CN116316510A - 具有热力的过载保护设备的过压保护设备 - Google Patents

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Abstract

本发明的主体是一种过压保护设备(10；10′)，该过压保护设备具有用于形成分级的保护级的至少两个过压保护元件(20；21；22)和至少一个纵向元件(30；40)，该纵向元件为了传输工作电流而电气地连接输入端子(13)和输出端子(14)，并且构造用于在过压情况下影响至少两个过压保护元件(20；21；22)的响应。该至少一个纵向元件(30；40)具有热力的过载保护设备(50；50′)，其构造为在达到触发温度时降低通过纵向元件(30；40)的可能的电流，以使纵向元件(30；40)转为安全状态。这例如通过跨接纵向元件(30；40)和/或中断纵向元件(30；40)的电流供应进行。

Description

具有热力的过载保护设备的过压保护设备
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分的过压保护设备，该过压保护设备具有用于形成分级的保护级的至少两个过压保护元件和至少一个纵向元件，其构造用于传输工作电流并且用于影响至少两个过压保护元件在过压情况下的响应。
背景技术
过压保护元件安装在电气装置或设施的过压保护区域内，其在特定的过压情况下响应，否则该过压在过压事件中可能导致电路中的故障和/或损坏。为此开发了过压保护元件，其将相关的装置和导线在非常短的时间内通过电位补偿短路。为此提供了具有相应特性的不同部件。这些部件的主要区别在于其响应性能及其导出能力。
保护电气***所需的措施在此根据导电体选择和预期的环境影响分为不同等级。各个等级的过压保护元件在此的区别在于导出能力和保护电平的大小。
第一保护级(类型1)通常由高性能的防护装置构造为闪电电流放电器。在此例如使用火花隙，其具有至少两个电极，在火花隙点火时在两个电极之间形成电弧。第二保护级(类型2)通常构成另外的过压导电体，其可以将通过第一保护级的闪电电流放电器余下的剩余电压再次降低。这种过压导电体通常基于压敏电阻基底构造。第三保护级(类型3)称作装置防护，并且通常直接安装在待防护的装置前。通过装置防护实现了对连接的装置无害的剩余电压。
因此，过压保护设备通常具有多个带组合保护电路的过压保护元件(部件)，因为这样可以结合期望的部件特有的优点。例如，第一过压保护元件用于粗保护并且第二过压保护元件用于精保护。过压保护元件尤其为充气的过压导电体(气体放电保护装置，气体放电管-GDT)，火花隙，压敏电阻(金属氧化物压敏电阻-MOV)或抑制二极管(瞬态电压抑制二极管-TVSD)。这种部件通常作为保护级间接地并联，其中，在过压保护元件之间布置所谓的纵向元件，其必须与相应的保护电路匹配。这意味着，在过压保护元件之间具有作为纵向元件的欧姆的或感应的去耦段，其造成分级布置的保护级时间偏移地响应。
在此，电子部件的过载会导致其在额定运行范围外工作。这例如通过损坏的零件上降低的零件绝缘强度所引起的功率转换而产生不允许的发热。如果部件的这种不允许的发热不被阻止，其可能导致例如周围的材料的损坏，产生烟雾或火灾危险。
因此在典型的如GDT,MOV,TVSD的过压保护元件中已知阻止不允许的发热的解决方案。例如，DE 10 2008 022 794 A1公开了热力的过载保护设备，如果具有至少两个电极的充气的过压导电体达到了使熔化元件融化的温度，则该过载保护设备使该过压导电体短路。
