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Die
Erfindung betrifft eine Kurzschließeinrichtung für Überspannungsableiter
wie Varistoren, Funkenstrecken oder dergleichen Mittel, umfassend einen
beweglichen leitfähigen oder leitfähige Abschnitte
aufweisenden Kurzschließer, welcher unter mechanischer
Vorspannung stehend durch eine Fixiereinrichtung gehalten ist, wobei
die Fixiereinrichtung bei Erwärmung den Kurzschließer
frei gibt, so dass dieser die Überspannungsableiter-Anschlusskontakte überbrückt
oder verbindet, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Nach
dem Stand der Technik werden zur Überwachung von Varistoren
als Überspannungsableiter einfache Abtrenneinrichtungen
verwendet, die z. B. eine unter mechanischer Vorspannung stehende
Schaltzunge aufweisen, die durch thermisches Auftrennen einer Lotverbindung
eine Schaltbewegung ausübt und somit den Strompfad unterbricht. Derartige
thermische Abtrennvorrichtungen, die auch mit einer Sollbruchstelle
für hohe Ströme kombiniert sein können,
sind beispielsweise in der
DE
42 41 311 A1 oder der
DE 38 05 889 A1 erläutert.
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Alternativ
zur Abtrennung können Überspannungsableiter bei Überlastgefahr
auch kurzgeschlossen werden. Sowohl das Abtrennen als auch das Kurzschließen
dienen dem Schutz des Überspannungsableiters vor Überlastung.
Bei Anwendungen im Niederspannungsbereich ist die Abtrennung dominierend.
Der Vorteil dieser bekannten Schutzmethode besteht darin, dass bei
den häufigsten Überlastfällen die Abtrennvorrichtung
den Varistor vom Netz trennt, wobei die Netzversorgung bestehen
bleibt.
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In
einigen Überlastfällen, bei denen ein hoher Fehlerstrom
durch die Abtrennvorrichtung unterbrochen werden soll bzw. die Versorgungsspannung stark
erhöht ist, kann das Schaltvermögen der Abtrennvorrichtung überschritten
werden. Der entstehende Lichtbogen zwischen der Schaltzunge und dem
festen Anschlussstück eines Varistors kann nicht gelöscht
werden. Der hier entstehende lang dauernde Energieeintrag in den Überspannungsableiter
kann zum Abbrand der Anschlussteile sowie letztendlich zur Zerstörung
des Ableiters, aber auch zu Folgeschäden in der zu schützenden
Anlage führen. In derartigen Fällen ist das Realisieren
eines Kurzschlusses des Ableiters von Vorteil, da die vorgeordneten Überstromschutzeinrichtungen
ein vielfach höheres Schaltvermögen besitzen.
Hinsichtlich der Realisierung von Kurzschließeinrichtungen
für Varistoren sei z. B. auf die
DE 33 18 588 A1 ,
DE 37 34 214 A1 oder
die
DE 26 34 479 verwiesen.
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Aus
der
US 4,068,281 oder
der
EP 0 860 927 A1 sind
Schutzeinrichtungen vorbekannt, die über eine elektronische
Auswertung der Belastung einen Kurzschlusspfad aktivieren.
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Bei
der
DE 33 18 588 A1 wird
ein Varistor mit Kurzschlussmöglichkeit offenbart. Bei
Erwärmung des Varistors wird ein unter Federvorspannung
stehendes Anschlussbein direkt oder nach Deformation eines Isolationsteils
gegen einen Kurzschlusskontakt bewegt. Nachteilig ist hier, dass
das temperatursensible Material entweder direkt im Stromkreis eingebunden
ist und somit durch die metallischen Anschlussleitungen gekühlt
wird oder dass zwischen dem Varistor und dem temperatursensiblen
Material über die Zuleitung Wärme abgeführt
wird. Dies erhöht erheblich die Verzögerungszeit
zwischen dem Erreichen der kritischen Temperatur am Varistor und dem
Ansprechen der temperatursensiblen Materialien. Bei einer sehr schnellen
Erwärmung des Varistors kann dieser nicht ausreichend vor
einer Überlastung und Zerstörung geschützt
werden.
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Die
DE 26 34 479 A1 zeigt
einen Varistor mit einem federvorgespannten Kurzschlussbügel.
Dort ist zwar der Federbügel nicht unmittelbar in den Zuleitungspfad
eingebunden, jedoch führt seine unmittelbare Kontaktierung
mit dem temperatursensiblen Material zu einer relevanten Kühlung
desselben, wodurch auch bei dieser Lösung des Standes der
Technik eine erhebliche Verzögerungszeit resultiert. Außerdem
besitzt die vorbeschriebene Lösung einen erheblichen Platzbedarf
und es ist die Kurzschlussstromtragfähigkeit begrenzt.
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Gemäß
DE 37 34 214 A1 ist
eine thermische Abtrennvorrichtung bekannt, welche über
einen ausgeführten Wechselkontakt einen Kurzschluss in
einem Parallelpfad realisieren kann. Bei dieser Abtrennvorrichtung
erfolgt das Abtrennen des Varistors über eine Lotstelle
im Zuleitungspfad. Die Wärmeabführung und somit
auch die Verzugszeit sind sehr hoch.
