SI24060A

SI24060A - Stikalo za zaščito električnega tokokroga proti preobremenitvam

Info

Publication number: SI24060A
Application number: SI201200112A
Authority: SI
Inventors: Mitja KOPRIVŠEK
Original assignee: Razvojni Center Enem Novi Materiali D.O.O.
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2013-10-30
Also published as: SI24060B; US9275816B2; CN104364872B; CN104364872A; EP2837014A1; WO2013154505A1; US20150102875A1; EP2837014B1

Abstract

Izum se nanaša na stikalo (S) za zaščito električnega tokokroga proti preobremenitvam. Stikalo (S) v osnovi sestoji iz prožilnega sklopa (A) in prekinjevalnega sklopa (B), pri čemer prožilni sklop (A) obsega indukcijsko enoto (1), termični odklopnik (2) in udarno iglo (3). Indukcijska enota (1) obsega tuljavo (12) z jarmom (14) za premikanje udarne igle (3) v smeri proti prožilnemu sklopu (B) v primeru kratkostičnega toka, ko se v tuljavi generira magnetno polje. Termični odklopnik (2) obsega bimetalno membrano (20), ki je mehansko povezana z udarno iglo (3) in se ob pojavu nadtoka v tokokrogu in segrevanju premakne v smeri proti prekinjevalnemu sklopu (B). Z namenom, da bi stikalo (S) omogočalo tudi zaščito električnega tokokroga proti transientnim napetostim, npr. v primeru strele, je stikalo (S) v območju prožilnega sklopa (A) opremljeno tudi z varistorjem (4), ki se nahaja v toplotno-prevodnem stiku z omenjenim termičnim odklopnikom (2).

Description

Razvojni center ENEM novi materiali d.o.o.

Stikalo za zaščito električnega tokokroga proti preobremenitvam

Izum spada na področje elektrotehnike, in sicer k osnovnim električnim komponentam, namreč k stikalom in podrobnostim zaščitnih električnih stikal, ki se prožijo na osnovi kombinacije elektrotermalnega in magnetnega mehanizma ter so upravljiva s pomočjo ustreznega vzvoda.

Naloga izuma je zasnovati stikalo, ki naj bi po vgradnji v vsakokraten električni tokokrog zagotavljalo zaščito tokokroga proti kratkostičnemu toku kot tudi proti dolgotrajnemu toku višje jakosti oz. nadtoku in/ali proti povišani napetosti, obenem pa tudi proti neželenim učinkom zaradi transientnih napetosti, pri čemer naj bi bilo tovrstno stikalo obenem tudi dimenzijsko karseda neobsežno in še zlasti podobno kot primerljiva znana stikala vgradljivo v standardizirano ohišje, ki je prirejeno za namestitev na standardno letev v običajnih električnih omaricah.

• ·

Zaščitno stikalo proti tokovnim preobremenitvam oz. obremenitvam v primeru nadtoka je opisano v DE 36 37 275 Al. Tovrstno stikalo obsega v cevastem okrovu vstavljeno jedro z osrednjim prehodom, skozi katerega je vstavljena prožilna igla, ki je v aksialni smeri premakljiva vzdolž omenjenega jedra in štrli iz slednjega v smeri proti prekinjevalnemu elementu, t.j. proti elementu, ki tokokrog bodisi vzdržuje v sklenjenem stanju ali pa ga v primeru, ko vanj s prožilnim koncem zadene udarna igla, karseda hitro in zanesljivo prekine. Omenjeni okrov je ovit z električno prevodno žico, ki tvori električno navitje oz. tuljavo. Na zunanji površini omenjenega okrova je poleg omenjene tuljave predviden tudi elektromagnetni jarem, ki obdaja omenjeno tuljavo. Udarna igla je na odmiku od omenjenega jedra opremljena z odebelitvijo, tako da se na igli na eni strani omenjene odebelitve nahaja omenjeno jedro, na preostali strani pa elektromagnetna kotva. Med slednjo in jedrom je vstavljena tlačna vzmet, s katero je obdana udarna igla. Podobno kot skozi omenjeno jedro je udarna igla vstavljena tudi skozi omenjeno kotvo, ki pa je na igli v aksialni smeri nepremakljiva. Pri tem udarna igla poteka skozi omenjeno kotvo in štrli v območje bimetalne membrane, ki je pri normalni temperaturi usločena v smeri vstran od kotve in jedra in je od pripadajočega konca udarne igle odmaknjena, pri povišani temperaturi pa se usloči v nasprotno smer t.j. proti kotvi in jedru in se pri tem nasloni na proti njej štrleč konec udarne igle.

