Устройство защиты от перенапряжения
Изобретение предназначено для защиты низковольтных установок, например, в железнодорожной сигнальной технике. Устройство состоит из нижней (2) и по меньшей мере одной верхней части (3) прибора, надеваемой на нижнюю часть (2), имеющую входные и выходные клеммы (4, 5) для электрических проводов и соединенные с ними контактные элементы в виде штекерных гнезд, а верхняя часть (3) имеет противоположные контактные элементы в виде штекерных вилок и по меньшей мере один включенный между двумя контактными элементами защитный элемент (6), а именно варистор. Между двумя соотнесенными друг с другом входными и выходными клеммами (4, 5) проходит по меньшей мере одна токопроводящая дорожка (7), так что при не надетой верхней части (3) токопроводящая дорожка (7) является разомкнутой. В по меньшей мере одной токопроводящей дорожке (7) в верхней части (3) прибора расположен по меньшей мере один размыкающий элемент (8), при размыкании которого вследствие недопустимого рабочего режима защитного элемента (6) соответствующая токопроводящая дорожка (7) является разомкнутой также и при надетой верхней части (3) прибора. Технический результат - обеспечение распознавания недопустимых рабочих режимов с помощью собственных системных механизмов и простота в использовании. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к устройству защиты от перенапряжения, прежде всего, для защиты низковольтных электрических установок, состоящее из нижней части прибора и по меньшей мере одной верхней части прибора, выполненной с возможностью надевания на нижнюю часть прибора, при этом нижняя часть прибора имеет входные и выходные клеммы для электрических проводов, и соединенные с входными и выходными клеммами контактные элементы, выполненные, прежде всего, в виде штекерных гнезд, при этом верхняя часть прибора имеет соответствующие контактным элементам противоположные контактные элементы, выполненные, прежде всего, в виде штекерных вилок, и по меньшей мере один включенный между двумя противоположными контактными элементами защитный элемент, прежде всего, варистор.
Провода измерительной техники, техники управления и техники автоматического регулирования составляют нервную систему промышленных установок. Подключенные к ним электронные измерительные цепи, цепи управления, цепи автоматического регулирования и коммутируемые цепи являются чувствительными к переходным перенапряжениям, которые могут возникнуть, прежде всего, из-за атмосферных разрядов, а также вследствие действий схемы, влияний сети вследствие индуктивных нагрузок или коротких замыканий в сетях электроснабжения. Эта чувствительность увеличилась пропорционально использованию электронных конструктивных элементов, прежде всего, транзисторов и тиристоров. Прежде всего, из-за переходных перенапряжений в большом объеме страдают интегральные схемы, находящие все большее применение.
Обычно электрические цепи тока работают бесперебойно с определенным для них напряжением или номинальным напряжением. Это не действует тогда, когда появляются перенапряжения. В качестве перенапряжений рассматриваются все напряжения, которые находятся выше верхней границы допуска номинального напряжения. К ним причисляются также переходные перенапряжения, которые могут возникать вследствие атмосферных разрядов, а также вследствие действий схемы или коротких замыканий в сетях электроснабжения, и могут гальванически, индуктивно или емкостно быть введены в электрические цепи тока. Чтобы в таком случае защитить от переходных перенапряжений электрические или электронные цепи, прежде всего, электронные измерительные цепи, цепи управления, автоматической регулировки и переключательные схемы в любом месте их использования, разработаны и известны уже более двадцати лет элементы защиты от перенапряжения для улавливания или же ограничения бросков напряжения.
Необходимые для защиты электропитания установок и приборов меры подразделяются в зависимости от выбора отводов и ожидаемого влияния окружающей среды по различным степеням. При этом устройства защиты от перенапряжения для отдельных степеней принципиально различаются степенью способности отвода и уровнем защиты.
При этом первая степень защиты (Тип 1) образуется молниеотводом, который устанавливается в виде самого мощного защитного устройства в системе центрального электроснабжения здания. Существенной составной частью подобного молниеотвода является искровой разрядник с по меньшей мере двумя электродами, при этом при зажигании искрового разрядника между двумя электродами возникает электрическая дуга.