然而，具有多个分级的保护级的保护***中的纵向元件或去耦件也可能通过升高的额定电流或在相应应用中出现的短路电流而不允许地发热。可能的前置的保险装置在此仅提供有限的保护。在当今的***中出现的高的短路功率就可能造成非常快速的温度上升。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供一种针对过压为电气设备提供保护的过压保护设备，该过压保护设备进一步降低了通过零件不允许的发热而产生的危险。
该目的通过具有权利要求1的特征的过压保护设备实现。过压保护设备的有利的扩展方案在从属权利要求2-10中给出。
根据本发明的过压保护设备具有输入端子，输出端子，用于形成分级的保护级的至少两个过压保护元件和至少一个纵向元件。在此，根据本发明的过压保护设备可以在装置中通过其组件实现，其可以通过输入端子和输出端子连接在电气设备中以提供针对过压的保护。纵向元件电气连接输入端子和输出端子以传输工作电流。此外，第一过压保护元件连接在两个输入端子上以在输入侧在纵向元件前形成第一保护级，并且第二过压保护元件连接在两个输出端子上以在输出侧在纵向元件后形成第二保护级，从而在过压事件时通过电位补偿使连接在过压保护设备上的装置和导线短路。因此，在过压保护设备正常运行时，即在没有过压事件的状态下，有至少一个用电器的工作电流流经纵向元件，该用电器连接在过压保护设备上。相反，该工作电流在正常运行时则不流经过压保护元件。
至少两个作为保护级的过压保护元件以此方式间接地并联，其中，在两个过压保护元件之间具有至少一个纵向元件。这种纵向元件也称作去耦件或去耦段。可以设置两个以上的保护级，其中，每个保护级可以具有一个以上的过压保护元件。从而也可以具有多个纵向元件。尤其构造三个保护级。在现代的用于MSR***的过压保护装置(SPD-浪涌保护设备)中通常使用两个保护级。
使用例如充气的过压导电体(气体放电保护装置，气体放电管-GDT)，火花隙，压敏电阻(金属氧化物压敏电阻-MOV)和/或抑制二极管(瞬态电压抑制二极管-TVSD)作为过压保护元件。其具有不同的响应性能和导出能力，并且可以合适地结合到分级的保护级中，从而整体实现期望的过压保护。不同的过压保护元件尤其可以用于粗保护和精保护。例如，气体放电保护装置提供高导出能力，而TVS二极管提供低保护电平以及快速的响应性能。现代的过压保护设备使不同的过压保护元件相互配合，从而最优地利用其各自的优点。为了实现该目的而将纵向元件(去耦件)安装在过压保护元件之间。其在此为欧姆的或感应的去耦段，其造成分级布置的保护级时间偏移地响应。例如使用电阻或阻抗。
过压保护设备的至少一个纵向元件根据本发明因此构造用于影响至少两个过压保护元件在过压情况下的响应。这通过纵向元件在过压保护设备的电路中的布置以及通过所使用的电阻或阻抗的大小实现。
根据本发明规定，至少一个这种纵向元件具有热力的过载保护设备，其构造为在达到触发温度时降低通过纵向元件的可能的电流。如果纵向元件由于运行在不符合规定的范围中而不允许地发热，则将其转为安全状态。这样避免热过载以及由此避免由该过载产生的危险。在根据本发明的过压保护设备中，这样显著降低了通过零件不允许的发热产生的危险。这样有利地降低了材料损坏的风险，产生烟雾的风险或者甚至火灾危险。即使当今出现高短路功率的***的安全性也可以这样得到改善。
如果过压保护元件也具有防止不允许的发热的过载保护，则进一步降低了危险。例如在本发明的一个实施方式中规定，至少一个过压保护元件具有热力的过载保护设备，其构造为在达到触发温度时跨接过压保护元件和/或中断过压保护元件的电流供应。
在此，可能的电流通过纵向元件尤其减小到0A或接近0A的电流强度。然而其也可以降低到其他使纵向元件充分冷却的数值。为了将纵向元件转到这种安全状态，可能有不同的措施。一方面可以跨接纵向元件，使经过纵向元件的电流降低。这尤其通过对导线的短路进行，纵向元件通过该导线电气连接以传输电流。额外地可以流过短路电流并且触发优选前置的保险装置。另一方面可以通过合适的措施中断流向纵向元件的电流。这样也就关断了纵向元件。也可以将这些措施结合。热力的过载保护设备可以为此构造成不同的类型。
