专利名称：保护和指示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种保护和指示装置。所述装置提供一种特殊故障情形发生的指示，尤其是一种可视指示。
背景技术：
本说明书是以防止设备遭受可能有害的瞬变过程为内容，例如闪电放电引起的瞬变过程，通过举例的方式对本发明进行描述。应当认识到，根据防止遭受因闪电引起的瞬变过程而进行的描述仅在于举例，除了这种具体的应用之外，本发明的具体实施例还可用于其它目的。
图1描述一套电气设备6，例如电话交换机或无线收发器，该电气设备容易遭受因线路2和4上的过电压瞬变过程而引起的损害。设备6通过接地网络在端点10处接地，该接地网络通常具有相关接地阻抗8。在属性上，阻抗8一般为电感性，但也可以为电阻性或电容性。
保护设备6的常见做法是在线路2、4和设备6之间串联嵌入一个保护模块。通常，这种保护模块包括有用于连接线路和大地的高电压击穿元件，如气体放电管(GDTs)和金属氧化物变阻器(MOVs)。如果线路2和4上发生了闪电放电或其它的瞬变过程，那么保护模块会将瞬变过程分流接入大地，从而保护所述设备。然而，结合典型的现有技术保护模块24，本文将描述与如图2所示的现有技术模块相关的问题。
参照图2，保护模块24包括第一和第二输入端12和14，以及第一和第二输出端26和28，这些输入端和输出端用于将所述模块串联在线路2、4和设备6之间，如图3所示。保护模块可配置用于保护单条线路，或者多于两条的线路。在内部，保护模块24包括连接在第一输入端12和第一输出端26之间的第一限辐电阻18。MOV30连接在第一输出端26和保护接地参考端22之间。同样地，另一个限辐电阻20连接在第二输入端14和第二输出端28之间。第二MOV32连接在第二输出端28和保护接地参考端22之间。最后，形如气体放电管(GDT)的气体放电器16连接在从第一和第二输入端12和14到保护接地参考端22之间。
图3描述使用中的保护模块24，其中，通过与表现为一定电势的接地阻抗的连接线将保护模块24和设备6连接至等电势的地线37，该接地阻抗可能是电阻、电容和电感的组合。为了便于说明，所述接地阻抗由电感线圈36和34表示。如前面所述，在保护模块24和设备6不充分或不正确连接至系统接地电位的情况下，接地阻抗36和34可能很大。
等电势的地线37通过接地导体连接至真实或真正的地线40，该接地导体表现为由电感线圈38代表的阻抗。
在接地良好的情况下，阻抗36可忽略不计，当线路2和/或4上的瞬变过程发生时，GDT16和MOVs 30和32能对设备6提供保护措施。然而，在接地不良的情况下，或是用于提供所述连接的电缆相当长，那么阻抗36很可能较大。如果在线路2和4上发生过电压瞬变过程，那么保护模块24将起作用，它借助MOVs30和32和GDT16将相关电流分流入大地。但是，在开始将电流分流入大地时，阻抗36将会引起在接线端22上的保护接地参考电压的升高。在传统的保护系统中，如模块24所提供的那样，所述保护接地参考电压的升高肯定通过接线端26和28影响到终端设备6。因此，瞬变电流流经设备6，并对设备6造成损害。
显然，在图2所示的现有技术电路中，内部分流元件MOVs30和32和GDT16开始工作的临界点取决于线路2和4上与接线端22上的保护接地参考电压相关的电压。若保护接地参考电压值上升，无论是何种原因，包括上述能确定的原因，那么电压的升高将会被反映到终端设备6。更确切地说，如果线路2和4上的瞬变过程导致设备6的损坏，那么所知的事实只是该设备没有得到充分的保护。但是，无法了解到保护设备的失败，是因为接地不良，还是模块24内的分流元件不合适，或是由于电涌或瞬变过程绕过保护模块24而直接作用于设备6。
从上述的分析可知，图2中模块所表示的现有技术保护装置类型存在着缺陷。即是，在保护接地参考电压升高时，图2中的保护模块类型不能提供足够的保护。另一个问题是，当保护接地参考电压的升高和瞬变过程引起终端设备损坏时，需要做大量的调查才能确定造成损坏的原因。