Вторую степень защиты (Тип 2) образует, как правило, разрядник защиты от перенапряжения на базе варистора. Эта степень защиты еще раз ограничивает остающееся над молниеотводом остаточное напряжение. В зависимости от степени угрозы защищаемой установки или же защищаемого прибора в отдельных случаях может быть достаточно начать со второй степени защиты, то есть с разрядника защиты от перенапряжения.
Третья степень защиты (Тип 3) обозначается как защита приборов и, как правило, устанавливается непосредственно перед защищаемым прибором. С помощью защиты приборов достигается остаточное напряжение, которое является безопасным для подключенного прибора. Подобные приборы защиты от перенапряжения существуют в различных конструктивных формах, например в виде розетки, розеточного модуля или в виде модуля электрошкафа.
Рассматриваемое изобретение используется, прежде всего, в приборах для защиты от перенапряжения, которые служат для защиты приборов и выполнены в виде модуля электрошкафов. Однако изобретение не ограничено этим и принципиально может быть реализовано также в приборах для защиты от перенапряжения типа 1 или типа 2 или в технике автоматического управления.
Из соображений модульности, гибкости, а также для облегчения ремонтных работ модули электрошкафов зачастую выполнены состоящими из нескольких частей, при этом они состоят из неподвижно установленного основного элемента в качестве нижней части прибора и по меньшей мере одного сменного защитного штекера в качестве верхней части прибора. При этом основной элемент служит для закрепления устройства защиты от перенапряжения на монтажной рейке, а также для подключения отдельных электрических проводов, для чего основной элемент имеет соответствующие входные и выходные клеммы, которые могут быть выполнены с любой технологией подключения, например как винтовые клеммы, клеммы с пружинами растяжения, конусные штепсельные клеммы или быстросоединяемые клеммы. В зависимости от варианта осуществления подобное устройство защиты от перенапряжения может быть осуществлено в виде двухпроводниковой, трехпроводниковой или четырехпроводниковой защиты. Защитный штекер имеет собственную схему защиты от перенапряжения с защитным элементом или же элементами, приспособленными к соответствующему случаю использования.
Принципиально, на основной элемент могут быть надеты также два или несколько защитных штекера.
Устройство защиты от перенапряжения, от которого исходит изобретение, по существу уже описано в DE 3346753 C2. Помимо этого, подобные устройства защиты от перенапряжения уже многие годы продаются заявителем под названием "PLUGTRAB" (для сравнения: Phoenix Contact Prospekt "Überspannungsschutz TRABTECH 2005, стр.48-61). При этом существенный признак этих устройств защиты от перенапряжения заключается в возможности вставлять и вытягивать отдельные штекеры без прерываний и без нарушения импеданса. Для этого в нижней части прибора в проходящих насквозь между соотнесенными друг с другом входными и выходными клеммами токопроводящих дорожках расположены резисторы срабатывания. Так как основной элемент также при замене защитного штекера остается установленным в сквозном электромонтаже, является возможным, таким образом, вытягивание защитного штекера с целью проверки и замены без прерываний и без нарушения импеданса.
Для простого механического и электрического контактирования нижней части прибора с соответствующей верхней частью прибора нижняя часть прибора имеет соединенные с соединительными клеммами штекерные гнезда. а верхняя часть прибора имеет соответствующие штекерные вилки, так что верхняя часть прибора является надеваемой на нижнюю часть прибора без помощи инструментов. Дополнительно, известное устройство для защиты от перенапряжения имеет еще переключающий контакт в качестве генератора сигналов для дистанционного контроля состояния по меньшей мере одного защитного элемента, благодаря чему является возможным комфортный дистанционный контроль. Кроме того, например, из DE 20 2004006227 U1 известно, что верхняя часть прибора имеет оптическую индикацию состояния, которая выполнена с возможностью механического приведения в действие. Благодаря этому состояние устройства защиты от перенапряжения может быть просто опрошено непосредственно на приборе.