Kadar je tovrstno stikalo vgrajeno v električni tokokrog, se en konec udarne igle nahaja na odmiku od omenjene bimetalne membrane, preostali konec pa na odmiku od prekinjevalnega elementa, tako da je električni tokokrog sklenjen. Ob pojavu kratkostičnega toka se v tuljavi zaradi povišanja napetosti generira magnetno polje, ki premakne kotvo v smeri proti jedru in prekinjevalnemu

elementu, pri čemer zadene ob odebelitev na igli in slednjo potisne proti prekinjevalnemu elementu, ki prekine električni tokokrog.

Ob pojavu dlje časa trajajočega nadtoka ali napetosti v električnih vodnikih pride do segrevanja t.j. do generiranja in sproščanja toplote, ki učinkuje na bimetalno membrano, ki se odzove z usločenjem v smeri proti udarni igli in slednjo premakne v aksialni smeri proti prekinjevalnemu elementu, ki tudi v takem primeru potem prekine tokokrog. Pri tem se vzmet med kotvo in jedrom stisne. Po prenehanju tokovne preobremenitve, ko se temperatura v območju bimetalne membrane zniža, se membrana povrne v svoj izhodiščni položaj, vzmet pa potisne kotvo in udarno iglo nazaj v izhodiščni položaj na odmiku od membrane, tako da prekinjevalni element lahko spet sklene tokokrog, ki odtlej lahko nemoteno deluje naprej.

Upoštevajoč odzivnost kotve in/ali bimetalne membrane na vsakokratne motnje v električnem tokokrogu se je tovrstno zaščitno stikalo zmožno odzvati na motnje oz. preobremenitve v kontekstu tokovnih in napetostnih preobremenitev v trajanju velikostnega reda nekaj ms. Ob pojavu takoimenovanih transientnih napetosti, npr. ob udaru strele, se pojavijo napetostne konice v trajanju nekaj ps, katerih učinkov in posledic s pomočjo tovrstnega stikala ni možno preprečiti, ker se v tako kratkem časovnem intervalu niti tuljava niti bimetalna membrana na tovrstno motnjo oz. preobremenitev ne moreta odzvati.

Razen tega je v SI 21584 A opisan modularni zaščitni aparat, ki sestoji iz stikala z elektromagnetnim proženjem in prenapetostnega zaščitnega vezja, ki je v tokokrogu zaporedno vezano k omenjenemu stikalu. Stikalo, podobno kot tisto po DE 36 37 275 Al, obsega okrov z jedrom in kotvo, skozi katera poteka udarna igla, ki je naslonljiva na prekinjevalni element stikala, s katerim se ob preobremenitvi prekine tokokrog. Ob pojavu tokovne oz. napetostne preobremenitve se v tuljavi generira magnetno polje, ki privede do premika kotve in s tem prožilne igle v smeri proti prekinjevalnemu elementu. Prenapetostno zaščitno vezje vsebuje vzporedno vezane varistorje, ki ob pojavu transientnih napetosti v tokokrog vključene naprave zavarujejo proti preobremenitvam. Tovrsten aparat lahko učinkovito varuje tokokrog proti kratkostičnemu toku in tudi proti transientnim napetostim, problem pa nastopi ob pojavu dlje časa trajajočih napetostnih preobremenitev. V tokokrogu nazivne napetosti 220 ali 230 V to v praksi na primer pomeni povečanje napetosti na 300 do 400 V v trajanju 1 s. V takem primeru se lahko zgodi, da generirano magnetno polje v tuljavi ne zadostuje za proženje udarne igle in s tem prekinitve tokokroga, medtem ko dlje trajajoča povišana napetost v prenapetostnem zaščitnem vezju povzroči segrevanje in termično preobremenitev varistorjev, kar privede do uničenja, v določenih primerih celo do eksplozije varistorjev.

