ出願公開第４２３５３２９号明細書から、特に、電気エネルギーを配分するための低電圧スイッチギアのアークを消弧するための短絡装置が知られている。その際、この従来の技術は、上流に配置されたブレーカが迅速な断路を行なうようにして、アークに起因する人員の負傷および装備の損害を限定しようとする解決法に関係している。そのため、僅かなスペースしか必要としない短絡装置が提案される。この短絡装置は少なくとも１つのスイッチ素子と少なくとも１つの短絡器とを含み、該短絡器は２個の電極と導電部分もしくは導電領域とからなり、可動もしくは変形可能な領域が電気力学的な力の作用によって電極に押し付けられ、こうして、金属短絡が惹起される。この短絡装置は２つの短絡電位ないしバスバー間にあってスイッチ素子を接続しており、その際、スイッチ素子を流れる電流は電極の導電部分もしくは導電領域にも流入する。この少なくとも１つのスイッチ素子は、外部点火パルスを経て点火される少なくとも１つのもしくは２個の逆並列接続されたサイリスタの形を取っている。点火パルスは、翻って、アーク発生障害によって引き起こされる。

したがって、上記を背景として、本発明の課題は、特有の過電圧保護対策を有する環境中で、通常の運転条件下において、その他のシステムコンポーネントになんら支障をもたらすことなく、ひとたび活性化されるや、高い電流容量を有する所定の低インピーダンス状態を実現する、人員および低電圧システム設備を保護するための短絡機能を備えた改善された過電圧保護装置を供することである。加えてさらに、既存の過電圧保護装置を重大な障害に起因する過負荷から保護することも課題のうちに含まれる。さらに、本過電圧保護装置は、作動済みとなった後、速やか、容易かつ安全に交換可能でなければならない。

本発明は、上記課題を、請求項１に記載の特徴コンビネーションを有する、設備および人員を保護するための短絡機能を有する過電圧保護装置によって解決するものであり、従属請求項は少なくとも有利な実施形態および発展形態を記載したものである。

したがって、低電圧システム設備および人員を保護するための短絡機能を有する過電圧保護装置であって、共通の１つのハウジング内に、少なくとも１つの過電圧保護素子ならびに１つの熱動短絡装置の双方が配置された過電圧保護装置が出発点とされる。この装置は、本発明により、ＮＨヒューズベースに挿入されるように設計され、共通のハウジングは、ＮＨヒューズ素子と立体的および形状的にも相似するように、接点ブレードを具備して形成されている。

一実施形態において、短絡装置は固定部分と可動部分とを有する機械式短絡装置として構成され、プリセットされたＩ^２ｔ値が最初に到達されると上記２つの部分の不可逆的な相対運動を惹起もしくは可能とする犠牲素子が上記固定部分と上記可動部分との間に配されている。

さらに、遠隔通信機能を有する状態インジケータが設けられる。この状態インジケータは、過電圧保護装置がＮＨヒューズベース内にどこまで挿入されるかならびに実際の動作状態はどうであるかのいずれをもモニタリングし得る機能を含んでいる。

上記状態インジケータはまた、マイクロスイッチの他に、機械式に解除されるピンも含んでいてよく、このピンは、解除されると、ＮＨヒューズベース内への装置の再挿入をブロックする。

本発明の一実施形態において、過電圧保護装置の上記の共通のハウジング内には、第１のブランチに配された直列接続された電圧スイッチ素子、犠牲素子および短絡装置と、第２のブランチに配された少なくとも１つの電圧制限素子とからなる並列接続回路が設けられている。

上記の電圧スイッチ素子は、トリガ可能であるものを含み、スパークギャップ、気体放電管、半導体スイッチまたはダイオードとして構成されていてよい。

上記の電圧制限素子は、たとえば、バリスタもしくはＰＴＣ素子として形成されるかあるいは、直列接続されたバリスタとＰＴＣ素子を含んでいる。

上述した犠牲素子は、電流負荷に応じて所定の溶断特性を有する金属部分として形成されている。

別法としてまたはさらに加えて、上記の犠牲素子は温度感受式に固定され、所定の温度が到達されると、その溶断積分とは係わりなく、作動可能とされる。

本発明の一実施形態において、本装置の動作ならびに感度範囲は上記ハウジングに設けられたアクセス用開口を経て設定可能である。

応答電圧の設定は、調節式分圧器または橋絡によるかあるいは、備え付けのスイッチ素子の断路または電子コンポーネントの不動態化もしくは活性化によって行なうことが可能である。

