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Die
Erfindung betrifft eine Abtrennvorrichtung für Überspannungsableiter, deren
Abtrennstelle als eine thermisch beeinflussbare Lotverbindung ausgebildet
ist.
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Unter
dem Einfluss einer Erwärmung,
deren Wärmequelle
vorzugsweise ein zu überwachendes Überspannungsschutzbauteil
bildet, wird das Lot verflüssigt
und infolge einer dadurch ausgelösten Schaltbewegung
eines speziell dafür
vorgesehenen Teils der Abtrennvorrichtung, eine elektrische Verbindung
aufgetrennt. Das Teil der Abtrennvorrichtung, welches die Schaltbewegung
ausführt,
ist z.B. nach
DE 295
19 313 U1 mittels einer in Schaltrichtung ausgerichteten
Federkraft vorgespannt. Die Schaltbewegung erreicht ihren absoluten
Endpunkt, sobald die Vorspannkraft dieser Feder aufgebraucht ist.
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Von
Abtrennvorrichtungen nach dem Stand der Technik ist als Nachteil
bekannt, dass die Vorspannkraft, falls sie permanent auf die Lotstelle
wirkt, bereits ohne thermischen Einfluss eine rein mechanische,
nicht beabsichtigte Auslösung
hervorrufen kann. Andererseits ist eine gewisse Vorspannkraft notwendig,
um eine entsprechend wirkungsvolle Schaltbewegung zu erreichen,
d.h. dass ein ausreichender Schaltweg (Trennabstand) und eine ausreichende
Schaltgeschwindigkeit erreichbar sind.
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Sowohl
der Schaltweg als auch die Schaltgeschwindigkeit sind Parameter,
die die Leistungsfähigkeit
(Schaltvermögen)
der Abtrennvorrichtung bestimmen. Da mit zunehmendem Schaltweg eine
rein mechanische Vorspannkraft rapide abnimmt, ist es sehr schwierig,
einerseits über
den gesamten Schaltweg eine ausreichende Schaltgeschwindigkeit sicherzustellen
und andererseits die Vorspannungskraft auf die Lotstelle auf einen
Wert zu begrenzen, der mit ausreichender Sicherheit eine rein mechanisch
bedingte Fehlauslösung
ausschließt.
In der Praxis ist deshalb ein Kompromiss erforderlich, der abhängig von
der Ausführung
der Lotstelle, der Lotmenge und schließlich auch der Zusammensetzung des
Lotes eine ausreichende Vorspannkraft zulässt. Dies setzt einen stabilen
Fertigungsprozess voraus, der besonders im Hinblick auf die Einführung bleifreier
Lote neu bestimmt werden muss und in der Regel eine weitere Reduzierung
der Vorspannkraft erforderlich macht.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Lösung zu finden, die auf diese
oben genannten geänderten
Bedingungen mit einfachen Mitteln einzustellen ist. Zudem soll die
Vorspannkraft soweit erhöht werden
können,
dass sich einerseits eine verbesserte Schaltleistung über den
Schaltweg und die Schaltgeschwindigkeit ergibt, andererseits jedoch
die Gefahr einer dadurch verursachten rein mechanischen Auslösung nicht
besteht.
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Die
Lösung
der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung
für Überspannungsableiter
mit erweitertem Funktionsumfang orientiert sich an folgenden Vorgaben:
- – Eine
Vorspannkraft F1, die im normalen Zustand des zu überwachenden
Elementes auf die Lotstelle einwirkt soll Idealerweise gleich Null
oder zumindest sehr gering sein, so dass in diesem Zustand das Lot
mechanisch dauerhaft nicht oder nur wenig belastet wird;
- – Eine
weitere Vorspannkraft F2 soll demgegenüber den eingeleiteten Auslötvorgang
beschleunigen, um die Lotverbindung zu dem zu überwachenden Element möglichst
schnell zu unterbrechen, indem sie mit zunehmender bzw. ab einer bestimmten
Lottemperatur die Vorspannung F1 unterstützend verstärkt;
- – Eine
Schaltkraft F3 soll die während
des Schaltvorgangs gegebenenfalls abklingenden Kräfte F1/F2
unterstützen,
indem sie Idealerweise mit zunehmendem Schaltweg in dem Maße zunimmt, wie
die resultierende Kraft F1/F2 abnimmt.
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Die
Kräfte
F1/F2 und F3 können
als unabhängig
voneinander organisierte Einzelkräfte aus einem oder auch aus
mehreren gleichen oder unterschiedlichen Kraftspeichern erzeugt
werden.
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Erfindungsgemäß wird die
Gesamt-Vorspannkraft, die auf die Lotstelle wirkt, mindestens aus zwei
Teilkräften
zusammengesetzt, deren Kraftwirkungen (Wirkrichtungen) sich in Richtung
Schaltbewegung bedarfsgerecht ergänzend verstärken.
