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Die
Erfindung betrifft eine Überstromschutzeinrichtung
für den
Einsatz in Überspannungsschutzgeräten mit
zusätzlichem
mechanischen Auslöser, bevorzugt
als Schlagbolzen ausgeführt,
gemäß Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Überspannungsschutzgeräte werden
in elektrischen und informationstechnischen Netzen zum Schutz der
Anlagen, Verbrauchern und Endgeräten eingesetzt.
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Derartige Überspannungsschutzgeräte begrenzen
insbesondere bei transienten Überspannungsereignissen,
z.B. Blitzereignissen, die Spannung auf unkritische Werte.
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Die
Begrenzung erfolgt bei Überspannungsereignissen
durch die Ableitung von Impulsströmen im Querpfad und damit im
allgemeinen parallel zu den Verbraucheranschlüssen.
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Als Überspannungsschutzelemente
werden unter anderem Funkenstrecken, Varistoren, Suppressordioden,
Gasableiter, Kapazitäten
und nichtlineare Widerstände
sowie deren Kombinationen eingesetzt.
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Die
vorstehend erwähnten
Elemente besitzen im Allgemeinen ein nichtlineares Ansprechverhalten
bzw. eine nichtlineare Kennlinie.
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Bei
häufigem
Ansprechen dieser Elemente bzw. bei Überlast in Folge von zu hohen
bzw. zu lange andauernden Überspannungen
oder Strömen kann
es zur allmählichen
Alterung oder zur Zerstörung
der Überspannungsschutzgeräte kommen.
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Bei
der üblicherweise
gestaffelten Anordnung von Überspannungsableitern
mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit
und/oder unterschiedlichem Überspannungsschutzpegel
kann infolge der Alterung oder auch infolge von Änderungen der Anlage die Überlastgefahr
selbst bei ursprünglich
richtiger Dimensionierung und Koordination der Überspannungsableiter steigen.
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Eine Überlastung
derartiger koordinierter Geräte,
häufig
mit unterschiedlichen Wirkprinzipien, kann zu ungewollten und teilweise
die gesamte Anlage gefährdenden
Schäden
führen.
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Die
Ursachen für
eine Überlastung
sind hierbei vielfältig
und spezifisch für
das jeweilige Schutzgerät.
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Bei
einem beispielhaft erwähnten
Varistor können
bei allmählicher
Alterung durch sehr kleine Leckströme über einen längeren Zeitraum Zerstörungen auftreten.
Als Schutz gegen derartige Belastungen werden daher in vielen Fällen thermische
Abtrennvorrichtungen eingesetzt.
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Mittels
thermischer Abtrennvorrichtungen kann innerhalb ihres Schaltvermögens bei
kleinen Leckströmen
im Bereich von mA bis einigen A und im Niederspannungsbereich des
Varistors üblicherweise
ein ausreichender Schutz realisiert werden.
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Wird
der Varistor mit Impulsströmen
oberhalb seines Leistungsvermögens
oder mit extrem hohen Strom- und Spannungssteilheiten belastet,
kann der Varistor durch- oder überschlagen
werden.
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Bei
der Belastung mit lang andauernden transienten bzw. netzfrequenten Überspannungen kann
es hingegen zum thermischen Durchlegierung oder zum Durchschlagen
des Varistors nach einem Zeitverlauf von einigen zehn ms kommen.
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Letztgenannte
Fehler können
durch bekannte thermische Abtrennvorrichtungen nicht beherrscht werden,
da deren Ansprechzeit im Regelfall mehrere Sekunden beträgt.
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Aus
vorstehend genanntem Grund ist es daher üblich, Varistoren in Reihenschaltung
mit einer konventionellen elektrischen Schmelzsicherung oder Schaltgeräten zu betreiben.
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Die
Hersteller von Varistorscheiben geben für einen ausreichenden Schutz
häufig
den maximalen Nennstromwert derartiger Vorsicherungen an. Übliche Schmelzsicherungen
sprechen bei Impulsstrombelastung im Allgemeinen bereits deutlich
unterhalb ihres theoretischen adiabatischen Schmelzintegralwerts
an.
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Bei
kurzen, aber hohen Impulsströmen,
mit denen die Varistoren belastet werden, liegt jedoch die Belastungsgrenze
der Varistoren bereits deutlich über
dem theoretischen Wert der Sicherungen und somit weit über den
praktischen Maximalwerten dieser.
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Dies
bedeutet, Impulswerte, welche die Varistoren problemlos mehrfach
ableiten, können
bereits bei einmaliger Belastung zur Zerstörung der Sicherung führen, die
zum Schutz der Varistorscheibe nach deren Herstellerangeben maximal
zulässig
ist.
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Um
das Leistungsvermögen
der Varistorscheibe möglichst
einfach auszunutzen, werden von Herstellern von Überspannungsschutzgeräten daher häufig größere Sicherungen
empfohlen. Dies kann jedoch im Fehlerfall aufgrund der höheren I2t-Belastung, welche infolge der zu späten Auslösung auftritt, zu
erheblichen Schäden
an den Geräten
führen.
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Neben
der Schutzfunktion des Überspannungsschutzelements
wird das Ansprechen der Sicherung häufig als Anzeigekriterium für die Überlastung
und die Abtrennung des Überspannungsschutzelements
genutzt.
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Hierzu
wird die Stromunterbrechung bzw. der erhöhte Spannungsabfall über der
Sicherung ausgewertet.
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Neben
der optischen Anzeige wird das elektrische Signal auch für akustische
Anzeigen oder das Öffnen
und Schließen
von Schaltern zur Fernmeldung verwendet. Die Nutzung der elektrischen
Energie zur Signalabgabe besitzt jedoch mehrere Nachteile.
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Viele
Anzeigen benötigen
Energie und verursachen ungewollte Leckströme. Die Abschaltung bei Stoßstrombelastungen
von Sicherungen ist häufig undefiniert
und ungewollt.
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Der
Schmelzleiter von Sicherungen kann nach der Impulsbelastung verschiedenste
Schäden aufweisen,
welche von der Auftrennung von einzelnen parallelen Engstellen bis
hin zur gesamten Zerstörung
des Schmelzleiters führen
können,
ohne daß eine
an sich gewünschte
hochohmige Unterbrechung eintritt.
