DE102018205549B3

DE102018205549B3 - Abtrennelement und Ensemble aufweisend ein entsprechendes Abtrennelement und ein Überspannungsschutzelement

Info

Publication number: DE102018205549B3
Application number: DE102018205549.1A
Authority: DE
Inventors: Steffen Pförtner; Friedrich-Eckhard Brand
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2018-04-12
Filing date: 2018-04-12
Publication date: 2019-08-01
Anticipated expiration: 2038-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Abtrennelement (1) mit mechanischer Anzeige (AZ) für ein Überspannungsschutzelement (USE), wobei das Abtrennelement eine thermisch erweichbare Trennstelle (T) aufweist, wobei über das Abtrennelement eine elektrisch leitende Verbindung zum Überspannungsschutzelement bereitgestellt wird, wobei das Abtrennelement einen federnden Abschnitt (F) aufweist, wobei der federnde Abschnitt (F) vorgespannt ist, wobei der federnde Abschnitt (F) bei Erreichen einer bestimmten Temperatur an der thermisch erweichbaren Trennstelle (T) auffedert und die elektrische Verbindung trennt., wobei ab einer vorbestimmten thermischen Belastung, die höher als die vorbestimmte Temperatur ist, die mechanische Federspannung des federnden Abschnitts (F) sich dauerhaft ändert, wobei mittelbar oder unmittelbar durch den federnden Abschnitt (F) die mechanische Anzeige (AZ) gesteuert wird, sodass der Ablösezustand als auch ein Zustand entsprechend zumindest einer Änderung der mechanische Federspannung angezeigt werden kann, wobei ab einer vorbestimmten thermischen Belastung, die höher als die vorbestimmte Temperatur ist, die mechanische Federspannung des federnden Abschnitts (F) sich dauerhaft ändert, wobei mittelbar oder unmittelbar durch den federnden Abschnitt die mechanische Anzeige (AZ) gesteuert wird, sodass der Ablösezustand als auch ein Zustand entsprechend zumindest einer Änderung der mechanische Federspannung angezeigt werden kann, wobei das Trennen im Falle eines Impulsstromes über die elektrische Verbindung zu einer Anzeige (AZ) entsprechend einer Änderung der mechanischen Federspannung angezeigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Abtrennelement und Ensemble aufweisend ein entsprechendes Abtrennelement und ein Überspannungsschutzelement.
Hintergrund
In vielen elektrischen Einrichtungen und Anlagen werden Überspannungsschutzeinrichtungen eingesetzt. Diese Überspannungseinrichtungen verfügen im Allgemeinen über eine Abtrenneinrichtung für den Fehlerfall oder den Fall der Überlastung.
Bekannt sind Abtrennvorrichtungen auf mechanischer Basis mit thermischen Trennstellen (z.B. Lötstelle). Die Bewegung zur Erreichung einer Trennung wird zumeist mit Federkraft erreicht. Dabei sind alle möglichen Federn denkbar, wie Schraubenfeder, Blattfeder, Spiralfeder etc.
Zudem sind Abtrennungen auf elektronischer Basis bekannt, in denen durch primäre Stromerfassung bzw. sekundäre Erfassung stromabhängiger Parameter (Temperatur, Licht, elektr./magnet. Felder) der Stromkreis elektronisch aufgetrennt wird (z.B. Transistor, Relais, etc.)
Auch in anderen elektrotechnischen Geräten werden Abtrenneinrichtungen zum Schutz vor Überlastung eingesetzt.
Eine Erweiterung von Abtrenneinrichtungen stellen zusätzliche Monitoring-Funktionen dar.
Dabei kann auf elektronische Lösungen zur Erfassung von dauerhaften und/oder kurzzeitigen Strömen zurückgegriffen werden, die allerdings relativ teuer sind. Ein Grund hierfür ist, dass einige Systeme eine aufwändige Entkopplung benötigen, um im Ableitfall nicht beeinträchtigt zu werden.
Weiterhin sind aber auch mechanische Monitoringsysteme aus dem deutschen Patent DE 10 2008 031 919 B4 bekannt.