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Neben
einer ersten Vorspannkraft F1, die permanent auf die Lotstelle wirkt,
wirken zudem eine oder mehrere weitere Kräfte bedarfsorientiert, indem sie
z.B. bei normaler Lottemperatur nahezu wirkungslos sind und erst
mit zunehmender Lottemperatur oder während des Abtrenn- bzw. Schaltvorgangs ihre
Kraftwirkung mit einbringen. Diese bedarfsgerecht entwickelte Kräfteeinwirkung
bzw. -verteilung kann zustands- oder temperaturabhängig stetig
bzw. ab einem bestimmten Zustand der Schalterstellung und/oder einer
bestimmten Temperatur schlagartig einsetzen.
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Voraussetzung
hierfür
ist, dass alle Teilkräfte vektoriell
so ausgerichtet sind, dass sie sich in ihrer Kraftwirkung zum richtigen,
dafür geeigneten
Zeitpunkt ergänzen.
Dazu beruht die Erfindung auf einer verstärkten Kraftwirkung auf das
Abtrennelement während
des gesamten Abtrennprozesses, d.h. während der Auslöt- und der
nachfolgenden Schaltphase, die durch zusätzliche thermische und/oder
mechanische Effekte beeinflusst bzw. unterstützt wird. Dies ist z.B. dann
der Fall, wenn eine als Abtrennelement zur Anwendung kommende Schaltzunge
selbst die thermische Kraftwirkung unterstützt oder diese Kraft gar aus
ihr selbst heraus gebildet wird, indem sie z.B. aus einem Material
hergestellt ist, das die dazu erforderlichen mechanischen/thermischen
Eigenschaften aufweist.
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Die
bei der Erfindung angewandte Lösung erfordert
eine bestimmte Ausgestaltung einer solchen Schaltzunge, wobei sich
die nachfolgend beschriebenen Ausführungen bzw. Varianten in diesem Sinne
als vorteilhaft erwiesen haben.
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Die
Schaltzunge ist aus einem Formteil gebildet, an dessen erstem auslaufendem
Ende ein Kontaktbügel
zur äußeren Kontaktierung
mit einem Steckteil und an dessen zweitem auslaufendem Ende eine
speziell ausgebildete oder ausbildbare Lotspitze angeformt ist.
Diese Lotspitze wird über eine
definierte Lotstelle mit dem aktiven, im Störfall als Wärmequelle dienenden Teil des
Ableiters verbunden und bildet so eine elektrische/thermische Verbindung,
die mithilfe der beschriebenen Vorspannkraft F1 bei entsprechendem
Temperatureinfluss ausgelötet,
eine Schaltbewegung ausführt.
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Durch
die Schaltbewegung wird der Stromkreis über den nun schadhaften Ableiter
dauerhaft unterbrochen.
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Da
die Vorspannkraft F1 alleine erfindungsgemäß nur eine geringe Kraftwirkung
auf die Lotstelle ausübt,
soll eine zweite Vorspannkraft F2 bedarfsorientiert in den Abtrennvorgang
eingreifen. Diese kann einerseits thermisch bewirkt sein, indem
sie z.B. bereits während
die Lotstelle „aufgeheizt" wird stetig oder
schlagartig zunimmt und so den Auslötvorgang unterstützt. Andererseits
kann der nach der Auslötung
einsetzende Trennvorgang durch die Vorspannkraft F2 unterstützt werden,
indem sie so wirkt, dass der Abtrennvorgang eine zusätzliche „Beschleunigung" erfährt, indem
z.B. der Schaltweg durch eine weitere Öffnung der Trennstrecke durch
Verformung der Schaltzunge vergrößert wird.
Dadurch wird die elektrische Trennung verbessert, was besonders
bei höheren
Systemspannungen von Vorteil ist.
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Beide
Lösungsansätze können vorteilhafterweise
alleine oder in Kombination angewendet werden. Aus der Kombination
ergibt sich zusätzlich
eine gewisse Redundanz des Abtrennvorgangs, da beide Kräfte unabhängig voneinander
den eingeleiteten Abtrennvorgang, nämlich den Auslötvorgang
einerseits und den anschließenden
Schaltvorgang andererseits unterstützen.
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Im
Weiteren wird die zusammen mit der ersten Vorspannkraft F1 wirkende
vorwiegend thermisch bedingte Vorspannkraft mit F2 und die nach
dem Auslötvorgang
zusammen mit F1 vorwiegend mechanisch wirkende Vorspannkraft als
Schaltkraft F3 bezeichnet.
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Zur
Bereitstellung der thermisch bedingten Vorspannkraft F2 besteht
die Schaltzunge aus einem metallischen, elektrisch leitfähigen Material,
das unter Wärmeeinfluss
verformbar ist. Solche Metalle weisen nach dem Stand der Technik
zwei verschiedene stabile Formzustände auf, die sich temperaturabhängig einstellen.
Im Falle der Schaltzunge entspricht ein erster stabiler Zustand,
der sich unter Normalbedingen ergibt, dem geschlossenen Zustand
der Abtrennvorrichtung. Seine Kraftwirkung ist in dieser Stellung so
gerichtet, dass er keine oder nur eine geringe zusätzliche
Vorspannkraft erzeugt. Der zweite stabile Zustand, der sich unter
Wärmeeinfluss
einstellt, entspricht dagegen dem geöffneten Zustand der Abtrennvorrichtung,
so dass mit zunehmender Erwärmung
die Vorspannung ansteigt (stetig bzw. sprunghaft) und damit die
mechanische Vorspannung auf die Lotstelle verstärkt. So wird eine bedarfsgerechte Vorspannung
erzeugt, die letztlich auch für
sich alleine gesehen zu hohen Schaltgeschwindigkeiten auch bei großen Schaltwegen
führt.
