SI9800018A - Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik - Google Patents

Abstract

Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik naj bi omogočal učinkovito prenapetostno zaščito električnih in elektronskih naprav za ekstremno visoke tokove, npr. 250 kA. Pri tem naj bi bil brez vsakršnih dodatnih prenapetostnih zaščitnih naprav skupaj s sicer običajnimi avtomatskimi varovalkami prigradljiv na standardno in v ta namen razpoložljivo letev (36), zlasti npr. na 35-milimetersko klobučno letev (36). To po drugi strani pomeni, da njegova višina oz. višina njegovega ohišja (33) ne bi smela bistveno presegati višine ohišja avtomatske varovalke, njegova širina oz širina njegovega ohišja (33) pa dvakratne širine ohišja običajne avtomatske varovalke, nameščene na omenjeno letev (36). Odvodnik po izumu obsega v ohišju (33) nameščen sklop značilno zasnovanih varistorjev (7), ki so med seboj povezani s pomočjo prav tako značilno zasnovanih kontaktnih plošč (59, 60). Pri tem z odklopnim mehanizmom (15) sodeluje javljalni sklop (16), po potrebi pa tudi daljinski javljalni sklop (17).ŕ

Description

Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik

Izum se nanaša na prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik, ki je predviden zlasti za zaščito električnih in elektronskih naprav pred električnimi preobremenitvami, do kakršnih lahko pride npr. pri udaru strele.

Pri tem je izum osnovan na problemu, kako zasnovati prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik, ki naj bi omogočal učinkovito prenapetostno zaščito električnih in elektronskih naprav za ekstremno visoke tokove, npr. tudi do 250 kA, pri tem pa naj bi bil brez vsakršnih dodatnih prenapetostnih zaščitnih naprav skupaj s sicer običajnimi avtomatskimi varovalkami prigradljiv na standardno v ta namen razpoložljivo letev, zlasti npr. na 35-milimetrsko klobučno letev, s tem da naj njegova višina oz. višina njegovega ohišja ne bi bistveno presegala višine ohišja običajne avtomatske varovalke, njegova širina oz. širina njegovega ohišja pa dvakratne širine ohišja običajne avtomatske varovalke, namestljive na omenjeno letev.

Eden izmed močnostnih prenapetostnih odvodnikov, ki se za zaščito proti direktnemu udaru strele oz. prenapetosti vse pogosteje uporabljajo pri raznovrstnih električnih napravah, je znan iz DE 42 36 584 Al. Tovrstne naprave naj bi se aktivirale pri udarih strele in drugih električnih preobremenitvah, kadar tok preseže 5 kA. Pri tem pa je njihov odziv razmeroma počasen, in sicer znaša odzivni čas vsaj 100 ns. Zato je potrebna še dodatna zaščita z razmeroma hitro odzivajočimi se varistorji in vmesna filtrska stopnja z ustrezno induktivnostjo ali pa npr. s primemo večjo induktivnostjo vodnikov do ščitene naprave.

Nadalje so v praksi že tudi znani varistorski odvodniki proizvajalcev Obo Bettermman, Phoenix (Nemčija) in Kleinhuis (Nemčija), ki vzdržijo udare do 100 kA oblike 8/20 ps. Pri teh napravah so vgrajeni varistorji standardnih oblik in karakteristik, namreč kvadratni varistoiji, katerih izmere so med drugim omejene z izmerami ohišja, v katerem so vgrajeni. Vendar za ekstremno visoke obremenitve v smislu tokovnih udarov pri direktnem udaru strele taki varistorski odvodniki ne zadostujejo. Kot primer lahko navajedemo, daje že pri takoimenovanem razredu B zaščite na vhodih v zgradbe potrebno vgrajevati odvodnike večjih odvodnih sposobnosti ali pa že omenjene občutno dražje kombinacije zaščitnih naprav na posamezni fazi ali vodniku.

