EP2218154A1 - Schnelle abtrennvorrichtung - Google Patents

Schnelle abtrennvorrichtung

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Publication number
EP2218154A1
EP2218154A1 EP09781905A EP09781905A EP2218154A1 EP 2218154 A1 EP2218154 A1 EP 2218154A1 EP 09781905 A EP09781905 A EP 09781905A EP 09781905 A EP09781905 A EP 09781905A EP 2218154 A1 EP2218154 A1 EP 2218154A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
contacts
separating device
varistor
separation
lost
Prior art date
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Granted
Application number
EP09781905A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2218154B1 (de
Inventor
Arnd Ehrhardt
Stefanie Schreiter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dehn and Soehne GmbH and Co KG filed Critical Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Publication of EP2218154A1 publication Critical patent/EP2218154A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2218154B1 publication Critical patent/EP2218154B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H01C7/126—Means for protecting against excessive pressure or for disconnecting in case of failure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H01H37/761—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material with a fusible element forming part of the switched circuit
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H37/00—Thermally-actuated switches
    • H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
    • H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
    • H01H37/764—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material in which contacts are held closed by a thermal pellet

Definitions

  • the invention relates to a fast disconnecting device for surge arresters, in particular disc-shaped or planar varistors, with at least one held under a mechanical bias element and a separation point to separate the surge arrester under thermal overload from the respective network, the separation point against each other has variable position contacts and one this contacts is executed fixed, according to the preamble of claim 1.
  • Cut-off devices of conventional high-performance surge arresters with I n > 15 kA 8/20 ⁇ s with varistors for use in low-voltage networks generally have a solder joint which serves as a thermal separation point, a movable connection which is under mechanical prestressing and a constriction zone which is reached when it reaches it of its melting integral adiabatically melts.
  • the solder connection of the movable connection part establishes the connection to the varistor connection and assumes the function of the thermal separation point, which disconnects it from the network when the varistor overheats.
  • Typical such separation devices are shown, for example, in DE 42 41 311 A1 or DE 38 05 889 A1.
  • the Lotstelle connects two metal parts, which have a more or less high heat conduction and a fairly high heat capacity, due to the fact that these metal parts must control all occurring current loads in the working area of the arrester.
  • the solder joint itself must meet the requirements of the pulse current carrying capacity.
  • the solder joint is permanently exposed to the mechanical stress of the spring bias, which prevails on the moving part of a corresponding feeder.
  • the varistor is already overloaded before a thermal separation takes place.
  • an overload of the varistor can lead to undefined relationships with regard to the resulting fault currents and thus to a large number of different errors and further damage.
  • WO 2004/064213 A1 shows an arrangement in which a bimetal locks a switching contact.
  • the bimetal is not flowed through by the current.
  • the movement of the bimetal releases the lock and disconnects the varistor from the mains.
  • the indirect heating via the electrical connection lines of the varistor, the geometrical arrangement, the material properties and the compulsory dimensions of the bimetal exclude a very short reaction time to the contact opening from a physical-constructive point of view.
  • the object of the invention is therefore to provide a rapid separation device for surge arrester, in particular disk-shaped or planar varistors, wherein the separating device is to be effective even before reaching a critical temperature or overloading of the varistor and beyond to realize it with simple means.
  • the separating device is to be effective even before reaching a critical temperature or overloading of the varistor and beyond to realize it with simple means.
  • the core idea of the invention is accordingly based on physically and functionally separating the function-bearing parts for the thermal release function of the separating device from the current-carrying connecting parts. This allows an optimization of the thermal tripping function, whereby significantly shorter tripping times can be achieved.
  • the respective surge arrester can therefore be safely disconnected from the mains in the event of a large number of faulty cases before it is destroyed or overloaded.
  • a fast disconnecting device for surge arresters in particular disk-shaped or flat varistors, is assumed to have at least one element held under a prestress, in particular a mechanical pretension, wherein a disconnection point is furthermore provided in order to protect the surge arrester from thermal overloading to separate from the respective network, wherein the separation point against each other has positionally variable contacts and wherein one of these contacts is carried out fixed.
  • the contact-variable contacts are electrically connected in a solderless manner so that occurring current forces predominantly act in the direction of the contact force, but are at least not oriented against this contact force.
  • the movable of the position-variable contacts is from a thermally releasable located on the surge arrester, lost element from a closed to a detachable transferred position.
  • the lost element is acted upon by the element under mechanical prestressing.
  • the lost element may be implemented as a thermally activatable pin, block or pin which secures the solderless held contacts.
  • the bolt, the block or the pin is connected at one point to the overvoltage arrester via a thermally detachable means, which is to be expected at an early stage and at most with a heating in case of overload.
  • the lost element and / or its fasteners have only a low heat capacity and low thermal conductivity. Due to the low heat capacity and the low thermal conductivity of the lost element or its attachment means, the solder is not unnecessarily cooled as a temperature sensitive mounting material. The heat generated in the varistor is therefore used almost exclusively and directly for heating the very low solder mass, so that very fast reaction times can be ensured here.