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Für die Bereitstellung
einer solchen Funktion sind z.B. sogenannte Bi-Metalle oder Memorymetalle geeignet.
Während
Bi-Metalle aus zwei Metallen zusammengesetzt sind, die sich unter
Wärmeeinfluss unterschiedlich
ausdehnen und somit das gesamte Teil in eine vorbestimmbare Richtung
verformen, bestehen die Memorymetalle aus einer Metalllegierung (z.B.
Nickel/Titan). Im Gegensatz zu den Bimetallen, wo sich mit steigender
Temperatur das Bestreben in den zweiten stabilen Zustand überzugehen
stetig zunimmt, weisen die Memorymetalle einen bestimmten Temperaturpunkt
auf, bei dem sie sich schlagartig in der Art einer Schaltbewegung
vom einen in den anderen Zustand bewegen und dort auch verbleiben, wenn
die Temperatur, die zur Auslösung
geführt
hat, wieder abgefallen ist.
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Bei
der Ausführung
mit einem Bimetall muss ggf. für
den Fall der Abkühlung
eine Rückhaltung
vorgesehen werden, die das Wiedereinschalten der Abtrennvorrichtung
verhindert. Ansonsten würde
sich der Vorgang der Abtrennung zyklisch wiederholen.
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Als
weitere Ausgestaltung ist die Ausführung einer Schaltzunge denkbar,
die selbst zusätzlich
zu dem erwähnten
thermischen Effekt einer Vorspannkraft F2 auch die erste, mechanisch
bedingte Vorspannkraft F1 erzeugt, indem sie ganz oder teilweise aus
einer Kombination eines der erwähnten
thermischen Materialien mit einem federnden Material besteht. Bei
einer solchen Ausführung
kann sowohl ein bestimmter- Bereich als auch die gesamte Schaltzunge
in Sandwich-Bauweise mit dem thermisch reagierenden Metall ausgestattet
sein.
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Eine
mechanische Zug- oder Druckfeder zur Erzeugung der Vorspannkraft
F1 wird dabei unter Umständen
durch den federnden Effekt des Schaltzungenmaterials ersetzt. Insgesamt
ist die erzielbare Wirkung einer solchen Kombination aber die gleiche wie
bei der Ausführung
nach der ersten Variante mit den funktionell getrennten Elementen
zur Erzeugung der Kraftwirkung F1/F2, Ein Vorteil kann sich bei
bestimmten Anwendungen ergeben, bei denen z.B. die Gefahr besteht,
dass sich die mechanische Aufhängung
der Feder für
die Vorspannkraft F1 löst
(z.B. durch mechanischen Erschütterungen)
oder die Platzverhältnisse
eine kompakte Ausführung
der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung
erfordern.
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Wie
bereits erwähnt,
nimmt die Vorspannkraft F1 während
der Schaltbewegung mit zunehmendem Schaltweg stetig ab. Dieser Effekt
kann von der Vorspannkraft F2 nur teilweise kompensiert werden,
da sich diese Teilkraft nur in der Auslötphase entfaltet und nachdem
durch den Abtrennvorgang die Wärmezuführung unterbrochen
wird, auch diese Kraft mehr oder weniger stetig abnimmt. Um zu verhindern,
dass dadurch der Kräfteeintrag
insgesamt für
eine effektive Schaltbewegung über
den gesamten Schaltweg nicht mehr ausreicht, ist gemäß der Erfindung
eine weitere Kraft F3 vorgesehen, die sich während des Schaltvorgangs entfaltet
und so die nachlassende Wirkung von F1 bzw. F2 zumindest teilweise
kompensiert.
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Die
Bereitstellung dieser weiteren Kraft erfolgt ausschließlich während des
Schaltvorgangs und entfaltet sich gegenüber den Vorspannkräften F1/F2 richtungsgleich,
jedoch zeitlich versetzt invers. Sie wird aus der Bewegung der Schaltzunge
abgeleitet indem durch eine stetige Verlagerung eines Kraftübertragungspunktes
entlang der Schaltzunge das einwirkende Kräfteverhältnis durch veränderte Kraft- und
oder Hebelwirkungen so beeinflusst wird, dass die daraus resultierende
Kraft F3 mit zunehmendem Schaltweg stetig zunimmt.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und den 1 bis 6 näher erläutert werden.
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Die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen
sich ausgehend von einer gemeinsamen Grundversion auf drei Varianten
der Erfindung, anhand derer die relevanten Funktionen, sowie weitere Details
beschrieben und dargestellt werden.