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Aufgrund
vorstehender Erläuterungen
sind Ströme
im mA- oder auch im A-Bereich
noch möglich,
ohne daß die
Anzeigefunktion den Defekt des Geräts anzeigt. Dies kann bei einem
erneuten Überspannungsereignis
trotz Kontrolle der Anlage zu erheblichen Schäden führen.
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Die
Ursache für
das geschilderte Verhalten liegt in der unterschiedlichen Funktionsweise
der Sicherung bei netzfrequenten Fehlerströmen im Längszweig und bei Impulsströmen im Querzweig.
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Bei
einer netzfrequenten Stromüberhöhung im
Längszweig,
welche zum Ansprechen der Sicherung führt, stellt die Schmelzleiterunterbrechung
die einigste Unterbrechungsstelle dar und die Spannungsfestigkeit
der ausgelösten
Sicherung muß höher sein
als die Netzspannung.
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Dies
führt zu
einer hochohmigen und recht langen Trennstrecke innerhalb der Sicherung.
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Im
Querzweig hingegen wird die Netzspannungsfestigkeit im Allgemeinen
durch das Überspannungsschutzgerät, selbst
noch bei mäßigen Überlasten, übernommen.
Das heißt,
die Sicherung wird selbst nach ihrem Ansprechen nicht zwangsweise mit
der Netzspannung belastet. Dies führt mitunter zu einer undefinierten
Trennstrecke innerhalb der Sicherung.
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Andererseits
führen
Impulsströme
häufig
zu einer erheblichen mechanischen Belastung des Schmelzleiters und
zu einer stark unterschiedlichen Stromverteilung in den üblicherweise
parallelen Engstellen des Schmelzleiters.
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Hierdurch
kommt es häufig
zur partiellen Zerstörung
des Schmelzleiters. Reicht der Energieinhalt des Impulses gerade
noch aus, um den Schmelzleiter durchgängig in allen Engstellenbereichen
zu schmelzen, so führt
dies nicht zwangsweise zu einer hochohmigen Trennstelle. Die geschmolzenen Schmelzleiterreste
und der umgebende Füllstoff
führen
häufig
zu einer noch leitfähigen
Verbindung mit einem Widerstand von einigen wenigen kOhm. Dies kann
durchaus zu einer falschen Anzeige einer herkömmlichen, auf elektrischer
Energie basierenden Einrichtung führen. Neben einer Fehlanzeige
des Ableiterzustands kann dies bei erneuter Impulsbelastung zur
Zerstörung
des Überspannungsableiters und/oder
der Sicherung führen.
Darüber
hinaus ist der Verbraucher aufgrund eines defekten Überspannungsschutzes
gefährdet.
Die Gefährdung
des Verbrauchers ist insbesondere in den Fällen stark erhöht, in denen
sogenannte Kombiableiter eingesetzt werden. Bei diesen Geräten wird
der Überspannungsschutz
häufig
nur in einem Gerät
realisiert, d.h. die sonst übliche
Staffelung von unterschiedlich leistungsfähigen Überspannungsableitern mit unterschiedlichen
Schutzpegeln und gleichzeitig redundanter Wirkung entfällt.
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Die
DE 199 14 313 A1 zeigt
die Absicherung einer sogenannten Zündhilfe einer Funkenstrecke. Hierbei
werden Schmelzsicherungen bzw. reversible Sicherungen eingesetzt.
Das Schmelzen der Sicherung wird unter Zuhilfenahme elektronischer
Schaltungen zur optischen, akustischen und/oder elektronischen Anzeige
genutzt.
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Nach
dem Ansprechen der Sicherung soll die Funkenstrecke ohne Zündhilfe
eine redundante Schutzfunktion mit einem erhöhten Schutzpegel ausüben können. Die
Ableitung einer Anzeigefunktion aus dem Abschaltverhalten von Sicherungen
ist darüber
hinaus aus der
DE 38 31 935 ,
der
DE 197 51 470 oder
beispielsweise der
DE 32 28 471 vorbekannt.
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Die
US-PS 6,157,529 offenbart die Unterbrechung eines Stromkreises mit
Hilfe der Abschaltung einer Sicherung und einer Haltespule eines
Schalters.
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Zündhilfen,
wie in der
DE 199
14 313 A1 beschrieben, werden auch bei Kombiableitern eingesetzt.
Bei diesen Ableitern kann die Zündhilfe
selbst als eigenständiges Überspannungsschutzgerät ausgeführt werden,
welches erst bei der Gefahr der eigenen Überlastung über eine Triggerfunktion das Kurzschlußelement,
im allgemeinen eine Funkenstrecke, aktiviert. Ein Kombiableiter
ist beispielsweise in der
DE
198 38 776 C2 offenbart.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Überstromschutzeinrichtung
für den
Einsatz in Überspannungsschutzgeräten mit
zusätzlichem
mechanischen Auslöser,
bevorzugt als Schlagbolzen ausgeführt, anzugeben, welche eine
hohe alterungsstabile Impulsstromtragfähigkeit, eine mechanische Anzeigefunktion
bzw. Unterstützung
einer derartigen Anzeige- und Signalfunktion sowie ein hohes Schaltvermögen aufweist.
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Darüber hinaus
soll die anzugebende Überstromschutzeinrichtung über eine
geringe Baugröße verfügen, montagefreundlich
sein sowie eine hohe Peakstromfestigkeit und eine hohe Schaltspannung besitzen.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Überstromschutzeinrichtung gemäß der Merkmalskombination
nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen
und Weiterbildungen darstellen.
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Erfindungsgemäß ist demnach
eine Kombination von Funktionseinheiten vorgesehen. Diese Kombination
umfaßt
eine für
Impulsströme
geeignete Schmelzsicherung mit parallel geschalteter Indikatorsicherung,
welche eine Schlagbolzenfunktion übernimmt. Der Schlagbolzen
kann zur mechanischen Auslösung
einer optischen und/oder elektrischen Anzeige dienen. Der Schlagbolzen
und die Signalfunktion können
potentialfrei oder potentialbehaftet ausgeführt werden.