  • the lost element is held immediately under spring bias and secured to the surge arrester with a thermally sensitive means.
  • the lost element using the spring force bias, directly or indirectly actuates the movable contact to effect the disconnect condition.
  • the position of the movable contact is changeable from a severance position to a reclosed position, i. H. there is reversibility here.
  • a thermally sensitive area or section may be provided to achieve mechanical separation of a part of the bolt, block or pin.
  • a force-enhancing arrangement in particular a lever mechanism can be provided.
  • an electrical connection to other extinguishing devices such. B. arc guide, provided.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of the invention with a fixed on a thermally sensitive means on the varistor lost element.
  • Fig. 2 shows an embodiment similar to that of FIG. 1 with a terminal contact and Fig. 3 shows two states of a quick disconnecting device (closed and open), wherein the lost element acts either similar to a bullet on the movable contact piece or via a force-transmitting arrangement (not shown).
  • varistors have areas with different heating due to the installation situation, the material structure, the geometry and their contacting of the contact sheets and due to the current distribution.
  • the point of the strongest heating is to be selected for the positioning of the thermally-dissolvable agent.
  • the thermally releasable agent or the part fixed hereby is to be formed in direct contact with the varistor so that the lowest possible heat capacity is available and also the heat dissipation is reduced.
  • the avoidance of influencing the heating of the selected positioning by unwanted heat dissipation ensures the desired fastest possible temperature-sensitive separation of the varistor and thus optimal adaptation to its protection.
  • the response temperature of the thermally dissolvable agent is as close as possible to the temperature which is reached at the varistor under normal operating conditions.
  • the movable contact piece is subjected to an appropriate spring preload.
  • the connection of the movable contact piece with the varistor is carried out according to the invention via a loose, unsoldered contact or terminal point.
  • connection should not have any significant effect on the residual voltage and thus the protection level to have. Furthermore, the connection should be designed so that it does not weld at surge loads, so that the strength of the connection is well below the force that is available for the movement due to the spring preload.
  • An advantage of the configuration of such a contact point is when the direction of the current forces occurring at surge load does not act against the contact force.
  • thermally sensitive part or material is attached on the surface of the varistor with the highest heating.
  • This part should be as small as possible and have the lowest possible heat capacity.
  • the hottest point of the varistor can be influenced by the design of the varistor body as well as the choice of material and the geometry of the contact plate in their position.
  • the thermally sensitive part thus serves to secure the lost element and even has a negligible volume or so only a small mass in relation to the varistor, in a range of ⁇ 10 mg.
  • the thermally sensitive part assumes the same temperature as the varistor, virtually without time delay.
  • the lost element has only a very small heat capacity and low heat conduction, so that no appreciable temperature gradient arises between the solder and the varistor.
  • the contact surfaces can be influenced by the explained choice of materials (different thermal conductivity in the axial and radial direction or geometry - creation of heat traps) the heat flux density and thus the location of the area of maximum warming.
  • Waxes, adhesives, solders or other materials which have a melting point or a softening temperature just above the usual operating temperature of the varistor are suitable for fixing.
  • an additional defined spring force preferably vertical to the force acting on the movable connection spring force can be used at the fixed terminal of the varistor, so that the necessary force for the contact connection is present at all times.
  • this area z. B. also within the separation blocking part, d. H. the bolt, block or pin provided or attached.
  • the heat conduction is optimized up to this functional area, but the heat capacity is kept to a minimum.
  • the separation-blocking part is pushed aside or pushed aside by the spring force. It is envisaged that the now loose, lost part does not hinder the separation. This can be assisted by suitable guides (not shown in the figures).
  • the blocking part can also be performed, for example, as an eccentric element, so that when reaching the melting temperature of the temperature-sensitive area of this part, z. B. by the applied spring force is moved around a fixed pivot point and thus releases the movable contact.
  • eccentric parts can simultaneously means for increasing the insulation resistance and increasing the switching capacity of the separating device, for. B. be used in the form of insulation films or insulation tubes. Such insulation parts can be performed separately, for example, but also be attached directly to the movable switching contact.
  • a varistor disk 1 has outer terminals 7.
  • a first varistor contact 6 represents one of the separation point forming, against each other position-variable contacts.
  • the movable part 8 of the position-variable contacts is applied to the varistor contact 6.
  • the contacts 6 and 8 are secured by a lost element 11.
  • This lost element 11 is connected to the varistor surface via a thermally releasable means.
  • a constriction 4 may be formed in the contact bracket 3, which communicates with the outer terminal 7 via a line 9.
  • a spring force F acts on the contact clip 3, wherein an undesired shift in position of the contacts 6 and 8 is excluded in normal operation by the lost element 11.
  • the mutually movable contacts 6 and 8 are solderless standing in electrical connection and designed so that occurring current forces predominantly act in the direction of the contact force (not shown in Fig. 1).
  • the connection of the lost element 11 to the surface of the varistor 1 is released.
