DE102009004758B4

DE102009004758B4 - Überspannungsableiter mit mindestens einem Ableitelement

Info

Publication number: DE102009004758B4
Application number: DE102009004758.1A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Ehrhardt Arnd; Dipl.-Ing. Schreiter Stefanie
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: DE102009004758A1; DE102009061756A1

Abstract

Überspannungsableiter (1) mit einer Überstromschutzeinrichtung sowie mit einer thermischen Abtrennvorrichtung, welche mindestens eine temperatursensible Lötstelle (18) und eine Vorspannkraft-belastete Schaltzunge (3) umfasst, wobei die Schaltzunge (3) in den elektrischen Anschlusspfad des Ableiters (1) eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung eine Strom-Engstelle (4) aufweist, welche in der Schaltzunge (3) ausgebildet ist, die Strom-Engstelle (4) eine Zeit-Strom-Kennlinie aufweist, welche die Zeit-Strom-Kennlinie der für den Einsatzfall des Ableiters maximal zugelassenen Überstromschutzeinrichtung schneidet, wobei die Zeit-Strom-Kennlinie der Strom-Engstelle (4) flacher als die Kennlinie der Überstromschutzeinrichtung verläuft und die Strom-Engstelle (4) als elektrische Engstelle durch die Materialeigenschaften mindestens von Teilen der Schaltzunge (3) bestimmt ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Überspannungsableiter mit einer Überstromschutzeinrichtung sowie mit einer thermischen Abtrennvorrichtung, welche mindestens eine temperatursensible Lötstelle und eine Vorspannkraft-belastete Schaltzunge umfasst, wobei die Schaltzunge in den elektrischen Anschlusspfad des Ableiters eingebunden ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Überspannungsableiter z.B. auf der Basis von Varistoren besitzen im Niederspannungsbereich üblicherweise eine interne Abtrennvorrichtung. Diese besteht häufig aus einer Kombination einer thermischen Abtrennvorrichtung und einer Sollbruchstelle für hohe Impulsströme.
Verwiesen sei hier beispielsweise auf die gattungsbildende DE 42 41 311 A1 oder die DE 38 05 889 A1 .
Die thermische Abtrennfunktion des erwähnten Standes der Technik wird von einer Lotverbindung zwischen dem Varistor und einem beweglichen, unter Federvorspannung stehenden Anschlussstück realisiert. Bei Alterung des Varistors oder bei langandauernden geringen Überspannungen führen die verhältnismäßig kleinen Leckströme zu einer unzulässigen Erwärmung des Varistors, wodurch die Lötstelle aufschmilzt. Der Varistor wird durch die Bewegung der Schaltzunge der Abtrennvorrichtung dann vom Netz getrennt.
Die Schaltzunge kann auch eine sogenannte Sollbruchstelle besitzen, deren Schmelzintegralwert (I²t-Wert) mit dem zulässigen Impulsstrom für den Varistor abgestimmt ist. Die Sollbruchstelle wird beispielhaft durch eine Verjüngung im Querschnitt der beweglichen Schaltzunge, analog zu Sicherungsschmelzleitern realisiert.
Bei hohen abzuleitenden Impulsströmen oder auch bei sehr hohen Kurzschlussströmen schmilzt diese Engstelle. Die Schaltzunge wird dann an der Engstelle durchtrennt. Infolge der Federvorspannung bewegt sich ein Teil der Schaltzunge, wodurch eine Trennstrecke geschaffen und der Varistor auf diese Weise sicher vom Netz getrennt wird. Zur Theorie des Schmelzverhaltens von Schutzeinrichtungen sei verwiesen auf Biegelmeier, G.; Kiefer, G.; Krefter, K-H.; Schutz in elektrischen Anlagen. Band 5: Schutzeinrichtungen. Berlin, Offenbach: VDE-Verlag, 1999 (VDE-Schriftenreihe: Normen verständlich gemacht Nr. 84). Seite 152-159. Kap. 3.5. - ISBN 3-8007-2052-3.
Die DE 40 00 717 A1 zeigt eine Abtrennvorrichtung, welche anstelle eines starren beweglichen Anschlusstücks ein flexibles Sicherungsband mit Sollbruchstelle besitzt.
Entsprechend der verschiedenen Fehler, welche bei Überspannungsableitern mit Varistoren auftreten können, ergibt sich das nachstehend geschilderte typische Verhalten.