本发明的发明目的在于提供一种解决上述所提及的一个或多个问题的装置。
发明内容
根据本发明第一技术方案的内容，提供一种包括至少一个保护电路的保护装置，所述保护电路包括有输入接线端，输出接线端和接地参考接线端，用于保护与所述输出端相连接的电气设备避免遭受所述输入端的有害瞬变电压，所述电路进一步包括用于对所述有害瞬变电压做出响应，隔离所述输出接线端的隔离器；用于将与有害瞬变电压相关的瞬变电流传导入接地参考接线端的电涌放电器；和用于指示由瞬变电流与接地阻抗相互作用而引起的电压的出现的指示器。
更优选地，所述隔离器由连接在所述输入接线端和输出接线端之间的串联保护器件组成。
所述串联保护器件由瞬变阻隔器(TBU)组成。
在优选的具体实施例中，电涌放电器连接至所述输入接线端和所述串联保护器件一侧共有的节点。
所述指示器包括有保险丝或断路开关。
更优选地，所述指示器进一步包括有与所述串联保护器件相并联的若干串联的高电压击穿器件。
所述高电压击穿器件由金属氧化物变阻器(MOVs)组成。
在优选的具体实施例中，所述保险丝与至少一个所述相互串联的MOVs相并联。
更优选地，所述电涌放电器由气体放电管组成。
根据本发明第二技术方案的内容，提供一种包括至少一个保护电路的保护装置，所述保护电路包括有输入接线端，输出接线端和接地参考接线端，用于保护与所述输出端相连接的电气设备避免遭受所述输入接线端的有害瞬变电压，所述电路进一步包括用于将输出接线端与所述输入接线端上的有害瞬变电压相隔离的隔离装置；用于将与有害瞬变电压相关的瞬变电流传导入接地参考接线端的瞬变传导装置；和用于指示由瞬变电流与接地阻抗相互作用而引起的电压的出现的指示器。
所述隔离装置由诸如瞬变阻隔器(TBU)的串联保护装置组成。
在优选的具体实施例中，所述瞬变传导装置由诸如气体放电管(GDT)的气体放电器组成。
所述指示器由保险丝或断路开关组成。
根据本发明最后技术方案的内容，提供一种保护电气设备避免遭受有害瞬变电压的方法，该方法包括以下步骤将所述设备与所述有害瞬变电压相隔离；将与所述有害瞬变电压相关联的瞬变电流转移至接地网络；指示由瞬变电流与接地网络的阻抗相互作用而引起的电压的出现。
如下结合若干附图对优选的具体实施例的描述中，显然可知本发明不同技术方案的更多优选特征。
图1是需要防止遭受瞬变过程的电气设备示意图。
图2是用于保护电气设备的现有技术保护模块的电路图。
图3是使用中的图2所示现有技术保护模块示意图。
图4是根据本发明优选具体实施例的保护和指示模块示意图。
图5是使用中的接地良好的图4所示保护和指示模块示意图。
图6是使用中的接地不良的图4所示保护和指示模块示意图。
图7是根据本发明另一个具体实施例的保护和指示模块示意图。
图8描述图7所示的保护和指示模块的一种变化。
具体实施例方式
图4是根据本发明优选具体实施例的保护装置48的电路图。模块48可用于保护单个线路，然而使本发明提供如后述的用于保护多个线路的保护和指示模块也是简单直接的。模块48包括有形如串联保护器件的隔离器，即瞬变阻隔器(TBU)50。该TBU50连接在形如接线端42的输入接线端和形如接线端60的输出接线端之间。
一旦流经TBU的电流到达某个预置的触发级，该TBU将设置为断路器件。如果介于TBU两端之间的电压持续上升，那么最终该电压将达到使TBU可重新导电的击穿电压值。合适的TBU可从澳大利亚昆士兰州4104布里斯班市叶荣佳区海德路101号的Fultec Pty有限公司(Fultec Pty Ltd of，101 Hyde Rd，Yeronga，BrisbaneQLD 4104，Australia)购买。本发明人已在被授权的美国专利文件No.5,742,463和国际专利申请文件No.PCT/AU03/00175中对实现合适TBU的电路进行了描述。因此，可将专利文件US 5,742,463和PCT/AU03/00175的以引用的方式并入本文。