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Die
Erfindung stellt eine Abtrennvorrichtung für Überspannungsableiter mit erweitertem
Funktionsumfang dar, der darin besteht, dass eine erste Vorspannkraft
F1 nach dem Stand der Technik durch mindestens eine zweite, erfindungsgemäße Vorspannkraft
F2 oder Schaltkraft F3 bedarfsgerecht unterstützt wird, um die Auslöse- sowie
Schaltcharakteristik dahingehend zu verbessern, dass einerseits
die Kraftwirkung auf die Lotstelle bei normaler Umgebungstemperatur
vermindert und andererseits der Abtrennweg bzw. die Abtrenngeschwindigkeit
gegenüber
dem Stand der Technik erhöht
ist. Die Abtrennmittel der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung befinden
sich zusammen mit dem zu überwachenden Überspannungs-Schutzelement
bevorzugt in dem aufsteckbaren Oberteil eines zweiteiligen Gehäuses, sind
aber prinzipiell auch einer einteiligen Anordnung realisierbar ist.
Zudem weist das Oberteil Mittel zur Kontaktierung mit einem Unterteil
und ein Anzeigefenster auf, an dem der Schaltzustand der Abtrennvorrichtung
optisch angezeigt wird. Das Unterteil, kontaktiert über entsprechende
Gegenkontakte das Oberteil und weist zudem Anschlussmittel für die äußeren Anschlüsse auf.
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Das
aktive Element stellt dabei ein überspannungsbegrenzendes
oder ein überspannungsschaltendes
Bauteil dar, das von der Abtrennvorrichtung auf Überschreitung einer bestimmten
Erwärmungstemperatur überwacht
wird. Die Überschreitung
vorgegebener Temperaturwerte wird als Defektzustand des aktiven
Bauteils (z.B. Funkenstrecke und/oder Varistor) gewertet, was dessen
Trennung von der Energiezufuhr über
die Abtrennvorrichtung erfordert.
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1a zeigt
das Oberteil einer grundlegenden Ausführung eines steckbaren Überspannungsableiters,
auf der die Erfindung im Wesentlichen aufbaut.
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Hierbei
besteht das Oberteil aus dem steckbaren Einsatz (1) mit
angeformten äußeren Steckkontakten
zur Kontaktierung mit dem Unterteil, an dem die Leitungszuführung der äußeren Anschlüsse erfolgt.
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Die
beiden äußeren Steckkontakte
führen ins
Gehäuseinnere
und kontaktieren dort beidseitig das Ableiterelement (5).
Erfindungsrelevant ist dabei, dass beide Kontaktstücke (4, 6)
aus einem einzigen Stück
als Stanz-, Zieh- oder Prägeteil
aus einem vorzugsweise thermisch verformbaren und/oder federnden
und dennoch gut leitfähigen
Material bestehen, an dessen Ende bzw. Ausprägung jeweils Kontaktfedern
(4b, 6b) oder Kontaktbügel (6a) zur Kontaktierung
des Unterteils bzw. des Ableiterelementes (5) angeformt
sind.
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Ein
erstes der beiden Kontaktstücke
(4) ist in seiner Ausführung
bzw. Ausgestaltung als Schaltzunge (4c) einer Abtrennvorrichtung
mit erweiterten Eigenschaften ausgebildet, wobei eine Ausgestaltung der
Schaltzunge (4c) als Schiene einmal ohne Ausprägung und
bei einer weiteren Ausführung
mit einer mittig angeordnete Ausprägung ausgebildet ist. Wesentlich
ist dabei, dass beide Ausführungen
der Kontaktstücke
(4) aus einem einzigen Teil bestehen. An deren Ende befindet
sich die Lotkontaktstelle (4d), deren Lotverbindung (4f)
bei einer mit einer Erwärmung
einhergehenden Überlastung
des Ableiterelementes (5) an dessen Kontakt (5a)
durch Wärmeübertragung
aufschmilzt und mit einer Schaltbewegung der Schaltzunge (4c)
die beabsichtigte Abschaltung bewirkt.
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Die
Schaltbewegung der Schaltzunge (4c) resultiert aus einer
Federspannung, die indirekt über einen
Abtrennbock (2) eine Vorspannung auf die Schaltzunge (4c)
und damit auf die Lotkontaktstelle (4d) ausübt. Diese
Vorspannung entspricht der Vorspannkraft F1. Durch die Drehbewegung
des Abtrennbocks (2) führt
die abgetrennte Schaltzunge (4c) eine entsprechend schnelle
Schaltbewegung über
einen großen Öffnungsweg
aus und stellt damit eine sichere Trennung zwischen dem Ableiterelement
(5) und der durch die Schaltzunge (4e) gebildeten
Leitungszuführung
her. Gleichzeitig wird die vom Abtrennbock (2) ausgeführte Drehbewegung
in ihrer Endstellung (1b) in einem Sichtfenster (1a)
angezeigt, so dass nach außen
hin die Schaltstellung des Abtrennbocks (2) anhand seiner
Schaufläche
(2d) als Auslösezustand
erkennbar ist.
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Die
Federvorspannung F1 für
die Schaltzunge (4c) wird durch eine Feder (3)
erzeugt, die ihren Festpunkt am Ende einer Gehäusenut (4a) hat. Die so
von der Feder erzeugte Druckkraft wirkt auf den Abtrennbock (2)
am Punkt (2c), der wiederum auf das Drehlager (2a)
des Abtrennbocks wirkt und so die bereits erwähnte Drehbewegung ermöglicht.