В определенных случаях использования, как, например, в железнодорожной сигнальной технике, существует относящееся к технике безопасности требование, которое заключается в том, что существенные ошибки в системе управления и системе функционирования сразу же обнаруживаются после их появления системно-ориентированным образом. При этом сообщения об ошибке посредством отдельного контакта дистанционного контроля точно так же недостаточно, как и оптической индикации на устройстве защиты от перенапряжения.
Поэтому в основу рассматриваемого изобретения положена задача усовершенствования вышеописанного устройства для защиты от перенапряжения таким образом, чтобы недопустимые рабочие режимы устройства защиты от перенапряжения являлись распознаваемыми непосредственно с помощью собственных системных механизмов защищаемой управляющей системы.
Эта задача в уже описанном устройстве защиты от перенапряжения прежде всего и по существу решена за счет того, что через верхнюю часть прибора, между двумя соотнесенными друг с другом входными и выходными клеммами проходит по меньшей мере одна токопроводящая дорожка, так что при ненадетой верхней части токопроводящая дорожка является разомкнутой, и в по меньшей мере одной токопроводящей дорожке в верхней части прибора расположен по меньшей мере один размыкающий элемент так, что при срабатывании размыкающего элемента вследствие недопустимого рабочего режима защитного элемента соответствующая токопроводящая дорожка является разомкнутой также и при надетой верхней части прибора.
Таким образом, в основе данного изобретения лежит отход от практикуемой в течение многих лет основной идеи, что вытягивание и вставление верхней части прибора должно происходить без прерываний и без нарушения импеданса. В отходе от теории DE 3346753 С2 и практики нижняя часть прибора у устройства защиты от перенапряжения согласно изобретению сознательно подключена так, что по меньшей мере одна токопроводящая дорожка при ненадетой верхней части прибора является разомкнутой. Тем самым сознательно отказываются от преимущества в техническом обслуживании вытягивания и втыкания верхней части прибора без прерываний и без нарушения импеданса.
Кроме того, благодаря тому, что по меньшей мере в одной токопроводящей дорожке в верхней части прибора расположен размыкающий элемент, реализуется функция размыкания контакта, лежащая в прохождении сигнала для симуляции обрыва провода. Так как в обычном режиме нормально закрытый размыкающий элемент срабатывает вследствие возникновения недопустимого рабочего режима защитного элемента, этот случай обнаружения ошибки защитного элемента посредством намеренного разъединения токопроводящей дорожки переносится непосредственно и прямо на защищаемую систему управления, так что она может быть извещена или же проанализирована внутренними механизмами, свойственными этой системе.
Благодаря тому, что по меньшей мере одна токопроводящая дорожка (обязательно) проходит через верхнюю часть прибора, простым образом также реализуется возможность ручного разрыва прохождения сигнала через токопроводящую дорожку, так как для этого необходимо только снять верхнюю часть прибора с нижней части прибора.
Согласно предпочтительному выполнению устройства для защиты от перенапряжения согласно изобретению все токопроводящие дорожки между двумя соотнесенными друг с другом входными и выходными клеммами проходят через верхнюю часть прибора, и в каждой токопроводящей дорожке расположен по меньшей мере один разъединительный элемент. Таким образом, возможен контроль всех приданных токопроводящим дорожкам защитных элементов. Появление недопустимого рабочего режима защитного элемента может согласно альтернативе приводить только к срабатыванию соотнесенного размыкающего элемента, так что размыкается также только соответствующая токопроводящая дорожка. Согласно другой альтернативе отдельные размыкающие элементы могут быть таким образом расположены по отношению друг к другу или же соединены между собой, что срабатывают несколько или все размыкающие элементы и, таким образом, размыкаются несколько или все токопроводящие дорожки, даже если недопустимый рабочий режим появился только у одного защитного элемента.
Согласно следующему предпочтительному выполнению изобретения в одной токопроводящей дорожке по меньшей мере два размыкающих элемента расположены последовательно по отношению друг к другу. При этом расположение обоих размыкающих элементов происходит таким образом, что на стороне токоотводящей дорожки, в которой расположен защитный элемент, расположено по одному размыкающему элементу. Таким образом, в случае появления неисправности надежное размыкание токопроводящей дорожки возможно и тогда, когда направление потока энергии в токопроводящей дорожке является двунаправленным. В отношении расположения отдельных размыкающих элементов дополнительно приводится ссылка на DE 19751482 С2.