Pričujoči izum se nanaša na stikalo za zaščito električnega tokokroga proti preobremenitvam, pri čemer tovrstno stikalo v splošnem obsega za medsebojno sodelovanje prirejena prožilni sklop prekinjevalni sklop. Prekinjevalni sklop je predviden za prekinitev vsakokratnega električnega tokokroga, ki ga tvori vsaj en fazni vodnik in vsaj en ničelni vodnik vključno s samim stikalom in vsaj enim električnim porabnikom oz. bremenom, kadar od prožilnega sklopa prejme temu ustrezen impulz. Omenjen prožilni sklop obsega vsaj indukcijsko enoto, termični odklopnik in udarno iglo za posredovanje impulza prekinjevalnemu sklopu z namenom prekinitve omenjenega tokokroga. Pri tem indukcijska enota sestoji vsaj iz okrova v funkciji elektromagnetnega jarma, v omenjen električni tokokrog električno povezljive tuljave v funkciji generatorja magnetnega polja zaradi inducirane napetosti ob pojavu kratkostičnega toka v tokokrogu in kotve, ki je

mehansko povezana z omenjeno udarno iglo, ki je v svoji aksialni smeri in proti prekinjevalnemu sklopu premakljiva pod vplivom magnetnega polja omenjene tuljave. Termični odklopnik je razporejen v neposredni bližini omenjene indukcijske enote in obsega bimetalno membrano, ki je mehansko povezana z omenjeno udarno iglo in je zaradi segrevanja kot posledice nadtoka v omenjenem tokokrogu skupaj z udarno iglo iz svojega izhodiščnega položaja premakljiva v aksialni smeri omenjene udarne igle proti prekinjevalnemu sklopu zaradi generiranja impulza, potrebnega za prekinitev omenjenega električnega tokokroga, po ohlajanju pa je skupaj z iglo premakljiva nazaj v svoj izhodiščni položaj.

Po izumu je predvideno stikalo, pri katerem je v območju omenjenega prožilnega sklopa predviden vsaj en varistor, ki je v omenjen električni tokokrog vezan sam zase in se nahaja v toplotno-prevodnem stiku s termičnim odklopnikom.

Pri prednostni izvedbi izuma je omenjeni varistor na voljo v obliki votlega valja. S tovrstnim varistorjem je lahko obdana tuljava, ki se nahaja v toplotno-prevodnem stiku s termičnim odklopnikom, pri čemer je med tuljavo in varistorjem zagotovljen toplotno-prevoden stik.

Pri eni od izvedb izuma je eden od električnih polov varistorja električno povezan s faznim vodnikom električnega tokokroga, preostali električni pol varistorja pa z ničelnim vodnikom električnega tokokroga. Pri alternativni izvedbi izuma je eden od električnih polov varistorja električno povezan s faznim vodnikom električnega tokokroga, preostali električni pol varistorja pa z ozemljitvenim vodom električnega tokokroga.

• ·

Izum bo v nadaljevanju podrobneje obrazložen s primerom izvedbe, ki je ponazorjen na priloženi skic, kjer kažejo

Sl. 1 povsem shematično ponazorjen koncept rešitve stikala za zaščito električnega tokokroga proti preobremenitvam po izumu, in sicer v stanju primeru prekinitve tokokroga zaradi pojava kratkostičnega toka;

Sl. 2 spet shematično ponazorjen koncept rešitve stikala kot na Sl. 1, tokrat v položaju, ko je tokokrog prekinjen zaradi pojava nadtoka;

Sl. 3 prožilni sklop stikala po izumu v trenutku prekinitve tokokroga zaradi pojava kratkostičnega toka,

Sl. 4 prožilni sklop stikala po izumu v trenutku prekinitve tokokroga zaradi pojava nadtoka,

Sl. 5 pa povsem praktičen primer stikala za zaščito električnega tokokroga proti preobremenitvam, pri katerem je prekinjevalni sklop po Sl. 3 in 4 vgrajen v standardnem ohišju, namreč v ohišju po mednarodnem standardu IEC 60898 širine 18 mm ali mnogokratnika te širine.