Bei einer allmählichen Erwärmung des Varistors, z.B. durch Alterung, spricht die thermische Abtrennvorrichtung nach einem Zeitablauf von mehreren Sekunden an. Das vorgesehene Lot schmilzt und es öffnet sich die unter Federkraft stehende Abtrennvorrichtung. Der Varistor besitzt bei diesem Fehlerfall noch einen hohen Widerstand, wodurch der Strom durch den Varistor stark begrenzt wird. Die Abtrennvorrichtung kann diese Ströme im Allgemeinen problemlos unterbrechen und somit den überlasteten Ableiter sicher vom Netz trennen, ohne dass eine weitere Überstromschutzeinrichtung anspricht oder erforderlich ist. Die Netzversorgung des Verbrauchers wird hierbei nicht unterbrochen oder gestört. Es muss lediglich der defekte Überspannungsableiter bei einer Wartung ausgetauscht werden.
Wird der Varistor durch eine hohe Impulsspannung überlastet, jedoch noch nicht zerstört oder überschlagen, kann die thermische Abtrennvorrichtung zu einer verzögerten Abtrennung führen oder aber der Schmelzintegralwert der Engstelle wird erreicht, wodurch diese schmilzt und den Ableiter vom Netz trennt.
Wird hingegen der Varistor durch eine erhöhte netzfrequente Spannung oder einen Stoßstrom innerhalb kürzester Zeit zerstört oder überschlagen, können Fehlerströme auftreten, die nicht zwangsweise zum Ansprechen der Abtrennvorrichtung führen müssen. Aufgrund der undefinierten Impedanz, welche ein defekter oder überschlagener Varistor besitzt, kann der resultierende Fehlerstrom selbst bei definierten Netzverhältnissen stark schwanken.
Da die Abtrennvorrichtung, wie dargestellt, bei diesen Belastungen passiv bleibt, sollen zusätzliche Überstromschutzeinrichtungen ansprechen. Insbesondere bei externen oder internen Ableitervorsicherungen, vorzugsweise im Querzweig, welche aufgrund der notwendigen hohen Impulsfestigkeit hohe Schmelzintegralwerte und auch hohe Nennstromstärken besitzen, kann die Abschaltung bei kleinen Fehlerströmen und der konventionellen Sicherungskennlinien sehr lange dauern oder erst bei einer erheblichen Erhöhung des Fehlerstroms und somit nach der Schädigung des Ableiters möglich sein. Die Netzversorgung der Verbraucher wird in diesem Fall über einen längeren Zeitraum beeinträchtigt oder unterbrochen.
Die Abtrennvorrichtungen des Standes der Technik besitzen jedoch im Allgemeinen nur ein begrenztes Schaltvermögen, so dass zum sicheren Betrieb eines solchen Ableiters insbesondere für den letztgenannten oben beschriebenen Schadensfall eine weitere Überstromschutzeinrichtung mit hohem Schaltvermögen notwendig ist. Solche Überstromschutzvorrichtungen sind üblicherweise Leitungsschutzschalter bzw. NH-Sicherungen im Querzweig. Diese Schutzeinrichtungen können sowohl außerhalb, aber auch innerhalb des Ableitergehäuses eingesetzt werden.
Beispielsweise in der DE 195 45 505 C1 wird im Gehäuse des Ableiters eine Sicherung in Reihe zum Varistor mit Abtrennvorrichtung geschaltet.
Die DE 77 19 678 U1 offenbart eine Reihenschaltung von Funkenstrecke, Varistor und Sicherung. Die thermische Abtrennung erfolgt hier unmittelbar an der Kontaktstelle vom Varistor zum Sicherungsschmelzleiter.
Das Verhalten üblicher Abtrennvorrichtungen mit Varistoren ist ausschließlich im Bereich von verhältnismäßig kleinen Leckströmen durch das Schmelzverhalten des Lotes und bei sehr hohen Strömen infolge der adiabatischen Erwärmung der Sollbruchstelle definiert.
Konventionelle Sicherungen für den Niederspannungsbereich besitzen Schmelzleiter aus Kupfer oder Silber. Diese Materialien weisen bei kleinsten Querschnitten hohe Schmelzintegralwerte auf. Dies ist zur Erzielung eines hohen Schaltvermögens, einer geringen Alterung und einer geringen Verlustenergie günstig. Um die Nennstromstärke solcher Schmelzleiter zu begrenzen und ein sicheres Ansprechen bei kleinen Strömen zu bewirken, ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich. Häufig werden hierfür Stoffe, z.B. Lote eingesetzt, welche eine chemische Alterung des Materials bei thermischer Belastung bewirken.