  • the stop action by the lost part 11 is eliminated and it can move the movable part 8 of the contacts in the direction of the released force vector, so that the desired separation state is realized.
  • FIG. 2 A similar, but three-dimensional representation of an embodiment of the invention is shown in FIG. 2.
  • the direction of movement of the lost element 11 is symbolized here by an arrow.
  • the movable part 8 of the contacts is here contacted by a symbolically indicated clamping pocket 10 solderless.
  • this mechanical Mitschinition stand is realized so that in a detachment of the lost element 11, the separation movement in the direction of the force F can be done without interference.
  • FIG. 3 is again assumed by a varistor 1, which has two varistor terminals 6 and 7.
  • the varistor connection 6 is connected to the mains via the separating device, comprising the means 3, 4 and 10.
  • a non-conductive thread or wire 13 is provided, which consists of a material with high strength and low thermal expansion.
  • the thread 13 is attached directly or indirectly to the varistor with the aid of a temperature-sensitive substance 12. This substance blocked in the illustration shown in FIG. 3 on the left side directly Force of the spring 14 or a part of this, wherein the spring 14, the lost element 11 is acted upon by a biasing force F.
  • the contact clip 3 can be made pivotable about an axis, as indicated by the circular arrow representation.
  • the presented embodiments can reliably protect varistors from destruction even at high power-frequency overvoltages.
  • the wire or thread can also be made conductive.
  • the wire serves as an electrode, which is destructible by the thermal effect of the arc, so that even in this case, the separating device safely opens.

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Description

Schnelle Abtrennvorrichtung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine schnelle Abtrennvorrichtung für Überspannungsabieiter, insbesondere scheibenförmige oder flächige Varistoren, mit mindestens einem unter einer mechanischen Vorspannung gehaltenen Element sowie mit einer Trennstelle, um den Überspannungsabieiter bei thermischer Überlastung vom jeweiligen Netz zu trennen, wobei die Trennstelle gegeneinander lagevariable Kontakte aufweist und einer dieser Kontakte fixiert ausgeführt ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Abtrennvorrichtungen üblicher leistungsfähiger Überspannungsabieiter mit In> 15 kA 8/20 μs mit Varistoren für den Einsatz in Niederspannungsnetzen besitzen im Allgemeinen eine Lötverbindung, die als thermische Trennstelle dient, einen beweglichen Anschluss, welcher unter mechanischer Vorspannung steht, und einen Engstellenbereich, welcher beim Erreichen seines Schmelzintegrals adiabatisch schmilzt. Die Lotverbindung des beweglichen Anschlussteils stellt die Verbindung zum Varistoranschluss her und übernimmt die Funktion der thermischen Trennstelle, welche bei einer Überhitzung des Varistors diesen vom Netz trennt. Typische derartige Abtrennvorrichtungen sind beispielsweise in der DE 42 41 311 Al oder der DE 38 05 889 Al gezeigt.
Bei derartigen vorbekannten Anordnungen verbindet die Lotstelle zwei Metallteile, die eine mehr oder weniger hohe Wärmeleitung und eine recht hohe Wärmekapazität besitzen, und zwar aufgrund dessen, dass diese Metallteile alle auftretenden Strombelastungen im Arbeitsbereich des Ableiters beherrschen müssen. Die Lötverbindung selbst muss den Anforderungen der Impulsstromtragfähigkeit gerecht werden. Zusätzlich wird die Lötverbindung permanent der mechanischen Belastung durch die Federvorspannung ausgesetzt, welche auf den beweglichen Teil einer entsprechenden Zuführung herrscht.
Eine Optimierung auf die wesentlichen Funktionen der Trennstelle, nämlich das gewünschte Abtrennen des Varistors bei dessen Erwärmung ist dadurch nicht möglich. Die Lösungen des Standes der Technik führen daher zwangsweise zu Kompromissen. Im Ergebnis ist allen Lösungen des Standes der Technik gemein, dass die thermische Abtrennvorrichtung eine erhebliche Trägheit besitzt, welche insbesondere auf der Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien, den notwendigen Anschlussquerschnitten und der resultierenden großen Wärmekapazität der Gesamtanordnungen beruht.
Im Überlastfall, also insbesondere bei der Erwärmung des Varistors infolge von lang andauernden betriebsfrequenten Überspannungen oder infolge der Alterung des Varistors wird die Lötstelle der Abtrennvorrichtung aufgrund der erläuterten Verhältnisse nur allmählich erwärmt. Dies bedeutet, dass selbst nach Erreichen einer für den Varistor kritischen Temperatur noch eine geraume Zeit vergeht, bis die Lotstelle die notwendige Schmelztemperatur erreicht. Diese Zeit kann auch nur bedingt dadurch reduziert werden, dass Lote mit Schmelztemperaturen bereits unterhalb der kritischen Temperatur des Varistors eingesetzt werden.
Häufig wird deshalb der Varistor bereits überlastet, bevor eine thermische Abtrennung erfolgt. Eine Überlastung des Varistor kann jedoch zu Undefinierten Verhältnissen hinsichtlich der sich ergebenden Fehlerströme und somit zu einer Vielzahl unterschiedlicher Fehler und weiterer Schäden führen.