Ebenso ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 20 2012 012 287 U1 ein Überspannungsschutzelement mit einer stufigen Anzeige bekannt.
Das deutsche Patent DE 10 2008 064 794 B3 zeigt eine Funkenstreckenanordnung mit einer binären Anzeige.
Das deutsche Patent DE 44 01 069 C1 zeigt eine abgesetzte Vorrichtung zur Erfassung von Stoßströmen.
Das europäische Patent EP 2 325 958 B1 zeigt ein Gerät zur Erkennung von Spitzenströmen, das ein ferromagnetisches Material verwendet. Dabei wird mittels des magnetischen Feldes indirekt auf den abgeleiteten Strom zugegriffen.
Die europäische Patentanmeldung EP 3 104 483 A1 zeigt ein kombiniertes Gerät zur elektrischen Sicherung gegen Überspannungen und zur Überwachung. Das Gerät weist eine Vielzahl von Anzeigemitteln auf. Die Anzeigemittel können binär sein oder aber auf einen gemessenen Wert basieren.
Die internationale Patentanmeldung WO 2007 / 125 000 A1 zeigt eine Abtrennvorrichtung für einen Überspannungsableiter. Die Vorrichtung zeigt einen Betriebs- und einen Fehlerzustand an.
Es wäre jedoch wünschenswert kostengünstig auch eine Auswertemöglichkeit nach Abtrennung bereitzustellen, aus der ableitbar ist, ob die Abtrennung auf Grund eines / mehrerer Überspannungsereignisse oder aber auf Grund eines Netzfolgestromes / Leckstromes erfolgt ist, sodass ein Ersatz entsprechend ausgewählt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mittels einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 bzw. des Ensembles gemäß Anspruch 5.
Nachfolgend wird die Erfindung eingehender (unter Bezugnahme auf die Figuren) dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschrieben werden.
Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
Soweit nachfolgend Verfahren beschrieben werden, sind die einzelnen Schritte eines Verfahrens in beliebiger Reihenfolge anordenbar und/oder kombinierbar, soweit sich durch den Zusammenhang nicht explizit etwas Abweichendes ergibt. Weiterhin sind die Verfahren - soweit nicht ausdrücklich anderweitig gekennzeichnet - untereinander kombinierbar.
Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %.
In den Figuren ist ein Abtrennelement 1 mit mechanischer Anzeige AZ für ein Überspannungsschutzelement USE gezeigt. Dabei kann das Abtrennelement unmittelbar auf dem abzutrennenden Element angeordnet sein, um eine gute Wärmeleitung zur Verfügung zu stellen.
Das Abtrennelement weist eine thermisch erweichbare Trennstelle T auf, wobei über das Abtrennelement eine elektrisch leitende Verbindung zum Überspannungsschutzelement USE bereitgestellt wird, sodass ein Strom I durch das Abtrennelement 1 bzw. über die Trennstelle T fließen kann. Die thermisch erweichbare Trennstelle T kann durch ein elektrisch leitendes Lot oder aber durch einen elektrisch erweichbaren Kleber oder aber durch einen Schmelzdraht zur Verfügung gestellt werden.
Das Abtrennelement 1 weist einen federnden Abschnitt F auf. Der federnde Abschnitt F ist vorgespannt. Diese Vorspannung wird bevorzugt durch den federnden Abschnitt F selbst zur Verfügung gestellt, z.B. dadurch, dass der federnde Abschnitt unter Zug / Druck eingebaut wird. Dabei kann ein Teil des Abtrennelements T flexible ausgestaltet sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der federnde Abschnitt F durch eine Feder / Federelement (-teil) vorgespannt ist.
Bei Erreichen einer bestimmten Temperatur T_A federt der federnde Abschnitt F an der thermisch erweichbaren Trennstelle T auf und trennt die elektrische Verbindung, sodass keine direkte mechanisch-elektrische Verbindung mehr für einen Stromfluss I zur Verfügung steht.
Ab einer vorbestimmten thermischen Belastung, die höher als die vorbestimmte Temperatur T_A ist, ändert sich die mechanische Federspannung in Bezug auf den federnden Abschnitt dauerhaft. Diese Änderung der Federspannung kann durch verschiedene Faktoren bereitgestellt werden, wobei es hier lediglich auf die ([dis]-kontinuierliche) Änderung ankommt.