Po izumu je uvodoma navedeni problem rešljiv s prenapetostnim zaščitnim varistorskim odvodnikom, ki obsega vsaj en v ohišju odvodnika nameščen varistorski sklop, kot tudi z javljalnim sklopom za identifikacijo okvare sodelujoč odklopni mehanizem, in sicer na ta način, da je v priročnem ohišju običajne in uporabnikom znane oblike, katerega širina ustreza dvakratni širini običajne avtomatske varovalke in ki je prigradljivo na običajno letev za pritrditev avtomatskih varovalk, prednostno na 35-milimetrsko klobučno letev za namestitev običajnih avtomatskih varovalk, nameščen varistorski sklop med seboj preko kontaktnih plošč električno povezanih varistorjev, od katerih je vsak po izumu modificiran in izveden kot pravokotna plošča z zaokroženimi vogali in robovi ter opremljen z zgornjim ovalnim oz. zaokroženim dodatkom in spodnjim ovalnim oz. zaokroženim dodatkom. Pri tem nadalje po izumu z osrednjo odprtino opremljene kontaktne plošče obsegajo vsakokrat po dva kontakta, od katerih eden sega v tisto območje ohišja, ki se nahaja nad vijakom z enakim potencialom, preostali pa v zgornje območje ohišja. Kot varistorji so predvideni selekcionirani oz. med seboj glede na karakteristike usklajeni metaloksidni varistorji, ki so med izdelavo ob upoštevanju vrste drugih tehnoloških in kontrolnih zahtev tudi vsaj starani in trikrat posrebreni. Pri tem nadalje površina v plastičnem ohišju nameščenih priključnih sponk smotrno znaša vsaj 10x10 mm. Omenjeni odklopni mehanizem je osnovan na učinku popuščanja spajke zaradi segrevanja kot posledice trajne električne preobremenitve. Javljalni sklop - namreč sklop za javljanje okvare obsega s spiralnimi vzmetmi in kovinskimi premičnimi kontakti odklopnega mehanizma sodelujoče plastične nosilce, ki so vodljivi v utorih ustreznega vodila, pri čemer vsak nosilec obsega vsaj po eno označbo za regularno stanje, ki je po možnosti zelena, in vsaj eno - po možnosti rdečo - označbo za okvaro. Daljinski javljalni sklop prednostno obsega prečno ploščo, ki je navaljena na skrajšanem kontaktu mikrostikala in ob katero je v primeru okvare naslonljiva glava vsakokrat ustreznega nosilca.

Primer izvedbe prenapetostne zaščitne naprave bo v nadaljevanju opisan na osnovi priložene skice, pri čemer kažejo sl. 1 shematično in v perspektivi ponazoijen primer izvedbe prenapetostnega zaščitnega varistorskega odklopnika po izumu, sl. 2 ohišje in način vgradnje naprave po sl. 1, sl. 3 shematično in v narisu ponazorjen način vgradnje varistorjev v ohišje naprave po izumu, sl. 4 v narisu ponazorjen varistor naprave po izumu, sl. 5 v narisu ponazorjen in v ohišju naprave po izumu razporejen varistorski sklop naprave po izumu, sl. 6 shematično in v perspektivi ponazorjen odklopni mehanizem naprave po izumu, sl. 7 detajl ureditve indikacije okvar po sl. 6, sl. 8 pa ureditev daljinskega javljanja pri napravi po izumu.

Zahvaljujoč rešitvi uvodoma navedenega problema je po izumu možno računati z zelo hitro in ekstremno učinkovito zaščito, in sicer pri obravnavanem primeru pri električnih preobremenitvah oz. udarih strele do 250 kA z odzivnim časom 6 ns. Pričujoči primer po sl. 1 - 8 obravnava napravo, kije pri 250 kA (pri 8/20 ps ali pri še hujšem standardnem udaru 25 kA pri 10/350 ps) zmožna nuditi prenapetostno zaščito električnih in elektronskih naprav pri udarih strele ali drugih prenapetostih ter s tem v večini možnih aplikacij nadomestiti naprave, znane iz stanja tehnike.

Pri pričujoči napravi je problem hitrega reagiranja zaščite odpravljen z vgradnjo takoimenovanih metaloksidnih varistoijev 7, ki pa so oblikovani in obdelani na poseben način. Razen tega je zelo zaželeno, da so varistoiji 7 med seboj izjemno tudi dobro usklajeni glede na njihove karakteristike, razen tega pa tudi usklajeni s spet med seboj dobro usklajenimi zaščitnimi varistorskimi napravami na energetskem napajanju.

Pogoji v smislu visokih tokov, kakršnim so izpostavljene tovrstne naprave, so obvladljivi z uporabo ustreznih elementov, zlasti razmeroma velikih priključnih sponk 18, 19 (sl. 1), prednostno večjih kot npr. 10 x 10 mm. Pri tem, so mišljeni tako fazni vodnik 20 in njegova priključna sponka 18 ter zemeljski vodnik 21, kot tudi posebna mehanska konstrukcija 14, ustrezno konstruirane notranje nosilne kontaktne kletke 23, 24, notranji preseki vodnikov v kovinskih trakovih 25, 26 in prevodih 27 ter posebna konstrukcija odklopa v primeru uničenja, razen tega pa tudi sklop 16 za javljanje napak in sklop 17 za daljinsko signalizacijo napak. Pri tem pomembno vlogo igra kakovostna obdelava galvaniziranih, varjenih in spajkanih lokacij. Ker gre za ekstremno visoke tokove, so zahtevani posebni tehnološki in kontrolni postopki.