Kot je razvidno na Sl. 1 - 4, je stikalo S po izumu vgradljivo v električen tokokrog, ki ga skupaj z omenjenim stikalom S tvorijo fazni vodnik L_b L₂, ničelni vodnik Ni, N₂ in vsaj en neprikazan električni porabnik. Kadar je omenjen tokokrog sklenjen, med regularno uporabo po omenjenih vodnikih L_b L₂; N_b N₂ teče nazivni tok I. Stikalo S v splošnem sestoji iz prožilnega sklopa A in prekinjevalnega sklopa B.

Prožilni sklop A je predviden za zaznavanje vnaprej opredeljenih motenj v omenjenem tokokrogu, na omenjene motnje pa se odzove z vplivanjem na prekinjevalni sklop B, ki v takem primeru prekine tokokrog, nakar po vodnikih L_bL₂; Ni, N₂ preneha teči tok I.

Kot je povsem shematično ponazorjeno na Sl. 1 in 2, prožilni sklop A obsega

- indukcijsko enoto 1, ki električno vezana v omenjen tokokrog,

- termični odklopnik 2, ki je razporejen neposredno ob indukcijski enoti 1 in v toplotno-prevodnem stiku z njo, tako da je omogočen prenos toplote z indukcijske enote 1 na termični odklopnik 2,

- udarno iglo 3, s katero sta mehansko povezana tako indukcijska enota 1 kot tudi termični odklopnik 2 in ki je prirejena za proženje prekinjevalnega sklopa B, in

- varistor 4, še zlasti votel valjast t.j. kot linijski dolžinski odsek cevi krožnega prečnega preseka oblikovan varistor 4, ki se nahaja v toplotno-prevodnem stiku s termičnim odklopnikom 2, pri čemer je omenjen varistor 4 sam zase električno vezan v omenjen električni tokokrog, kar v kontekstu pričujočega izuma pomeni, da sta pola varistorja 4 vsak zase električno povezana z vodnikoma L_b L₂; N_b N₂električnega tokokroga, ali pa je en električni pol varistorja 4 povezan s faznim vodnikom L_b L₂ električnega tokokroga, preostali električni pol varistorja 4 pa z ozemljitvenim vodom, kar pa zaradi nedvomne razumljivosti povprečnemu strokovnjaku sicer na skici niti ni posebej prikazano.

Zasnova prožilnega sklopa A je podrobneje ponazorjena na Sl. 3 in 4. Indukcijska enota 1 sestoji iz okrova 11 v funkciji elektromagnetnega jarma, okoli katerega je navita električna tuljava 12, ki je električno vezana v vsakokraten električni tokokrog, v prikazanem primeru pa skoznjo poteka fazni vodnik L_b L₂. V obravnavanem primeru sta v notranjosti omenjenega okrova 1 nameščena jedro 13 in kotva 14, med katerima je na voljo vzmet 15 in skozi katera poteka udarna igla 3, ki štrli ven iz omenjenega okrova 11 in je uperjena proti prekinjevalnemu sklopu B. Udarna igla 3 je zahvaljujoč kotvi 14 pod vplivom magnetnega polja, ki se generira v omenjeni tuljavi 12 zaradi povečane napetosti ob pojavu kratkostičnega • · · toka, premakljiva v smeri proti prekinjevalnemu sklopu P, kar je ponazorjeno na Sl. 2 in 3. Če/ko se jakost toka povrne na nominalno vrednost, se učinek magnetnega polja odpravi in vzmet 15 povrne kotvo 12 skupaj z udarno iglo 3 v izhodiščni položaj, nakar prekinjevalni sklop B lahko spet sklene tokokrog.