Aus der EP 0 862 255 Al ist ein Ableitertrennschalter bekannt, bei welchem über den Weg der Fehlerstrommessung und Auswertung ein mechanischer Schalter ansteuerbar ist, der den dortigen Varistor vom Netz trennt. Die nachteiligen Eigenschaften der üblichen Kontaktierung von Varistoren über eine thermische, sensible, jedoch zwangsweise träge Lötstelle können vom Grundsatz her vermieden werden. Der Aufwand zur Fehlerstromerfassung und zur Betätigung des Schalters sowie zur notwendigen Auswertung ist jedoch erheblich.
Die DE 28 53 697 Al zeigt eine Reihenschaltung aus einem Varistor und einem Schalter. Dort wird der thermische Überstromauslöser des Schalters neben dem Fehlerstrom auch direkt durch die Erwärmung des Varistors zusätzlich beheizt. Auch eine solche Anordnung ist konstruktiv aufwendig und besitzt den Nachteil, dass die Auslösecharakteristik des Schalters nur begrenzt an die Anforderungen des Varistors angepasst werden kann. Das Auslösesystem und der gesamte Schalter müssen Impulsströme im Bereich von mehreren 10 kA thermisch und dynamisch beherrschen. Die Auslösung sollte für einen optimalen Schutz hingegen bereits bei wenigen mA möglich sein. Eine direkte Beheizung des Bimetallauslösers des Schalters durch den Varistor ist zwar hilfreich, jedoch besitzt der Auslöser aufgrund der genannten Anforderungen eine entsprechend hohe Masse und Wärmekapazität, welche einer kurzen Reaktionszeit entgegenwirken.
Die WO 2004/064213 Al zeigt eine Anordnung, bei der ein Bimetall einen Schaltkontakt verriegelt. Das Bimetall wird hierbei nicht vom Strom durchflössen. Bei einer indirekten Erwärmung des Bimetalls infolge der Erwärmung des Varistors wird durch die Bewegung des Bimetalls die Verriegelung gelöst und der Varistor vom Netz getrennt. Die indirekte Erwärmung über die elektrischen Anschlussleitungen des Varistors, die geometrische Anordnung, die Materialeigenschaften und die zwangsweise notwendigen Abmessungen des Bimetalls schließen eine sehr kurze Reaktionszeit bis zur Kontaktöffnung aus physikalisch-konstruktiver Sicht aus.
Die DE 36 32 224 Al offenbart eine Reihenschaltung eines Schaltkontakts und eines Varistors, bei der zur Abtrennung des Varistors die Ausdehnung einer Blähmasse genutzt wird, welche direkt auf dem Varistor befindlich ist. Hierbei wird die vollflächig aufgebrachte Blähmasse durch den Varistor erwärmt. Die Ausdehnung der Blähmasse in eine Richtung entspricht dem Hubweg der Schaltkontakte. Die Verlängerung der Trennstrecke ist somit nicht nur begrenzt, sondern erfolgt zudem auch recht langsam, wodurch das Schaltvermögen der Trennstrecke insgesamt reduziert bleibt. Die Ausdehnung des Blähstoffs erfolgt nur verzögert, wodurch eine im Schadensfall benötigte schnelle Abtrennung nicht realisiert werden kann.
Aus dem Stand der Technik wird deutlich, dass alle Lösungen nur Kompromisse zwischen der möglichen erreichbaren thermischen Sensibilität der Trennstelle und der notwendigen Stromtragfähigkeit darstellen. Üblicher- weise besitzen die thermischen Abtrennvorrichtungen eine erhebliche Trägheit, die auf die gute Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien und die notwendigen großen Anschlussquerschnitte mit einer hohen resultierenden Wärmekapazität zurückzuführen ist.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer schnellen Abtrennvorrichtung für Überspannungsabieiter, insbesondere scheibenförmige oder flächige Varistoren, wobei die Abtrennvorrichtung schon vor dem Erreichen einer kritischen Temperatur bzw. einer Überlastung des Varistors wirksam werden soll und darüber hinaus mit einfachen Mitteln zu realisieren ist. Bei einer schnellen Abtrennung ergibt sich der Vorteil, dass Ströme, die die Abtrennvorrichtung zu schalten hat, noch durch den Varistor begrenzt werden können und somit problemlos abschaltbar sind. Mögliche Fehlerfälle, welche bei der Überlastung der Varistoren bzw. der Abtrennvorrichtung auftreten können, werden von vornherein vermieden.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine schnelle Abtrennvorrichtung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Der Kerngedanke der Erfindung geht demnach darauf zurück, die funktionstragenden Teile zur thermischen Auslösefunktion der Abtrennvorrichtung von den stromführenden Anschlussteilen räumlich körperlich und funktional zu trennen. Dies ermöglicht eine Optimierung der thermischen Auslösefunktion, wodurch deutlich verkürzte Auslösezeiten erreichbar sind. Der jeweilige Überspannungsabieiter kann daher bei einer Vielzahl von Fehlerfällen vor seiner Zerstörung oder Überlastung sicher vom Netz getrennt werden.