在本发明的第一实施方式中，热力的过载保护设备具有接触元件。达到触发温度促使接触元件运动，由此跨接纵向元件和/或中断纵向元件的电流供应。在本发明的另一实施方式中，纵向元件通过端子电气地与导体电路载体的导体电路连接。热力的过载保护设备还是具有接触元件，并且达到触发温度促使接触元件运动，由此使两个端子上的导体电路通过接触元件电气连接。在一个替代的实施方式中，两个端子通过接触元件直接相互连接。纵向元件这样总体上通过接触元件跨接，也就是说使端子上的导体电路短路。
在本发明的另一实施方式中，接触元件的运动使纵向元件之前和/或之后的电流路径断开。在多个措施结合时，既使纵向元件之前和/或之后的电流路径断开，也使纵向元件跨接。这样使电流还可以流经过压保护设备，而关断产生不允许的发热的纵向元件。
尤其将接触元件通过热敏连接连接到纵向元件上。在达到触发温度时该热敏连接的瓦解使接触元件运动。该热敏连接例如为钎焊连接。然而也可以使用其他类型的熔化接触。
这样确定热敏连接的材料，形状和布置，使热敏连接在触发温度松开，该触发温度基本等于纵向元件不应超过的温度。为了使接触元件在热敏连接松开时运动，优选使其预紧和/或在外部弹簧力的作用下安装。预紧或弹簧力尤其反向于热敏连接的保持力作用。如果预紧或弹簧力超过热敏连接的保持力，则该热敏连接松开并允许接触元件运动。接触元件则打开或关闭接触部。然而本发明也包括这样的实施方式，其中，预紧或弹簧力沿热敏连接的保持力的方向作用。在这种实施方式中，热敏连接融化时屈服于压力，接触元件由此可以运动。
接触元件的触发状态可以是持续的或仅是暂时的。因此，在本发明的一种实施方式中规定，热力的过载保护设备构造为在达到触发温度时持续地或暂时地跨接纵向元件和/或中断纵向元件的电流供应。经过纵向元件的可能的电流暂时的减小例如通过接触元件实现，该接触元件至少部分地由形状记忆材料、如双金属构成。在待保护的纵向元件发热时，双金属变热并且变形，由此使接触部闭合或松开。现在，纵向元件可以与双金属一起冷却。在冷却完成之后，双金属运动回其初始位置，并且纵向元件再次在电流回路中激活。
具有多个保护级的过压保护设备通常也具有多个纵向元件。在这种情况下，优选设置多个纵向元件，其具有相应的热力的过载保护设备。
根据本发明的过压保护设备尤其可以应用在测量和控制技术中并且用于保护低压电气装置。此外，相应的过载保护设备也可以事后地设置在现有的过压保护设备的纵向元件上。
附图说明
本发明的其它优点、特点和有利的扩展方案由从属权利要求和以下根据附图对优选实施例的描述给出。其中，
图1示出了两级过压保护设备的示意图，
图2示出了三级过压保护设备的示意图，
图3示出了纵向元件跨接的示意图，
图4示出了纵向元件分离的示意图，
图5示出了在正常状态中的具有过载保护设备的第一实施方式的纵向元件的两个视图(a)和(b)，
图6示出了根据图5的纵向元件在触发状态下的两个视图(a)和(b)，
图7示出了在正常状态中的具有过载保护设备的第二实施方式的纵向元件的两个视图(a)和(b)，
图8示出了根据图7的纵向元件在触发状态下的两个视图(a)和(b)，
图9示出了在正常状态下的具有过载保护设备的第三实施方式的纵向元件的示意图，以及
图10示出了根据图9的纵向元件的触发状态。
具体实施方式
根据本发明的过压保护设备具有多个分级的保护级，也就是说具有两个或更多个保护级。图1示意性地示出了两级的过压保护设备10的结构，而图2示意性地示出了三级的过压保护设备10′的结构。然而该简化的结构仅视为示例性的，从而在其上阐明根据本发明的过压保护设备的重要特征。过压保护设备可以在细节上设计得复杂得多并且具有其它组件。