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Eine
thermisch sensible Trennstelle einer üblichen Abtrennvorrichtung,
wie sie in der 1, die den Stand der Technik
in allgemeinster Art repräsentiert, dargestellt ist, kann
prinzipiell auch für einen Kurzschließer genutzt
werden. Die Lotstelle verbindet hier zwei Metallteile, welche eine
hohe Wärmeleitung und eine hohe Wärmekapazität
besitzen, da diese Metallteile zwangsweise alle Strombelastungen im
Arbeitsbereich des Ableiters zu beherrschen haben. Die Lotverbindung
selber muss den Anforderungen der Impulsstromtragfähigkeit
gerecht werden. Zusätzlich wird die Lotverbindung permanent
der mechanischen Belastung durch die Federvorspannung, welche auf
den beweglichen Teil der Zuführung wirkt, ausgesetzt. Eine
Optimierung auf die eigentliche Funktion, nämlich das Abtrennen
des Varistors bei dessen Erwärmung ist gemäß dem
Stand der Technik nicht möglich. Thermische Abtrennvorrichtungen der
bekannten Art besitzen eine erhebliche Trägheit, welche
insbesondere auf der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten
Materialien, den notwendigen Anschlussquerschnitten und der resultierenden
großen Wärmekapazität beruht.
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Im Überlastfall,
also insbesondere bei der Erwärmung des Varistors infolge
von lang andauernden Überspannungen oder der Alterung des
Varistors wird die Lotstelle der Abtrennvorrichtung aufgrund der
erläuterten Verhältnisse nur allmählich
erwärmt. Das heißt, selbst nach Erreichen einer
für den Varistor kritischen Temperatur vergeht noch eine
geraume Zeit, bis die Lotstelle die notwendige Schmelztemperatur
erreicht. Häufig erfolgt hierdurch eine Überlastung
des Varistors, bevor eine thermische Abtrennung erfolgen kann. Eine Überlastung
des Varistors kann auch zu undefinierten Verhältnissen hinsichtlich des
resultierenden Fehlerstroms und somit zu einer Vielzahl unterschiedlicher
weiterer Fehler und Schäden führen.
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Wie
bereits erwähnt, gehören Lösungen zum Stand
der Technik, bei welchen eine Trennung des thermisch sensiblen Teils
vom Hauptstrompfad erfolgt. Bei den bisher bekannt gewordenen Lösungen konnte
jedoch das Problem der großen Wärmekapazität
bzw. der starken Kühlung des thermisch sensiblen Teils
nicht beseitigt werden, wodurch insbesondere bei einer schnellen
Erwärmung des Varistors kein ausreichender Schutz erzielt
werden konnte. Die unter anderem aus diesem Grund entwickelten Schutzeinrichtungen
auf der Basis von elektronischen oder elektromechanischen Wirksystemen
zielen ebenfalls auf einen verbesserten Schutz der Varistoren bei schnellen
Erwärmungsvorgängen ab, sind jedoch sehr aufwendig,
kostenintensiv und störanfällig.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte
Kurzschließeinrichtung für Überspannungsableiter,
wie Varistoren, Funkenstrecken oder dergleichen Mittel, anzugeben, deren
Wirkprinzip darin besteht, im ausgelösten Zustand einen
Kurzschlusspfad in einen Parallelpfad zu dem defekten Ableiter zu
schalten, so dass der ursprüngliche Strom als Kurzschlussstrom
in den Parallelpfad kommutiert. Die zu schaffende Kurzschließeinrichtung
soll eine möglichst geringe Verzugszeit besitzen, so dass
eine unerwünschte Zerstörung des Überspannungsableiters
vermieden werden kann bzw. der Schaden infolge einer Lichtbogenbildung begrenzbar
ist. Die zu schaffende Lösung soll außerdem einfach,
platzsparend und kostengünstig sein.
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Außerdem
soll die Kurzschließeinrichtung auch zur Kombination mit
an sich bekannten Abtrennvorrichtungen geeignet sein.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Kurzschließeinrichtung
für Überspannungsableiter gemäß der
Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens
zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
darstellen.
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Es
wurde erkannt, dass Überspannungsableiter, z. B. Varistoren,
aufgrund der Einbausituation, des Materialaufbaus, der Geometrie
und der Kontaktierung der Anschlussflächen sowie der Stromverteilung
Bereiche unterschiedlicher Erwärmung besitzen. Demnach
ist entsprechend der gegebenen Verhältnisse der Punkt oder
der Bereich der stärksten Erwärmung für
die Positionierung des thermisch sensiblen Teils, d. h. der Fixiereinrichtung,
auszuwählen.
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Das
thermisch sensible Teil soll darüber hinaus über
eine möglichst geringe Wärmekapazität verfügen
und eine geringe Wärmeabfuhr besitzen. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung wird ein bewegliches Kontaktstück der Zuleitung
zum Überspannungsableiter mit einer Federvorspannung beaufschlagt.