Es wird demnach von einer schnellen Abtrennvorrichtung für Überspannungsabieiter, insbesondere scheibenförmige oder flächige Varistoren, mit mindestens einem unter einer Vorspannung, insbesondere mechanischen Vorspannung gehaltenen Element ausgegangen, wobei weiterhin eine Trennstelle vorgesehen ist, um den Überspannungsabieiter bei thermischer Überlastung vom jeweiligen Netz zu trennen, wobei die Trennstelle gegeneinander lagevariable Kontakte aufweist und wobei einer dieser Kontakte fixiert ausgeführt ist.
Erfindungsgemäß stehen die gegeneinander lagevariablen Kontakte lötfrei derart elektrisch in Verbindung, dass auftretende Stromkräfte überwiegend in Richtung der Kontaktkraft wirken, zumindest jedoch nicht entgegen dieser Kontaktkraft orientiert sind . Der bewegliche der lagevariablen Kontakte ist von einem thermisch lösbar am Überspannungsabieiter befindlichen, verlorenen Element von einer geschlossenen in eine Abtrennposition überführbar.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das verlorene Element von dem unter mechanischer Vorspannung gehaltenen Element mit einer Kraft beaufschlagt.
Das verlorene Element kann als thermisch aktivierbarer Bolzen, Block oder Stift ausgeführt werden, welcher die lotfrei gehaltenen Kontakte sichert.
Der Bolzen, der Block oder der Stift ist an einer Stelle mit dem Überspan- nungsableiter über ein thermisch lösbares Mittel verbunden, an welcher frühzeitig und maximal mit einer Erwärmung im Überlastfall zu rechnen ist.
Das verlorene Element und/oder dessen Befestigungsmittel verfügen über nur eine geringe Wärmekapazität und geringe Wärmeleitfähigkeit. Durch die geringe Wärmekapazität und die geringe Wärmeleitfähigkeit des verlorenen Elements bzw. dessen Befestigungsmittel wird das Lot als temperatursensibles Befestigungsmaterial nicht unnötig gekühlt. Die Wärme, die im Varistor entsteht, wird daher nahezu ausschließlich und unmittelbar zur Erwärmung der sehr geringen Lotmasse genutzt, so dass hier sehr schnelle Reaktionszeiten gewährleistet werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das verlorene Element unmittelbar unter Federkraftvorspannung gehalten und mit einem thermisch sensiblen Mittel am Überspannungsabieiter gesichert. Im Überlastfall betätigt das verlorene Element unter Nutzung der Federkraftvorspannung mittelbar oder unmittelbar den beweglichen Kontakt, um den Abtrennzustand zu bewirken.
Bei dieser Ausführungsform ist die Position des beweglichen Kontakts von einer Abtrennlage in eine wieder geschlossene Lage veränderbar, d . h. es ist hier eine Reversierbarkeit gegeben.
Innerhalb des Bolzens, Blocks oder Stifts kann bei einer weiteren Ausführungsform ein thermisch sensibler Bereich oder Abschnitt vorgesehen sein, um ein mechanisches Trennen eines Teiles des Bolzens, Blocks oder Stifts zu erreichen.
Zwischen dem verlorenen Element und dem beweglichen der Kontakte kann eine kraftverstärkende Anordnung, insbesondere ein Hebelgetriebe vorgesehen sein.
Im Zielbereich der Abtrennlage des beweglichen Kontaktelements ist bei einer weiteren Ausführungsform eine elektrische Verbindung zu weiteren Löscheinrichtungen, wie z. B. Lichtbogenleitblechen, vorgesehen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen :
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem über ein thermisch sensibles Mittel am Varistor fixierten verlorenen Element;
Fig. 2 eine Ausführungsform ähnlich derjenigen nach Fig . 1 mit einem Klemmkontakt und Fig. 3 zwei Zustände einer schnellen Abtrennvorrichtung (geschlossen und offen), wobei das verlorene Element entweder geschossähnlich auf das bewegliche Kontaktstück oder über eine kraftübertragende Anordnung (nicht gezeigt) einwirkt.
Bekanntermaßen besitzen Varistoren aufgrund der Einbausituation, des Materialaufbaus, der Geometrie und ihrer Kontaktierung der Kontaktbleche sowie aufgrund der Stromverteilung Bereiche mit unterschiedlicher Erwärmung .
Dies bedeutet, entsprechend der oben genannten Verhältnisse ist der Punkt bzw. der Bereich der stärksten Erwärmung für die Positionierung des thermisch lösbaren Mittels auszuwählen.
Das thermisch lösbare Mittel bzw. das hiermit fixierte Teil ist bei direktem Kontakt mit dem Varistor so auszubilden, dass eine möglichst geringe Wärmekapazität vorhanden ist und auch die Wärmeabfuhr reduziert wird .