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Die
Impulsstrombelastbarkeit der eigentlichen Sicherung wird nahe am
theoretischen, d.h. dem materialspezifischen Schmelzintegralwert (I2t-Wert) des Schmelzleiters herangeführt. Hierdurch kann
eine ansonsten übliche Überdimensionierung der
Sicherung vermieden werden. Dies ist beim Stand der Technik notwendig,
da die üblichen Schmelzleiter
aufgrund der dynamischen Stromkräfte,
der unsymmetrischen Stromverteilung und der Alterung bei Impulsströmen bereits
deutlich unterhalb des theoretischen I2t-Wertes überlastet
werden. Ursache hierfür
ist die Geometrie der Schmelzleiter, die Art der Kontaktierung der
Schmelzleiter, die Stromführung
zum und im Schmelzleiter, die Schmelzleiterfixierung und Zusatzstoffe,
welche eine Alterung bzw. vorzeitige Überlastung bewirken.
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Die
mit der Erfindung geschaffene kleine Bauform liegt im Bereich üblicher
Geräteschutzsicherungen
von im wesentlichen 5 × 20
mm. Derartig kleine Einrichtungen können in besonders einfacher Weise
auf einer Leiterplatte, auch als SMD-Bauteil befestigt werden.
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Erfindungsgemäß besteht
die Möglichkeit, die
vorgestellte Überstromschutzeinrichtung
für den Triggerkreis
von Kombiableitern einzusetzen
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Die Überstromschutzeinrichtung
umfaßt
eine erste Funktionseinheit, die den mechanischen Auslöser enthält. Diese
erste Funktionseinheit weist ein erstes Schmelzelement auf.
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Eine
zweite Funktionseinheit ist als eigentlicher Überlastschutz ausgeführt und
besitzt ein zweites Schmelzelement.
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Jede
der Funktionseinheiten ist in einem Gehäuse angeordnet, wobei am jeweiligen
Gehäuse seitliche,
gegenüberliegende
Abschlußkappen
befindlich sind und die Schmelzleiter jeweils im Gehäuseinneren
angeordnet sind und an den Abschlußkappen elektrisch angeschlossen
werden.
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Die
erste und die zweite Funktionseinheit sind elektrisch parallel geschaltet.
Diese Parallelschaltung liegt mit dem Überspannungsschutzgerät in Reihe.
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Die
Funktionseinheiten bilden einen gemeinsamen mechanischen Verbund,
wobei jedes Gehäuse
von einem separaten oder beide Gehäuse von einem gemeinsamen elastischen
Mantel umgeben sind.
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Die
Abschlußkappen
jeder Seite der jeweiligen Funktionseinheit gehen elektrisch und
mechanisch verbunden in einen Anschlußfortsatz über, welcher die bereits erwähnte Leiterplattenmontage
der Gesamteinrichtung ermöglicht
bzw. erleichtert.
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An
einer Abschlußkappe
der ersten Funktionseinheit ist eine Kammer zur Aufnahme eines federvorgespannten
Schlagbolzens angeordnet, wobei der Schlagbolzen vom ersten Schmelzelement
in seiner Ruhestellung gehalten wird. Mit dem Aufschmelzen des ersten
Schmelzelements gelangt die Federvorspannkraft zur Wirkung und der
Schlagbolzen bewegt sich in seine maximal erreichbare Endposition.
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Das
erste Schmelzelement besteht aus einem Draht, welcher eine hohe
Zugfestigkeit und einen I2t-Wert besitzt,
welcher deutlich niedriger als derjenige des Materials des zweiten
Schmelzelements ist.
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Das
Gehäuse
der ersten Funktionseinheit bildet einen Lichtbogenschaltraum, welcher
aus einem rohrförmigen
Körper
besteht, dem sich seitlich ein Hohlraum anschließt, welcher die Kammer zur Aufnahme
des Schlagbolzens bildet.
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Zwischen
dem Lichtbogenschaltraum und dem Hohlraum ist ein oder sind mehrere
isolierende Plättchen
angeordnet, durch welches bzw. welche das erste Schmelzelement hindurchgeführt ist.
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Der
Lichtbogenschaltraum ist mit einem Löschmittel gefüllt.
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Der
Hohlraum mit dem Schlagbolzen wird von einer Stülpkappe begrenzt, wobei die
vom Lichtbogenbrennraum abgewandte Seite der Stülpkappe einen Anschlag für die Schlagplatte
des Schlagbolzens und damit eine Wegebegrenzung bildet.
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Die
Schlagplatte selbst kann von einer Isolierkappe umgeben werden.
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Die
Schlagplatte ist auch als Schlagdorn oder Schlagstift ausgeführt, wobei
der Verschiebeweg durch einen Anschlag und eine Ausnehmung innerhalb
einer Haubenkappe begrenzbar ist.
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Das
erste Schmelzelement kann aus einem zusammengesetzten Material bestehen
und mindestens eine Engstelle und/oder einen Abschnitt mit unterschiedlicher
Impedanz oder unterschiedlichem Widerstand besitzen.
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Die
zweite Funktionseinheit weist ein hohlzylindrisches Gehäuse mit
seitlichen Abschlußkappen auf,
wobei das zweite Schmelzelement als Band, Draht oder in Hohlzylinderform
von Kappe zu Kappe geführt
ist.
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Es
sei an dieser Stelle angemerkt, daß auch das Gehäuse der
ersten Funktionseinheit die Form eines Rohrs oder eines Hohlzylinders
besitzen kann.
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Das
Draht- oder hohlzylindrische Schmelzelement der zweiten Funktionseinheit
ist durch Kraft- und/oder Formschluß mit den Innenseiten oder
mit entsprechenden Durchbrüchen
in oder an den Kappen verbunden.
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Der
Hohlzylinder des zweiten Schmelzelements kann definierte Engstellen
und/oder Verjüngungen
aufweisen.
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Auch
das Gehäuse
der zweiten Funktionseinheit weist eine Füllung auf. Diese Füllung kann aus
einem hochverdichtbaren Schüttmaterial
bestehen oder aber auch kompressible Materialien enthalten.
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Bei
der Ausführungsform
des zweiten Schmelzelements als Band besteht dieses Band aus Flachdraht
mit einem Verhältnis
Breite zu Dicke kleiner 4:1.
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Das
zweite Schmelzelement kann von im Gehäuse befindlichen Führungsstegen,
Führungsringen
oder dergleichen Mitteln gehalten werden.