状態インジケータを構成するピンは、好ましくは、短絡時に上記短絡装置の上述した可動部分によって運動可能とされ、そうでない場合にはブロックされる、ばねプレストレスされた点火ピンとして形成される。この点火ピンの運動方向ならびに運動距離は、上記短絡装置の上述した可動部分の運動方向ならびに運動距離とはかかわりなくセレクト可能である。

パワー半導体を電圧スイッチ素子として使用することにより、保護さるべきそれぞれのシステムの電気的または機械的な障害発生に際する、本装置の所期の制御を保証することが可能である。

本発明の１変形実施例において、犠牲素子を有する上記短絡装置は過電圧保護素子として使用されてスパークギャップに組み込み可能である。その際、このスパークギャップはトリガユニットを備えて構成されていても、備えていなくともよい。

ここに提案した過電圧保護装置は、ほぼパッシブな設計であるにもかかわらず、動作に関連した障害ならびに低エネルギー過渡負荷のいずれに対しても感受性がない。この保護装置の応答値は広い周波数範囲にわたって比較的コンスタントに保たれる。さらに別の実施形態において、応答値の変化は、環境条件が激しく変動する場合にも、大幅に制限することが可能である。この過電圧保護装置が活性化されると、所定の動的かつ持続的な負荷容量性短絡状態が実現される。短絡装置の状態は通信通報され、表示される。短絡済みの過電圧保護装置は、不注意な交換が、たとえば、システムが万一電源遮断されていない状態で行なわれようとも、人員に危険を招来することもない。

この過電圧保護装置はＮＨヒューズの形状寸法を有し、好ましくは、ＮＨヒューズスイッチ断路器に使用される。

このヒューズスイッチ断路器は保護装置の素子ならびに上述した開口を検知記録するインジケータを含んでいる。さらに、このヒューズスイッチ断路器は、過電圧保護装置の状態および／またはその作動を遠隔通信通報し得るマイクロスイッチ機能を有している。このヒューズスイッチ断路器は、さらに加えて、十分な回路遮断容量を有するために、過電圧保護素子は、システムの公称電圧時にあっても、フェールショート機能によって安全に開可能である。

この過電圧保護装置は、環境条件ならびにスルーレートに対する依存性の低い、非常に狭い、所定の応答範囲を有する。この過電圧保護装置は、短絡の発生および所定のＩ^２ｔ値の到達に際して機械式短絡装置の運動を不可逆的に惹起するいわゆる犠牲素子を含んでいる。この短絡装置は、別法としてまたはさらに加えて、電流に起因する熱によって活性化されることも可能である。本装置の電圧制限効果にもかかわらず、この短絡装置は、低エネルギーの過電圧たとえばスイッチパルスまたはバーストパルスに際して活性化されない。犠牲素子の直流容量はシステムの過電流保護装置の公称定格電流よりも低く設計される。本装置の短絡電流容量はシステムの公称電流の何倍にも達するため、大型回転機械設備も、エンジン運転から発電機運転に切り換わる際にも、かなりの間にわたってフィードバックエネルギーを安全に放出することが可能である。保護装置によってもたらされる電圧降下は、数１０ｋＡの電流時にも、人員保護特性曲線の限界値以下である。

上記の犠牲素子の応答電圧ならびにＩ^２ｔ値はいずれも、パッシブな設計にあって、容易にプリセット可能である。さらに別のアクティブな実施態様において、応答電圧は可変式調節が可能である。

特に、実際のシステム運転中における“パッシブ”な保護コンポーネントの容易かつ安全な交換可能性は、システムが基本的に保護装置なしでも機能し得るために、問題はない。ただし、安全な運転を確保するために、保護装置は絶対に装備されていなければならない。したがって、一般に、保護装置はシステムに固定配備される。この装置が応答する際に、明白な表示あるいはエラーメッセージさえ生じないことがしばしばある。したがって、再始動には、適格なスタッフによる広範なトラブルシューティング、解体および再インストールを要することが多い。

本発明による過電圧保護素子は、好ましくは、ＮＨヒューズの形状寸法にて単極仕様で製造される。この形状寸法によって、当該サイズのＮＨヒューズベース部品の使用が可能となる。これにより、同じく、保護さるべきネットワークに保護装置を柔軟に組み入れることが可能になる。したがって、システムに応じて、過電圧保護装置を接地または相間の中性線に対して配置することも、あるいは、外部および／または内部の結線によってこれらをコンビネーションすることも容易に実現可能である。