Die Vermeidung der Beeinflussung der Erwärmung der ausgewählten Positionierungsstelle durch unerwünschte Wärmeabgabe sichert die angestrebte schnellstmögliche temperatursensible Abtrennung des Varistors und somit eine optimale Anpassung zu dessen Schutz. Die Ansprechtemperatur des thermisch lösbaren Mittels ist möglichst knapp über der Temperatur liegend, welche am Varistor bei normalen Betriebsbedingungen maximal erreicht wird .
Zur Realisierung einer möglichst unverzögerten Auslösung der Abtrennvorrichtung wird das bewegliche Kontaktstück mit einer angemessenen Federvorspannung beaufschlagt. Die Verbindung des beweglichen Kontaktstücks mit dem Varistor erfolgt erfindungsgemäß über eine lose, unverlötete Kontakt- oder Klemmstelle.
An diese Kontaktstelle werden die nachstehend geschilderten Anforderungen gestellt. Bei Stoßstrombelastungen im Nennbereich soll keine Alterung oder Abbrand an dieser Verbindung auftreten. Die Verbindung sollen keine nennenswerte Rückwirkung auf die Restspannung und somit den Schutzpegel haben. Weiterhin ist die Verbindung so auszulegen, dass diese bei Stoßstrombelastungen nicht verschweißt, so dass die Festigkeit der Verbindung deutlich unterhalb der Kraft liegt, welche für die Bewegung infolge der Federvorspannung zur Verfügung steht.
Von Vorteil bei der Ausgestaltung einer solchen Kontaktstelle ist es, wenn die Richtung der bei Stoßstrombelastung auftretenden Stromkräfte nicht gegen die Kontaktkraft wirkt.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass auf der Oberfläche des Varistors mit der höchsten Erwärmung ein thermisch sensibles Teil oder Material angebracht wird. Dieses Teil soll möglichst klein sein und eine möglichst geringe Wärmekapazität besitzen. Die heißeste Stelle des Varistors lässt sich sowohl durch die Gestaltung des Varistorkörpers als auch die Wahl des Werkstoffs und die Geometrie des Kontaktblechs in ihrer Position beeinflussen. So besteht die Möglichkeit, den Varistorkörper in der Dicke zu profilieren bzw. durch unterschiedliche Zusammensetzung des Varistorgrundmaterials zu beeinflussen, so dass z. B. Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit durch geeignete Dotierung entstehen. Das thermisch sensible Teil dient demnach zur Befestigung des verlorenen Elements und besitzt selbst ein vernachlässigbares Volumen bzw. eine so nur geringe Masse im Verhältnis zum Varistor, und zwar in einem Bereich von < 10 mg . Dadurch nimmt das thermisch sensible Teil quasi ohne Zeitverzug die gleiche Temperatur wie der Varistor an. Wie bereits erläutert, besitzt das verlorene Element nur eine sehr geringe Wärmekapazität und geringe Wärmeleitung, so dass kein nennenswerter Temperaturgradient zwischen dem Lot und dem Varistor ensteht.
Bei den Kontaktflächen kann durch die erläuterte Wahl von Materialien (unterschiedliche Wärmeleitfähigkeit in axialer und radialer Richtung bzw. Geometrie - Schaffung von Wärmefallen) die Wärmestromdichte und damit die Lage des Bereichs der höchsten Erwärmung gezielt beeinflusst werden. Zur Fixierung bieten sich Wachse, Kleber, Lote oder andere Materialien an, die einen Schmelzpunkt oder eine Erweichungstemperatur knapp oberhalb der üblichen Betriebstemperatur des Varistors besitzen.
Wenn notwendig, kann eine zusätzliche definierte Federkraft, bevorzugt vertikal zu der auf den beweglichen Anschluss wirkenden Federkraft am festen Anschluss des Varistors genutzt werden, so dass die für die Kontaktverbindung notwendige Kraft jederzeit vorliegt.
Falls weitere Verbindungen und zusätzliche Teile vorhanden sind, besitzen diese ebenfalls nur eine geringe Wärmekapazität bzw. eine geringe Wärmeleitung. Diese Teile werden bevorzugt aus Isolationsmaterialien gefertigt oder es wird eine Zwischenlage aus Isolationsmaterial zur thermischen Entkopplung vorgesehen. Sollte eine teilweise Verwendung von Materialien mit anderen Eigenschaften notwendig sein, wird eine Zwischenschicht zur Behinderung unerwünschter Wärmeleitung eingesetzt.
Ist es aus konstruktiven Gründen notwendig, den temperatursensiblen Bereich nicht unmittelbar am Varistor vorzusehen, kann dieser Bereich z. B. auch innerhalb des die Abtrennung blockierenden Teils, d. h. des Bolzens, Blocks oder Stifts vorgesehen oder angebracht sein. In diesem Fall ist die Wärmeleitung bis zu diesem funktionalen Bereich optimiert, jedoch die Wärmekapazität auf ein Minimum begrenzt.