Die Verbindung dieses derart beweglichen Kontaktstücks
mit dem Überspannungsableiter erfolgt über eine
Kontaktstelle. Günstig für die Ausführung
einer solchen Kontaktstelle ist es, wenn die Richtung der bei Stoßstrombelastung
auftretenden Stromkräfte nicht gegen die Kontaktkraft wirkt.
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Bei
dieser Ausführungsform der Erfindung ist lediglich ein
weiterer dauerstromtragfähiger Kontakt mit entsprechendem
Gegenpotential vorzusehen. Dieser Kontakt wird so angeordnet, dass
zwischen den verschiedenen Potentialen eine ausreichende Trennstrecke
vorhanden ist und dass das bewegte Teilstück, welches an
den weiteren Kontakt heranbewegt wird, eine ausreichende Dauerstromtragfähigkeit
besitzt.
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Auf
den Bereich des Varistors mit der stärksten Erwärmung
wird ein thermisch sensibles Teil als Fixiereinrichtung angebracht.
Diese Fixiereinrichtung soll über eine geringe Wärmekapazität
verfügen. Zum Verbinden mit dem Überspannungsableiter
bieten sich Wachse, Kleber, Lote oder geeignete Materialien mit
einem Schmelzpunkt oder einer Erweichungstemperatur knapp oberhalb
der üblichen Betriebstemperatur des Überspannungsableiters
an. Diese Materialien halten dann entweder direkt oder in Verbindung
mit Zwischenstücken das eigentliche bewegliche Teil der
Kurzschließeinrichtung.
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Wenn
aus konstruktiven Gründen notwendig, kann die temperatursensible
Fixiereinrichtung auch nicht unmittelbar am Varistor befestigt werden. In
diesem Fall muss jedoch dafür gesorgt werden, dass die
Wärmeleitung zwischen der Stelle mit der stärksten
erwarteten Erwärmung und der Fixiereinrichtung ausreichend
ist, und zwar bei einer an sich zu minimierenden Wärmekapazität.
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Dann,
wenn die Schmelztemperatur des temperatursensiblen Bereichs bzw.
der Fixiereinrichtung erreicht ist, bewegt sich der Kurzschlussbügel auf
den zusätzlichen Kontakt zu mit der Folge des erwünschten
schnellen Kurzschließens des betreffenden Überspannungsableiters.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Kurzschluss
auch an zwei separaten gegenpoligen Kontakten durch Bewegung eines entsprechenden
Kontaktstücks hin zu diesen Kontakten realisiert werden.
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Bei
sehr steilen und hohen Überspannungen oder Stoßströmen,
bei welchen der Überspannungsableiter, insbesondere ein
Varistor, innerhalb von wenigen Mikrosekunden überlastet
wird, findet vor der Zerstörung des Varistors nahezu keine
Erwärmung statt. In diesen Fällen ist vorgeschlagen,
die erfindungsgemäße Kurzschließeinrichtung,
d. h. die Fixiereinrichtung, in einem Bereich einer zusätzlichen Umhausung
des Überspannungsableiters anzuordnen, wobei dieser Bereich
im Falle eines entstehenden Lichtbogens Temperatur- und/oder Gaswirkungen
des Lichtbogens sammelt oder bündelt. Das heißt,
das entstehende heiße Gas, welches im Schadensfall vorliegt,
wird direkt zur Fixiereinrichtung und zu dem dort vorgesehenen thermisch
sensiblen Bereich geleitet. Dies kann im einfachsten Fall dadurch realisiert
werden, dass der Überspannungsableiter bis auf den Bereich
der Kontaktierung des temperatursensiblen Materials vollständig
umschlossen ist. Hierbei kann das heiße Gas oder Plasma
zu einem kaminartigen Kanal geführt werden, in welchem
ein Draht oder ein Faden der Fixiereinrichtung befindlich ist. Als
temperatursensibel wird hierbei die Kontaktstelle der Auslöseeinrichtung
mit dem Varistor sowie im Falle eines Fadens aus Isolationsmaterial
auch das Material des Fadens angesehen, welches im Falle der Lichtbogeneinwirkung
schmelzen oder sich verlängern kann.
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Bei
einer umhüllten Ausführung des Überspannungsableiters
kann zusätzlich auch die Druckentwicklung für
den Kurzschluss genutzt werden. Hierzu wirkt der Druck, z. B. in
Form eines Kolbensystems, direkt auf den Kurzschluss kontakt ein.
Die mechanische Festigkeit des Haltesystems (Kontaktstelle, Festigkeit
des Drahtes) wird hierbei bereits bei geringen Drücken überlastet.
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Die
Kurzschließeinrichtung der Erfindung ist über
eine thermische Trennstelle mit dem eigentlichen zu überwachenden
Element, d. h. einem Varistor oder einer Funkenstrecke, verbunden
und wird beim Überschreiten einer bestimmten Wärmemenge z.
