CH683048A5 - Ueberspannungsschutzvorrichtung. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem gasgefüllten Überspa-nungsableiter, bei dem sich in einem gasdichten Gehäuse mindestens zwei Elektroden, zwischen denen sich bei Auftreten von Überspannungsbedingungen eine elektrisch leitende Verbindung ausbildet, gegenüberstehen und mit einer Thermoschutz-vorrichtung, die aus einem Federkontakt, einem Ableiterkontakt und einem zwischen den beiden Kontakten befindlichen, bei erhöhter Temperatur erweichenden Abstandhalter besteht und die bei Überlastung der Überspannungsschutzvorrichtung eine galvanische Verbindung zwischen den Elektroden des Überspannungsabieiters herstellt.

Solche Überspannungsschutzvorrichtungen sind allgemein bekannt. Ihre wesentliche Aufgabe besteht darin, elektrische Geräte, Vorrichtungen oder Anlagen gegen Überspannungen, die durch Blitzschlag, Hochspannungsleitungskontakt o.ä. entstehen, zu schützen. Diese Aufgabe können sie dadurch erfüllen, dass sie einen Überspannungsablei-ter aufweisen, der im Prinzip aus einer gasgefüllten Funkenstrecke besteht, in der sich in einem gasdichten, isolierten Gehäuse mindestens zwei Elektroden in kurzem Abstand gegenüberstehen und im Normaifall elektrisch leitfähige Anlagenteile trennen. Bei Auftreten von Überspannungen, welche die Anlage gefährden könnten, bildet sich zwischen den Elektroden eine Gasentladung aus, wodurch die an der geschützten Anlage liegende Spannung auf die Brennspannung der Gasentladung herabgesetzt wird.

Wenn die Überspannungsbedingungen längere Zeit bestehen bleiben, so dass die Funkenstrecke fortlaufend von einem Strom durchflössen wird, kann es vorkommen, dass der Überspannungsabieiter so stark erhitzt wird, dass er zerstört wird und seine Funktion nicht mehr ausüben kann; dies würde auch zur Zerstörung der zu schützenden Anlagen führen. Ausserdem würde dadurch eine erhebliche Brandgefahr entstehen.

Zur Vermeidung dieser Gefahren werden schmelzbare Elemente verwendet, welche bei Auftreten solcher Überlasten schmelzen und entweder einen dauernden Kurzschluss am oder im Über-spannungsableiter hervorrufen oder einen anderen Mechanismus, z.B eine federbelastete Kurzschlussschiene, auslösen, welche die Kurzschlussverbindung herstellt; diese Vorrichtungen werden als «Failsafe-Einrichtungen» oder «Thermoschutzvor-richtungen» bezeichnet.

Ein Beispiel für eine Failsafe-Einrichtung, bei der innerhalb eines gasgefüllten Überspannungsablei-ters eine Kurzschlussverbindung geschaffen wird, ist der Überspannungsabieiter gemäss DE-A1 2 828 591, bei dem mindestens eine der im Abstand voneinander angeordneten Elektroden mit einem Metallplättchen versehen ist, das bei Überlastung schmilzt und eine galvanische Verbindung zwischen den Elektroden herstellt.

Eine Failsafe-Einrichtung mit einem äusseren Kurzschlussmechanismus ist in der DE-A1 2 738 077 beschrieben. Bei dieser Einrichtung ist parallel zu dem ionisierbaren Spalt eine Zusatzluftspaltvorrichtung gelegt, die eine Schmelzvorrichtung aus schmelzbarem Material aufweist, welches im Falle einer anhaltenden Überspannung schmilzt und einen geschmolzenen Pfad aus stromleitendem Material zwischen den Elektroden der Überspannungsschutzvorrichtung herstellt.

In der DE-A1 1 922 823 ist eine weitere Failsafe-Einrichtung mit einem äusseren Kurzschlussmechanismus beschrieben. Bei dieser Einrichtung ist neben der einen Elektrode eine Weichlotpille angeordnet, die einen Bügel, der in elektrisch leitender Verbindung mit der anderen Elektrode steht, im Betriebszustand im Abstand von der ersten Elektrode hält. Bei Erwärmung des Überspannungsabieiters durch Überlastung schmilzt die Weichlotpille und der Bügel führt durch Berührung mit der ersten Elektrode den äusseren Kurzschluss herbei.