システム始動後の素子の不測の逸失を防止するために、ＮＨヒューズスイッチ断路器にロッキングおよび／または鉛封止も可能なユニットを使用することが提案される。好ましくは、断路器の状態を電気遠隔通信通報するＮＨヒューズスイッチ断路器が使用される。これにより、システムの全般的な管制およびモニタリングへの統合化が可能となり、システム始動後に、視覚的チェックが行なわれなくとも、直接かつ明確な障害報知が行なわれることとなり、こうして、システム始動後の保護装置の素子の完全なチェックが実現される。

ただし、過電圧保護素子の存在をただ表示することは、該素子の状態に関してなんらの情報ももたらすものではない。そのため、過電圧保護装置には少なくとも、視覚的チェックによって短絡状態を明確に判定する、ヒューズのそれと同様な、視覚インジケータが装備される。ただし、同じく好ましい遠隔通信接点を有するＮＨヒューズスイッチ断路器において１または複数のヒューズ素子短絡が生じた際にシステム制御装置に明確なメッセージを送信する点火ピンを有するインジケータが特に好ましい。これにより、システムの速やかかつ的確な再始動が容易となる。点火ピンはまた、既に作動済みの素子が使用されることを確実に防止する。

ＮＨヒューズスイッチ断路器に保護装置を使用することにより、短絡済みの保護装置の安全な取外しが保証されるが、それはセレクトされた制御ユニットがシステムの公称電圧および公称電流よりも高いスイッチ容量を有しているからである。したがって、不適切な操作−すなわち、まだ完全には電源遮断されていないシステム過電流保護装置の開あるいはまた、発電機運転中における、スイッチ断路器開時の低オーム短絡ブリッジの断路−が行なわれても、操作員に危険が生ずることはない。

先に述べたように、運転効率およびシステム効率の点から、運転中に生ずる電圧と、システムおよび人員の保護に要される電圧とは互いに非常に近接していてよい。ただし、通常の運転中における保護装置の活性化は防止されなければならない。同じく、過電圧が制限されているとはいえ、高い振幅での低エネルギー障害に対応した活性化も防止されなければならない。

以下、実施例および図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
ネットワークアプリケーションのための、内部短絡装置を備えたＮＨタイプの過電圧保護装置の第１の実施形態を示す図である。 過電圧保護装置の第２の実施形態を示す図である。 電圧保護装置の第３の実施形態を、応答電圧設定オプションの基本図と共に示す図である。 思量可能な応答電圧設定の種々の基本実施例を示す図である。 思量可能な応答電圧設定の種々の基本実施例を示す図である。 思量可能な応答電圧設定の種々の基本実施例を示す図である。 ＮＨヒューズベースに配された、本発明によるＮＨヒューズ素子タイプの過電圧保護装置の基本配置を示す図である。 本発明による過電圧保護装置の、実現されたモニタリング機能に関する種々の回路機構を示す図である。 本発明による過電圧保護装置の、実現されたモニタリング機能に関する種々の回路機構を示す図である。 視覚的機能表示のための点火ピンを有するＮＨ構造タイプの過電圧保護装置の基本レイアウトを示す図である。 機能インジケータとしての点火ピンを有する過電圧保護装置の、実現された実施形態の斜視図である。 本発明による過電圧保護装置アプリケーションのブロック図である。

パッシブな解決法を実現するために、図１に示した配置が提案される。接点ブレード２の形の２個の接続部を有するハウジング１内には、１個の並列接続回路が配置されている。並列接続回路の一方のブランチは、直列接続された電圧スイッチ素子３と、犠牲素子４と、２個の電極５，６を含む短絡装置とからなっている。犠牲素子が応答すると、このブランチは、２個の電極５，６からなる低インピーダンス短絡装置によって橋絡される。少なくとも一方の電極は可動であり、ばねによってプレストレスされている。少なくとも１つの電圧制限素子７は、好ましくは、上記の全体的配置に対して並列に配置されている。