Durch den federnden Abschnitt wird mittelbar oder unmittelbar die mechanische Anzeige AZ gesteuert, sodass der Ablösezustand als auch ein Zustand entsprechend zumindest einer Änderung der mechanischen Federspannung angezeigt werden kann. Diese Anzeige AZ ist in den Figuren als Zeiger (schwarzer Balken) in Bezug auf die Skala bzw. den Farbwechsel dargestellt. Natürlich können auch andere Formen, wie z.B. ein Farbwechsel in einem Sichtfenster oder ähnliches zum Einsatz kommen.
D.h. anders als in bisherigen Lösungen kann nunmehr nicht nur festgestellt werden, dass das Abtrennelement 1 angesprochen hat und eine Abtrennung herbeigeführt wurde, sondern es kann nunmehr auch ausgewertet werden, was die Ursache war.
Während in 1 und 4 skizzenhafte Beispiele eines Abtrennelements im nichtabgetrennten Zustand gezeigt sind, sind in 2 und 3 skizzenhafte Beispiele eines Abtrennelements im abgetrennten Zustand gezeigt.
Dabei kann in 2 z.B. erkannt werden, dass die Abtrennung auf Grund eines relativ starken und kurzen Überspannungsereignisses stattgefunden hat, da die Anzeige AZ zwar von 0 % verschieden, aber relativ gesehen nahe an der 0 % Seite angeordnet ist, während in 3 die Abtrennung auf Grund eines Leckstromes / Netzfolgestromes erfolgt ist, da die die Anzeige AZ zwar von 0 % verschieden aber an der 100 % Seite angeordnet ist. Wäre die Abtrennung auf Grund eines relativ schwachen und langen Überspannungsereignisses erfolgt, so wäre die Anzeige AZ zwar von 0 % verschieden, aber relativ gesehen nahe an der 100 % Seite angeordnet. Durch eine entsprechende Ausgestaltung dieser Anzeige AZ kann das abgeleitete Überspannungsereignis, das zur Abtrennung geführt hat, somit gut abgeleitet werden. Dabei macht sich die Erfindung zu Nutze, dass bei einer längeren Einwirkung die Federkraft stärker verändert wird, sodass der anschließende Federweg im Falle des Auftrennens dies widerspiegelte.
Die hier zugrunde liegende Idee ist, eine Federstruktur in Form und Material so auszulegen, dass zum einen die Impulsgröße und zum anderen die Art des Überstromes (Impuls oder Dauerstrom) erfasst und angezeigt werden kann. Dabei wird ausgenutzt, dass durch die analog zum Stromfluss zunehmende Erwärmung des Federmaterials deren Spannung reduziert wird.
D.h. erfolgt die Auftrennung durch einen Dauerstrom (z.B. AC-Überlast, DC-Überlast), so führt dies zu einer starken (maximalen) Auslenkung/Federweg, da die Trennstelle erhitzt wird, aber das Federmaterial nur einen vergleichsweise langsamen und geringen Temperaturanstieg erfährt. Erfolgt die Auftrennung durch eine Impuls-Überlastung, so steigt mit steigender Stromamplitude / steigender Impulsenergie auch die Erwärmung des Federmaterials. Werden bestimmte Temperaturen überschritten, verringert sich die Federspannung dauerhaft in der Struktur und führt somit zu einer geringeren Auslenkung/Federweg.
D.h. typischerweise führt die Alterung der Bauelemente / der Überspannungsschutzeinrichtung USE zu einer „langsamen Abtrennung“, d.h. zu einer Abtrennung bei niedriger Temperatur im federnden Abschnitt F. Hingegen führt die Abtrennung verursacht durch Stoßstrom zu einer „schnellen Abtrennung“, d.h. die Temperatur im federnden Abschnitt F ist höher als bei Alterung der Bauelemente. Es sei angemerkt, dass die Temperatur im federnden Abschnitt F abhängig vom fließenden Strom I ist.