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Sowohl
die erste als auch die zweite Funktionseinheit können von einem gemeinsamen
Außengehäuse umgeben
sein oder in einem solchen Gehäuse
angeordnet werden.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter
Zuhilfenahme von Figuren näher
erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung der elektrischen Anordnung der Überstromschutzeinrichtung;
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2 eine
Seitenansicht auf eine Ausführungsvariante
der Überstromschutzeinrichtung
in elektrischer und geometrischer Parallelschaltung;
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3 eine
Schnittdarstellung durch eine bevorzugte Ausführungsform der ersten Funktionseinheit;
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4a bis 4c weitere
Ausführungsformen
der Funktionseinheit mit Varianten der Schlagbolzengestaltung;
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5 Varianten
zur Veränderung
der Schmelzleiterimpedanz der ersten Funktionseinheit;
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6 die
Anordnung eines Widerstandsmaterials im Lichtbogenschaltraum der
ersten Funktionseinheit;
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7 den
prinzipiellen Aufbau der zweiten Funktionseinheit mit Sicherungsband
oder Sicherungsdraht;
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8 eine
Schnittdarstellung der Ausführungsform ähnlich der 7,
jedoch mit Führungsstegen;
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9 eine
Schnittdarstellung einer Kombination der beiden Funktionseinheiten
mit erkennbarem Innenaufbau;
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10 eine
weitere Variante der Kombination der Funktionseinheiten mit geänderter
interner Stromführung
zwischen erster und zweiter Funktionseinheit;
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11 und 12 alternative
Anordnungen zur Befestigung der Funktionseinheiten und
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13 Schnittansicht
der Möglichkeit
der Ausführung
der ersten Funktionseinheit, welche separat von der zweiten Funktionseinheit
wie beispielsweise nach den 11 oder 12 auf
einer Leiterplatte in elektrischer Parallelschaltung, jedoch nicht im
geometrischen Verbund angeordnet sein kann.
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1 zeigt
eine prinzipielle Darstellung der Erfindung. Das erfindungsgemäße Gerät A besteht aus
zwei Funktionseinheiten. Eine Funktionseinheit A1 übernimmt
den Überlastschutz
für das Überspannungselement
B und bildet die eigentliche Überstromschutzeinrichtung.
Eine weitere Funktionseinheit A2 realisiert nach dem Ansprechen
der Funktionseinheit A1 die mechanische Anzeige- und Signalfunktion
mit Hilfe eines bevorzugt eingesetzten Schlagbolzens.
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Die
vorgestellte Überstromschutzeinrichtung für Überspannungsschutzgeräte besteht
bevorzugt aus einem elektrisch sowie geometrisch, d.h. räumlich parallel
angeordneten festen Verbund von zwei Funktionseinheiten 1 und 2.
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Die
elektrische Kontaktierung erfolgt bevorzugt gemeinsam über Leiterplattenkontaktierbare Anschlüsse 6,
welche gleichzeitig zur mechanischen Fügung der parallelen Funktionseinheiten 1 und 2 dienen
können.
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Die
in der 2 gezeigten Anschlüsse 6 können eine
Verjüngung
besitzen, wodurch die Position des Schlagbolzens bezogen auf die
Platine (nicht gezeigt) eindeutig definierbar ist.
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Durch
die Verbindung der beiden Funktionseinheiten 1; 2 wird
eine montagefreundliche Lösung geschaffen
und gleichzeitig der Anspruch an eine geringe Baugröße unterstützt. Wie
aus der 2 ersichtlich, befinden sich
die Funktionseinheiten 1 und 2 übereinander.
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Bei
entsprechender Abwinklung der Anschlüsse 6 können die
beiden verbundenen Funktionseinheiten auch eine zur nicht dargestellten
Leiterplatte parallele Lage oder eine beliebige Winkellage einnehmen.
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Jede
Funktionseinheit 1; 2 wird von einem elastischen
Mantel 4 umfangsseitig sowie von gemeinsamen seitlichen
Anschlußkappen 3 umhüllt bzw.
umgeben und ist dadurch mechanisch stabilisiert und fixiert.
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Der
elastische Mantel 4 kann in einer einfachen Form als Schlauch
bzw. Schrumpfschlauch mit oder ohne Gewebeelementen, aber auch als
zweites Rohr, z.B. aus einem elastischen Kunststoffmaterial ausgeführt sein.
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Vorstehend
genannte Maßnahmen
und die Fixierung auf der Leiterplatte führen zu einer Erhöhung des
Schaltvermögens
der Funktionseinheiten.
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Die
erste Funktionseinheit 1 realisiert die gewünschte mechanische
Anzeigefunktion mittels eines Schlagbolzens oder einer Schlagbolzenplatte 5 sowie
die Erzeugung einer hohen Schaltspannung.
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Die
zweite Funktionseinheit 2 übernimmt die weiteren, bereits
erwähnten
Aufgaben.
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Durch
die zweckmäßige Trennung
in Funktionseinheiten kann trotz geringer Abmessungen bei einem
hohen I2t-Wert der Einheit ein hohes Schaltvermögen und
eine funktionssichere Schlagbolzenauslösung realisiert werden.
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Die
erste Funktionseinheit 1 beinhaltet einen Mechanismus zur
Auslösung
des Schlagbolzens.
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Durch
den Schlagbolzen kann in einer Entfernung bis maximal der Hälfte der
Gesamtlänge
der Funktionseinheit eine definierte Kraft auf ein Auslösesystem
oder eine Anzeigeeinrichtung ausgeübt werden.
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Die
Höhe der übertragbaren
Kraft kann von ca. 1 N bis mehreren 10 N in einem definierten Abstand
variabel eingestellt und vorgegeben werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden hierfür
vorgespannte Druckfedern eingesetzt. Selbstverständlich kann der Schlagbolzen
selbst als optische Anzeige in analoger Weise zu einem einfachen üblichen
Kennmelder genutzt werden.
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Alternativ
zur vorerwähnten
Feder können auch
Gasgeneratoren oder Zündladungen
für die Schlagbolzenfunktion
vorgesehen sein.