两级过压保护设备10具有两个输入端子13和两个输出端子14。过压保护设备10通过输出端子14直接或者间接地与一个或者多个用电器(未示出)连接。这同样适用于具有其输出端子14的三级过压保护设备10′。
为了形成分级的保护级，设置至少两个过压保护元件，该过压保护元件构造用于快速地以电位补偿来短路。两级过压保护设备10具有两个过压保护元件20和21。过电压保护元件20在这种情况下是用于粗保护的气体放电保护装置，而过电压保护元件21是用于精保护的抑制二极管。在三级过压保护设备10′中，压敏电阻22用作中间级。
此外，设置至少一个纵向元件，其电连接输入端子13和输出端子14，以便使工作电流通过路径11传输。在两级的过压保护设备10中，涉及作为欧姆去耦段的两个纵向元件30和31，其中第二纵向元件31同样位于输出端子14与输入端子13之间的路径12中。在三级的过压保护设备10′中，作为感应去耦段的四个纵向元件40，41，42和43位于路径11和12中。
在两级的过压保护设备10中，用于形成第一保护级的第一过压保护元件20，如气体放电保护装置，在输入侧在纵向元件30之前连接到两个输入端子13上，并且为了形成第二保护级，如抑制二极管那样的第二过压保护元件21在输出侧在纵向元件30之后连接到两个输出端子14上。纵向元件30因此电气地位于两个过压保护元件20和21之间，这也适用于纵向元件31。所述至少一个纵向元件30，31构造用于在过压情况下影响所述至少两个过压保护元件20、21的响应。过压保护元件20和21因此间接地并联。这同样适用于三级的过压保护设备10′的三个过压保护元件20，21和22以及它们的纵向元件40，41，42和43。
通过不同部件的这种结合可以汇总所期望的零件特有的优点。例如，图1中的气体放电保护装置和抑制二极管的这种电路组合提供了用于敏感信号接口的标准保护电路。这种组合以最佳保护电平提供了高性能和快速响应的保护。在此，纵向元件引起分级布置的保护级的时间上错开的响应，其中，首先抑制二极管21响应并且随后气体放电保护装置20响应。图1所示的电路提供了在低电压极限值下的快速响应的优点，并且同时具有高导出能力。根据图2的具有感应去耦的三级的保护电路根据相同的原理工作。然而，这里的整流以两个步骤进行：首先从抑制二极管21到压敏电阻22上，并且然后进一步到气体放电保护装置22上。
在一种原则上如此设计的过压保护设备中，至少一个纵向元件设有热力的过载保护设备，其构造用于在达到触发温度时降低通过纵向元件的可能的电流，从而将其转换到安全状态中。在此基本上遵循两种方案。纵向元件在达到触发温度时被跨接和/或中断纵向元件的电流供应。在第一种方案中，纵向元件可以说被短路，并且在第二种方案中，纵向元件可以说被关断或分离。也可以将这两种方案结合。
图3示意性示出了在跨接路径11中的纵向元件30的方案中，热力的过载保护设备50对纵向元件30的作用方式。纵向元件30的温度升高例如促使其他打开的接触部关闭，由此使纵向元件30短路。图4示意性地示出了在分离纵向元件的方案中，替代的热力的过载保护设备50′对纵向元件30的作用方式。纵向元件30的温度升高例如促使路径11中的其他闭合的接触部的打开，由此阻止至纵向元件30的电流。
图5至10示出了热力的过载保护设备的不同实施方式，利用这些实施方式可以实现所述措施。它们的共同点在于其都具有接触元件，并且在达到触发温度时引起接触元件的运动，通过该运动跨接纵向元件。各个接触元件通过热敏连接而连接到纵向元件上。
图5示出了在正常状态中具有过载保护设备的第一实施方式的纵向元件30的两个视图(a)和(b)。接触元件51通过热敏连接53连接在纵向元件30上。接触元件51弓形地构造并且其尺寸延伸到纵向元件30的两个连接区域34、35中，该连接区域实现了纵向元件在电流路径中的电气连接(未示出)。接触元件51经由接触夹54保持在纵向元件30上，其中该接触元件尤其借助接触夹54卡在纵向元件30的中间区域上。这种类型的过载保护设备因此也可以事后地卡在已有的纵向元件上，以便为其设置热力的过载保护设备。