素子７はバリスタまたはバリスタとＰＴＣとのコンビネーションとして構成されていてよい。この素子は単独で、公称電圧の約２倍のレベルを超える過電圧を制限する。この電圧以下にあっては、過電圧保護素子全体はパッシブのままである。この素子７は、さらに、並列接続されたハイインピーダンス抵抗であってもよい。この配置全体の電気容量は無視し得る程度のものであるために、高周波数においても無効電流はほとんど流れない。とりわけ電圧スイッチ素子３は、その他の思量可能な設計のうち、気体放電管としてパッシブに構成されていても、ダイオード（単数／複数）であっても、あるいはトリガ式スパークギャップとしてアクティブに構成されていても、半導体スイッチであってもよい。犠牲素子４は、好ましくは、電気ヒューズと同様に電流負荷に応じて所定の溶断挙動を示す受動金属素子である。時間−電流・特性曲線は、断熱領域においても長い溶断時間にあっても所定であり、素子の短絡電流容量とはかかわりなく、さまざまなシステム保護ヒューズに適合させることが可能である。犠牲素子の金属材料の融点に加えてさらに、素子４の取り付けを温度感受仕様とすることができるため、素子４の時間−電流・特性曲線とはかかわりなく、短絡装置の作動は所定の温度が達成された場合にのみ行なわれるようにすることもできる。

犠牲素子４は、たとえば、支持機能を果たすことができる。この場合、可動電極６はコンポーネント４に圧縮荷重を及ぼし、ばねは圧縮ばねとして構成されている。電極６を可動するばねが引張りばねとして設計されていれば、素子４は引張り荷重を受ける。圧縮荷重を受ける場合には、素子４は、たとえば、チューブ状に設計されていてよく、引張り荷重を受ける場合には、ケーブル状に形成されていてよい。

気体放電管が電圧スイッチ素子３として使用される場合には、直流電圧応答値は、電圧制限素子７の応答値よりも明白に高くなるようにセレクトされる。アプリケーションにとってさらに好ましいのは、ばらつきの少ない、フラットな特性曲線を有する気体放電管、したがって、スルーレート依存度の低い気体放電管をセレクトすることである。たとえば、素子７と適合化させることにより、過電圧保護素子にとって、電圧勾配の遥かに低い過電圧に対し、電圧勾配の高い電圧パルスに至るまで、気体放電管３と同じ応答レベルで、狭いばらつき範囲の応答電圧バーストパルスが保証される。

低レベルないし低エネルギーの過電圧パルスはそれぞれ、電圧スイッチ素子３の応答なしに、電圧制限素子７によって放電される。高エネルギー負荷に際しては、コンポーネント３の応答に応じ、犠牲素子４に電流が印加される。この時点において過電圧保護素子は低インピーダンスであることから、金属短絡が生ずる直前に、システムおよび人員保護に関する要件が満たされる。すると、金属短絡装置は作動し、可動電極６は、犠牲素子４の時間−電流・特性曲線に応じ、固定電極５に向かって誘導される。こうして生ずる金属短絡回路は数１０ｋＡの短絡電流を安全に処理可能であり、また、数１００Ａの高い定電流容量も有している。受動素子特に部品３，４および７のセレクトにより、過電圧素子を種々の極めて異なった要件に容易に適合させることが可能である。電力制限に関しては、ＮＨヒューズスイッチ断路器が決定的な役割を果たす。これらの装置は、目下、約１０００Ｖまでの電圧レベル、約１０００Ａまでの直流および約２５ｋＡまでの短絡電流用のものが、いわゆるセパレータブレードと共に入手可能である。

過電圧素子は、電圧制限素子７の配されたブランチに、負荷が長引く間に確実な動作を保証する付加的な保護装置を有することができる。図２はこのタイプの基本配置の一例を示したものである。バリスタをＰＴＣ８と組み合わせることにより、望ましくないバリスタ加熱が生ずる際に、バリスタを通過する電流を制限することが可能であり、必要に応じて、十分な駆動電圧があれば、素子３を活性化させることができる。ただし、この熱をバリスタの断路に使用することも可能である。

もしもこの場合に短絡装置の活性化が所望される場合には、それは断路ループ９の運動を利用して実現することが可能である。この場合、ループ９は、ネットワーク側接続から、素子３の橋絡下で、直接、犠牲素子４に達する接続であってよい。ここでもっぱら保証さるべきことは、断路ループ９は犠牲素子４よりも高い電流容量を有していることである。ただし、犠牲素子４の温度感受固定手段１０によって、素子７あるいは場合によって設けられていてよいいずれかのＰＴＣ８の損失熱を直接に利用して、短絡装置を作動させることも可能である。能動素子３は、装置が加熱される際に、ＮＴＣまたはＰＴＣによる半導体の活性化を行なわせることができることは言うまでもない。