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Bei
der Verwendung einer Feder wird die notwendige hohe und alterungsstabile
Vorspannung mit Draht realisiert, welcher über eine hohe Zugfestigkeit verfügt. Der
I2t-Wert des Drahtes wird so abgestimmt, daß dieser
deutlich kleiner als der I2t-Wert der zweiten
Funktionseinheit ist. Bevorzugt wird ein Wert kleiner 1%. Der Meterwiderstand
des Drahtes ist hingegen deutlich höher als der in der zweiten
Funktionseinheit. Bevorzugt werden größere Verhältnisse als 1:100 angewendet.
Zudem kann der Draht auf einen Träger gewickelt sein, um eine
zusätzliche
Impedanz aufzuweisen.
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Durch
die vorstehend genannte Abstimmung wird erreicht, daß der Draht
der ersten Funktionseinheit bei Impulsbelastung nahezu unbelastet
bleibt. Im Fehlerfall, also der Unterbrechung der Stromführung in
der zweiten Funktionseinheit, wird auch der Schmelzleiter nahezu
verzugsfrei durch einen Strom unterbrochen, welcher bei einem Vielfachen
seiner Stromtragfähigkeit
liegt. Dies ist auch bei Fehlern infolge von netzfrequenten Strömen der
Fall. Bevorzugt werden Überlastfaktoren
von ca. 20 bis 1000. Diese Faktoren garantieren eine adiabatische
Erwärmung
des Drahtes und einen sogenannten Streifenzerfall des Schmelzleiters.
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Dieser
Streifenzerfall führt
zu einer hohen Schaltspannung. Die Höhe dieser Spannung kann durch
die geometrische Gestaltung und die Materialwahl des Drahtes beeinflußt werden.
Die Höhe
der Schaltspannung wird auch durch den Fehlerfall und die Impedanzverhältnisse
des Fehlerstromkreises bestimmt.
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Bei
Triggerhilfen, welche häufig
einen Impulsübertrager
beinhalten, kann die erzeugte Lichtbogenspannung aufgrund der Erhöhung der
Induktivität
des Stromkreises erhöht
werden.
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Bei
geeigneter Abstimmung können
somit selbst bei geringen Abmessungen der Funktionseinheiten Schaltspannungen
von einigen 100 V bis zu mehreren kV erzeugt werden. Diese Spannungen sind
im Regelfall ausreichend, um insbesondere Funkenstrecken mit Gleitentladungsstrecken
zu zünden.
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3 zeigt
einen bevorzugten Aufbau der ersten Funktionseinheit.
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In
dieser Darstellung ist nicht die elastische Umhüllung 4 und auch nicht
die Ausbildung der gemeinsamen Kappen 3 gezeigt. Die Funktionseinheit 1 besteht
aus einem Lichtbogenschaltraum 17 und einem Hohlraum 16,
welcher zur Aufnahme des Schlagbolzens 5 dient. Der Lichtbogenschaltraum 17 und
der Hohlraum 16 liegen auf einer gemeinsamen Achse nebeneinander.
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Der
Lichtbogenschaltraum 17 wird durch ein festes Rohr 7,
z.B. aus Keramik, und die Kappen 8 und 9 begrenzt.
Der im Inneren angeordnete Schmelzleiter 11 wird durch
den Lichtbogenschaltraum 17 und den Hohlraum 16 zum
Schlagbolzen 5 geführt.
Hierfür
ist in der Kappe 9 eine Bohrung vorgesehen.
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Zur
besseren Abschottung des Lichtbogenschaltraums 17 sind
eine oder zwei isolierende Plättchen 10 vorgesehen.
Die Plättchen 10 werden
bevorzugt aus einem elastischen und lichtbogenbeständigen Isolationsmaterial
gefertigt. Dies erlaubt ein leichtes Durchstechen des Materials
und ein enges Anschmiegen an den Schmelzleiter 11, wodurch
ein unerwünschter
Spalt zwischen Plättchen
und Schmelzleiter vermieden werden kann.
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Der
Lichtbogenschaltraum kann mit einem Löschmittel 15, z.B.
aus Quarzsandmaterial gefüllt werden.
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Der
Hohlraum 16 befindet sich umschlossen von einer speziellen
Anschlußkappe 9.
Der Schlagbolzen 5 besitzt einen äußeren Schirm, welcher eine größere Abmessung
als der Hohlraum 16 besitzt. Der Schlagbolzen 5 weist
auch eine Bohrung auf, durch welche der Schmelzleiter 11 geführt und
befestigbar ist. Im Hohlraum 16 befindet sich eine vorgespannte Feder 12,
welche zur Ausführung
der Schlagbolzenfunktion dient.
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Die 4a bis 4c zeigen
alternative Gestaltungsvarianten der Schlagbolzenausführung.
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Gemäß 4a befindet
sich der komplette Schlagbolzen im Hohlraum der Kappe 9.
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Gemäß 4b ist
ein z.B. elektrisch leitender Schlagbolzen durch eine zusätzliche
Kappe 13 aus Isolationsmaterial abgedeckt. Dadurch wird
die Kontaktgabe des Schlagbolzens potentialfrei ausgeführt und
die Kappe 13 dient als zusätzlicher Schutz gegen austretende
Gase oder Verschmutzungen.
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Die
Ausführung
des Schlagbolzens nach 4c ist auch ohne äußeren Anschlag
unverlierbar.
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Der
Hubweg und die Endkraft des Schlagbolzens sind durch den Anschlag
an dem Rand der Haubenkappe 21 definiert.
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Bei
diese Ausführungsform
ist es sehr einfach möglich,
zusätzlich
zur Federkraft auch den im Schaltraum entstehenden Druck unterstützend zu nutzen.
Hierzu kann auf das Plättchen 10 vor
dem Hohlraum der Kappe 9 verzichtet werden. Die Abdichtung
zur Vermeidung des Ausblasens von Plasma wird durch die Gestaltung
des Schlagbolzens gemäß 4c selbst
realisiert. Eine solche Gestaltungsvariante ist auch zur Realisierung
eines pyrotechnischen Schlagbolzens geeignet.
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Besondere
Bedeutung ist den isolierenden Plättchen 10 zugewiesen.
Diese Plättchen 10 dienen der
Abdichtung des Schaltraums, wodurch ein Austritt von ionisiertem
Plasma verhindert wird. Dieses Plasma würde im Gegensatz zu dem nicht
ausblasenden Verhalten der Ableiter stehen und bei den engen Raumverhältnissen
eine Gefährdung
bedeuten.