接触元件51通过形式为熔化元件53的热敏连接连接在纵向元件30上。如果纵向元件30发热到一定的触发温度，则熔化元件53液化。
此外，接触元件51预紧地和/或弹簧加载地安装，更确切地说，力由此沿两个箭头的方向作用到接触元件51的两个端部上。这些力可以通过适当的措施，如弹簧、止挡等产生。接触元件在该状态下不接触两个端侧的连接区域34，35。然而如果熔化元件53在纵向元件30的不允许的发热的情况下熔化，接触元件51则屈服于作用到其上的力并且接触两个连接区域34，35。因此，两个连接区域34，35被短路并且纵向元件30总体上在电流路径中被跨接。图6示出了这种触发状态。
图7示出了在正常状态中具有过载保护设备的第二实施方式的纵向元件30的两个视图(a)和(b)。在纵向元件30上同样通过热敏连接53连接接触元件51。接触元件51通过接触夹54保持在纵向元件30上，其中接触元件尤其借助接触夹54卡在纵向元件30的连接区域35上。因此，这种类型的过载保护设备也可以事后地卡在已有的纵向元件上，以便为其设置热力的过载保护设备。
接触元件51通过一个形式为熔化元件53的热敏连接连接在纵向元件30的连接区域34上。此外，接触元件51预紧地和/或弹簧加载地安装，确切地说，力由此在箭头的方向上作用到接触元件51的位于连接区域34的区域中的端部上。然而，接触元件在该状态下不接触连接区域34。如果熔化元件53在纵向元件30的不允许的发热的情形中熔化，接触元件51则屈服于作用到其上的力并且接触连接区域34。因此，两个连接区域34，35通过接触元件和接触夹54短路并且纵向元件30总体上在电流路径中被跨接。图8示出了这种触发状态。
图7和8的这种实施方式也可以变型成仅暂时地使纵向元件短路的过载保护设备。例如，熔化元件53和作用在接触元件上的力可以被省略。于是，接触元件51在正常状态下与连接区域34间隔。然而，接触元件至少部分地由形状记忆材料，例如双金属构成。如果双金属发热，则接触元件51朝连接区域34的方向变形，直到在接触元件51和连接区域34之间建立电接触。该触发状态对应于图8中的情况。
纵向元件30因此短路并且能够冷却。由此，双金属也冷却，从而在纵向元件成功冷却之后，双金属又返回到其原始的形状和位置。接触元件51与连接区域34之间的接触再次松开，并且短路被消除。
图9和10示出了过载保护设备的另一种可能的实施方式，其不直接短路纵向元件30，而是短路其上安装有纵向元件30的导体电路16。导体电路16位于平的导体电路载体15上并且形成电流路径。纵向元件30通过端子32，33导电地安置在这些导体电路16上，这例如通过钎焊连接进行。弓形的接触元件52与端子33侧的导体电路16中的一个连接。此外，接触元件52伸过纵向元件30并且通过熔化元件53与其接触。其不接触端子32区域中的导体电路16，然而力沿箭头方向作用到接触元件52的该端部上。该力可以通过接触元件52的预紧和/或外部的弹簧力产生。图9示出了过载保护设备的该正常状态。
现在，如果熔化元件53加热，熔化元件则***并且屈服于接触元件52的压力。因此，接触元件52可以接触端子32区域内的导体电路16，由此接触元件完全跨越纵向元件30并且形成短路桥。该触发状态在图10中示出。
图9和10的实施方式可以如下变化，即，弓形的接触元件52在正常状态下在两个端子32、33的区域中不具有与导体电路16的接触。在触发状态下，该接触元件则向着纵向元件30的方向下沉并且接触两个端子32，33区域内的导体电路16，以便使纵向元件30短路。各种其它变型也是可能的。