Es sei angemerkt, dass obwohl die Erfindung mit einer Abnahme der Federspannung beschrieben wurde, die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, sondern, dass jegliche thermische Änderung der Federspannung für die Erfindung entsprechend adaptiert werden kann.
Dieses Verhalten kann man somit nutzen, um die Größe der Energie / die Größenordnung des Stromimpulses anzuzeigen, welche zur Abtrennung geführt hat.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Trennen im Falle eines Impulsstromes über die elektrische Verbindung zu einer Anzeige AZ entsprechend einer Änderung der mechanischen Federspannung angezeigt wird.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Trennen im Falle eines Impulsstromes über die elektrische Verbindung zu einer Anzeige AZ entsprechend einer Änderung der mechanischen Federspannung angezeigt wird, wobei die Anzeige AZ abhängig ist von der Stärke des Impulsstromes.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung weist zumindest ein Teil des federnden Abschnitts CuFe2P, CuNi3SiMg, Cu1Co1Si, NKT322 Gigalloy oder ein vergleichbares Material auf.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung weist das Überspannungsschutzelement zumindest einen Varistor und/oder eine Diode und/oder eine Funkenstrecke und/oder einen gasgefüllten Überspannungsableiter auf.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung weist die Anzeige AZ - wie in 4 - eine optische Kennzeichnung entsprechend der Änderung der mechanischen Federspannung auf.
Beispielsweise kann ein (gleitender) Farbwechsel alternativ oder zusätzlich zu einer Skalenanzeige AZ (entsprechend der Skizze in 1-3) vorgesehen sein.
Die Anzeige AZ kann dabei direkt durch das Federelement oder indirekt, z.B. durch ein Schiebeelement betätigt werden.
Bezugszeichenliste

1: Abtrennelement
AZ: mechanische Anzeige
USE: Überspannungsschutzelement
T: (thermisch erweichbare) Trennstelle
F: federnden Abschnitt

Claims

Abtrennelement (1) mit mechanischer Anzeige (AZ) für ein Überspannungsschutzelement (USE), wobei das Abtrennelement eine thermisch erweichbare Trennstelle (T) aufweist, wobei über das Abtrennelement eine elektrisch leitende Verbindung zum Überspannungsschutzelement bereitgestellt wird, wobei das Abtrennelement einen federnden Abschnitt (F) aufweist, wobei der federnde Abschnitt (F) vorgespannt ist, wobei der federnde Abschnitt (F) bei Erreichen einer bestimmten Temperatur an der thermisch erweichbaren Trennstelle (T) auffedert und die elektrische Verbindung trennt, wobei ab einer vorbestimmten thermischen Belastung, die höher als die vorbestimmte Temperatur ist, die mechanische Federspannung des federnden Abschnitts (F) sich dauerhaft ändert, wobei mittelbar oder unmittelbar durch den federnden Abschnitt (F) die mechanische Anzeige (AZ) gesteuert wird, sodass der Ablösezustand als auch ein Zustand entsprechend zumindest einer Änderung der mechanische Federspannung angezeigt werden kann, wobei das Trennen im Falle eines Impulsstromes über die elektrische Verbindung zu einer Anzeige (AZ) entsprechend einer Änderung der mechanischen Federspannung angezeigt wird.
Abtrennelement (1) nach Anspruch 1, wobei das Trennen im Falle eines Impulsstromes über die elektrische Verbindung zu einer Anzeige (AZ) entsprechend einer Änderung der mechanischen Federspannung angezeigt wird, wobei die Anzeige (AZ) abhängig ist von der Stärke des Impulsstromes.
Abtrennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der federnde Abschnitt (F) CuFe2P, CuNi3SiMg, Cu1Co1Si oder eine Kupfer-Titan-Legierung entsprechend NKT322 Gigalloy aufweist.
Abtrennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzeige (AZ) eine optische Kennzeichnung entsprechend der Änderung der mechanischen Federspannung aufweist.
Ensemble aufweisend ein Abtrennelement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und ein hiermit verbundenes Überspannungsschutzelement (USE), wobei das Überspannungsschutzelement (USE) ein Varistor, eine Diode, eine Funkenstrecke oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter ist.