Die übliche Gestaltung der internen Engstelle der bekannten Abtrennvorrichtungen muss so erfolgen, dass zahlreiche impulsförmige Belastungen nicht zur Alterung der Engstelle führen, da dies zu einer unnötigen Abtrennung des Ableiters unterhalb seines Leistungsbereichs führen würde. Die Engstelle der Abtrennvorrichtung wird aus den erläuterten Gründen daher nicht mit chemischen Komponenten zur Alterung versehen, wodurch ihre Auslegung ausschließlich auf den I²t-Wert hinsichtlich einer adiabatischen Erwärmung bei Stoßströmen erfolgt. Das Material der Engstelle der Abtrennvorrichtung ist üblicherweise mit dem der Sicherungen identisch. Dies führt dazu, dass die Engstelle der Abtrennvorrichtung quasi eine sehr hohe Nennstromstärke besitzt, welche oberhalb der vorgeordneten internen bzw. externen Ableitervorsicherung im Querzweig liegt. Die Zeit-Strom-Kennlinie einer solchen, bisher üblichen Engstelle ist sehr steil. Ein schnelles Ansprechen bei kleinen Strömen der Engstelle ist nicht gegeben.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Überspannungsableiter mit mindestens einem Ableitelement sowie mit einer thermischen Abtrennvorrichtung anzugeben, welcher eine alterungsstabile Engstelle der Abtrennvorrichtung aufweist und die ein Ansprechen bei niedrigen Strömen ermöglicht, und zwar bei Zeiten, die kleiner sind als die vom Überspannungsableiterhersteller empfohlene maximale Einspeisesicherung im Längszweig oder die bereits dem Ableiter zugeordnete interne oder externe Ableitervorsicherung im Querzweig. Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere bei einer merklichen Schädigung des Ableiters, also nach dem Durchlegieren und/oder dem Überschlagen des Ableiters schnellstmöglich eine Abtrennung des Verbrauchers zu bewirken, aber bei kleineren Fehlerströmen ein Ansprechen von Überstromschutzeinrichtungen im Längszweig zu vermeiden.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch einen Überspannungsableiter gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.
Damit ist erfindungsgemäß eine besonders flache Ausführung der Zeit-Strom-Kennlinie der primär elektrisch realisierten Engstelle innerhalb der Abtrennvorrichtung realisierbar. Diese flachverlaufende, nahezu schalterartige Zeit-Strom-Kennlinie führt zu einem Schnittpunkt mit den steileren Zeit-Strom-Kennlinien üblicher Überstromschutzeinrichtungen.
Durch diese Maßnahem wird eine Funktionsteilung mit der zusätzlichen externen oder internen Überstromschutzeinrichtung im Querzweig bewirkt, aber auch mit den vorhandenen Überstromschutzeinrichtungen im Längszweig.
Durch die erfindungsgemäße Abstimmung der Zeit-Strom-Kennlinien wird für den Verbraucher eine besonders hohe Versorgungssicherheit erreicht. Diese ergibt sich daraus, dass die Engstelle der Abtrennvorrichtung bei Strömen im Bereich ihres Schaltvermögens deutlich flinker ist als übliche Sicherungen mit vergleichbaren Schmelzintegralwerten.
Es spricht hierdurch die Abtrennvorrichtung bei Strömen bis zu einigen 100 A deutlich schneller an, als Sicherungen, welche selbst eine relativ geringe Nennstromstärke und einen relativ geringen Schmelzintegralwert besitzen. Zusätzliche interne oder externe Ableitervorsicherungen im Querzweig müssen nur Fehlerströme oberhalb des Schaltvermögens der Abtrennvorrichtung abschalten.