V prikazanem primeru (Sl. 3 in 4) je okrov 11 indukcijske enote 1 na strani prekinjevalnega sklopa B v območju izstopa udarne igle 3 razširjen in prirejen za prejem termičnega odklopnika 2, ki obsega bimetalno membrano 20, ki je mehansko povezana z udarno iglo 3 in katere delovanje je razvidno na Sl. 1 in 2. Pri običajni temperaturi je bimetalna membrana 20 usločena vstran od prekinjevalnega sklopa B. V primeru pojava nadtoka se v tuljavi 12 generira toplota, ki se prenaša, še zlasti vsaj pretežno prevaja, v območje termičnega odklopnika 2, čemur se bimetalna membrana 20 odzove s preskokom v položaj, v katerem je usločena v smeri proti prekinjevalnemu sklopu B. S tem se udarna igla 3 premakne v smeri proti prekinjevalnemu sklopu B, ki v trenutku prekine električni tokokrog.

Po izumu je območju prožilnega sklopa A stikala S poleg indukcijske enote 1 vgrajen tudi vsaj en varistor 4, ki je prednostno na voljo v obliki votlega valja, t.j. ravnega dolžinskega odseka cevi krožnega prečnega preseka, in je kot tak sam zase vezan v električni tokokrog ter zmožen prevzeti transientne napetostne preobremenitve v trajanju nekaj ps. Omenjeni varistor 4 je v toplotno-prevodnem odnosu s termičnim odklopnikom 2, in sicer po izbiri neposredno ali pa posredno preko indukcijske enote 1.

Ob pojavu kratkostičnega toka v tokokrogu se na motnjo odzove tuljava 12, ki generira magnetno polje, zaradi česar se kotva 14 premakne v smeri proti prekinjevalnemu sklopu B, pri tem pa kotva 14 premakne udarno iglo 3 in ustvari impulz, na osnovi katerega se potem prekine tokokrog. Ob pojavu trajne napetostne preobremenitve oz. nadtoka se v varistorju 4 sicer generira toplota ki v splošnem sicer ogroža delovanje varistorja 4 in bi lahko privedla do njegovega uničenja. Vendar pa se toplota z varistorja 4 zahvaljujoč rešitvi po izumu sproti prenaša na termični odklopnik 2, ki potem zahvaljujoč membrani 20 s premikom udarne igle 3 prekine električni tokokrog in s tem zaščiti varistor pred pregretjem. S tem so zahvaljujoč sinergijskemu učinku, ki ga prinaša opisan način vgradnje varistorja 4 v stikalo S, vsakokrat razpoložljivi električni porabniki v električnem tokokrogu vključno s tuljavo 12 samega stikala S zaščiteni proti učinkom transientnih napetosti, npr. ob udaru strele, obenem pa je tudi varistor 4 zaščiten proti termični preobremenitvi, do katere bi lahko prišlo ob pojavu nadtoka oz. ob dolgotrajnejši napetostni preobremenitvi.

Na Sl. 5 je ponazorjen praktičen primer uporabe stikala S po izumu, ki je vgrajeno v ohišju 6 po standardu IEC 60898, ki je prirejeno za pritrditev na neprikazano letev v neprikazani električni omarici. Prožilni sklop A in prekinjevalni sklop B sta bila podrobneje opisana že v povezavi s Sl. 1 do 4, medtem ko so preostali deli stikala S znani in so za pričujoči izum praktično nepomembni, podrobno pa so opisani npr. v PCT/SI2010/000074. Strokovnjaku bo razumljivo, da je običajno zaščitno stikalo S, ki obsega indukcijsko enoto 1 in termični odklopnik 2 ter udarno iglo 3, ki ob pojavu kratkostičnega toka ali nadtoka učinkuje na prekinjevalni sklop B, po izumu in zahvaljujoč prej opisani sinergiji lahko nadgrajeno zgolj z votlim valjastim varistorjem 4, ki stikalu S omogoča pomembno dodatno funkcijo zaščite proti transientnim prenapetostnim motnjam, pri tem pa stikalo S in njegovo ohišje 6 navzven ostajata popolnoma nespremenjena, zanesljivost delovanja stikala S kot takega pa popolnoma neokrnjena.