Ohišje 33 je izvedeno iz visokoodpome plastike in je v danem primeru zgolj nekoliko, komaj opazno višje od ohišja običajne avtomatske varovalke. Vendar pa je v danem primeru ohišje 33 široko natanko toliko kot dve običajni avtomatski varovalki, tako da ga je možno brez nadaljnjega vgraditi na običajno, standardno 35-milimetrsko klobučno letev 36 (sl. 2) poleg omenjenih varovalk.

Prav ta značilnost, ki je v skladu z uvodoma zastavljenim problemom, je možna zahvaljujoč presenetljivo učinkovitemu posegu v varistorski sklop. Varistorji 7 so namreč izvedeni v obliki, kakršna je prikazana na sl. 3, tako daje prostor, ki je na voljo v ohišju 33, kar najbolje izkoriščen. Sicer razpoložljive izmere 37 x 51 mm je možno preseči, če so varistorji 7 kot pri napravi po izumu izvedeni v obliki pravokotne plošče z zaokroženimi vogali in robovi, opremljene z ovalnim oz. krožnim zgornjim dodatkom 41 ter ovalnim oz. krožnim spodnjim dodatkom 143. Na ta način je možno kar najbolj učinkovito slediti ugotovitvi, da je največja odvodna moč varistorja 7 na enoto površine največja pri okroglem varistoiju.

Vogali in robovi varistoija 7 so zaokroženi, ker bi sicer na teh mestih prihajalo do trikratne poljske jakosti, kar bi lahko povzročilo uničenje odvodnika. Iz istih razlogov je (sl. 5) kontakt 53 pomaknjen proti fazi v prostor blizu vijaka 54, ki ima isti potencial. Pri 60 kA varistoiju 7, ki je prikazan na sl. 5, je en kontakt 55 pomaknjen v prostor pokrova 56 ohišja 33, drugi kontakt 53 pa v prostor nad vijakom 54. Na ta način je en varistor 7 zmožen odvesti 60 kA pri 8/20 ps.

Takemu konceptu odvoda 60 kA in 5 x 60 kA so prirejene tudi kontaktne kovinske plošče 59, 60 varistorja 7, in sicer tako v smislu izbire materiala, oblike in presekov. Ker so kontaktne plošče 59, 60 izrazito zaokrožene in v sredini opremljene z odprtino, ki omogoča prevod zgolj skozi varistorsko keramiko, se ustrezno zmanjša preostala vrhnja napetost prehodnega pojava na varistorju v času motilnega impulza. Taka rešitev v primeijavi s tistimi pri konkurenčnih izdelkih, kjer se uporabljene polne ali zgolj perforirane plošče, daje bistveno boljše rezultate. Ureditev omenjene enotne odprtine namreč daje boljše rezultate zaradi neizogibnega staranja varistoija, ki je posledica prenapetostnih tokovnih in napetostnih udarov. Pri prednostnih izvedbah je kontaktna površina same varistorske keramike trikrat srebrena. Sicer pa so varistoiji 7 izvedeni iz keramične mase posebnih lastnosti, ki je razen tega tudi obdelana na poseben način. Tako je zagotovljen odvod pri velikih udarih toka in majhen tok v povratni smeri, namreč strokovnjakom znan tkzv. lekeage current. Varistorji za 60 kA odvodne tokove so tudi starani, in sicer že v času samega proizvodnega procesa.