Отдельные размыкающие элементы выполнены, предпочтительно, в виде предохранителей с тепловым реле, термически связанными с соотнесенными защитными элементами. Это имеет преимущество в том, что у выполненных в виде варисторов защитных элементов может быть определен не только нагрев защитного элемента, возникающий при отводе согласно назначению, но также и постепенный нагрев, возникающий вследствие процессов старения вследствие длительного тока утечки или перегрузки.
Как по существу уже известно из уровня техники, также у устройства для защиты от перенапряжения между нижней частью прибора и верхней частью прибора или же нижними частями прибора выполнено кодирование, так что исключаются ошибочные установки, например, у защитных штекеров различных уровней напряжения. При этом кодирование предпочтительно может быть выполнено «самокодирующимся», так что при первом надевании верхней части прибора нижняя часть прибора кодируется на соответствующий тип верхней части прибора. Дополнительно, нижняя часть прибора или верхняя часть прибора может иметь индикацию, которая сигнализирует о правильном состоянии сборки верхней части прибора в нижней части прибора. При этом в случае с индикацией речь может идти, прежде всего, об оптической или механической индикации.
Дополнительно, также у устройства для защиты от перенапряжения согласно изобретению верхняя часть прибора может иметь индикацию, которая сигнализирует о рабочем состоянии защитного элемента или же защитных элементов. Кроме того, устройство защиты от перенапряжения может иметь дополнительный контакт связи, так что возможен дополнительный дистанционный контроль.
Если нижняя часть прибора имеет клемму для заземления для подключения заземляющего провода, то клемма для заземления может быть соединена либо напрямую через расположенную в нижней части прибора монтажную ножку, либо опосредованно, например через газоразрядник к монтажной ножке, при этом монтажная ножка, предпочтительно, непосредственно при надевании нижней части прибора на монтажную рейку образует электрическое соединение с монтажной рейкой, проводящей потенциал «земли».
В деталях, существует множество возможностей для выполнения и усовершенствования устройства для защиты от перенапряжения. В этом отношении приводится ссылка как на зависимые от пункта 1 пункты формулы изобретения, так и на последующее описание предпочтительных примеров осуществления в сочетании с чертежами. На чертежах показаны:
фиг.1 возможная форма корпуса двухсекционного устройства для защиты от перенапряжения,
фиг.2 в схематическом изображении схемное устройство двух вариантов устройства для защиты от перенапряжения согласно изобретению,
фиг.3 схематическое схемное устройство третьего примера осуществления устройства для защиты от перенапряжения,
фиг.4 схематическое схемное устройство четвертого примера осуществления устройства для защиты от перенапряжения, и
фиг.5 схематическое изображение схемного устройства другого примера осуществления устройства для защиты от перенапряжения.
На фиг.1 показано изображение устройства 1 для защиты от перенапряжения, которое выполнено в виде модуля электрошкафа и имеет нижнюю часть 2 прибора, а также верхнюю часть 3 прибора, выполненную с возможностью надевания на нижнюю часть 2 прибора. Нижняя часть прибора имеет на своих обоих торцах входные клеммы 4 и выходные клеммы 5, которые, предпочтительно, выполнены в виде винтовых клемм или в виде клемм с пружинами натяжения и расположены в два ряда друг над другом со смещением. Для простого надевания верхней части 3 прибора на нижнюю часть 2 прибора в нижней части 2 прибора выполнены штекерные гнезда, а в верхней части 2 прибора - соответствующие штекерные вилки, при этом штекерные гнезда электропроводяще соединены с входными и выходными клеммами 4, 5, а штекерные вилки - с расположенными в верхней части 3 прибора защитными элементами 6.