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Das
isolierte Plättchen 10 verhindert
im übrigen
ein stabiles Fußen
des Schaltlichtbogens an der entgegengesetzten Anschlußkappe,
wodurch die Schaltleistung und somit die Belastung der ersten Einheit
reduziert wird.
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Anstelle
der Plättchen 10 können auch
massive Isoliermaterialien verwendet werden. Ebenso kann die gesamte
Durchführung
aus einem Isolationsmaterial bestehen. In diesem Fall erfolgt die Stromführung über die
vordere Hohlzylinderkappe und den Schlagbolzen zum Draht.
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Ist
nur der Innenbereich der Durchführung aus
einem Isolationsmaterial gefertigt, kann die Stromführung über die
Feder zum Draht erfolgen, wenn der Federdurchmesser größer als
der isolierte Bereich ist.
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Es
können
auch weitere Varianten der Drahtdurchführung für die Befestigung des Schlagbolzens genutzt
werden. Ebenso können
für den
Draht als Schmelzleiter zusammengesetzte Drahtmaterialien Anwendung
finden.
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5 zeigt
eine Ausführungsform
mit einem mehrfach zusammengesetzten Schmelzleiter. Diese Gestaltungsvariante
besitzt den Vorteil, daß der Schmelzleiter
nur im Bereich der Engstelle verdampft. Damit kann der Lichtbogenbereich
optimal innerhalb der Lichtbogenlöschkammer positioniert werden
und es ist die Gefahr des Ausblasens von Plasma reduziert.
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Gemäß der Darstellung
nach 5 ist zusätzlich
zur Schmelzleiterimpedanz eine weitere Impedanz geschaltet, und
zwar beispielsweise in Form eines Widerstands 22. Diese
Gestaltungsvariante besitzt den Vorteil, daß der Strom bis und auch nach dem
Schmelzen des Schmelzleiters begrenzbar ist. Hieraus folgt ein positives
Schaltvermögen.
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Gemäß der Darstellung
nach 6 wird ein Widerstandsmaterial 20 in
den Lichtbogenschaltraum eingebracht, an dem der eigentliche Schmelzleiter
kontaktiert wird. Alternativ zur Einbringung von Widerständen bzw.
Widerstandsmaterialien können auch
sonstige Impedanzen eingesetzt werden. Impedanzen können jedoch
auch bereits außerhalb
der Funktionseinheit angeordnet werden, was bei getrennten Funktionseinheiten
problemlos möglich
ist. Aber auch bei einem Verbund gemäß 2 kann eine
solche Anordnung von Impedanzen ohne Aufwand erfolgen. Hierzu kann
das Kappenmaterial 8, 9 der Funktionseinheit 1 aus
einem Widerstandsmaterial bestehen. Eine gemeinsame Verbindungskappe 3 kann
oberhalb des Stromübergangs
zur Funktionseinheit 2 aus Widerstandsmaterial bestehen
oder es können
Maßnahmen
zur Erhöhung
der Impedanz, z.B. Engstellen oder Mäander, in den Verbindungsbereich
zwischen den Funktionseinheiten 1 und 2 angeordnet
werden.
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Die
Reduktion der Vorspannung und die Zentrierung des Drahtes kann durch
eine Lötbefestigung im
Durchführungsbereich
erfolgen. Dabei ist die Durchführung
und das Lot (z.B. niedrige Schmelztemperatur, geringes Volumen)
so gewählt,
daß der entstehende
Lichtbogen die Befestigung des Drahtes löst.
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Der
Draht kann zudem mehrfach zur Verteilung der Kraft um die Feder
gewickelt werden. Der Bolzen kann lose oder unverlierbar ausgeführt sein. Ebenso
sind elektrisch leitfähige
Ausführungen
des Bolzens, aber auch isolierte Varianten möglich.
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Elektrisch
leitfähige
Ausführungen
können neben
den Grundfunktionen zusätzlich
zur Übertragung
von elektrischen Signalen genutzt werden. Dagegen gewährleisten
die isolierten Ausführungen eine
gewünschte
Potentialfreiheit möglicher
Anzeigemittel.
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7 zeigt
beispielhaft eine Ausführungsvariante
der zweiten Funktionseinheit. Diese zweite Funktionseinheit realisiert
die Grundfunktionen des Schutzgeräts.
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Zur
Erzielung einer hohen Impulsstromtragfähigkeit werden folgende Maßnahmen
genutzt.
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Die
Befestigung des Schmelzleiters 30 erfolgt nur mit einem
minimalen Einsatz oder unter Verzicht auf Medien, welche im Normalzustand
oder bei Erwärmung
eine Alterung des Schmelzleiters, z.B. durch Oxidation oder durch
Diffusion bewirken können.
Solche negativen Medien sind Lote, Lötstoffe sowie sonstige Materialien,
die zur Diffusion oder zur Reaktion mit dem Schmelzleiter neigen.
Dies trifft auch auf das Füllmedium
zu.
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Anstelle
einer Lötverbindung
werden bevorzugt großflächige Klemmverbindungen
unter Vermeidung von Einengungen oder aber auch Schweißverbindungen
genutzt.
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Der
Schmelzleiter 30 ist zur Erzielung einer maximalen Impulsstromtragfähigkeit
einstückig
in Drahtform oder als Hohlzylinder ausbildbar.
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Bei
hohen Schmelzleiterquerschnitten ist die Hohlzylinderform einer üblicher
Aufteilung paralleler Schmelzleiter vorzuziehen, da sie trotz ähnlich hohen Schaltvermögens geringere
Nachteile hinsichtlich der Alterung und einer möglicherweise ungleichmäßigen Stromaufteilung
bietet.
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Zur
Realisierung von separaten Engstellen zur Erhöhung des Schaltvermögens können allmähliche Schmelzleiterverjüngungen
auf dem Zylinder eingebracht sein. Die Verjüngungen sind so zu gestalten,
daß auch
bei hohen Stromsteilheiten eine nahezu gleichmäßige Stromdichteverteilung
in jedem axialen Abschnitt des Schmelzleiters und insbesondere des
Engstellenbereichs erreicht wird.