Odklopni mehanizem 15 (sl. 6) s pomočjo sklopa 16 za javljanje napak (sl. 2) služi za odklapljanje v primeru okvare posamezne varistorske skupine 86, 87, 88 in obsega globoko v pokrov 56 ohišja 33 pomaknjene premične dele, in sicer v danem primeru tri spiralne vzmeti 67, tri kovinske premične kontakte 70 posebne oblike, velikosti presekov in materiala z izbrano galvansko prevleko. Razen tega so v danem primeru na voljo trije plastični nosilci 73, 74, 75, od katerih je vsak opremljen z označbama 76, 77 (sl. 7). Pri tem je označba 76 lahko npr. zelene barve in označuje regularen način delovanja, označba 77 pa npr. rdeče barve in označuje okvaro. Regularno premikanje plastičnih nosilcev 73, 74, 75 kontaktov 70 je omogočeno zahvaljujoč trojnemu vodilu 79 z utori 80, v katerih so na voljo ustrezna prozorna okenca. V primeru okvare varistorske skupine 86, 87, 88 trajen tok, ki teče skozi napravo, segreje varistor 7 in na njem prisotne kontakte na določeno temperaturo, pri kateri popusti spajka, s čimer se sproži odklopni mehanizem 15, namreč pripadajoča vzmeti 67 in premični kontakt 70, zaradi česar se ustrezen oz. vsakokrat pripadajoč plastični nosilec 73, 74, 75 premakne v položaj, ko je npr. skozi prozorno okence namesto pred tem zelene označbe 76 odtlej vidna rdeča označba 77.

Daljinsko javljanje okvare je s pomočjo sklopa 17 za javljanje napak (sl. 1) možno v danem primeru vzpostaviti na ta način, da plastični odklopni nosilci 73, 74, 75 (sl. 8) pri odklopu ob premiku z glavo 125 zadenejo ob posebno oblikovano prečno ploščo 116, kije navarjena na skrajšanem kontaktu 118 mikrostikala 122.

Claims (9)

1. PATENTNI ZAHTEVKI

   1. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik, obsegajoč vsaj en varistor (7), nameščen v ohišju (33), kot tudi z javljalnim sklopom (16) za identifikacijo okvare sodelujoč odklopni mehanizem (15), označen s tem, daje v ohišju (33), katerega širina ustreza dvakratni širini ohišja običajne avtomatske varovalke, višina pa vsaj približno višini ohišja običajne avtomatske varovalke in ki je prigradljivo na običajno letev (35) za pritrditev avtomatskih varovalk, prednostno na 35milimetrsko klobučno letev (36) za namestitev običajnih avtomatskih varovalk, nameščen varistorski sklop med seboj preko ustreznih kontaktnih plošč (59, 60) električno povezanih varistorjev (7), od katerih je vsak izveden kot vsaj v bistvu pravokotna plošča z zaokroženimi vogali in robovi ter opremljen z zgornjim ovalnim oz. zaokroženim dodatkom (41) in spodnjim ovalnim oz. zaokroženim dodatkom (143).
2. 2. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik po zahtevku 1, označen s tem, da z enovito osrednjo odprtino opremljene kontaktne plošče (59, 60) obsegajo vsakokrat po dva kontakta (53, 55), od katerih en kontakt (53) sega v tisto območje ohišja (33), ki se nahaja nad vijakom (54) z enakim potencialom, preostali kontakt (55) pa v zgornje območje (56) ohišja (33).
3. 3. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik po zahtevkih 1 in 2, označen s tem, da so varistorji (7) izvedeni kot selekcionirani oz. med seboj glede na karakteristike usklajeni metaloksidni varistorji (7) ter med izdelavo starani in trikrat posrebreni.
4. 4. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik po zahtevkih 1-3, označen s tem, da površina v plastičnem ohišju (33) nameščenih priključnih sponk (18, 19) znaša vsaj 10 x 10 mm.'
5. 5. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik po zahtevku 1, označen s tem, da je odklopni mehanizem (15) osnovan na popuščanju spajke zaradi segrevanja kot posledice trajnejše električne preobremenitve.
6. 6. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik po zahtevku 1, označen s tem, da javljalni sklop (16) obsega s spiralnimi vzmetmi (67) in kovinskimi premičnimi kontakti (70) odklopnega mehanizma (15) sodelujoče prednostno plastične nosilce (73, 74, 75), ki so vodljivi v utorih (80) vodila (79).
7. 7. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik po zahtevku 6, označen s tem, da vsak nosilec (73, 74, 75) obsega vsaj po eno označbo (76) za regularno stanje in vsaj eno označbo (77) za okvaro.
8. 8. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik po zahtevku 7, označen s tem, da nosilec (73, 74, 75) obsega vsaj po eno zeleno označbo (76) za regularno stanje in vsaj eno rdečo označbo (77) za okvaro.
9. 9. Prenapetostni zaščitni varistorski odvodnik po zahtevku 1, označen s tem, daje predviden tudi daljinski javljalni sklop (17), obsegajoč prečno ploščo (116), ki je navarjena na skrajšanem kontaktu (118) mikrostikala (122) in ob katero je v primeru okvare naslonljiva glava (125) vsakokrat ustreznega nosilca (73, 74, 75).