Wird die Schmelztemperatur des temperatursensiblen Bereichs oder Abschnitts erreicht, wird das die Abtrennung blockierende Teil durch die Federkraft quasi beiseite geschoben oder weggedrückt. Dabei ist vorgesehen, dass das nun lose, verlorene Teil die Abtrennung nicht behindert. Dies kann durch geeignete Führungen (in den Figuren nicht gezeigt) unterstützt werden.
Falls z. B. die geforderten Platzverhältnisse die Realisierung entsprechender Führungen nicht zulassen, kann das blockierende Teil auch beispielsweise als exzentrisches Element ausgeführt werden, so dass beim Erreichen der Schmelztemperatur des temperatursensiblen Bereichs dieses Teil, z. B. durch die anliegende Federkraft, um einen festen Drehpunkt bewegt wird und damit den beweglichen Kontakt freigibt.
Durch die Führung des blockierenden Teils um einen definierten Drehpunkt wird die Bewegung des beweglichen Kontakts nicht behindert. Nuten und ähnliche Maßnahmen können die gezielte Drehbewegung hierbei unterstützen. In Kombination solcher exzentrischen Teile können gleichzeitig Mittel zur Erhöhung der Isolationsfestigkeit sowie zur Erhöhung des Schaltvermögens der Abtrennvorrichtung, z. B. in Form von Isolationsfolien oder Isolationsrohren genutzt werden. Derartige Isolationsteile können beispielsweise separat geführt, aber auch direkt am beweglichen Schaltkontakt befestigt werden.
Alternativ zur direkten Fixierung der durch eine Feder vorgespannten Kontaktzunge kann auch nur ein Entriegelungsmechanismus eines wahlweise auch externen Schaltkontakts blockiert werden. Bei einer solchen Ausführungsform können die Haltekräfte reduziert werden.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 1 wird von einer Varistorscheibe 1 ausgegangen, die äußere Anschlüsse 7 besitzt.
Ein erster Varistorkontakt 6 stellt einen der die Trennstelle bildenden, gegeneinander lagevariablen Kontakte dar.
Der bewegliche Teil 8 der lagevariablen Kontakte liegt am Varistorkontakt 6 an. Die Kontakte 6 und 8 werden durch ein verlorenes Element 11 gesichert. Dieses verlorene Element 11 ist über ein thermisch lösbares Mittel mit der Varistoroberfläche verbunden.
Zusätzlich kann im Kontaktbügel 3, der über eine Leitung 9 mit dem äußeren Anschluss 7 in Verbindung steht, eine Engstelle 4 ausgebildet sein. Eine Federkraft F wirkt auf den Kontaktbügel 3, wobei eine unerwünschte Lageverschiebung der Kontakte 6 und 8 im Normalbetriebsfall durch das verlorene Element 11 ausgeschlossen ist.
Die gegeneinander beweglichen Kontakte 6 und 8 sind lotfrei in elektrischer Verbindung stehend und so ausgestaltet, dass auftretende Stromkräfte überwiegend in Richtung der Kontaktkraft wirken (in Fig . 1 nicht dargestellt).
Im Fall einer thermischen Überlastung wird die Verbindung des verlorenen Elements 11 mit der Oberfläche des Varistors 1 gelöst. Damit fällt die Anschlagwirkung durch das verlorene Teil 11 weg und es kann sich das bewegliche Teil 8 der Kontakte in Richtung des freiwerdenden Kraftvektors bewegen, so dass der gewünschte Abtrennzustand realisiert ist.
Eine ähnliche, jedoch dreidimensionale Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung zeigt die Fig. 2. Die Bewegungsrichtung des verlorenen Elements 11 ist hier mit einem Pfeil symbolisiert. Das bewegliche Teil 8 der Kontakte wird hier von einer symbolisch angedeuteten Klemmtasche 10 lotfrei kontaktiert. Dieses mechanische Miteinanderinkontaktstehen ist jedoch so realisiert, dass bei einem Ablösen des verlorenen Elements 11 die Abtrennbewegung in Richtung der Kraft F störungsfrei erfolgen kann.
Gemäß Fig . 3 wird wiederum von einem Varistor 1 ausgegangen, welcher zwei Varistoranschlüsse 6 und 7 aufweist.
Der Varistoranschluss 6 steht über die Abtrennvorrichtung, umfassend die Mittel 3, 4 und 10, mit dem Netz in Verbindung .
Weiterhin ist bei der Ausführungsform nach Fig . 3 ein nichtleitender Faden oder Draht 13 vorhanden, der aus einem Material mit hoher Festigkeit und geringer Wärmeausdehnung besteht. Der Faden 13 ist mit H ilfe eines temperatursensiblen Stoffs 12 direkt oder indirekt am Varistor befestigt. Dieser Stoff blockiert in der gezeigten Darstellung nach Fig. 3 linksseitig direkt die Kraft der Feder 14 oder einen Teil dieser, wobei die Feder 14 das verlorene Element 11 mit einer Vorspannkraft F beaufschlagt.