此外可以规定，当作用在接触元件上的力超过热敏连接的保持力时，通过瓦解热敏连接释放预紧的或弹簧加载的接触元件从而打开接触部。因此，能够中断到纵向元件的可能的电流。
附图标记说明
过压保护设备10，10′
路径11,12
输入端子13
输出端子14
导体电路载体 15
导体电路 16
过压保护元件，气体放电保护装置20过压保护元件，抑制二极管21过压保护元件，压敏电阻22
纵向元件，去耦电阻30,31
端子32,33
连接区域34,35
纵向元件，去耦电感40,41,42，43过载保护设备50，50′
接触元件51,52
熔化元件 53
接触夹 54

Claims (10)

1.一种过压保护设备(10；10′)，该过压保护设备具有输入端子(13)、输出端子(14)、用于形成分级的保护级的至少两个过压保护元件(20；21；22)、和至少一个纵向元件(30；40)，该纵向元件为了传输工作电流而电气地连接所述输入端子(13)和所述输出端子(14)，其中，第一过压保护元件(20；21；22)为了形成第一保护级在输入侧在所述纵向元件(30；40)之前连接到两个输入端子(13)上，并且第二过压保护元件(20,21,22)为了形成第二保护级在输出侧在所述纵向元件(30；40)之后连接到两个输出端子(14)上，并且至少一个所述纵向元件(30；40)构造用于在过压情况下影响至少两个所述过压保护元件(20；21；22)的响应，
其特征在于，
至少一个所述纵向元件(30；40)设有热力的过载保护设备(50；50′)，热力的所述过载保护设备构造为用于在达到触发温度时减少通过所述纵向元件(30；40)可能的电流。
2.根据权利要求1所述的过压保护设备，其中，热力的所述过载保护设备(50，50′)构造用于在达到触发温度时跨接所述纵向元件(30；40)和/或中断所述纵向元件(30；40)的电流供应。
3.根据权利要求1或2所述的过压保护设备，其中，热力的所述过载保护设备(50)具有接触元件(51)，并且在达到触发温度时引起所述接触元件(51)的运动，通过该运动跨接所述纵向元件(30；40)和/或中断所述纵向元件(30；40)的电流供应。
4.根据权利要求1所述的过压保护设备，其中，至少一个所述纵向元件(30；40)通过端子(32；33)与导体电路载体(15)的导体电路(16)电连接，热力的所述过载保护设备(50)具有接触元件(52)，并且在达到触发温度时引起所述接触元件(52)的运动，通过该运动使两个端子(32；33)处的所述导体电路(16)通过所述接触元件(52)电连接。
5.根据权利要求3所述的过压保护设备，其中，所述接触元件(51；52)预紧地安装和/或外部的弹簧力作用到所述接触元件(51；52)上。
6.根据权利要求3所述的过压保护设备，其中，所述接触元件(51；52)通过热敏连接连接到所述纵向元件(30；40)上，并且所述热敏连接的瓦解引起所述接触元件(51；52)的运动。
7.根据权利要求1所述的过压保护设备，其中，热力的所述过载保护设备(50；50′)构造用于在达到触发温度时持续地或暂时地跨接所述纵向元件(30；40)和/或中断所述纵向元件(30；40)的电流供应。
8.根据权利要求3所述的过压保护设备，其中，所述接触元件(51；52)至少部分地由形状记忆材料形成。
9.根据权利要求1所述的过压保护设备，其中，设置有多个所述纵向元件(30；40)，所述纵向元件设有相应的热力的过载保护设备(50；50′)。
10.根据权利要求1所述的过压保护设备，其中，至少一个所述过压保护元件(20；21；22)设有热力的过载保护设备，所述过载保护设备构造用于在达到触发温度时跨接所述过压保护元件(20；21；22)和/或中断所述过压保护元件(20；21；22)的电流供应。
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