An Stelle einer Weichlotpille kann auch eine Lotplatte verwendet werden. Beispielsweise ist in dem DE-U1 8 910 382 ein Knopfabieiter zum Ableiten von Überspannungen beschrieben, der in einen Halter mit sich gegenüberliegenden Kontaktfedern eingesetzt ist und bei dem mindestens auf der einen Seite zwischen dem metallischen Endstück des Knopfabieiters und der Kontaktfeder eine Lotplatte angeordnet ist. Die zuletztgenannten Failsafe-Einrichtungen haben gemeinsam, dass die Kurzschlussverbindung nicht durch das Material des metallischen Lots erfolgt, sondern dass durch das Schmelzen des Lots eine zusätzliche Vorrichtung den elektrischen Kontakt bewirkt. Die Kurzschlussverbindung erfolgt dabei häufig (wie z.B. bei den Überspannungsableitern gemäss DE-U1 8 910 383 und 384) über einen elektrischen Leiter in Form einer Feder.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Faiisafe-Überspannungsableiter besteht darin, dass sie bei Verwendung einer Lotpille durch schmelzendes Metall eine Verunreinigung der in der Nähe befindlichen Anlageteile verursachen.

Ein weiterer Nachteil der vorgenannten Überspannungsschutzvorrichtungen besteht darin, dass bei den Thermoschutzvorrichtungen der elektrische Kontakt über eine verhältnismässig kleine Berührungsfläche - manchmal sogar über eine Berührungslinie oder über einen Berührungspunkt - erfolgt. Dadurch entsteht eine hohe Stromdichte an der Übergangsstelle, wodurch sich ein Lichtbogen ausbilden kann, der die Kontaktfeder verbrennt und die Kurzschlussverbindung unwirksam macht. Dies bedeutet eine erhöhte Brandgefahr.

Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Überspannungsschutzvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Überspannungsschutzvorrichtungen vermeidet und insbesondere eine Überspannungsschutzvorrichtung zu schaffen, die bei einfacher Konstruktion sowohl bei kleinen Strömen (z.B < 4 A) als auch bei grossen Strömen (bis ca. 20 A) sicheren Kurzschluss gewährleistet und eine ausreichende Stromtragbarkeit aufweist.

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Überspannungsschutzvorrichtung zu schaf-

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fen, bei der durch das Auslösen der Thermoschutz-vorrichtung keine Verunreinigung von Apparateteilen in der Umgebung der Überspannungsschutzvorrichtung erfolgt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Überspannungsschutzvorrichtung zu schaffen, welche bei Kurzschluss Halter und Gehäuse nicht beschädigt und die nach dem Ansprechen aus der Fassung gezogen werden kann.

Schliesslich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, eine Überspannungsschutzvorrichtung zu schaffen, bei der die Auslösung durch Temperaturanstieg, unabhängig von der Stromform erfolgt.

Diese Aufgabe wird bei einer Überspannungsschutzvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf mindestens einen der Kontakte der Thermosch utzvorrichtung ein Überzug aus einem leichtschmelzenden Metall aufgebracht wird, welches bei Stromdurchgang schmilzt und eine dauerhafte elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontakten herstellt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs-gemässen Überspannungsschutzvorrichtung besteht darin, dass das leichtschmelzende Metall, welches auf die Kontaktfedern aufgetragen wird, Zinn oder eine bei einer Temperatur von < 300°C schmelzende Legierung, vorzugsweise eine Zinn/Blei-Legie-rung, insbesondere eine Legierung aus 63 Gew.-% Zinn und 37 Gew.-% Blei, ist. Dabei kann das Metall durch Plattieren, durch Aufschmelzen oder -vorzugsweise - galvanisch auf die Kontaktfedern aufgebracht werden. Gemäss einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das leichtschmelzende Metall in einer Schichtdicke von mindestens 10 um, insbesondere von mindestens 100 um, aufgebracht.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfin-dungsgemässen Überspannungsschutzvorrichtung besteht darin, dass der Abstandhalter aus einem bei normaler Betriebstemperatur (bis ca. 80°C) formstabilen, bei erhöhter Temperatur leicht erweichenden, glasfaserverstärkten Kunststoff besteht, der bei einer Temperatur von 150 bis 200°C so weit erweicht, dass er durch den Federdruck der Kontaktfeder zusammengedrückt wird, so dass sich Ableiterkontakt und Federkontakt berühren. Besonders bevorzugt wird, dass der Abstandhalter aus einem Polycarbonat besteht und dass ca. 10% Glasfasern in dem Abstandhalter enthalten sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 im Querschnitt eine erfindungsgemässe Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Über-spannungsableiter und einer Thermoschutzvorrich-tung und