図１および／または２に示した過電圧保護素子の実施態様は、製造に際し、一回の動作範囲設定しか許容しない。図３は、過電圧保護装置がＮＨヒューズ様リンクに挿入された後にも、動作範囲をそれぞれのアプリケーションに合わせることのできる概略的な配置図を示したものである。

そのため、ＮＨリンクは、好ましくは、ＮＨグリップタブ１１間の側方に、特別なツールを差し込むための取外し式カバー１２または開口１３を含んでいる。これにより、トリガ式スパークギャップを使用する際のコンポーネント３の“応答電圧”の容易な設定ならびに素子３として半導体スイッチを利用する実施形態における同様な設定が可能となる。

こうした実施態様において、過電圧素子の機能素子は、上限負荷に合わせて設計されていることは無論である。これは、とりわけ、あらゆるコンポーネントの絶縁耐力および断路距離が依拠する最大動作電圧と、短絡装置を通過する最大の機械的・熱的短絡電流とにかかわっている。

したがって、適合化は、基本的に、応答電圧の設定に制限される。図３に示したように、半導体スイッチとしてたとえばサイリスタを使用することが可能であるが、ただし、ＩＧＢＴまたはＭｏｓｆｅｔの使用も思量可能である。たとえば、もしも従来のコンパレータ回路が電圧の感知および評価に使用される場合には、たとえば、分圧器の１もしくは複数の調節式コンポーネントにより連続的設定を行なうことが可能である。別法として、分圧器を縦列接続もしくは並列接続された複数のコンポーネントで形成し、たとえば橋絡もしくは接触により分圧器の個々のコンポーネントの不動態化または活性化によって設定を行なうことも可能である。この変形態様により、個別の応答電圧段階の設定を行なうことが可能である。この原理は、一般に、パワー半導体たとえばサプレッサダイオードによるサイリスタのシンプルな活性化によっても可能である。この場合、直列接続されたサプレッサダイオードを、個々のダイオードを橋絡することによって個別の段階を設定するために使用することが可能である。図３は、無数の可能性が存在するために、単に例示的かつシンボリックに制御装置１４を示唆しているにすぎない。

図４ａ〜４ｃにもっぱら概略的に示した基本図は、短絡装置機能を備えた過電圧保護素子に関する、爾後の段階的設定あるいはまた無段設定可能な若干の応答電圧の例を示したものである。図４ａは、直列接続された受動電圧スイッチ素子３を有する、段階的調節可能な実施態様を示している。これらの素子は、とりわけ、ダイオード、サプレッサダイオード、気体放電管等であってよい。個別または多重素子３の橋絡を可能とする接点１５は、上記素子３と並列に設けられる。素子３は電圧制御手段を有していてよいことは言うまでもない。橋絡は、機械的メカニズムの他に、電子コンポーネントによって実現することも可能である。直列接続は直接、犠牲素子４と接続されていても、あるいはまた、たとえば点火変圧器１６と補助電極接点１７によるスパークギャップ点火用のトリガ装置に接続されていてもよい。その際、図４ａに不図示のスパークギャップは犠牲素子に直列接続される。

図４ｂは、個別の応答電圧設定が半導体コンポーネントのトリガ閾値の調節によって行なわれる変形態様を示したものである。同図は、簡易化された実施形態において、素子３として機能し、犠牲素子４と直接接続されたサイリスタを有する回路を示している。その他の半導体コンポーネントも同じく使用可能であることは言うまでもない。ただし、この回路は、以下に図６に関連して述べるように、主電極と犠牲素子との間のセクションのアクティブもしくはパッシブな点火装置を作動させるために機能することもできる。

図４ｃは、無段可変式制御の可能性をシンボリックに示したものであり、この場合、応答電圧は、パワー半導体３を活性化させるコンパレータ回路１９の分圧器１８の調節によって実現される。

半導体スイッチによる短絡装置の活性化は、とりわけ、所望の応答電圧が、たとえば、たった１０Ｖもしくは数１０Ｖの狭い許容差範囲内にあるかあるいはまた、たとえば１００Ｖを下回る非常に低い電圧値であるべき場合に、好適とすることができる。回路の適切なセレクトと寸法設計によっても、この解決法を、激しく変動する環境条件、たとえば温度または湿度によりよく適合させることができる。