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Die
Verjüngungen
können
sowohl im Umfang als auch in der Schichtdicke erfolgen. Alternativ hierzu
können
auch Stege elektrisch leitend oder nicht leitend ausgebracht werden,
wodurch der Lichtbogen aufgeteilt bzw. partiell extrem eingeschnürt werden
kann.
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Dabei
kann der Hohlleiter als Hohlzylinder, aber auch als leitfähige Beschichtung
eines Zylinders ausgeführt
sein.
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Bei
der Wahl eines Hohlzylinders kann dieser mit dem gleichen Löschmedium
oder mit einem anderen Löschmedium
als der übrige
Lichtbogenbrennraum gefüllt
sein. Bei der Beschichtung eines Zylinders kann dieser aus Isolationsmaterial
bzw. halbleitendem Material bestehen. Durch geeignete Materialwahl
des Zylinders kann die Lichtbogenlöschung unterstützt werden.
Das Material kann z.B. gasabgebend sein. Bei dieser Ausführungsform
ist eine hohe mechanische Festigkeit, ein ausreichendes Schaltvermögen und
eine hohe Impulsstromtragfähigkeit
gegeben. Sind die räumlichen
Abmessungen der gesamten Funkenstrecke begrenzt, kann eine Ausführungsform
als Hohlzylinder mit Innenbeschichtung sinnvoll sein. Eine solche
Gestaltung bewirkt zudem eine gleichmäßige Verteilung der Druckwelle
zur Außenwand
bzw. zum Außengehäuse. Bei sehr
großen
Bauvolumen der Überstromschutzeinrichtung
kann der Hohlleiter auch die Möglichkeit
der Integration des Schlagbolzens trotz separaten Lichtbogenschaltraums
bieten.
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Als
Material für
den Schmelzleiter werden bevorzugt Kupfer, Silber oder deren Legierungen
eingesetzt. Bei der Verwendung von Kupfer ist es zweckmäßig, eine
Schutzschicht gegen Oxidation aufzubringen. Die Führung des
Schmelzleiters erfolgt zentral durch das Gehäuse 31. Die Stromzuführung zu
den Kappen 32 wird ohne oder nur mit geringen Stromschleifen
vorgenommen. Das Füllmedium 33 ist
so gewählt,
daß es
keine dynamischen Bewegungen des Schmelzleiters 30 ermöglicht.
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Wird
als Füllmedium
Quarzsand gewählt, kann
eine optimale Korngrößenverteilung
und eine optimierte Verdichtung ausreichend sein.
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Zusätzlich können Führungsstege 34 entsprechend 8 vorgesehen
sein. Die Führungsstege 34 können isolierend
oder aber auch als Metallplatten zur Unterteilung des Lichtbogens
ausgeführt werden.
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Die
Stege 34 können
untereinander zur mechanischen Führung
verbunden werden oder sich in einer weiteren Variante parallel beabstandet
an der Innenwand des Gehäuses 31 abstützen.
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Bei
einer Variante des Füllmaterials
kommt sogenannter Stonesand zum Einsatz. Alternativ sind auch hochverdichtbare
Schüttmaterialien
zur Füllung geeignet.
Neben Schüttmaterialien
sind auch Füllmedien
auf Expoxid- bzw. Silikonbasis mit oder ohne Aushärtung anwendbar.
Diesen Materialien können hohe
Anteile an Beimengungen von Löschmedien, wie
Sand, Keramik, Glas oder gasabgebende Stoffe zugefügt werden.
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Werden
einfache Löschschläuche über den Schmelzleiter
gezogen, kann zusätzlich
eine Sandfüllung
genutzt werden oder es ist der Einsatz von Stabilisierungsstegen
bzw. stabilisierenden Flüssigkeiten
zur Bewegungsdämpfung
von Vorteil.
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Bei
der Verwendung von massiven, nicht kompressiblen Füllungen
und auch bei der Anwendung von Stonesand ist zu berücksichtigen,
daß diese
Materialien die Druckwellen bei der Lichtbogenbildung relativ ungedämpft auf
das Gehäuse 31 übertragen.
Es sind daher sehr hohe dynamische Gehäusefestigkeiten erforderlich.
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Alternativ
können
kompressible Füllmedien vorgesehen
werden oder es werden Möglichkeiten zur
Dämpfung
der Druckwelle realisiert. Dies können einerseits Maßnahmen
zur Gleichverteilung des Druckes sein. Hierzu können zusätzlich elastische, aber auch
steife Zylinder zwischen dem Schmelzleiter und der Gehäusewand
realisiert werden. In dem Füllmedium
können
aber. auch Sollbruchwände
und Ausgleichsräume
geschaffen werden. Die Füllmedien können auch
implosive Bestandteile beinhalten. Hier können Hohlkugeln aus Glas oder
Keramik Anwendung finden.
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Anstelle
von Füllmedien
kann der Schmelzleiter auch in Festkörpern geführt werden. Diese Festkörper können zur
Unterstützung
des Löschvermögens gasabgebend
ausgeführt
sein. Als gasabgebende Stoffe kommen z.B. Polymere wie POM, Hartgas
oder auch Keramiken oder Stoffe mit solchen Beimengungen zum Einsatz.
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Durch
die vorstehend erläuterte
Anordnung wird eine sehr hohe Impulsstromtragfähigkeit erreicht, die nahe
am theoretischen Wert des Schmelzleiters liegt. Die beschriebene
Ausführungsform
ist für
die Anforderung von Überstromschutzeinrichtungen
für zahlreiche Überspannungsschutzgeräte ausreichend.
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Bei
der Verwendung der Erfindung für
Kombiableiter können
aufgrund spezieller Anforderungen auch andere Wichtungen der Forderungen
an die jeweiligen Schutzeinrichtungen für deren Auslegung und Ausführungsform
sinnvoll sein.
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Sollen
sehr hohe Impulsstromtragfähigkeiten erzielt
werden, führt
dies selbst bei Kupfer zu nennenswerten Querschnitten des Schmelzleiters.
Aufgrund der geringen Baugröße der Funktionseinheiten für diese
Anwendung ist die maximale Lichtbogenschaltleistung in Abhängigkeit
von der Gehäusegestaltung
vorgegeben. Einfache Runddrähte
oder aber auch Hohlleiter führen
bei größeren Durchmessern zur Überschreitung
der Belastungsgrenze. Zur Erzielung eines hohen Schaltvermögens ist
es daher zweckmäßig, eine
variierende Gestaltung des Schmelzleiters zu wählen.