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Zunächst wirkt
also die Federvorspannung F1 über
den Abtrennbock (2) auf die Schaltzunge (4c) und
damit auf die Lotkontaktstelle (4d). Eine weitere Unterstützung kann
sie dadurch erfahren, dass die Schaltzunge (4c) selbst eine
Vorspannung erzeugt, die aus einer Federspange oder aus einem Bimetall-
oder Memorymetallstreifen bestehen kann. Während die Wirkung der Federspange
hauptsächlich
in der Schaltphase zum Tragen kommt, können thermisch verformbare
Metalle, die so zusammengestellt sind, dass sie (mindestens) zwei
stabile, temperaturabhängige
Stellungen oder Ausformungen annehmen können, zur Unterstützung des
Auslötvorgangs
herangezogen werden. Dieser Effekt wird bei der Erfindung so genutzt,
dass die Schaltzunge mit zunehmender Temperatur eine zunehmende
Zugkraft F2 in Schaltrichtung erfährt und somit zuzüglich zur
Federkraft F1 die Vorspannung erhöht, was den eingeleiteten Auslöt- und den
nachfolgenden Abtrenn- bzw. Schaltvorgang positiv beeinflusst. Die durch
die Kombination F1/F2 erzeugte Vorspannung der Schaltzunge hat nicht
nur verstärkende
Wirkung auf den Auslötvorgang,
sondern erhöht
zusätzlich
die Zuverlässigkeit
der Auslösung
eines Schaltvorgangs durch zwei unabhängig einwirkende, gleichgerichtete Kräfte.
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Die
Lotstelle, die die Schaltzunge mit dem Ableiterelement verbindet,
ist so ausgelegt und hergestellt, dass die Abtrennung sicher und
zu einem Zeitpunkt erfolgt, bei dem noch keine thermischen Schäden durch
ein überhitztes
Ableiterelement abzusehen sind. Dieser Punkt wird zunächst durch
die Wahl des Lotes bestimmt, wobei auch die beschriebene mechanische
Vorspannung einen wesentlichen Anteil dazu liefert. Weiterhin müssen die
Lotmenge an der Lotstelle (4f) (siehe 1b)
und die Wärmeverteilung
an der Lotkontaktstelle optimiert sein.
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Dazu
ist zunächst
die Lotkontaktstelle (4d) so ausgeformt, dass sie nur eine
begrenzte Menge Lot aufnimmt, indem das Ende der Schaltzunge (4c) als
Kontaktmesser (4d'),
das als Gegenkontakt in einen schlitzförmigen Durchbruch (5c)
eintaucht und mit seinem durchragenden Teil mit dem Kontakt (5a) des
aktiven Elementes (5) verlötet wird, ausgebildet ist.
Um eine optimale Wärmeverteilung
zu erreichen, werden bevorzugt hochwärmeleitfähige Metalle oder Metalllegierungen
bzw. Überzüge zumindest
oder ausschließlich
im Bereich der Lotkontaktstelle (4d) verwendet.
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Das
zweite Kontaktstück
(6) ist so ausgeformt, dass es über entsprechende Abstützungen
in dem Gehäusehalbteil,
welches für
die Aufnahme der Bauteile ausgebildet ist, einen Kontaktdruck über den Bügel (6a)
auf die Kontaktfläche
(5b) des Ableiterelementes (5) ausübt bzw.
mit diesem Kontaktstück
verlötet ist.
Die Abstützungen
bestehen aus miteinander verflochtenen Stegen, die gleichzeitig
die Festigkeit des Gehäusehalbteiles
(1) erhöhen,
so dass ein kontinuierlicher Kontaktdruck auch durch eine entsprechende
Steifigkeit des Trägergehäuses sichergestellt ist.
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Durch
die Stege im tragenden Gehäusehalbteil
werden beide Kontaktstücke
(4, 6) geführt
und in ihrer Lage gehalten. Gleichzeitig wirken die Stege in bestimmten
Bereichen als Isolation für
die Kontaktstücke
bzw. stützen
oder verstärken
dort deren Form und ermöglichen
so, dass die Kontaktstücke
z.B. im Bereich der Steckkontakte mechanisch belastet werden können, ohne
sich dadurch zu verformen.
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Die
Erzeugung der erfindungsgemäßen Schaltkraft
F3 wird anhand der 2 bis 4 erklärt. Sie
entfaltet ihre Wirkung sobald der Auslötvorgang vollzogen ist und
sich die Schaltzunge in Richtung Endstellung für den geöffneten Zustand bewegt. Sie wirkt
also wie die Vorspannkraft F2 bedarfsorientiert jedoch zeitversetzt
zusammen mit F1.