図５ａ〜５ｃは、ＮＨヒューズスイッチ断路器２０内の３個の過電圧保護素子１の配置をシンボリックに示したものである。分かり易さを優先させて、図５ａにおいて、安全な挿入／取り出しのためにヒューズグリップタブ１１が取り付けられているカバーは不図示である。スイッチのブレードコネクタ接点２１と個々の相Ｌ１，Ｌ２；Ｌ３とは、ヒューズ素子１が抜き出されるかまたは引き出される場合の低電圧要件に準拠して、互いに安全に分離されている。過電圧保護素子によるアプリケーションのために、接続は適切な外部／内部の接続回線によって結線されていてよい。これにより、相間に装置を配置することも、中性線および／または接地に対して装置を配置することも可能になる。これらの回路の組み合わせにより、さらに単極のＮＨブレーカあるいは三極のＮＨブレーカも使用することが可能である。

このＮＨヒューズスイッチ断路器２０は、既述したように、ヒューズリンクが挿入され、カバーが閉じられた後に、ロッキング、鉛封止することが可能である。

ただし、ＮＨヒューズスイッチ断路器は、ヒューズベース内にヒューズ／ヒューズ素子が存在することまたはカバーが開放されていることを表示する遠隔通信接点と共に使用されるのが好ましい。ただし、とりわけ、図５ｂおよび５ｃに示した遠隔通信接点を有する実施形態が好ましい。このＮＨヒューズスイッチ断路器は、カバーの開放をモニタすると共にブレーク接点Ｓ１〜Ｓ３によってヒューズ／ヒューズ素子の状態をモニタするループ接点Ｓ４を有している。スイッチＳ４は、カバーが閉じられると、閉される。故障発生時の交換は容易に行なうことができるとはいえ、制御装置および場合によりロッキングおよび／または鉛封止と連携して保護が保証され、万一のヒューズ素子なしのシステム運転は防止される。ヒューズ素子１が、ＮＨヒューズと同様に、点火ピンを備えていれば、ブレーク接点Ｓ１〜Ｓ３は素子の状態を検知することができる。図５ｂ）に示した配置は、制御装置のディスプレイによるこれらの状態の共同モニタリングを可能とするにすぎないが、ただし、これとは異なり、図５ｃ）に示したブレーク接点配置によれば、制御装置による別々の信号評価が可能であり、かくて、障害発生に際して詳細な情報をもたらすことができる。

過電圧保護素子の状態を判定するには、形状的にも機械的にもＮＨヒューズのそれに一致した点火ピンが、ＮＨ様リンクに組み込まれていることが必要である。ＮＨヒューズにあっては、幾何的配置は対称軸の外側に行なわれている。点火ピンのストロークならびに力は、特に、スイッチを活性化するために設計されており、したがって、比較的長く、大きい。

非対称な配置ならびに２０ｍｍまでに及ぶ長いストロークはいずれも、数ｍｍでしかないストロークの電極６の運動を直接利用するには不適である。

運動は、一般に、点火ピンをさらに別のヒューズ素子に固定することによって実現される。この点火ピンは、低い公称定格電流の付加的なヒューズの固定にあたり、外部のばねによってプレストレスされる。この原理は、ほとんどあらゆるポジショニング、力およびストロークを許容する。これはまた、ヒューズの製造に際し、付加的な部品のコスト以外には、大幅な追加コストを必要としない。ただし、これはストロークの短い短絡装置に適用することはできない。したがって、それにもかかわらず大きな力と長いストロークを有する点火ピンを実現するために、以下の非限定的な解決法が提案される。

図６は、外部の点火ピン２２をする過電圧保護素子１の非常に単純化された内部構造の例を示したものである。短絡装置の可動電極６は、素子の固定部分に向かって突き出したロッドタイプの延長部２３を有している。短絡装置が開の場合には、延長部はピン２４をブロックし、このピンは、翻って、ばねプレストレスされた点火ピン２２をブロックする。短絡装置が閉の場合には、連動するロッドタイプの延長部はピンを解除して、点火ピンを押し出す。図６に示した矢印は、内側から外側に向かって行なわれる運動（時間的に見ても）を示している。この解決法により、点火ピンは短絡装置とは独立に運動することが可能になる。また、ピンのスライド運動あるいはロール運動によっても、短絡装置および点火ピンのばね力の極めて独立した仕様決定が可能になる。また、ピンのポジションおよび形状寸法が比較的自由に仕様設計できることにより、可動電極（６）および固定電極（５）のポジションと形状寸法も、点火ピンの外部ポジションとはかかわりなくセレクトすることが可能になる。