Fig. 2 (teilweise) im Querschnitt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Überspannungsschutzvorrichtung mit zwei Überspan-nungsableitern.

Die in Fig. 1 in vergrössertem Massstab im Querschnitt dargestellte Überspannungsschutzvorrichtung besteht aus einem handelsüblichen, gasgefüllten Überspannungsabieiter 1 (z.B. einem Knopf-ableiter UC 245 der Fa. CERBERUS, Schweiz) und einer Thermoschutzvorrichtung 6, 7, 8, 9.

Der Knopfabieiter 1 besteht aus einem rohrförmi-gen Keramikisolator 11, in den an beiden Enden die aus Metall hergesteilten Elektroden 4, 5 gasdicht eingefügt sind. Der dadurch gebildete Gasentladungsraum 13 ist mit einem Inertgas (z.B. einem Edelgas, wie Argon oder Neon) gefüllt. Auf die Elektroden 4, 5 ist eine Aktivierungsmasse 2 zur Herabsetzung der Zündspannung auf einen gewünschten stabilen niedrigen Wert aufgebracht. Um eine definierte niedrige Zündspannung bei raschem Spannungsanstieg zu erhalten, sind auf der Innenseite des Gehäuses 11 Zündhilfen aus elektrisch leitendem Material (z.B. aus Graphit) angebracht. Diese Zündstriche 3 sind entlang von Mantellinien parallel zur Achse des Überspannungsabieiters angebracht und abwechselnd mit einer der Elektroden 4, 5 verbunden und von der Gegenelektrode 5, 4 isoliert.

Die Thermoschutzvorrichtung besteht aus einem Ableiterkontakt 6 und einem durch einen bei einer erhöhten Temperatur erweichenden Abstandhalter 8 im Abstand von dem Ableiterkontakt 6 gehaltenen Federkontakt 7. Der Federkontakt 7 ist mit einer Kraft von etwa 15 N vorgespannt. Am vorderen Ende des Federkontakts 7 ist auf der dem Ableiterkontakt 6 zugewandten Seite ein etwa 100 um dik-ker Überzug 9 aus einem leichtschmelzenden Metall aufgetragen.

Der Abstandhalter 8 besteht aus einem isolierenden Kunststoff. Ein geeignetes Material, das bei Normaltemperatur genügend dimensionsstabil ist und bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 200°C erweicht, ist ein Polycarbonat, das mit etwa 10 Gew.-% Glasfasern verstärkt ist. Durch den Gehalt an Glasfasern wird verhindert, dass das Polycarbonat bei höheren Temperaturen aus der Überspannungsschutzvorrichtung heraustropft und Apparateteile verunreinigt.

Der metallische Überzug 9 auf dem Federkontakt 7 besteht aus einer Zinn/Blei-Legierung, die aus 63 Gew.-% Blei und 37 Gew.-% Zinn besteht. Andere Zinn/Blei-Legierungen oder ein Überzug aus reinem Zinn sind für die Zwecke der Erfindung ebenfalls geeignet.