与TBU50并联的指示器电路包括两个串联的MOVs52和56。MOV52的启动电压设定为TBU50的击穿电压(或最大阻隔电压)值的很大部分。在当前描述的具体实施例中，MOV52的启动电压设定为TBU50的击穿电压值的94％。相比之下，MOV56的启动电压设定为TBU50的击穿电压值的较小部分。优选MOVs的工作点，使得在使用时与TBU相并联的MOVs的支路影响在指示器的保险丝熔断前后只变化很少。
在当前描述的具体实施例中，MOV56的启动电压设定为TBU50的击穿电压值的约5％。设定MOV52和MOV56的击穿电压之和小于TBU50的击穿电压值。形如保险丝58的指示器与MOV56相并联。形如GDT46的电涌放电器设置用于将来自接线端42的过电压瞬变电流传导入形如接线端62的接地参考接线端。
TBU50起到阻隔与接线端42上过电压相关联的电流电涌的作用，不管所述电流电涌是直接由介于保护模块48两端的电压电涌造成的，还是由于接地不良或其它原因间接导致的。
现在参照图5，所示保护模块48连接保护设备5，假设保护模块和设备5都接地良好并且接地阻抗可忽略不计。如果线路3上出现瞬变过电压，由此接线端42也出现瞬变过电压，那么流经TBU50的电流将达到所述TBU的触发值，从而导致TBU跳闸断路。处于断路状态的TBU50阻止任何另外的瞬变电流流入终端设备5，并且使得在输入端42上的电压加速上升，直至引发GDT46启动。当GDT46启动后，通过接线端62使线路3接地短路，从而将瞬变电流安全地分流至大地，并保护设备6。一旦瞬变电流已通过，GDT46和TBU50就恢复到正常状态。
与图5相比，图6表示保护模块48连接保护设备6，假设存在着不可忽略的接地阻抗，分别用电感线圈34、36和38表示。正如参照图5所述的例子，如果接线端42出现瞬变过电压，那么流经TBU50的电流将达到所述TBU的触发值，从而导致其跳闸断路。处于断路状态的TBU50阻止任何另外的瞬变电流流入终端设备5，因此在接线端60上的电压降至几乎为0。处于断路状态的TBUs使得在输入端42上的电压加速上升，直至引发GDT46启动。然而，当GDT46启动后，瞬变电流开始流入大地，接地阻抗与瞬变电流相互作用在接线端62处产生一个电压，由此在TBU50的输入端一侧也产生一个电压。如果接地阻抗足够大，那么这个电压可能接近于TBU的击穿电压。一旦这种情况发生，与TBU50并联的MOV器件开始传导电流并通过输出接线端60使一些电流流入终端设备6内。最初启动电压为TBU击穿电压值的94％的MOV52导通，一直到足够大的电流流过保险丝使其熔断。当保险丝熔断后，启动电压为TBU击穿电压值的5％的MOV56开始导通。所述熔断指示器保险丝58永久记录下由于接地不良而引起流经MOVs的支路电流。无论随后是否造成终端设备的损害，系统维修人员可利用保险丝58的状态来诊断出对设备6的保护失败是由于保护接地不良。
从上述对使用中的保护模块的描述可知，该保护模块的工作过程反复提到了一种方法，该方法包括如下步骤。首先，利用TBU50将设备6与输入端42上的有害瞬变电压相隔离。接着，TBU50的断路加速了将与所述有害瞬变电压相关的瞬变电流分流至包括有相关阻抗36和38的接地网络。
最后，保险丝58的熔断指示出由瞬变电流与相关阻抗相互作用而引起的高电压是由于接地不良造成的。
影响保护模块48工作的限制因素是，在很差的安装条件下保护接地电感很大，以至于保护接地参考电压特别高，使得TBU50不能阻隔电压的产生。
然而，正如上面所述的，在快要超过TBU的阻隔电压的情况下，MOVs将触发。MOVs的触发使过量的电压作用于终端设备，并可能会出现设备损害。值得注意的是，TBU/MOVs的结合将减少几乎完全依靠TBU50的阻隔能力而产生的保护接地电压的大小。该特点与如图1至图3的没有采用任何防止或减轻如此情形的现有保护技术相比，有着明显的优势。
在结合图4、5和6对本发明优选具体实施例的描述中，那些图中的所述保护和指示装置包括由GDT46、TBU50、MOV52和56和保险丝58构成的单条保护线路。很显然，所述保护和指示装置可通过增加额外的保护线路而直接适用于保护多条线路。例如，根据本发明的另一个优选具体实施例，图7表示专门设计借助保护线路68和70用于保护一对线路的保护和指示模块66。为了最小化元件数量，图8是图7中模块的一种变化，其中，使用三端口GDT72来代替图7中所示的一对两端口GDTs，为一对线路提供电涌放电。