図２に示した実施態様において、この点火ピン解決法をループ９の運動と結び付けることも可能であることは言うまでもない。可動電極のプル運動に代えて、付随タペットのプッシュ運動を利用することも可能である。同様に、固定逆電極に達した際の可動電極の圧力を、可動タペットを固定電極に組み込むことによって使用することも可能である。

図６に示したように、開口１３を介した応答閾値の設定は、電圧スイッチ素子３と接続された別個のユニット２５で行なうことが可能である。

図１に示した例において、電圧スイッチコンポーネント３は直接、犠牲素子４と接続することができる。この場合、このコンポーネントは、犠牲素子４が溶断するまで、絶えず電流を通さなければならない。ここで、図６をベースとして、さらに別の２つの可能性を挙示することとする。コンポーネント３はスパークギャップのトリガユニットであってよい。スパークギャップ自体は、犠牲素子４またはそれぞれ、犠牲素子と電気接続されたサポート素子２６、固定主電極５および、コンポーネント４／２６と５との間に配置された絶縁補助電極２７からなる。この配置は、別個のスパークギャップを形成する必要がなく、かつ、所要の付加的な電気接続回線は、電流負荷が低いために、特記すべき程の断面積を必要としないという利点を有している。

応答電圧の適合化にトリガ式スパークギャップではなく、たとえばサイリスタが使用される場合には、素子２６／４と固定電極５との間の断路距離の点火に少なくとも一方側が絶縁された最小断面積を有する補助ヒューズ素子２８が使用されれば、該サイリスタの電流容量も犠牲素子のＩ^２ｔ値とは係わりなくセレクトすることが可能である。分かり易さを優先させて、図６は補助ヒューズ素子２８を点線でシンボリックに示しているだけであり、素子３との間の回路機構の図示は省かれている。この最小ヒューズ素子の過負荷はスパーキングを結果し、あるいはまた双方の主電位の間に激しい炭素付着を結果し、これにより、固定電極と犠牲素子との間にアークが生じ、犠牲素子はこうしてアーク溶損あるいは電流によって過負荷され、可動電極６は電極５に向かって運動させられる。

図７は、当該過電圧保護素子１の外部構造を例示的に示したものである。点火ピン２２に加えてあるいは別法として、この素子は、素子の状態を表示する視覚インジケータを有していてよいことは言うまでもない。視覚インジケータは類似して形成されていてよく、つまり、電極の運動に間接におよび／または直接にリンクされていてもよい。設計要件は、力およびストロークに関する要件が存在しないことから、低度なものであり、そのため、これ以上詳細な説明は行なわないこととする。熱動トリガにあって、特に純然たる表示が行なわれる場合には、運動に代えて、温度感受材料のシンプルな色変化が使用されてもよいことは無論である。

図７に示したように、点火ピン２２を有する素子１が使用される場合には、約２０ｍｍのストロークを有する点火ピンが活性化されてＮＨヒューズスイッチ断路器に挿し込まれる前に、特に色による、はっきりとした目に見える警告が行なわれる。したがって、電気的制御が行なわれなくとも、既に活性化済みの素子が使用されて不測の短絡が引き起こされる危険は極めて僅かである。断路器カバーの特別な設計により、純然たる機械式保護を実現することも可能であり、これは提案された解決法のさらに別途安全態様を表している。

提案された機械式表示およびブロッキングの他に、過電圧保護素子１の電気的モニタリングも実施可能であることは言うまでもない。そのために、別個の電流センサを使用することができ、あるいはＮＨヒューズスイッチ断路器に変流器を組み込むことも可能である。電気システムの運転中におけるＮＨヒューズスイッチ断路器のヒューズの適切な使用および交換は普通に実行可能であり、負荷下にあっても安全である。また、こうしたブレーカを使用することにより、提案された設計ならびに寸法に準拠した短絡機能付き過電圧保護素子を電気システムに安全にインストールすることも可能になる。

図８は、エンジンを稼動するための三相システム配置を例示的に示したものである。この配置は、コンバータと、過負荷保護器３０を含む別個の保護装置を装備したエンジン稼動制御装置２９とを含んでいる。本発明による過電圧素子１はＮＨヒューズスイッチ断路器２０内に挿入されている。これらの素子１は、外部回路機構によって電気的に、例示した配置の相間に配置されている。障害発生時たとえば停電時または制御障害時には、エンジンは発電機運転に切り換えることができる。これにより、高回転数時には、本来の公称電圧を著しく上回る電圧が生み出される。素子１の迅速な応答により、電圧は、エンジンが停止するまで、エンジンならびに装備２９，３０のいずれについても非常に低い値に制限される。