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Die
betreffenden Ausführungen
in den 2 bis 4 entsprechen
weitestgehend der Grundversion nach 1,
weshalb hier nur diejenigen Elemente bezeichnet sind, die im unmittelbaren
Zusammenhang mit der beschriebenen Funktion der jeweiligen Version
stehen. Gemeinsame erfindungswesentliche Merkmale dieser drei erweiterten
Funktionen sind
- – ein Festpunkt (2b)
auf dem Abtrennbock, der die von den Vorspannkräften F1/F2 erzeugte und über den
Abtrennbock übertragene,
zunächst
statische und nach dem Auslötvorgang
in eine Drehbewegung umgesetzte Kraft abhängig von der Schaltstellung
der Schaltzunge an einem bestimmten Punkt überträgt und dadurch eine sich stetig
erweiternde Hebelkraft erzeugt,
- – bestimmte
Modifikationen der Schaltzunge, die eine gespeicherte statische
Energie im Zuge der Schaltbewegung in eine richtungsgleiche Bewegungsenergie
umwandeln und so die abklingenden Vorspannkräfte unterstützen.
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Die 2a und 2b zeigen
ein erstes Beispiel der Erfindung jeweils im geschlossen und im ausgelösten Zustand.
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Das
erfindungswesentliche Merkmal dieses Ausführungsbeispiels sind zwei unterschiedlich
angeordnete Drehpunkte, von denen ein erster am Punkt (4e)
der Schaltzunge und ein zweiter am Punkt (2a) dem Abtrennbock
zugeordnet ist. Die Kraftwirkung von F1 spannt im nicht ausgelösten Zustand über einen
Festpunkt (2b) am Abtrennbock die Schaltzunge in Richtung
der Schaltbewegung vor. Nach vollzogener Auslötung wird unter Einwirkung der
Kraft F1 über
den Festpunkt (2b) auf der Schaltzunge die Abtrennung eingeleitet,
wobei sich die Krafteinwirkung die der Festpunkt auf die Schaltzunge
ausübt
mit zunehmendem Schaltweg in Richtung Abtrennkontakt (4d)
bewegt. Diese Verlagerung der Kraftübertragung bewirkt eine Änderung
der Kräfteaufteilung über die
Länge der
Schaltzunge zwischen dem Drehlager am Punkt (4e) und dem
Auslötkontakt
(4d), indem sich die Länge
eines Hebelarmes L mit zunehmendem Schaltweg ausgehend von einer ausgeglichenen
mittleren Position L1 in Bild 2a in eine ungleichgewichtige obere
Position L2 in Bild 2b erstreckt.
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So
wird die bei zunehmendem Schaltweg abnehmende Federkraft F1 soweit
kompensiert, dass sich trotzdem ein funktionell einwandfreier Verlauf des
Abtrennvorgangs einstellt. Durch die anfänglich ausgeglichene mittlere
Position L1 der Kraftübertragung über den
Festpunkt auf die Schaltzunge kann die Vorspannkraft F1 gegenüber einer
Abtrennvorrichtung nach dem Stand der Technik wesentlich reduziert
sein.
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Die 3a und 3b zeigen
ein zweites Beispiel der Erfindung jeweils im geschlossen und im ausgelösten Zustand.
Der Auslösevorgang
bis zu der in 3b dargestellten Position der
Schaltzunge ist bis dahin identisch mit demjenigen, wie er in 2a/2b bereits
beschrieben wurde. Darüber hinaus
weist diese Variante der Erfindung eine Zusatzfunktion auf, die
ab dieser Position der Schaltstellung, die ja bereits die Endstellung
der Drehbewegung durch den Abtrennbock darstellt eine weitere Verlängerung
des Schaltweges bewirkt. Diese Schaltstellung ist in 3c dargestellt.
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Die
hierfür
zur Anwendung kommende Schaltzunge (4c) (3a/3b)
wird aus einem Federmaterial ausgeformt, das in einem bestimmten Bereich
eine Ausprägung
mit einem überbogenen Steg
(4h) aufweist. Der überbogene
Steg wirkt als integrierte Federspange. Durch die mechanische Vorspannung,
die die Schaltzunge durch die Überbiegung
des Steges bzw. der Federspange erfährt, wirkt im eingelöteten Zustand
zunächst
eine Vorspannkraft (F2')
in Richtung Lotstelle, wodurch die Vorspannung in Schaltrichtung
durch die Federkraft F1 reduziert ist. Nachdem der Auslötvorgang
abgeschlossen ist, setzt sich die Schaltzunge unter dem überwiegenden Einfluss
von F1 in gewohnter Weise von der Lotstelle durch eine Schaltbewegung
in Richtung Endstellung ab. Ab einer bestimmten Schaltstellung erfährt die Überbiegung
(4h) dadurch eine Überdehnung,
so dass sie schlagartig in die entgegengesetzte Richtung S2' kippt, wodurch die
Schaltzunge insgesamt eine Kippbewegung durch Verformung des Steges
in Richtung Endstellung vollzieht und damit den Schaltweg über die
eigentliche Endstellung der Schaltbewegung S1 hinaus um den Betrag
S2 zusätzlich
vergrößert (3c).
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Die 4a/4b zeigen
eine dritte Variante der Erfindung jeweils im eingelöteten und
im ausgelöteten
Zustand. Diese Variante weist eine etwa S-förmig vorgebogene Schaltzunge
(4c) auf, wie sie in 4b im
ausgelöteten
Zustand zu erkennen ist.