尽管结合优选的具体实施例对本发明进行描述，但并不意味着本发明仅局限于这些具体实施例。对于本技术领域内熟练人员来说显而易见的等效的方法，结构，装置，工作过程，步骤和其它修改，都将落入如下所述权利要求的范围。
权利要求
1.一种包括至少一个保护电路的保护装置，所述保护电路包括有输入接线端，输出接线端和接地参考接线端，用于保护与所述输出端相连接的电气设备避免遭受所述输入端的有害瞬变电压，所述电路进一步包括用于对所述有害瞬变电压做出响应，隔离所述输出接线端的隔离器；用于将与有害瞬变电压相关的瞬变电流传导入接地参考接线端的电涌放电器；和用于指示由瞬变电流与接地阻抗相互作用而引起的电压的出现的指示器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述隔离器由连接在所述输入接线端和输出接线端之间的串联保护器件组成。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，电涌放电器连接至所述输入接线端和所述串联保护器件一侧共有的节点。
4.根据权利要求1或3所述的装置，其中，所述指示器包括有保险丝。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述指示器进一步包括有与所述串联保护器件相并联的若干串联的高电压击穿器件。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述高电压击穿器件由金属氧化物变阻器(MOVs)组成。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述保险丝与至少一个所述相互串联的MOVs相并联。
8.根据权利要求3所述的装置，其中，所述电涌放电器由气体放电管组成。
9.根据权利要求1所述的装置，该装置适用于为若干线路提供独立的保护。
10.一种包括至少一个保护电路的保护装置，所述保护电路包括有输入接线端，输出接线端和接地参考接线端，路用于保护与所述输出端相连接的电气设备避免遭受所述输入端的有害瞬变电压，所述电路进一步包括用于将输出接线端与所述输入接线端上的有害瞬变电压相隔离的隔离装置；用于将与有害瞬变电压相关的瞬变电流传导入接地参考接线端的瞬变传导装置；和用于指示由瞬变电流与接地阻抗相互作用而引起的电压的出现的指示器。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述隔离装置由串联保护装置组成。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述瞬变传导装置将由气体放电器组成。
13.根据权利要求10所述的装置，其中，所述指示器由保险丝组成。
14.根据权利要求10所述的装置，其中，所述指示器由断路开关组成。
15.一种保护电气设备避免遭受有害瞬变电压的方法，该方法包括以下步骤将所述设备与所述有害瞬变电压相隔离；将与所述有害瞬变电压相关联的瞬变电流转移至接地网络；指示由瞬变电流与接地网络的阻抗相互作用而引起的电压的出现。
全文摘要
一种保护装置，除了能保护电气设备避免遭受过电压瞬变过程，还能指示所述瞬变过程是否由接地不良引起的阻抗所造成。在一个具体实施例中，所述保护装置包括输入端、输出端和接地参考端，以及包括有对所述有害瞬变电压做出响应、隔离所述输出端的瞬变阻隔器。还包括有用于将与有害瞬变电压相关的瞬变电流传导入接地参考接线端的气体放电管；和设置与瞬变阻隔器相串联的、用于指示由瞬变电流与接地阻抗相互作用而引起的电压的指示器，例如保险丝或断路开关。
文档编号H02H9/02GK1666398SQ03815439
公开日2005年9月7日 申请日期2003年7月2日 优先权日2002年7月2日
发明者理查德艾伦哈里斯 申请人:富尔特克专营有限公司