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Sind
die räumlichen
Abmessungen stark begrenzt und ist die gewünschte Impulsstromfestigkeit sehr
hoch, kann als Schmelzleiter ein Flachdraht eingesetzt werden. Bevorzugt
kommen hier Flachdrähte mit
einem Verhältnis
von Breite zu Dicke von < 4:1 zum
Einsatz.
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Die
Ausführung
des Schmelzleiters als Flachdraht führt zwar mit abnehmendem Verhältnis von
Dicke zu Breite zu einer Reduzierung der maximalen Impulsbelastung
gegenüber
Runddrähten gleicher
Querschnittsfläche,
jedoch kann hier das Schaltvermögen
deutlich erhöht
werden.
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Die
Realisierung des Schmelzleiters als Flachdraht erlaubt zudem zusätzliche
Optimierungsmöglichkeiten.
So kann die Höhe
der Peakstromfestigkeit in recht einfacher Weise geregelt werden.
Dieser Wert ist insbesondere für
den Schutz von Varistoren in sogenannten Triggerkreisen von Kombiableitern
von Bedeutung.
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Die
Lage des Flachdrahts in der Sicherung beeinflußt neben der geometrischen
Ausführung
der Anschlüsse
der zweiten Funktionseinheit die Wirkung der dynamischen Stromkräfte auf
den Schmelzleiter. Steht die flache Kante des Schmelzleiters senkrecht
zur Stromkraftwirkung und sind die Anschlußlängen der zweiten Funktionseinheit
möglichst gerade,
kann ein sehr hoher Peakstromwert beherrscht werden (siehe Prinzipanordnung
gemäß 9).
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Ist
hingegen die breite Seite des Schmelzleiters den Stromkräften ausgesetzt
und ist die Stromzuführung
zudem schleifenförmig
ausgeführt, übersteigt
der maximale Peakstrom nur unbedeutend die Höhe des maximalen Impulsstroms
(siehe Prinzipdarstellung nach 10).
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Das Überstromschutzgerät spricht
im letztgenannten Fall nahezu ausschließlich aufgrund der Stromkräfte und
nicht aufgrund der adiabatischen Erwärmung an. Die thermische Belastung
liegt dabei unterhalb des Schmelzintegralwerts.
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Die
Länge der
Stromzuführung
kann bei parallel übereinander
angeordneten Funktionseinheiten bereits durch die Variation der
Reihenfolge der Funktionseinheiten ohne Veränderung der Konstruktionsteile
erreicht werden. Bei der Führung
des Schmelzleiters in festen Stoffen oder auch in üblichen
Füllstoffen
können
zur weiteren Herabsetzung der Peakstromfestigkeit und zur Erhöhung des
Löschvermögens Mäander oder
Wicklungen eingearbeitet werden.
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Die
Funktionseinheiten 1 und 2 besitzen hochfeste
Gehäuse.
Als Materialien für
diese Gehäuse
können
spezielle Keramiken, aber auch gewickelte Glasfasermaterialien Anwendung
finden.
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Zusätzlich wird
jedes Gehäuse
oder auch beide Gehäuse
gemeinsam von einem elastischen Zylinder umschlossen. Dieser dient
bei Überlastung der
Gehäuse
oder bei Gasaustritten zwischen den Kappen und dem Gehäuse als
zusätzlicher
Schutz. Des weiteren werden die äußeren Überschlagsstrecken
verlängert
und kritische Feldstärkeerhöhungen bzw.
gefährdete
Gleitstrecken vermieden.
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Das
Material der elastischen Zylinder kann zudem aus einem gasabgebenden
Stoff bestehen oder mit einem solchen Material beschichtet sein. Dies
führt beim
Ausgasen von heißem
Gas bzw. Ruß aus
der Sicherung zur Gasabgabe, wodurch gleichmäßige Berußungen vermieden werden und
Oberflächenentladungen
unterbindbar sind. Außerdem
können
weitere Teile, z.B. in Form von Stegen, die zur Wegverlängerung
dienen, vorgesehen sein.
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Durch
die gemeinsame Fixierung der beiden Funktionseinheiten mit gemeinsamen
stabilen und formschlüssigen
Anschlußkappen
wird eine hohe mechanische Stabilisierung der Funktionseinheiten untereinander,
aber auch der einzelnen Bauteile der Funktionseinheiten, insbesondere
der Kappen am Gehäuse
erreicht.
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Durch
die Fixierung dieser gemeinsamen Anschlußkappen auf einer Leiterplatte
ist die mechanische Festigkeit weiter erhöhbar.
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Durch
diese Maßnahmen
kann das Schaltvermögen
gegenüber
einer einzelnen Funktionseinheit weiter erhöht werden. Die aufgezeigten
Maßnahmen
führen
zu einem Leistungsvermögen,
welches gegenüber
konventionellen Geräteschutzsicherungen
gleicher Baugröße deutlich
erhöht
werden konnte. Dies betrifft sowohl die Impulsstromtragfähigkeit als
auch das Schaltvermögen.
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Die 11 und 12 zeigen
alternative Anordnungen zur Befestigung der zweiten Funktionseinheit 2 auf
einer Platine. Diese Anordnungen sollen zu einer möglichst
geringen Stromschleifenbildung führen.
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Gemäß 11 besitzt
die äußere Kappe
Lotanschlußlaschen 40,
welche auch für
SMD-Montage geeignet sind. 12 zeigt
eine Variante, bei welcher die Funktionseinheit direkt in die Leiterplatte 41 einlötbar ist,
wobei hierfür
lötfähige Klemmen 42 verwendet
wird.
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Die
Befestigung der elektrisch parallelen Funktionseinheit 1 kann
auch entsprechend 13 erfolgen. Hier wird zwischen
der Funktionseinheit 1 und 2 die elektrische Verbindung über Leiterbahnen einer
Platine vorgenommen sowie bei Bedarf über gedruckte bzw. diskrete
Impedanzen realisiert.
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Wenn
das Schaltvermögen
einer einfachen Platinensicherung ausreichend ist, kann die zweite Funktionseinheit 2 auch
als derartige Sicherung ausgeführt
werden.