Die Engstelle wird durch eine Fertigung der Abtrennvorrichtung mit Materialien erreicht, welche ein deutlich niedriges spezifisches Schmelzintegral (I²t-Wert / m²) besitzen, und zwar im Vergleich zum Material üblicher Schmelzsicherungen. Gleichzeitig wird die Engstelle und deren Anschlussbereich so gestaltet, dass eine unerwünschte Wärmeabgabe weitestgehend unterbunden wird. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist es, dass die mechanische Belastbarkeit gegenüber konventionellen Lösungen bei gleichem Schmelzintegralwert deutlich steigt. Dies ermöglicht z.B. höhere Federvorspannungen, die auf die Schaltzunge einwirken. Es können also deutlich größere Federvorspannungen oder eine gestufte Kraftaufbringung genutzt werden, um eine ausreichende Trennstelle mit entsprechendem Abstand bereitzustellen.
Durchgeführte Versuche haben gezeigt, dass eine erfindungsgemäß gestaltete Abtrennvorrichtung eine Zeit-Strom-Kennlinie besitzt, welche bei Fehlerströmen im Bereich von einigen 10 A bis zu einigen 100 A deutlich flacher verläuft als die Kennlinie der maximal möglichen Vorsicherung eines Varistor-ableiters. Eine entsprechend gestaltete Abtrennvorrichtung trennt bei diesen kleinen Belastungen den Ableiter bereits vor dem Auslösen einer vorgeordneten Sicherung im Längszweig ab.
Eine derartige Einspeisesicherung im Längszweig kann einen deutlich niedrigeren Wert als die maximal zulässige Sicherung besitzen. Bei einer häufig vorgeschriebenen maximalen Sicherungsgröße von NH 125 A gG wären somit Netzeinspeisungen mit einer Absicherung > 50 A gG gegen Unterbrechungen infolge von Fehlerströmen mittlerer Höhe über den Varistor geschützt.
Bei dem zusätzlichen Einsatz einer speziellen, für den Ableiter dimensionierten Überstromschutzeinrichtung, vorzugsweise im Querzweig, kann auch eine bessere Funktionsaufteilung zwischen der Überstromschutzeinrichtung sowie der Abtrennvorrichtung und somit eine Vereinfachung dieser Einrichtungen jeweils erzielt werden.
Eine Überstromschutzeinrichtung der erfindungsgemäßen Art könnte als Teilbereichsicherung ausgelegt werden, welche ausschließlich hinsichtlich ihres Schaltvermögens bei Kurzschlussströmen dimensioniert wird. Notwendige Aufwendungen, welche bei üblichen Sicherungen hinsichtlich der thermischen Belastungen, der Einhaltung einer Sicherungskennlinie und dem Schalten kleiner Ströme, bei denen nur eine Engstelle anspricht, entfallen gemäß der Erfindungslehre. Spezielle Sicherungen können somit problemlos alterungsstabil ausgeführt werden, wodurch der reale Schmelzintegralwert nur knapp oberhalb der Leistungsgrenze des Ableiters liegen muss. Neben dem Verzicht auf eine chemische Alterung kann der Schmelzleiter gegen Belastungen infolge von Stromkräften besser dimensioniert werden.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung im Zusammenhang mit Abtrennvorrichtungen genutzt werden, welche über ein erhöhtes Schaltvermögen z.B. von 1 kA oder mehr verfügen, da sich hierdurch die Varianten hinsichtlich Abstimmung der Überstromschutzelemente erweitern.
Zusammengefasst zielt die Erfindung auf eine Kombination einer speziellen Abtrennvorrichtung für insbesondere einen Varistor und einer externen oder internen Ableitervorsicherung im Querzweig, und zwar durch eine bedarfsgerechte Koordination der verschiedenen Schutzeinrichtungen. Diese bedarfsgerechte Koordination bezieht sich insbesondere auf das unterschiedliche Schaltvermögen der verschiedenen Schutzeinrichtungen. Durch die Koordination wird im Fall einer Überlastung des Varistors ein günstigeres Schadensverhalten, z.B. durch Brandverhütung, und eine stabilere Netzversorgung erreicht.
Grundsätzliches Ziel der Koordination ist es, das Leistungsvermögen der Abtrennvorrichtung des Ableiters, insbesondere eines Varistors, optimal auszunutzen, um das Ansprechen von vorgeordneten Sicherungen im Schadensfall sowie die damit verbundene Abschaltung des Verbrauchers von der Netzversorgung weitgehend zu vermeiden. Bedarfsgerechte Koordination bedeutet, dass Fehlerströme durch den Varistor bis zum Leistungsvermögen der internen Abtrennvorrichtung durch diese abgeschaltet werden und nur höhere Fehlerströme durch eine spezielle interne oder externe Ableitervorsicherung im Querzweig unterbrochen werden müssen. Die erfindungsgemäß weitergebildete Abtrennvorrichtung besitzt bezüglich der Selektivität zu anderen vorgeordneten Überstromschutzeinrichtungen erhebliche Vorteile.