B. ausgelötet oder durch Veränderung der Viskosität
eines Klebers ausgelöst. Als Folge davon wird in einem
Parallelpfad zum betroffenen Element ein Kurzschlusspfad geschlossen,
ohne dass das eigentliche Überspannungsschutzelement abgetrennt
wird. Da der Parallelpfad in jedem Fall niederohmiger als der defekte
Ableiter ist, erfolgt eine nahezu vollständige Kommutierung
des Stroms über den so geschaffenen Bypass, wodurch der
Leistungsumsatz im defekten Ableiterelement auf einen vernachlässigbar geringeren
Wert reduzierbar ist. Wesentlich ist, dass die Stromkommutierung
bereits erfolgt, bevor z. B. ein Varistor aufgrund seines Zerstörungsgrads
durchlegiert ist. Dies erfordert eine schnelle Schalteinrichtung,
die erfindungsgemäß durch eine verlustfreie Wärmeübertragung
vom Überspannungsableiter an die thermische Trennstelle
und von dort auf den eigentlichen Kurzschlussschalter gekennzeichnet
ist.
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Wie
bereits erläutert, besteht ein direkter Wärmekontakt
der Fixiereinrichtung bzw. der thermischen Trennstelle mit dem Überspannungsableiter oder
Schutzelement, insbesondere einem Varistor oder einer Funkenstrecke.
Die thermische Trennstelle ist von der eigentlichen Schalteinrichtung
thermisch entkoppelt, wobei die Kurzschließeinrichtung im
Normalzustand potentialfrei ist. Bei einer Ausgestaltung liegt ein
potentialfreier Kurzschlusskontakt mit hoher Kurzschluss- und Dauerstrombelastung durch
Wärmeabführung von der Kontaktstelle vor.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht die
Kurzschließeinrichtung aus einer Vorrichtung, bei der ein
direkt auf einen Varistor aufgebrachter Draht über eine
Federkraft vorgespannt ist. Am gegenüberliegenden Ende
weist der Draht eine bevorzugt kreisförmige Kontaktplatte
auf, die zum einen mit ihrer Unterseite die Feder im nicht ausgelösten
Zustand spannt und die zum anderen im ausgelösten Zustand
mit ihrer Oberseite eine Kurzschlussverbindung zwischen zwei Kontaktbügeln herstellt.
Diese Kontaktbügel sind wiederum mit den jeweiligen Anschlusspotentialen
des Varistors und so mit den äußeren Anschlüssen
verbunden, so dass die Kontaktplatte die Zuschaltung des Bypasses
und damit die beabsichtigte Stromkommutierung auslöst.
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Dabei
besteht die Kontaktplatte bevorzugt aus einem mechanisch und thermisch
hoch belastbaren Isolationsmaterial, z. B. aus glasfaserverstärktem Epoxidharz.
Am äußeren Randbereich ist eine kreisförmige
metallische Beschichtung vorhanden. Diese metallische Beschichtung
oder ein darauf gelöteter metallischer Kurzschlussring
stellt im ausgelösten Zustand die beabsichtigte Kurzschlussverbindung zwischen
den vorerwähnten Kontaktbügeln her.
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Durch
die Auslegung der Kontaktplatte erfolgt im Zustand „thermisches
Trennen" die Wärmeabführung ausschließlich über
den Draht mit geringem Durchmesser, was jedoch durch dessen geringe Wärmeleitfähigkeit
und die vorhandene geringe Masse vernachlässigbar ist.
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Der
Draht kann auch durch einen Kunststofffaden ersetzt werden, der
anstelle der Lotstelle unter Wärmeeinwirkung durch den
Varistor aufschmilzt und so die Vorspannung der Kontaktplatte über
die Federkraft frei gibt.
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Wenn
die Kontaktplatte den vorerwähnten kreis-, kreisring- oder
ringförmig ausgebildeten Kontakt aufweist, der über
eine Isolierstrecke auf der Kontaktplatte von dem gegebenenfalls
potentialführenden Draht getrennt und somit sowohl thermisch als
auch elektrisch von diesem isoliert ist, führt die Kontaktplatte
im nicht ausgelösten Zustand kein Potential. Hierdurch
können die Luft- und Kriechstrecken zu potentialführenden
Teilen verringert werden, was den Schaltweg verkleinert und die
Lichtbogendauer das Schaltlichtbogens extrem verkürzt.
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Im
abgetrennten Zustand überbrückt der Ringkontakt
die beiden unterschiedlich potentialbehafteten Kontaktbügel,
so dass eine sehr gute Wärmeabführung über
die Kontaktbügel bzw. der daran anschließenden
Klemmverbindungen vorliegt. Damit kann die Einrichtung auch sehr
hohe Kurzschlussströme dauerhaft führen.
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Die
Erfindung ist nicht nur auf die Anwendung im Zusammenhang mit Varistoren
beschränkt. Dadurch, dass funktionsbedingt im nicht ausgelösten Zustand
im Gegensatz zu einer Abtrennvorrichtung keine Belastung mit dem über
das Überspannungsschutzelement abzuleitenden Stossstrom
vorliegt und keine entsprechende Auslegung notwendig wird, können
z. B. auch blitzstromtragfähige Funkenstrecken mit einer
erfindungsgemäßen Fixiereinrichtung versehen werden,
indem z. B. deren Mantelrohr als Wärmeindikator dient,
der mit einem metallischen Draht oder einem Kunststofffaden über
eine Lotstelle oder sonstige Trennstelle verbunden ist. Damit kann auch
bei Funkenstrecken im Überlastfall eine thermische Zerstörung
der dortigen Isolationsstrecken verhindert werden.