На фиг.2-5 схематически показано схемное построение изображенного на фиг.1 двухсекционного устройства для защиты от перенапряжения. При этом деление на две части указано лишь штрихпунктирной линией между нижней частью 2 прибора и верхней частью 3 прибора.
При этом все примеры осуществления объединяет то, что токопроводящие дорожки 7 между двумя соотнесенными друг с другом входными и выходными клеммами 4, 5 проходят через верхнюю часть 3 прибора, так что при ненадетой верхней части 3 прибора токопроводящие дорожки 7 разомкнуты. Кроме того, все примеры осуществления объединяет то, что в каждой токопроводящей дорожке 7 расположен по меньшей мере один размыкающий элемент 8, при этом в примере осуществления согласно фиг.2а каждая токопроводящая дорожка 7 имеет именно один размыкающий элемент 8, в то время как в остальных примерах осуществления в каждой токопроводящей дорожке 7 расположены соответственно два размыкающих элемента 8, 9.
При этом оба размыкающих элемента 8, 9 расположены в каждом случае на стороне, имеющей защитный элемент 6 токоотводящей дорожки 10, так что в случае возникновения неисправности надежное отделение защитного элемента 6, выполненного, предпочтительно, в виде варистора, обеспечивается также и тогда, когда направление потока энергии в токопроводящей дорожке 7 является двунаправленным.
В примере осуществления устройства 1 для защиты от перенапряжения согласно фиг.3 с обеих сторон размыкающих элементов 8, 9 предусмотрены контрольные отводы 11, выполненные в виде контрольных гнезд, при этом контрольные отводы 11 расположены на верхней стороне верхней части 3 прибора, так что в собранном состоянии верхней части 3 прибора они являются легкодоступными.
В примерах осуществления согласно фиг.2 и 3 верхняя часть 3 прибора имеет функцию обслуживаемого вручную разъединителя для отдельных токопроводящих дорожек 7. Благодаря тому, что отдельные токопроводящие дорожки 7 проходят через верхнюю часть 3 прибора, при снятии верхней части автоматически происходит разделение отдельных токопроводящих дорожек 7 и, тем самым, электрического соединения между соотнесенными друг с другом входными и выходными клеммами 4, 5.
Помимо этого, в изображенных на фиг.4 и 5 схемах устройства 1 для защиты от перенапряжения согласно изобретению предусмотрены также дополнительные разъединители 12 на нижней части 2 прибора. Разъединители 12, выполненные, предпочтительно, в виде измерительных разъединителей, могут быть приведены в действие либо отдельно для каждой токопроводящей дорожки 7, либо совместно для нескольких токопроводящих дорожек 7.
В схеме согласно фиг.5 в нижней части 2 прибора наряду с разъединителями 12 предусмотрены еще несколько контрольных отводов 11. В изображенном здесь примере осуществления изобретения контрольные отводы 11 расположены как с обеих сторон обслуживаемых вручную разъединителей 12, так и с обеих сторон верхней части 3 прибора. Разумеется, при этом контрольные отводы 11 и разъединители 12 также могут быть выполнены комбинированно друг с другом, так что при втыкании разъединительного контактного ножа в контрольное место реализуется функция разъединителя.
Из изображения устройства 1 для защиты от перенапряжения согласно фиг.1 очевидно, что нижняя часть 3 прибора имеет монтажную ножку 13 для закрепления устройства 1 для защиты от перенапряжения на монтажной рейке 14. Если устройство 1 для защиты от перенапряжения согласно фиг.2-5 имеет клеммы заземления, то соответствующие соединительные элементы могут соединяться либо напрямую, либо через газоразрядник 15 с металлической монтажной ножкой 13, которая образует электрическое соединение с заземленной монтажной рейкой 14. Даже если клеммы заземления отсутствуют, опорный потенциал устройства 1 для защиты от перенапряжения может быть соединен с заземленной монтажной рейкой 14 через монтажную ножку 13.