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Im
geschlossenen Zustand nach 4a wird der
vordere Bereich der Schaltzunge in eine U-Form gebogen, deren offenes
Ende (4d')
in einen Schlitz (5c) der Lotkontaktfahne (5a)
ragt und darin verlötet wird.
Auch hier überträgt der Festpunkt
(2b) des Abtrennbocks die Vorspannkraft F1 der Feder auf
die Schaltzunge und verändert
während
der der Auslötung
folgenden Trennbewegung seinen Angriffspunkt so, dass er die Trennbewegung
unterstützt.
Als Folge davon wird das verlötete
Ende der Schaltzunge aus dem Schlitz der Lotkontaktfahne herausgezogen
und vollzieht die Trennung ebenfalls durch eine Verformung der Schaltzunge,
indem sie wieder ihre ursprüngliche
S-Form einnimmt. Während
das ausgelötete
Ende dadurch nach oben schnappt, wird die Schaltbewegung bis zur
Endstellung (1b) des Abtrennbocks fortgeführt.
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5a zeigt
beispielhaft das Zusammenwirken der einzelnen Teilkräfte F1,
F2 und F3 während eines
Auslötvorganges
durch Erwärmung
T des zu überwachenden
Ableiterelementes mit anschließender
Abtrennung der Schaltzunge und dem Schaltweg, den die Schaltzunge
bis zum Endanschlag zurücklegt.
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Der
Auslötvorgang
liegt im Bereich A. Die Erwärmungstemperatur
T des Ableiters steigt dabei beginnend bei der Umgebungstemperatur
TU an, bis die Auslöttemperatur TA erreicht
ist. Durch die im Bereich B zum Zeitpunkt t2 eingeleitete Abtrennung
von der Energiezufuhr kühlt
der Ableiter über
die Zeit wieder ab. So wird eine Überhitzung des Gesamtsystems, die
sich im ungünstigsten
Fall bzw. fehlender Abtrennvorrichtung zu einer Brandgefährdung entwickeln
könnte,
vermieden.
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Während des
Auslötvorgangs
steigt die Kraftwirkung der Vorspannkraft F2 kontinuierlich an, während die
Vorspannkraft F1 permanent auf die Schaltzunge und damit auf die
zu diesem Zeitpunkt noch nicht aufgelötete Lotstelle wirkt.
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An
der Schnittstelle Bereich A zu Bereich B ist zum Zeitpunkt t2 der
Auslötvorgang
abgeschlossen. Die Schaltzunge wird zunächst maßgeblich unter Einwirkung der
mit zunehmendem Schaltweg nachlassenden Kräfte F1 und F2 in Richtung Endstellung
t3 bewegt, während
die Kraft F3 in diesem Bereich mit Mitteln, die in den Erläuterungen
zu den 2 und 4 beschrieben sind, bis zur
Endstellung ansteigt.
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Das
Diagramm 5a zeigt zudem deutlich, dass
die Kraft F2 im Wesentlichen den Auslötvorgang (Bereich A) unterstützt. Weiteres
Ziel der Erfindung ist allerdings auch, dass für den Schaltvorgang (Bereich
B) eine weitere Kraft zur Wirkung kommt, die die mit zunehmendem
Schaltweg nachlassende Federkraft von F1 unterstützt oder ersetzt, um eine hohe
Schaltgeschwindigkeit bzw. einen großen Schaltweg zu erzielen.
Dazu dient die Schaltkraft F3 die nach den Mitteln 2 bis 4 bereitgestellt wird.
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5b zeigt
den Verlauf der aus den Teilkräften
F1, F2 und F3 resultierenden Gesamtkraft FRG im
Vergleich zum Verlauf der Vorspannkraft F1. Man erkennt, dass die
zusätzlichen
Maßnahmen
der Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik (hier durch den Verlauf von F1 repräsentiert)
deutliche Vorteile aufweist.
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Die
erläuterten
Ausführungen
einer Abtrennvorrichtung für Überspannungsableiter
mit erweitertem Funktionsumfang gehen davon aus, dass sich das zu überwachende Überspannungsschutzelement
unter dem Einfluss einer Belas tung oder Beschädigung so verhält, dass
es sich übermäßig erhitzt.
Diese Überhitzung
bildet praktisch die Vorraussetzung, dass die Lotstelle aufschmilzt
und letztlich in der beschriebenen Art und weise das defekte Bauteil von
der Versorgungsspannung abtrennt. Eine auf diese Art wirkende Abtrennvorrichtung
kann deshalb auch nur dann wirkungsvoll eingesetzt werden, wenn eine
relativ träge
Abschaltung ausreicht, was in den meisten Fällen auch tatsächlich der
Fall ist, zumal die meistens extern im Stromnetz vorzusehenden Stromsicherungen
die Schnellabschaltung (z.B. bei Kurzschluss) übernehmen.
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Eine
Abtrennvorrichtung mit erweitertem Funktionsumfang sollte jedoch
so konzipiert sein, dass auch ein eventueller Kurzschluss über das
Ableiterelement erkannt und rechtzeitig abgeschaltet werden kann.