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Zusammenfassend
wird also von einer Kurzschließeinrichtung ausgegangen,
die einen beweglichen leitfähigen oder leitfähige
Abschnitte aufweisenden Kurzschließer umfasst, welcher
unter mechanischer Vorspannung stehend durch eine Fixiereinrichtung
gehalten ist, wobei die Fixiereinrichtung bei Erwärmung
den Kurzschließer frei gibt, so dass dieser die Überspannungsableiter-Anschlusskontakte überbrückt
oder verbindet. Erfindungsgemäß ist die Fixiereinrichtung
an einer Stelle mit ermittelter stärkster Erwärmung
im Überlastfall unmittelbar am oder auf dem Überspannungsableiter
angeordnet und verfügt über eine minimierte Wärmekapazität. Weder
der Kurzschließer noch die Fixiereinrichtung sind Teile
der im Normalbetriebsfall stromführenden Elemente, d. h.
im Betriebsfall potentialfrei.
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Die
Fixiereinrichtung ist bei einer ersten Ausführungsform
ein mit einem Lot oder einem wärmelöslichen Kleber
gehaltenes Blockierelement. Bei einer zweiten Ausführungsform
ist die Fixiereinrichtung ein mit einem Lot oder einem wärmelöslichen Kleber
gehaltener Draht oder Faden.
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Bei
einer dritten Ausführungsform ist die Fixiereinrichtung
ein bei Temperaturbelastung längenveränderlicher,
schmelzender oder sich auflösender Draht oder Faden.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
sowie von Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 ein
Blockschaltbild sowie eine Prinzipdarstellung einer thermischen
Abtrennvorrichtung des Standes der Technik, wobei sich diese als
Reihenschaltung der Abtrennvorrichtung 2 mit einem Varistor 1 darstellt;
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2a und 2b Prinzipdarstellungen
einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer beweglichen
Schaltzunge als Element der Kurzschließeinrichtung;
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3 Darstellungen
einer Ausführungsform mit einem beweglichen Kontaktstück
für den Kurzschließer, welches unter Federvorspannung
steht und durch einen Draht oder Faden mit Hilfe eines temperatursensiblen
Materials direkt oder indirekt am Überspannungsableiter
befestigt ist, und zwar im Zustand nicht ausgelöst (rechtsseitig)
sowie ausgelöst (linksseitig);
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4 ein
Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Varistor mit einer üblichen
Abtrennvorrichtung analog des Standes der Technik versehen ist und
wobei zusätzlich eine Kurzschlusseinrichtung analog der
Lösung nach 3 vorliegt;
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5 ein
Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Überspannungsableiter
in Form eines Varistors mit einer zusätzlichen Umhausung
versehen ist und wobei die Fixiereinrichtung sich in einem Bereich
befindet, in dem sich im Falle eines entstehenden Lichtbogens Temperatur-
und/oder Gaswirkungen des Lichtbogens sammeln oder bündeln;
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6 ein
konkretes Beispiel einer Kurzschließeinrichtung mit über
eine Schraubenfeder vorgespannter Fixiereinrichtung nebst Kontaktbügeln und
Kontaktplatte im nicht ausgelösten Zustand;
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7 eine
Darstellung ähnlich derjenigen nach 6, jedoch
im ausgelösten Zustand;
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8 eine
Draufsicht auf den Ringkontakt sowie die Verankerung für
den Draht der Fixiereinrichtung gemäß den Darstellungen
nach 6 und 7 und
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9 ein
Ausführungsbeispiel ähnlich des Prinzips nach 6 und 7,
jedoch angepasst für die Verwendung bei einem Überspannungsableiter
in Form einer gekapselten Funkenstrecke.
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Wie
in der Beschreibungseinleitung dargelegt, sind aus dem Stand der
Technik thermische Abtrennvorrichtungen gemäß 1 vorbekannt.
Hierbei steht die eigentliche Abtrennvorrichtung 2 in Reihenschaltung
zum Varistor 1, der den Überspannungsableiter
bildet.
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Ein
Abtrennstreifen 3 in Form einer beweglichen Schaltzunge
steht unter der Kraft einer symbolisch angedeuteten Feder F. Ein
Anschluss 6 des Varistors 1 ist über
eine Lotstelle 5 mit einem Ende des Abtrennstreifens 3 verbunden,
wobei der Abtrennstreifen 3 mit dem zweiten Varistoranschluss 7 in Kontakt
steht. Darüber hinaus ist eine Engstelle 4 im Verlauf
des Abtrennstreifens 3 vorhanden, die als Stromsicherung
wirkt.
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Bei
einer Erwärmung des Varistors 1 im Bereich der
Lotstelle 5 schmilzt das Lot mit der Folge einer entsprechenden
Bewegung des unter Federvorspannung stehenden Abtrennstreifens 3 vom
Varistoranschluss 6 weg.
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Wie
in der 2a dargestellt, kann diese Vorrichtung
des Standes der Technik erfindungsgemäß weitergebildet
werden.