1. Устройство для защиты от перенапряжения, прежде всего для защиты электрических низковольтных установок, состоящее из нижней части (2) прибора и по меньшей мере одной верхней части (3) прибора, выполненной с возможностью надевания на нижнюю часть (2) прибора,
при этом нижняя часть (2) прибора имеет входные и выходные клеммы (4, 5) для электрических проводов и соединенные с входными и выходными клеммами (4, 5) контактные элементы, выполненные прежде всего в виде штекерных гнезд,
при этом верхняя часть (3) прибора имеет соответствующие контактным элементам противоположные контактные элементы, выполненные прежде всего в виде штекерных вилок, и по меньшей мере один включенный между двумя противоположными контактными элементами защитный элемент (6), прежде всего, варистор, отличающееся тем, что через верхнюю часть (3) прибора между двумя соотнесенными друг с другом входными и выходными клеммами (4, 5) проходит по меньшей мере одна токопроводящая дорожка (7), так что при ненадетой верхней части (3) токопроводящая дорожка (7) является разомкнутой, и в по меньшей мере одной токопроводящей дорожке (7) в верхней части (3) прибора расположен по меньшей мере один размыкающий элемент (8) так, что при срабатывании размыкающего элемента (8) вследствие недопустимого рабочего режима защитного элемента (6) соответствующая токопроводящая дорожка (7) является разомкнутой также и при надетой верхней части (3) прибора.
2. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что все токопроводящие дорожки (7) между двумя соотнесенными друг с другом входными и выходными клеммами (5, 6) проходят через верхнюю часть (3) прибора, и в каждой токопроводящей дорожке (7) расположен соответственно по меньшей мере один разъединительный элемент (8).
3. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что в верхней части (3) прибора между по меньшей мере двумя противоположными контактными элементами расположены последовательно по отношению друг к другу два или более разъединительных элемента (8, 9) таким образом, что на имеющей защитный элемент (6) стороне токоотводящей дорожки (10) находится по меньшей мере по одному разъединительному элементу (8, 9).
4. Устройство для защиты от перенапряжения по п.2, отличающееся тем, что в верхней части (3) прибора между по меньшей мере двумя противоположными контактными элементами расположены последовательно по отношению друг к другу два или более разъединительных элемента (8, 9) таким образом, что на имеющей защитный элемент (6) стороне токоотводящей дорожки (10) находится по меньшей мере по одному разъединительному элементу (8, 9).
5. Устройство для защиты от перенапряжения по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что разъединительный элемент (8, 9) соотнесен с несколькими токопроводящими дорожками (7), так что при срабатывании разъединительного элемента (8, 9) вследствие недопустимого рабочего режима защитного элемента (6) являются разомкнутыми несколько токопроводящих дорожек (7).
6. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что отдельные разъединительные элементы (8, 9) выполнены в виде предохранителей с тепловым реле, термически связанными с соотнесенными защитными элементами (6).
7. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что в нижней части (2) прибора и/или в верхней части (3) прибора выполнен по меньшей мере один контрольный отвод (11), прежде всего контрольное гнездо.
8. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что в нижней части (2) прибора выполнен по меньшей мере один разъединитель (12), выполненный с возможностью ручного обслуживания, прежде всего разъединитель с контактным ножом.
9. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что между нижней частью (2) прибора и верхней частью (3) прибора или же верхними частями прибора выполнено кодирование.
10. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть (2) прибора или верхняя часть (3) прибора имеет индикацию, которая сигнализирует о правильном положении установки верхней части (3) прибора или же верхних частей прибора в нижней части (2) прибора.
11. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что верхняя часть (3) прибора имеет по меньшей мере одну индикацию, которая сигнализирует о рабочем состоянии защитного элемента (6) или же защитных элементов.
12. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть (2) прибора имеет по меньшей мере одну клемму заземления, которая прежде всего через металлическую монтажную ножку (13) напрямую или опосредованно соединена с потенциалом «земли», прежде всего с монтажной рейкой (14).
13. Устройство для защиты от перенапряжения по п.1, отличающееся тем, что верхняя часть (3) прибора имеет прежде всего бесконтактно регистрируемую возможность опроса состояния по меньшей мере одного защитного элемента (6) и/или по меньшей мере одного разъединительного элемента (8), прежде всего электронную метку.