Wie erläutert, ist die Abtrennvorrichtung des Varistors mit einer sehr flachen Zeit-Strom-Kennlinie versehen, welche sich mit einer steileren Zeit-Strom-Kennlinie einer internen oder extern vorgeschalteten Überstromschutzeinrichtung schneidet, so dass sich die oben erwähnte Funktionsaufteilung zwischen den Schutzeinrichtungen ergibt. Die Abtrennvorrichtung des Varistors besitzt für Überströme ein solches Ansprechverhalten, dass sie einerseits bei kleinen bis mittleren Überströmen in kürzeren Zeiten aktiviert wird im Vergleich zur vorgeschalteten Überstromschutzeinrichtung im Längs- bzw. Querzweig und dass sie andererseits bei großen Kurzschlussströmen, welche das Schaltvermögen der Abtrennvorrichtung überschreiten, nicht vor der vorgeordneten Überstromschutzeinrichtung anspricht.
Die Strom-Engstelle der erfindungsgemäßen Lehre ist als elektrische Engstelle durch die Materialeigenschaften mindestens von Teilen der Schaltzange der Abtrennvorrichtung bestimmt.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, der Strom-Engstelle benachbart ein Material mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit zuzuordnen, um die Wärmeleitung zu verhindern.
Das Material mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit ist elektrisch leitfähig und umfasst beispielsweise ein metallisches Widerstandsmaterial, Edelstahl, Federstahl, Graphit, Siliziumkarbid, Keramiken und/oder Gläser.
Der elektrische Widerstand des Materials der Strom-Engstelle in der Abtrennvorrichtung ist mindestens zwei- bis viermal größer als derjenige eines Kupfermaterials, wobei jedoch das Schmelzintegral I²t ≤ 50% von Kupfer beträgt.
Erfindungsgemäß kann einerseits die gesamte Schaltzunge der Abtrennvorrichtung aus einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit und einem bezogen auf Kupfer niedrigeren Schmelzintegralwert bestehen. Andererseits kann auch nur ein Teilabschnitt der Schaltzunge so ausgeführt werden.
Die Schaltzunge kann auch aus einem abschnittsweise in Längsrichtung erfolgten Zusammenfügen von Materialien mit unterschiedlichen Wärme- und elektrischen Leitfähigkeiten sowie mit verschiedenen Schmelzintegralwerten bestehen.
Ebenso ist es ausgestaltend möglich, die Schaltzunge aus einem Verbundmaterial oder einem beschichteten Material herzustellen, wobei dieses Verbundmaterial oder das beschichtete Material aus mindestens zwei Komponenten mit verschiedenen Werten von elektrischer und Wärmeleitfähigkeit sowie Schmelzintegralwerten besteht. Hier kann mindestens ein Bestandteil dieses Verbundmaterials zur weiteren Variation der Strom-Engstelle lokal entfernt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1a eine prinzipielle Schaltungsanordnung mit Überstromsicherungen, die als Einspeisesicherungen im Längszweig und als interne oder externe Ableitervorsicherungen im Querzweig ausgeführt sind;
Fig. 1b beispielhafte Zeit-Strom-Kennlinien einerseits der Engstelle der Abtrennvorrichtung und andererseits die steilere Zeit-Strom-Kennlinie einer vorgeordneten Überstromschutzeinrichtung;
2 eine prinzipielle Darstellung der Reihenschaltung eines Varistors mit einer thermischen Abtrennvorrichtung und eine Prinzipdarstellung des technischen Aufbaus der Abtrennvorrichtung;
3 eine Ausführung der Engstelle mit benachbart vorgesehenen Materialien, welche eine bezogen auf das Material der Engstelle schlechtere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, und
4 eine Prinzipdarstellung eines in den Abtrennstreifen eingesetzten schlecht wärmeleitenden Bereichs.