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Hier
ist lediglich ein weiterer dauerstromtragfähiger Kontakt 18 vorhanden,
der mit einem entsprechenden Pol des Varistors 1 in Verbindung
steht. Der Kontakt 18 ist so angeordnet, dass zwischen
den verschiedenen Potentialen eine ausreichende Trennstrecke vorhanden
ist.
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Auf
den Bereich des Varistors 1 mit der stärksten
Erwärmung ist ein thermisch sensibles Teil oder Material 11 angebracht.
Das Teil 11 kann entweder durch ein Wachs, durch Kleber
oder Lote, deren Schmelzpunkt etwas über der Betriebstemperatur des
Varistors liegt, auf diesem fixiert werden. Es kann aber auch das
Teil 11 selbst aus einem derartigen Material bestehen.
Das Teil bzw. das Material 11 halten direkt oder in Verbindung
mit Zwischenstücken, z. B. in Form einer Klemmtasche 10,
das bewegliche Teil 3 der Kurzschließeinrichtung.
Die Verbindung mit dem Varistoranschluss 6 und dem beweglichen
Teil 3 (Abtrennstreifen nach 1) wird
lose und lotfrei an der mit dem Bezugzeichen 8 gekennzeichneten
Stelle hergestellt.
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Im
Falle einer entsprechenden Erwärmung der Fixiereinrichtung,
bestehend aus dem Teil 11, wird letzteres durch die Federkraft
des Abtrennstreifens 3 (bewegliches Teil) weggeschoben
und es stellt sich ein Kurzschluss zwischen dem beweglichen Teil 3 und
dem zusätzlichen Kontakt 18 her (siehe 2a,
rechter Bildteil).
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Die 2b zeigt
eine perspektivische Darstellung der Lösung wie in der 2a im
Prinzip dargestellt, und zwar mit einer Klemmtasche 10 für
das bewegliche Teil 3 und eine Fixiereinrichtung in Form eines
Haltebolzens 11. Aus Gründen der Übersichtlichkeit
wurde der zusätzliche dauerstromtragfähige Kontakt 18 in
der Darstellung weggelassen.
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Wie
in der 3 erkennbar, ist bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ein bewegliches Kontaktstück 15 vorhanden,
das zwei separate gegenpolige Kontaktstücke 16 überbrücken
kann. Die separaten Kontaktstücke 16 stehen mit
jeweils einem Anschluss des Varistors 1 (Anschluss 6 und 7) in
Verbindung.
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Das
bewegliche Kontaktstück 15 wird mit Hilfe einer
Feder 14 unter Vorspannung gehalten. Der Vorspannzustand
wird dadurch fixiert, dass ein Draht 13 mit geringer Wärmekapazität
vorhanden ist, welcher mit Hilfe eines temperatursensiblen Materials 12 wie
Lot oder Wachs an einer Stelle des Varistors fixierbar ist, welcher
einer stärksten Erwärmung im Überlastfall
unterliegt.
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Wenn
die Schmelztemperatur des Materials 12 erreicht ist, löst
sich der Draht oder der Faden 13 und es kann sich das bewegliche
Kontaktstück 15 auf die gegenpoligen Kontaktstücke 16 bewegen,
so dass sich der gewünschte Kurzschluss und eine Stromkommutierung
zum Kurzschluss-Bypass (3, rechtes Bild) einstellt.
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Die
Ausführungsform nach 3 kann,
wie in der 4 gezeigt, auch zusätzlich
zu einer an sich bekannten thermischen Abtrennvorrichtung, wie zur 1 erläutert,
vorgesehen sein, d. h. kombiniert werden.
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Bei
der Ausführungsvariante gemäß 4 wird
eine an sich bekannte Abtrennvorrichtung des Standes der Technik
mit einem erfindungsgemäßen Kurzschließer
kombiniert und somit der Funktionsbereich der Anordnung erhöht.
Bei einer allmählichen Alterung bzw. einer leicht überhöhten
Netzspannung spricht die Abtrennvorrichtung nach wenigen Sekunden
bzw. einer längeren Zeit an und der Ableiter wird wie üblich
vom Netz getrennt. Bei starker Überlastung, bei welcher
die Gefahr einer Zerstörung des Varistors innerhalb eines
sehr kurzen Zeitbereichs z. B. < 1
s besteht, wird der Varistor über die Kurzschlusseinrichtung
gebrückt und durch die vorgeschaltete Überstromschutzeinrichtung
abgetrennt. Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, dass die
Schmelztemperatur des Lotes der Abtrennvorrichtung unterhalb der
Reaktionstemperatur des temperatursensiblen Materials der Kurzschlusseinrichtung
liegt. Darüber hinaus kann eine Realisierung auch über
eine entsprechende Abstimmung der Wärmekapazitäten vorgenommen
werden.
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Bei
sehr steilen und hohen Überspannungen bzw. Stossströmen,
bei welchen der Varistor 1 innerhalb von wenigen Mikrosekunden überlastet
werden kann, findet vor der Zerstörung des Varistors 1 im
Regelfall keine Erwärmung statt. In diesen Fällen
wird eine Lösung gemäß 5 vorgeschlagen.
Hierfür wird der Varistor 1 mit einer Ummantelung 17 umgeben.