Claims

PATENTNI ZAHTEVKI

1. Stikalo (S) za zaščito električnega tokokroga (L_b L₂; N_b N₂) proti preobremenitvam, obsegajoče za medsebojno sodelovanje prirejena prožilni sklop (A) prekinjevalni sklop (B), pri čemer je prekinjevalni sklop (B) predviden za prekinitev vsakokratnega električnega tokokroga (L_b L₂; N_b N₂), ki ga tvori vsaj en fazni vodnik (L_b L₂) in vsaj en ničelni vodnik (N_b N₂) vključno z omenjenim stikalom (S) in vsaj enim električnim porabnikom oz. bremenom, kadar od prožilnega sklopa (A) prejme temu ustrezen impulz, in pri čemer prožilni sklop (A) obsega indukcijsko enoto (1), termični odklopnik (2) in udarno iglo (3) za posredovanje impulza prekinjevalnemu sklopu (B) z namenom prekinitve omenjenega tokokroga, pri tem pa indukcijska enota (1) sestoji vsaj iz okrova (11) v funkciji elektromagnetnega jarma, nadalje iz v omenjen električni tokokrog (L_b L₂; N_b N₂) električno povezljive tuljave (12) v funkciji generatorja magnetnega polja zaradi inducirane napetosti ob pojavu kratkostičnega toka v tokokrogu, kot tudi iz kotve (14), ki je mehansko povezana z omenjeno udarno iglo (3), ki je pod vplivom magnetnega polja omenjene tuljave (12) v svoji aksialni smeri premakljiva vsaj proti prekinjevalnemu sklopu (B), medtem ko je termični odklopnik (2) razporejen v neposredni bližini omenjene indukcijske enote (1), s katero je v toplotno-prevodnem stiku, in obsega bimetalno membrano (20), ki je mehansko povezana z omenjeno udarno iglo (3) in je zaradi segrevanja kot posledice nadtoka v omenjenem tokokrogu skupaj z udarno iglo (3) iz svojega izhodiščnega položaja premakljiva v aksialni smeri omenjene udarne igle (3) proti prekinjevalnemu sklopu (B) zaradi generiranja impulza, potrebnega • · · · za prekinitev omenjenega električnega tokokroga, po ohlajanju pa je skupaj z iglo (3) samodejno premakljiva nazaj v svoj izhodiščni položaj, označeno s tem, da je v območju prožilnega sklopa (A) predviden vsaj en varistor (4), ki je v omenjen električni tokokrog (L_b L₂; N_b N₂) vezan sam zase in se nahaja v toplotno-prevodnem stiku s termičnim odklopnikom (2).
2. Stikalo po zahtevku 1, označeno s tem, daje varistor (4) na voljo v obliki votlega valja.
3. Stikalo po zahtevku 2, označeno s tem, da je z varistorjem (4) obdana tuljava (12), ki se nahaja v toplotno-prevodnem stiku s termičnim odklopnikom (2), med tuljavo (12) in varistorjem (4) pa je prav tako zagotovljen toplotnoprevoden stik.
4. Stikalo po kateremkoli od zahtevkov 1 - 3, označeno s tem, daje eden od električnih polov varistorja (4) električno povezan s faznim vodnikom (L_b L₂) električnega tokokroga (L_b L₂; N_b N₂), preostali električni pol varistorja (4) pa z ničelnim vodnikom (N_b N₂) električnega tokokroga (L_b L₂; N_b N₂).
5. Stikalo po kateremkoli od zahtevkov 1-3, označeno s tem, daje eden od električnih polov varistorja (4) električno povezan s faznim vodnikom (L_b L₂) električnega tokokroga (L_b L₂; N_b N₂), preostali električni pol varistorja (4) pa z ozemljitvenim vodom električnega tokokroga (L_b L₂; N_b N₂).