Diese Maßnahme
hat folgende Vorteile:
- – Es ist kein externer Kurzschlussschutz
erforderlich, bzw. die Anwendung ist von dessen Bemessung unabhängig;
- – die
Schaltcharakteristik des integrierten Kurzschlussschutzes kann mit
der der thermischen Abtrennung abgestimmt (koordiniert) werden;
- – die
thermische Abtrennung und die Kurzschlussabtrennung können am Überspannungsableiter
angezeigt werden;
- – Ein
Kurzschluss des Überspannungsableiters führt nicht
zwangsläufig
zur Abschaltung der Stromversorgung der Verbraucheranlage durch die
Stromkreissicherung (koordinationsabhängig).
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Wie
auch immer besteht durch eine weitere Modifikation der Schaltzunge
die Möglichkeit,
eine Kurzschlusssicherung einzurichten. Dazu wird der Querschnitt
der Schaltzunge an einer dafür
geeigneten Stelle verjüngt.
Der Querschnitt dieser Verjüngung
bestimmt den Strom, der zu einer strombedingten Abschaltung führt.
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Der
bei der strombedingten Abschaltung an der Trennstelle auftretende
Lichtbogen wird, um dessen Auswirkungen zu begrenzen, am Aufbau
behindert. Dazu wird in konventionellen Stromsicherungen eine Löschsandfüllung vorgesehen,
die die Lichtbogenstelle umgibt und den entstehenden Lichtbogen soweit
herunterkühlt,
dass er sich gar nicht erst ausweiten kann.
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Nach
dem Stand der Technik ist von Trennschaltern allerdings auch bekannt,
die Lichtbogenkühlung
durch so genannte Funkenlöschkammern herbeizuführen. Hier
wird der Lichtbogen in Teillichtbögen aufgeteilt und mittels
Kühlbleche
abgekühlt.
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Eine
weitere Möglichkeit
bietet eine Löscheinrichtung,
die unter dem thermischen Einfluss des Lichtbogens ein Löschgas freisetzt.
-
Um
den Lichtbogen an der strombedingten Schmelzstelle der Schaltzunge
zu beherrschen, sind bei der Erfindung zwei Maßnahmen vorgesehen.
-
Zum
einen ist der Abtrennbock so ausgeführt, dass er sich zwischen
die aufgetrennten Teile der Schaltzunge schiebt, wobei der untere
Teil hohlwandig ausgebildet ist und den abgetrennten unteren Teil
der Schaltzunge in Art einer Schaltkammer umschließt. Damit
bietet sich dem Lichtbogen kein weiterer Fußpunkt, wodurch er unterbrochen
wird.
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Zum
zweiten besteht der Abtrennbock bzw. zumindest die Hohlkammer aus
einem Werkstoff, der unter dem Einfluss des Lichtbogens ein Löschgas freisetzt,
welches zusätzlich
die Ausdehnung des Lichtbogens durch Kühlung unterbindet.
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Die 6a und 6b zeigen
eine solche, in die Schaltzunge integrierte Stromsicherung.
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6a zeigt
die Schaltzunge (4c), die im Bereich des Auflagepunktes
für den
Festpunkt (2b) eine Querschnittsverjüngung (4i) aufweist,
die aus einer Bohrung oder Ausprägung
gebildet ist. Der Abtrennbock bildet unterhalb des Festpunktes eine
Schaltkammer (2e) aus, die den unteren Bereich der Schaltzunge
(4i') während und
nach der strombedingten Abtrennung vom oberen, noch mit der Lotstelle
verbundenen Teil (4i'') abtrennt.
Durch die Einhausung des unteren Teils der Schaltzunge ist dieser Bereich
elektrisch von den übrigen
Teilen durch Beabstandung und Isolierung getrennt (6b).
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- 1
- steckbarer
Einsatz
- 1a
- Sichtfenster
- 1b
- Endstellung
- 2
- Abtrennbock
- 2a
- Drehlager
[2]
- 2b
- Festpunkt
- 2c
- Kraftübertragung
[3]
- 2d
- Schaufläche
- 2e
- Schaltkammer
- 3
- Feder
- 4
- Kontaktstück
- 4a
- Gehäusenut,
Anschlag für
[3]
- 4b
- Steckkontakt,
Kontaktfeder
- 4c
- Schaltzunge
- 4d
- Lotkontaktstelle,
Abtrennkontakt
- 4d
- Kontaktmesser
- 4e
- Drehpunkt
- 4f
- Lotverbindung
- 4g
- Lotverbindung
- 4h
- überbogener
Steg [4c]
- 4i
- Querschnittsverjüngung [4c]
- 4i'
- Schaltzunge,
unterer Bereich
- 4i''
- Schaltzunge,
oberer Bereich
- 5
- Ableiterelement
- 5a
- Ableiterkontakt
- 5b
- Kontaktfläche
- 5c
- Durchbruch
- 6
- Kontaktstück
- 6a
- Kontaktbügel
- 6b
- Steckkontakt,
Kontaktfeder