Die Überspannungsschutzvorrichtung arbeitet so, dass im Normalfall keine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden 4, 5 besteht. Beim Auftreten von Überspannungsbedingungen bildet sich im Gasentladungsraum 13 des Überspannungsabieiters 1 zwischen den Elektroden 4, 5 eine Gasentladung aus, wodurch die an der geschützten Anlage liegende Spannung auf die Brennspannung der Gasentladung herabgesetzt wird.

Wenn die Überspannungsbedingungen längere Zeit anhalten, so dass eine Gefährdung der zu schützenden Anlage zu befürchten ist, erhitzt sich der Überspannungsabieiter 1 so stark, dass der Abstandhalter 8 erweicht und die Kontaktfeder 7 in leitende Verbindung mit der Kontaktfeder 6 bringt. Durch den Überzug 9 aus leichtschmelzendem Metall auf der Kontaktfeder 7 wird eine dauerhafte elektrisch leitende Verbindung zwischen den Kon5

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taktfedern 6, 7 und damit zwischen den Elektroden 4, 5 des Überspannungsabieiters 1 bewirkt. Der Abstandhalter 8 wird zwar weich, kann aber wegen der darin enthaltenen Glasfasern nicht herabtropfen, wodurch eine Verschmutzung anderer Apparateteile verhindert wird. Die Zusammensetzung des Poiy-carbonats wird so gewählt, dass eine Erweichung des Abstandhalters 8 eintritt, bevor eine ernsthafte Gefährdung der zu schützenden Apparatur auftritt.

Die Überspannungsschutzvorrichtung kann in eine (nicht dargestellte) Fassung eingesetzt werden, mit der sie in eine Halterung der zu schützenden Apparatur eingesetzt werden kann. Durch die erfindungsgemässe Ausführung der Überspannungsschutzvorrichtung kann diese Fassung ohne Schwierigkeiten aus der Halterung entfernt werden, wenn die Vorrichtung beim Auftreten einer Überspannung angesprochen hat.

Eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Überspannungsschutzvorrichtung ist in Fig. 2 in vergrössertem Massstab (teilweise) im Querschnitt dargestellt. Sie besteht aus zwei Über-spannungsableitern 1 (z.B. den Knopfableitern UC 245 der Fa. CERBERUS) und dient zum Schutz von zwei elektrischen Anschlüssen, die gegen Erde abgesichert werden sollen. Die beiden Knopfabieiter 1 sind mit ihrer einen Elektrode 5 fest mit einer Kontaktschiene 12 verbunden, die im Betrieb Erd-schluss hat. Mit ihren anderen Elektroden 4 sind die Knopfabieiter 1, analog der Ausführungsform gemäss Fig. 1, mit je einem Ableiterkontakt 6 verbunden. Über diese Ableiterkontakte 6 können die Elektroden 4 der Überspannungsabieiter 1 über (nicht dargestellte) Kontakte und Leitungen mit den zu schützenden Anlagen verbunden werden. Die Überspannungsschutzvorrichtung kann auch in eine (nicht dargestellte) Fassung montiert sein, die in eine entsprechend ausgebildete Halterung der zu schützenden Apparatur eingesetzt werden kann.

Zwischen den beiden Knopfableitern 1 ist auf der Kontaktschiene 12 eine Kontaktfeder 7 montiert, die zwei federnd ausgebildete Enden aufweist; diese sind so ausgebildet, dass sie entsprechend geformten Enden der Ableiterkontakte 6 gegenüberstehen und im Normalfall durch die Abstandhalter 8 von diesen Ableiterkontakten elektrisch getrennt sind. Die Enden der Kontaktfedern 7 sind auf der den Ableiterkontakten 6 gegenüberliegenden Flächen mit einem Überzug aus einer Zinn/Blei-Legierung (63 Gew.-% Zinn, 37 Gew.-% Blei) versehen. Die Abstandhalter 8 bestehen wie bei der Ausführungsform gemäss Fig. 1 aus einem isolierenden Kunststoff, der bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 200°C erweicht, z.B. einem Polycarbonat, das mit etwa 10 Gew.-% Glasfasern verstärkt ist. Durch den Gehalt an Glasfasern wird verhindert, dass das Polycarbonat bei höheren Temperaturen aus der Überspannungsschutzvorrichtung heraustropft und Apparateteile verunreinigt.