Eine abbrandfeste Kontaktplatte 20 des Varistors 1 führt
zu einem ersten Varistoranschluss 7, der mit einem der
gegenpoligen Kontaktstücke 16 in Verbindung steht.
Der zweite Varistoranschluss 6 führt zum zweiten
der gegenpoligen Kontaktstücke 16. Das temperatursensible
Material 12, welches den Draht oder Faden 13 als
Fixiereinrichtung sichert, hält die Spannung der Feder 14 aufrecht,
so dass sich im nicht ausgelösten Zustand das bewegliche Kontaktstück 15 in
ausreichender Entfernung von den gegenpoligen Kontaktstücken 16 befindet.
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Kommt
es zum Entstehen eines Lichtbogens 19, folgt das heiße
Gas oder Plasma dem mit Pfeildarstellung symbolisierten Weg entlang
eines Kamins 21. Damit kann auch in diesem Fall das temperatursensible
Material 12 erwärmt werden und eine auslösende
Bewegung des beweglichen Kontaktstücks 15 erfolgen.
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Alternativ
besteht die Möglichkeit, das Material des Drahtes oder
Fadens 13 so auszugestalten, dass dieses im Falle einer
Lichtbogeneinwirkung schmilzt oder sich derart verlängert,
dass eine elektrische Überbrückung der gegenpoligen
Kontaktstücke 16 unter Wirkung des beweglichen
Kontaktstücks 15 möglich wird.
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Bei
der in der 5 gezeigten Ausführungsform
ist das bewegliche Kontaktstück 15 auch als Deckel
ausbildbar, wobei ein Federbalg 14 vorgesehen sein kann,
der den Raum unterhalb des Deckels 15 nahezu dicht abschließt.
Der Deckel ist dann quasi mit seitlichen Überhängen über
den Kamin 21 gestülpt und es wird ein Kolben geschaffen,
der auf die Druckwirkung des Lichtbogens reagiert. Durch den Druck
wird die mechanische Festigkeit des Drahtes oder Fadens 13 bzw.
der Verbindungsstelle auch ohne erhöhte Temperatur überschritten
und es wird der Kurzschließer rein mechanisch ausgelöst.
Dies ist insbesondere bei einer sehr schnellen potentiellen Zerstörung
des Varistors von Vorteil, da ein Umweg über die Erwärmung
nicht mehr benötigt wird.
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Der
Draht 13 muss nicht als Elektrode ausgebildet sein. Es
ist allerdings von Vorteil, dass der Draht bei Bedarf mit einem
Potential behaftet ist, um so für den Lichtbogen einen
lukrativen Weg darzustellen, so dass der Draht durch die Lichtbogeneinwirkung
abgebrannt werden kann und somit den eigentlichen Kurzschließer
frei gibt. Dabei ist der Draht nicht zwingend als Stromzuführung
zu dem Varistor anzusehen und befindet sich auch nicht im Hauptstrompfad.
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Die
erläuterten Ausführungsbeispiele zeichnen sich
dadurch aus, dass die funktionstragenden Teile der thermischen Auslösefunktion
von den stromführenden Anschlussteilen sowohl körperlich als
auch funktional getrennt sind und somit in ihrer jeweiligen Funktion
optimiert werden können.
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Bei
den Ausführungsbeispielen nach den 6 bis 8 wird
von einem zu sichernden Varistor 100 ausgegangen, welcher
einen ersten Anschlusspunkt 800'' und einen zweiten Anschlusspunkt 900'' umfasst.
Beide Anschlusspunkte 800'' und 900'' sind über
die Anschlüsse 800 und 900 auf einer
Trägerplatte 500 mit Hilfe von Schraubverbindungen
fixiert.
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Die
Fixiereinrichtung besteht bei den Ausführungsbeispielen
nach 6 bis 9 aus einem Draht 300.
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Ein
Ende des Drahtes 300 ist mit einem Lot oder einem wärmelöslichen
Kleber 400 auf dem Varistor 100 bzw. der entsprechenden
Kontaktfläche fixiert. Das andere Ende des Drahtes 300 ist über
eine Verankerung 101 an einer Kontaktplatte 600 gehalten.
In diesem Zustand (6) ist die Druckfeder 200 gespannt,
d. h. es wirkt eine Vorspannung auf die Kontaktplatte 600 mit
darauf befindlichem Ringkontakt 700.
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Die
Kontaktplatte 600 besteht beim gezeigten Beispiel aus einem
mechanisch und thermisch hoch belastbaren Isolierstoff, vorzugsweise
glasfaserverstärktem Epoxidharz und weist an seinem äußeren
Randbereich eine kreisringförmige metallische Beschichtung,
d. h. den Ringkontakt 700 auf. Diese metallische Beschichtung
bzw. der darauf gelötete metallische Kurzschlussring stellt
im ausgelösten Zustand die beabsichtigte Kurzschlussverbindung
zu den Kontaktbügeln 900' und 800'' dar.
Der Abstand zwischen dem Ringkontakt 700 und der gegenüberliegenden
Kurzschlussbügel 900' und 800' ist als Schaltweg
S angegeben.