上述した一連の実施態様は、閾値電圧に達するとアクティブおよび／またはパッシブに反応する過電圧保護素子１から出発している。ただしまた、特に、パワー半導体をベースとした電圧スイッチ素子３を含んだ実施態様は、システム保護コンセプトに積極的に組み入れることが可能である。電気的あるいは機械的障害発生時には、スイッチ素子３の選択的制御によって、システムを安全な状態に切り換えることが可能である。これはまた、事故あるいは火災発生時における人的安全性の確保にとっても重要である。この機能はさらに、シンプルな（有線あるいはまた無線）信号インタフェースによって実現可能である。

Claims (15)

1. 人員および低電圧システム設備を保護するための短絡機能付き過電圧保護装置であって、
   共通のハウジング（１）内に、少なくとも１つの過電圧保護素子（３）ならびに１つの熱動短絡装置（５；６）の双方が配置されており、
   前記装置はＮＨヒューズベース（２０）に挿入されるように設計され、
   前記共通のハウジング（１）は、ＮＨヒューズ素子と立体的に相似するように、接点ブレード（２０）を具備して設計されていることを特徴とする過電圧保護装置。
2. 前記短絡装置（５；６）は、固定部分（５）と可動部分（６）とを有する機械式短絡装置として構成され、
   前記２つの部分（５；６）の間に犠牲素子（４）が配されており、
   前記犠牲素子（４）は、プリセットされたもしくはプリセット可能なＩ^２ｔ値がひとたび到達されると前記２つの部分（５；６）の不可逆的な相対運動を惹起もしくは可能とすることを特徴とする、請求項１に記載の過電圧保護装置。
3. 遠隔通信機能を有する状態インジケータが設けられていることを特徴とする、請求項１２に記載の過電圧保護装置。
4. 機械式に解除されるピン（２２）が前記状態インジケータ（８）を形成し、前記ピン（２２）は、解除されると、前記ＮＨヒューズベース（２０）への前記装置の再挿入をブロックすることを特徴とする、請求項３に記載の過電圧保護装置。
5. 前記共通のハウジング（１）内に、第１のブランチに配された直列接続された電圧スイッチ素子（３）、前記犠牲素子（４）および前記短絡装置（５；６）と、第２のブランチに配された少なくとも１つの電圧制限素子（７）とからなる並列接続回路が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の過電圧保護装置。
6. 前記電圧スイッチ素子は、トリガ可能であるものを含み、スパークギャップ、気体放電管、半導体スイッチまたはダイオードとして構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の過電圧保護装置。
7. 前記電圧制限素子（７）は、バリスタおよび／またはＰＴＣ素子（８）として構成されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載の過電圧保護装置。
8. 前記犠牲素子（４）は、電流負荷に応じて所定の溶断特性を示す金属部分として構成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の過電圧保護装置。
9. 前記犠牲素子（４）は温度感受式に固定され、所定の温度が到達されると、その溶断積分とはかかわりなく、作動可能であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の過電圧保護装置。
10. 前記装置の動作ならびに感度範囲は前記ハウジング（１）に設けられたアクセス用開口（１３）を経て設定可能であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれかに記載の過電圧保護装置。
11. 応答電圧の設定は、調節式分圧器または橋絡によるかあるいは、備え付けのスイッチ素子の断路または電子コンポーネントの不動態化もしくは活性化によって行なうことができることを特徴とする、請求項１０に記載の過電圧保護装置。
12. 前記ピン（２２）は、短絡時に前記可動部分（６；２４）によって運動可能とされ、そうでない場合にはブロックされる、ばねプレストレスされた点火ピンとして構成され、該点火ピン（２２）の運動方向ならびに運動距離はいずれも、前記短絡装置の前記可動部分（６）の運動方向および運動距離とはかかわりなくセレクト可能であることを特徴とする、請求項４に記載の過電圧保護装置。
13. パワー半導体を電圧スイッチ素子（３）として使用することにより、保護されるべきそれぞれのシステム（２９；３０）の電気的または機械的な障害発生に際して前記装置の所期の制御が保証されることを特徴とする、請求項６に記載の過電圧保護装置。
14. 前記犠牲素子（４）を有する前記短絡装置は前記過電圧保護素子として使用されてスパークギャップに組み込み可能であることを特徴とする、請求項２に記載の過電圧保護装置。
15. 前記スパークギャップはトリガユニットを含んでいることを特徴とする、請求項１４に記載の過電圧保護装置。

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