Gemäß Ausführungsbeispiel soll der Schmelzintegralwert der Strom-Engstelle innerhalb der Abtrennvorrichtung, welcher bei adiabatischer Erwärmung wirksam ist, knapp oberhalb der zusätzlichen internen oder externen Ableitervorsicherung im Querzweig liegen. Dies vermeidet bei Kurzschlussströmen von mehreren kA das erste bzw. das alleinige Ansprechen der Abtrennvorrichtung, welche üblicherweise diese Ströme nicht beherrscht. Solche hohen Ströme werden durch die vorgeordnete Überstromschutzeinrichtung unterbrochen und es entsteht innerhalb des Ableiters keine oder nur eine geringe Belastung.
Bei Fehlerströmen, welche unterhalb des Schaltvermögens der Abtrennvorrichtung liegen, bestimmt ausschließlich die Abtrennvorrichtung das Unterbrechen des Stroms. Das Leistungsvermögen der Abtrennvorrichtung liegt je nach Ausführungsform und Nennspannung im Bereich von wenigen 10 A bis zu einigen kA. Je höher das Ausschaltvermögen der Abtrennvorrichtung ist, desto wirkungsvoller ist die bezüglich der Netzversorgung erläuterte Maßnahme.
Ein beispielhafter I²t-Wert der Abtrennvorrichtung liegt leicht oberhalb der maximalen Stoßstrombelastbarkeit des Varistor-Ableiters. Liegt der I²t-Wert der Engstelle innerhalb der Abtrennvorrichtung unterhalb des I²t-Werts der vorgeordneten Einspeisesicherung im Längszweig, spricht diese auch bei Kurzschlussströmen an, welche nicht durch die Abtrennvorrichtung beherrscht werden. Es muss in einem solchen Fall die maximale interne oder externe Ableitervorsicherung im Querzweig entsprechend dimensioniert werden.
Für die erfindungsgemäße Abstimmung der Zeit-Strom-Kennlinie der Strom-Engstelle der Abtrennvorrichtung mit der Zeit-Strom-Kennlinie einer externen oder einer internen Ableitervorsicherung im Querzweig ist es erforderlich, neben der querschnittsmäßigen Dimensionierung der Engstelle der Abtrennvorrichtung, welche ausschließlich auf eine adiabatische Erwärmung ausgerichtet ist, auch die Zeit-Strom-Kennlinie der Engstelle der Abtrennvorrichtung festzulegen.
Entgegen der Praxis des Standes der Technik, nachgeordnete Überstromschutzeinrichtungen, insbesondere Sicherungen im gesamten Bereich des Überstromverhaltens selektiv zu gestalten, wird die Kennlinie der Engstelle der Abtrennvorrichtung so ausgeführt, dass sie sich mit der Kennlinie der vorgeordneten Überstromschutzeinrichtung schneidet.
Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass das Material der Engstelle einen deutlich, beispielsweise < 50% niedrigeren spezifischen Schmelzintegralwert besitzt als das Material konventioneller Sicherungen und darüber hinaus die Wärmeabgabe aus dem Engstellenbereich behindert wird.
Dies führt dazu, dass die Strom-Engstelle im Gegensatz zu üblichen Sicherungen selbst bei sehr langen Schmelzzeiten noch ein nahezu adiabatisches Schmelzverhalten zeigt. Die durch den Strom zugeführte Energie wird somit selbst nach Sekunden noch nahezu ausschließlich für das Schmelzen der Strom-Engstelle eingesetzt, während dies bei konventionellen Sicherungen nur für wenige ms der Fall ist.
1b zeigt eine beispielhafte flache Zeit-Strom-Kennlinie a) der Engstelle der Abtrennvorrichtung und eine steilere Zeit-Strom-Kennlinie b) einer vorgeordneten Überstromschutzeinrichtung, z.B. einer NH-Sicherung.
Wie die 1b zeigt, sind vier Strombereiche relevant. Bei Fehlerströmen < I₁ schmilzt die Lotstelle der Abtrennvorrichtung, wodurch diese geöffnet wird und den Strom unterbrechen kann.
Fehlerströme zwischen I₁ und I₂ führen zum Schmelzen der Strom-Engstelle der Abtrennvorrichtung, wodurch diese beim Öffnen die Ströme unterbricht. Erreichen die Fehlerströme Werte, die größer als I₃ sind, verhält sich die Abtrennvorrichtung des Ableiters passiv und der Strom wird durch die vorgeordnete Überstromschutzeinrichtung unterbrochen. Im Bereich zwischen I₂ und I₃ kann es nach dem Auslösen der Engstelle der Abtrennvorrichtung noch zum Auslösen der vorgeordneten Überstromschutzeinrichtung kommen, da die Strombegrenzung der Abtrennvorrichtung nur gering ist. Das Schaltvermögen der Abtrennvorrichtung soll im Idealfall knapp oberhalb des Stroms I₃ liegen.