Beim Auftreten von Überspannungsbedingungen bildet sich zwischen den Elektroden 4, 5 mindestens eines der beiden Überspannungsabieiter 1 eine Gasentladung aus, wodurch die an der geschützten Anlage liegende Spannung auf die Brennspannung der Gasentladung herabgesetzt wird. Wenn die Überspannungsbedingungen längere Zeit anhalten, so dass eine Gefährdung der zu schützenden Anlage auftreten könnte, erhitzen sich die Überspannungsabieiter 1 so stark, dass die Abstandhalter 8 erweichen und die Kontaktfeder 7 in leitende Verbindung mit den Ableiterkontakten 6 kommt. Durch den Überzug 9 aus leichtschmelzendem Metall auf den Enden der Kontaktfeder 7 wird eine dauerhafte elektrisch leitende Verbindung zwischen den Ableiterkontakten 6 und dem Federkontakt 7 und damit zwischen den Elektroden 4, 5 der Überspannungsabieiter 1 bewirkt. Die Abstandhalter 8 werden zwar weich, können aber - selbst wenn sie bei erhöhter Temperatur schmelzen sollten -wegen der darin enthaltenen Glasfasern nicht herabtropfen, wodurch eine Verschmutzung anderer Apparateteile verhindert wird.

Abwandlungen der vorbeschriebenen Konstruktion sind im Rahmen der Erfindung gemäss den Ansprüchen möglich und dem Fachmann geläufig.

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Patentansprüche

1. Überspannungsschutzvorrichtung mit einem gasgefüllten Überspannungsabieiter (1), bei dem sich in einem gasdichten Gehäuse mindestens zwei Elektroden (4, 5), zwischen denen sich bei Auftreten von Überspannungsbedingungen eine elektrisch leitende Verbindung ausbildet, gegenüberstehen und mit einer Thermoschutzvorrichtung (6, 7, 8), die aus einem Federkontakt (7), einem Ableiterkontakt (6) und einem zwischen den beiden Kontakten (6, 7) befindlichen, bei erhöhter Temperatur erweichenden Abstandhalter (8) besteht und die bei Überlastung der Überspannungsschutzvorrichtung (6, 7, 8) eine galvanische Verbindung zwischen den Elektroden (4, 5) des Überspannungsabieiters (1) herstellt, dadurch gekennzeichnet, dass auf mindestens einen der Kontakte (6, 7) der Thermoschutzvorrichtung (6, 7, 8) ein Überzug aus einem leichtschmelzenden Metall (9) aufgebracht ist, welches bei Stromduchgang schmilzt und eine dauerhafte elektrische Verbindung zwischen den beiden Kontakten (6, 7) herstellt.

2. Überspannungsschutzvorrichtung gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leichtschmelzende Metall (9) Zinn oder eine bei einer Temperatur von < 300°C schmelzende Legierung, vorzugsweise eine Zinn/Blei-Legierung, insbesondere eine Legierung aus 63 Gew.-% Zinn und 37 Gew.-% Blei, ist.

3. Überspannungsschutzvorrichtung gemäss einem der Patentansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das leichtschmelzende Metall (9) durch Plattieren, durch Aufschmelzen oder -vorzugsweise - galvanisch auf die Kontaktfedern aufgebracht ist.

4. Überspannungsschutzvorrichtung gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das leichtschmelzende Metall (9) in einer Schichtdicke von mindestens 10 (im, vorzugsweise von mindestens 100 um, aufgebracht ist.

5. Überspannungsschutzvorrichtung gemäss einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (8) aus einem bei

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normaler Betriebstemperatur dimensionsstabilen und bei erhöhter Temperatur erweichenden, glasfaserverstärkten Kunststoff besteht und dass ca. 10% Glasfasern in dem Abstandhalter (8) enthalten sind.

6. Überspannungsschutzvorrichtung gemäss Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandhalter (8) aus einem Kunststoff, der bei einer Temperatur von 150-200°C erweicht, vorzugsweise aus einem Polycarbonat, besteht.

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