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Durch
die Auslegung der Kontaktplatte 600 erfolgt die Wärmeabführung
nur über den Draht 300, was aber durch dessen
geringe Wärmeleitfähigkeit und die bestehende
geringe Masse vernachlässigbar ist. Der Draht 300 kann
auch durch einen Kunststofffaden ersetzt werden, der anstelle der
Lotstelle unter Wärmeeinwirkung durch den Varistor 100 aufschmilzt und
so die Vorspannkraft der Kontaktplatte 600 frei gibt.
-
Die
Ausführung der Kontaktplatte 600 mit dem Ringkontakt 700 und
dem im Zentrum fixierten Draht 300 über die Verankerung 101 schafft,
wie in der 8 gezeigt, eine ausreichend
große Isolationsstrecke Is sowohl in elektrischer als auch
thermischer Hinsicht.
-
Im
ausgelösten Zustand überbrückt der Ringkontakt 700 die
beiden unterschiedlich potentialbehafteten Kontaktbügel
bzw. Kurzschlussbügel 800' und 900'.
Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Wärmeabführung über
die Kontaktbügel und die sich daran anschließenden
Klemmverbindungen, so dass die erfindungsgemäße
Lösung in der Lage ist, sehr hohe Kurzschlussströme
dauerhaft zu führen.
-
Ein
weiterer Vorteil der vorgestellten Kurzschließeinrichtung
besteht darin, dass diese nicht nur auf die Anwendung im Zusammenhang
mit Varistoren beschränkt ist. Dadurch, dass die Einrichtung
im nicht ausgelösten Zustand im Gegensatz zu einer Abtrennvorrichtung
nicht mit dem über das Überspannungsschutzelement
abzuleitenden Stossstrom belastet wird und demzufolge auch nicht
dafür ausgelegt werden muss, können z. B. auch
blitzstromtragfähige Funkenstrecken 120 (9)
mit den erfindungsgemäßen Elementen versehen werden,
indem z. B. auf die Funkenstrecke 120 eine Kupfermanschette
aufgebracht wird und die entsprechende Lotverbindung 400 geschaffen
wird. Es dient also hier das Mantelrohr der Funkenstrecke als Wärmeindikator.
-
Bei
der Darstellung nach 9 bezüglich einer Kurzschließeinrichtung
für eine Funkenstrecke 120 sind noch weitere erfindungsrelevante
Ideen verkörpert. So nimmt die Kontaktplatte 600 nicht
nur den Ringkontakt 700 auf, sondern eine zusätzliche
optische Signalisierungseinrichtung 110, z. B. in Form
eines Signalknopfes. Wird die Kurzschließeinrichtung aktiv,
bewegt sich ebenfalls der Signalknopf in der gezeigten Darstellung
nach 9 nach oben und tritt somit in den Bereich eines
Sichtfensters 130 ein. Damit erfolgt eine optische Visualisierung
des gegebenen Kurzschlusses. Das Sichtfenster 130 kann
den oberen Abschluss eines Installationsgehäuses 140 (Reihenanschlussgehäuse)
bilden.
-
- 1;
100
- Varistor
- 2
- Abtrennvorrichtung
- 3
- Abtrennstreifen;
bewegliches Teil
- 4
- Engstelle
- 5
- Lotstelle
- 6,
7
- Varistoranschluss
- 8
- lose,
lotfreie Verbindung
- 9
- Verbindung
zwischen Varistoranschluss 7 und Abtrennstreifen 3
- 10
- Klemmtasche
- 11
- Haltebolzen
- 12
- temperatursensibles
Material wie Lot, Wachs oder dergleichen
- 13
- Draht
- 14
- Feder
- 15
- bewegliches
Kontaktstück
- 16
- separate
gegenpolige Kontaktstücke
- 17
- druckfeste
Ummantelung
- 18
- Kontaktstück
- 19
- Lichtbogen
- 20
- abbrandfeste
Kontaktplatte
- 21
- Kamin
- 200
- Druckfeder
- 300
- Draht
- 400
- Lot-Trennstelle;
Lot-Auslöseeinrichtung
- 500
- Leiter-
und/oder Trägerplatte
- 600
- Kontaktplatte
- 700
- Ringkontakt
- 800
- erster äußerer
Anschluss
- 800'
- erster
Kurzschlussbügel
- 800''
- erster
Anschlusspunkt Varistor/Funkenstrecke
- 900
- zweiter äußerer
Anschluss
- 900'
- zweiter
Kurzschlussbügel
- 900''
- zweiter
Anschlusspunkt Varistor/Funkenstrecke
- 101
- Verankerung
für Draht oder Faden
- 110
- Signalknopf
- 120
- Funkenstrecke
mit Kupfermanschette
- 130
- Sichtfenster
- 140
- Installationsgehäuse
- F
- Kraftwirkung
einer Feder
- Is
- Isolationsstrecke
- S
- Schaltweg/Schaltstrecke
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4241311
A1 [0002]
- - DE 3805889 A1 [0002]
- - DE 3318588 A1 [0004, 0006]
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- - DE 2634479 [0004]
- - US 4068281 [0005]
- - EP 0860927 A1 [0005]
- - DE 2634479 A1 [0007]