Zur Gestaltung der Zeit-Strom-Kennlinie der Engstelle können mehrere Verfahren genutzt werden.
Neben der Berücksichtigung des I²t-Werts für den adiabatischen Erwärmungsbereich bei Kurzschlussströmen und Stoßströmen wird bei der Gestaltung auch die mechanische Funktion der Abtrennvorrichtung berücksichtigt. Insbesondere Abtrennvorrichtungen, welche eine schnelle Abtrennung bewirken sollen, und solche mit langen erforderlichen Trennstrecken werden mit hohen Federkräften beaufschlagt. Das heißt, die Teile der Abtrennvorrichtung 2 (siehe 2) einschließlich der Engstelle werden mit hohen mechanischen Kräften von z.B. einigen 10 N belastet. Dies ist bereits ohne elektrische Belastung erheblich. Zur Beherrschung dieser mechanischen Kräfte ist es vorteilhaft, die Engstelle so zu gestalten, dass sie mit der mechanisch stabilsten Kontur der Federkraft ausgesetzt ist. Dies kann durch Profile realisiert werden, aber auch bereits bei einer bandförmigen Geometrie durch die gezielte Belastung der Stirnseite. Eine solche Verbesserung der mechanischen Festigkeit wird dadurch erreicht, dass die Strom-Engstelle gemäß der Erfindung nicht als Verjüngung ausgeführt werden muss, sondern durch die Materialeigenschaften definiert ist.
Die 2 zeigt im linken Bildteil die Reihenschaltung eines Varistors 1 mit einer thermischen Abtrennvorrichtung nebst Trennstelle 2 und symbolisch angedeuteter Vorspannkrafteinwirkung F. Der Varistor 1 im rechten Bildteil umfasst zwei Anschlusskontakte 9a, b. Der untere Anschlusskontakt 9a führt über eine Schaltzunge 3 auf den Varistoranschluss 8. Die thermische Trennstelle oder Lötstelle ist mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet. Die Strom-Engstelle weist das Bezugszeichen 4 auf.
Vorteilhaft ist es, wenn die beim Stromfluss entstehende joulesche Wärme nicht aus der Engstelle 4 abgeführt werden kann. Als radialer thermischer Isolator ist ohne Konvektion Luft gut geeignet. In axialer Richtung findet jedoch bei üblichen Metallmaterialien eine erhebliche Wärmeableitung statt. Diese Wärmeableitung wird durch die nachstehenden Maßnahmen in erfindungsgemäßer Weise wirksam unterdrückt oder reduziert.
Wie in der 3 gezeigt, kann in der Nähe des Materials der Engstelle 6 beidseitig ein Material 5, 7 mit schlechter Wärmeleitfähigkeit in die Schaltzunge bzw. deren Kontaktierungsbereich eingebracht werden. Als Materialien A und C sind hierfür metallische Widerstandsmaterialien, Edelstähle, übliche Federmaterialien, aber auch nicht metallische, elektrisch leitende Materialien wie Graphite, Siliziumkarbid, Keramiken und Gläser geeignet.
Die Länge der Materialien A und C kann in Stromflussrichtung auf wenige mm begrenzt sein, wodurch der Spannungsabfall bei Stoßströmen und somit die Restspannung begrenzt bleibt. Bevorzugt sollte der elektrische Widerstand des zusammengesetzten Teils mindestens zwei- bis viermal höher als derjenige von Kupfer sein. Eine Abstimmung erfolgt derart, dass das spezifische Schmelzintegral ≤ 50% von Kupfer ist (Meyer-Konstante) und die spezifische Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 10% bis 50% bezogen auf diejenige von Kupfer beträgt.
Neben der schlechteren Wärmeleitfähigkeit, die quasi einen Hitzestau im Bereich der Engstelle 4 bewirkt, führt der erhöhte elektrische Widerstand zu eine zusätzlichen gewünschten Aufheizung.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird von einer Engstelle ausgegangen, die nur einseitig mit einem Widerstandsmaterial begrenzt ist. In der gegenüberliegenden Richtung oder Seite wird die Engstelle nahe in einem Bereich der thermischen Erwärmung, z.B. dem Varistor platziert.