Im Abtrennfall (Fig. 3, rechts) wird der blockierende Faden oder Draht 13 freigegeben und es entspannt sich die Feder 14. Damit wird schlagartig eine Kraft frei, die auf das verlorene Element 11 wirkt, welches den Kontaktbügel 3 betätigt, so dass sich dieser vom Element 10 löst, wodurch der Abtrennzustand erreicht wird . Hierbei kann der Kontaktbügel 3 um eine Achse verschwenkbar ausgeführt werden, wie dies mit der Kreispfeildarstellung angedeutet ist.
Zwischen dem verlorenen Element 11 und dem Kontaktbügel 3 können kraftverstärkende Mittel, wie z. B. Hebelgetriebe oder Ähnliches, vorgesehen werden.
Die vorgestellten Ausführungsformen können aufgrund ihrer erheblichen kürzeren Reaktionszeit Varistoren selbst noch bei hohen netzfrequenten Überspannungen sicher vor Zerstörung schützen.
Durch die Ausgestaltung der Kontaktstelle als quasi lose, unverlötete Verbindung können in einfacher Weise auch Löscheinrichtungen zur Erhöhung des Abschaltvermögens der Abtrennvorrichtung genutzt werden. Dies können z. B. Deionen-, Spalt- oder Isolationsstegkammern und Ähnliches sein. H ierfür werden lediglich entsprechende Kontakte für Lichtbogenleitbleche am festen Varistoranschluss und dem Zielbereich des beweglichen Kontakts angeordnet.
Es besteht dabei die Möglichkeit, heißes Gas, das im Schadensfall entsteht, direkt zum temperatursensiblen Bereich zu lenken. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Draht oder Faden auch leitend ausgeführt werden. Hier dient der Draht als Elektrode, der durch die thermische Wirkung des Lichtbogens zerstörbar ist, so dass auch in diesem Fall die Abtrennvorrichtung sicher öffnet. Bezugszeichenliste
1 Varistor
3 Kontaktbügel
4 Engstelle
6 Varistorkontakt
7 äußerer Anschluss
8 beweglicher Teil der Kontakte
9 Leitung
10 Klemmtasche
11 verlorenes Element
12 temperatursensibles Mittel
13 Faden oder Draht
14 Feder

Claims

Patentansprüche
1. Schnelle Abtrennvorrichtung für Überspannungsabieiter, insbesondere scheibenförmige oder flächige Varistoren, mit mindestens einem unter mechanischer Vorspannung gehaltenen Element sowie mit einer Trennstelle, um den Überspannungsabieiter bei thermischer Überlastung vom jeweiligen Netz zu trennen, wobei die Trennstelle gegeneinander lagevariable Kontakte und einer dieser Kontakte fixiert ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die gegeneinander lagevariablen Kontakte lötfrei derart elektrisch in Verbindung stehen, dass auftretende Stromkräfte überwiegend in Richtung der Kontaktkraft wirken und der bewegliche der lagevariablen Kontakte von einem thermisch lösbar am Überspannungsabieiter befindlichen, verlorenen Element von einer geschlossenen in die Abtrennposition überführbar ist.
2. Abtrennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verlorene Element von dem unter mechanischer Vorspannung gehaltenen Element mit einer Kraft beaufschlagt ist.
3. Abtrennvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verlorene Element als thermisch aktivierbarer Bolzen, Block oder Stift ausgeführt ist, welcher die lotfrei gehaltenen Kontakte sichert.
4. Abtrennvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen, Block oder Stift an einer Stelle mit dem Überspannungsabieiter mit einem thermisch lösbaren Mittel verbunden ist, an welcher frühzeitig und maximal mit einer Erwärmung im Überlastfall zu rechnen ist.
5. Abtrennvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verlorene Element über eine geringe Wärmeleitfähigkeit verfügt.
6. Abtrennvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verlorene Element unmittelbar unter Federkraftvorspannung gehalten und mit einem thermisch sensiblen Mittel am Überspannungsabieiter gesichert ist, wobei im Überlastfall das verlorene Element unter Nutzung der Federkraftvorspannung mittelbar oder unmittelbar den beweglichen Kontakt betätigt, um den Abtrennabstand zu bewirken.
7. Abtrennvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des beweglichen Kontakts von einer Abtrennlage in eine wieder geschlossene Lage veränderbar ist.
8. Abtrennvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Bolzens, Blocks oder Stifts ein thermisch sensibler Bereich oder Abschnitt vorgesehen ist, um ein mechanisches Trennen eines Teils des Bolzens, Blocks oder Stifts zu erreichen.
9. Abtrennvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem verlorenen Element und dem beweglichen der Kontakte eine kraftverstärkende Anordnung, insbesondere ein Hebelgetriebe befindlich ist.
10. Abtrennvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zielbereich der Abtrennlage des beweglichen Kontaktelements eine elektrische Verbindung zu weiteren Löscheinrichtungen, wie Lichtbogenleitbleche oder dergleichen Mittel vorgesehen ist.
11. Abtrennvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch sensible Mittel eine geringe Masse und geringe Wämekapazität aufweist.
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