Bei einer weiteren Variante wird die Engstelle selbst aus einem widerstandsbehafteten Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit ausgeführt. Diese Gestaltungsvariante besitzt weitere Vorteile.
Die einzusetzenden Materialien besitzen ein sehr niedriges spezifisches Schmelzintegral. Zur Erlangung des für die Stoßstrombelastung notwendigen hohen I²t-Werts sind große Querschnitte erforderlich. Dies führt dazu, dass die elektrische Engstelle nicht zwangsläufig auch als geometrische Engstelle ausgebildet werden muss und dass die mechanische Festigkeit sehr hoch sein kann. Die Gestaltung der elektrischen Engstelle ohne geometrische Verjüngungen bietet gegenüber konventionellen Sicherungsbändern mit geometrischen Engstellen, welche z.B. durch Ausstanzungen erreicht werden, den Vorteil, dass die Stromdichteverteilung einheitlich ist, wodurch eine partielle Überlastung einzelner Bereiche der Engstelle vermieden wird. Zudem werden störende Stromkräfte reduziert.
Die schlechtere Wärmeabgabe innerhalb der Abtrennvorrichtung kann bei entsprechender Platzierung der Materialien, welche die Wärmeleitung behindern, auch das Schmelzen der Lotstelle der Abtrennvorrichtung beschleunigen, wodurch bei geringen Überlastungen des Varistors eine schnellere Abtrennung bewirkt wird.
Gemäß 4 wird ein in den Abtrennstreifen 3 eingesetzter, schlecht wärmeleitender Bereich 5 unmittelbar hinter der Lotstelle (Verbindung zwischen Abtrennstreifen 3 und Anschlussbein 8) gezeigt, wodurch eine Wärmeableitung zu den nachgeordneten Anschlussteilen des Varistors behindert und somit im Bereich der Lotstelle eine deutlich höhere Temperatur als in der Umgebung erreicht wird. Durch diese Temperaturerhöhung infolge der Wärmebarriere kann die Schmelztemperatur schneller erreicht werden und die Abtrennvorrichtung öffnet im entsprechenden Fehlerfall zügiger.

Claims

Überspannungsableiter (1) mit einer Überstromschutzeinrichtung sowie mit einer thermischen Abtrennvorrichtung, welche mindestens eine temperatursensible Lötstelle (18) und eine Vorspannkraft-belastete Schaltzunge (3) umfasst, wobei die Schaltzunge (3) in den elektrischen Anschlusspfad des Ableiters (1) eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung eine Strom-Engstelle (4) aufweist, welche in der Schaltzunge (3) ausgebildet ist, die Strom-Engstelle (4) eine Zeit-Strom-Kennlinie aufweist, welche die Zeit-Strom-Kennlinie der für den Einsatzfall des Ableiters maximal zugelassenen Überstromschutzeinrichtung schneidet, wobei die Zeit-Strom-Kennlinie der Strom-Engstelle (4) flacher als die Kennlinie der Überstromschutzeinrichtung verläuft und die Strom-Engstelle (4) als elektrische Engstelle durch die Materialeigenschaften mindestens von Teilen der Schaltzunge (3) bestimmt ist.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom-Engstelle (6) in axiale Richtung benachbart ein elektrisch leitfähiges Material (5; 7) mit reduzierter Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist, wobei das Material (5; 7) aus einem metallischen Widerstandsmaterial, Edelstahl, Federstahl, Graphit, Siliziumkarbid, Keramik oder Glas besteht oder ein solches Material umfasst.
Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Widerstand des Materials der Strom-Engstelle (4) in der Abtrennvorrichtung zwei- bis viermal größer als derjenige von Kupfermaterial ist, jedoch der spezifische Schmelzintegralwert ≤ 50 % von Kupfer beträgt.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzunge (3) der Abtrennvorrichtung aus einem abschnittsweise in Längsrichtung erfolgten Zusammenfügen von Materialien mit unterschiedlichen Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit sowie verschiedenen spezifischen Schmelzintegralwerten besteht.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltzunge (3) der Abtrennvorrichtung aus einem Verbundmaterial oder einem beschichteten Material aus mindestens zwei Komponenten mit verschiedenen Werten von elektrischer und Wärmeleitfähigkeit sowie spezifischen Schmelzintegralwerten besteht.