DE102011052805A1

DE102011052805A1 - Sicherung

Info

Publication number: DE102011052805A1
Application number: DE102011052805A
Authority: DE
Inventors: Joachim Wosgien; Ralf Lange
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: EP2745303A1; US20140218159A1; DE102011052805B4; SI2745303T1; US9443689B2; EP2745303B1; CN103748651B; WO2013024153A1; CN103748651A

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Sicherung (3) zur Verbindung mit einer Schutzkomponente (2) eines Überspannungsschutzgerätes (2), wobei die Sicherung (3) ein Gehäuse (3f), eine erste Kappe (3a), eine zweite Kappe (3b) und einen Schmelzdraht (3d), welcher zwischen der ersten Kappe (3a) und der zweiten Kappe (3b) innerhalb des Gehäuses verläuft, aufweist, wobei die erste Kappe (3a) zur thermischen und elektrischen Verbindung mit der Schutzkomponente (2) ausgelegt ist, wobei der Schmelzdraht (3d) an der ersten Kappe (3a) mittels einer Lötverbindung (3c) gehalten wird, wobei der Schmelzdraht (3d) an einer Anschlusselektrode (4) gegenüber der ersten Kappe (3a) befestigt ist, wobei die Anschlusselektrode (4) in einer Führung (8) beweglich gegenüber dem Körper der Sicherung (3) gehalten ist und gegenüber dem Körper der Sicherung (3) unter einer mechanischen Vorspannung (6) steht, wobei der Schmelzdraht (3d) so ausgelegt ist, dass er bei einer Beaufschlagung mit einem hohen I2t schmilzt, und wobei die Lötverbindung (3c) so ausgelegt ist, dass die Lötverbindung (3c) bei einer äußerer Erwärmung durch das Überspannungsschutzgerät (2) oberhalb einer spezifizierten Temperatur auf Grund der thermischen Verbindung schmilzt, und wobei der elektrische Kontakt zwischen der ersten Kappe (3a) und der Anschlusselektrode (4) auf Grund der mechanischen Vorspannung (6) bei Schmelzen des Schmelzdrahtes (3d) als auch der Lötverbindung (3c) gelöst wird.

Description

Aus dem Stand der Technik sind Kappensicherungen mit Kennmeldern in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Weiterhin sind Sicherungen bekannt, welche mit Federelementen und/oder verlustleistungsbehafteten integrierten Widerstandselementen ausgerüstet sind, um das Auslöseverhalten in der Nähe des Auslösestromes durch Eigenerwärmung zu verbessern. Diese Sicherungen stellen jedoch keine thermische Sicherung bereit, die unabhängig vom Strom ist.
Um thermischen Problemen zu begegnen wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Schaltungen vorgeschlagen, die eine Kurzschlusssicherung mit einer Thermosicherung als getrennte Bauelemente bzw eigeständige Funktionseinheiten in aller Regel seriell verschaltet haben.
Solche Vorrichtungen sind konstruktiv aufwändig und benötigen viel Platz. Zudem ist es bei diesen Anordnungen schwer eine kostengünstige Anzeigemöglichkeit zu schaffen, die für beide Auslösemechanismen gleichzeitig eine Information zur Verfügung stellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sicherung bereitzustellen, die einen oder mehrere Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen in erfinderischer Weise umgeht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Anordnung einer Sicherung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem Überspannungsschutzgerät,
2 eine schamtische Schnittdarstellung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im unausgelösten Zustand,
3 eine schamtische Schnittdarstellung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im ausgelösten Zustand in Folge eines thermischen Ereignisses,
4 eine schamtische Schnittdarstellung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung im ausgelöstem Zustand in Folge eines Ereignisses mit hohem I²t, und
5 eine schamtische Schnittdarstellung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
Die 1 zeigt ein Überspannungsschutzgerät 1 in welchem eine erfindungsgemäße Sicherung 3 Anwendung finden kann. Dabei weist das Überspannungsschutzgerät 1 z.B. eine Schutzkomponente 2 auf. Die Schutzkomponente 2 kann beispielsweise ein Varistor sein. Diese Schutzkomponente 2 weist einen ersten Anschluss 2a und eine zweiten Anschluss 2b auf. Anschluss 2b ist elektrisch mit dem Anschluss 1a des Überspannungsschutzgerätes 1 verbunden, während Anschluss 2b elektrisch und thermisch mit der Kappe 3a der Sicherung 3 verbunden ist. Anschlusselektrode 4 wiederum ist mit einem flexiblen elektrischen Verbindung 5 mit dem Anschluss 1b des Überspannungsschutzgerätes 1 verbunden. Die Sicherung 3 weist ein Gehäuse 3f auf. Dieses kann aus jedem geeigneten Material, z.B. aus Glas oder Keramik gefertigt sein, und eine geeignete Form, z.B. eine Zylinderform, aufweisen. Weiterhin weist die Sicherung die schon erwähnte erste Kappe 3a und eine zweite Kappe 3b auf. Zumindest Kappe 3a ist abschnittsweise elektrisch und thermisch leitend. Weiterhin weist die Sicherung 3 zumindest einen Schmelzdraht 3d auf, welcher zwischen der ersten Kappe 3a und der zweiten Kappe 3b innerhalb des Gehäuses 3f verläuft. Im Einsatz wird die erste Kappe 3a in thermischer und elektrischer Verbindung mit der Schutzkomponente 2 gebracht. Weiterhin ist der Schmelzdraht 3d an der ersten Kappe 3a mittels einer Lötverbindung 3c gehalten und der Schmelzdraht 3d ist weiterhin an einer Anschlusselektrode 4 gegenüber der ersten Kappe 3a befestigt. Die Anschlusselektrode 4 ist in einer Führung 8 in der Kappe 3b beweglich gegenüber dem Körper 3f der Sicherung 3 gehalten und steht gegenüber dem Körper 3f der Sicherung 3 unter einer mechanischen Vorspannung 6. Die Vorspannung kann beispielsweise durch eine oder mehrere federartige Elemente aufgebracht werden ohne hierauf beschränkt zu sein. So könnte z.B. alternativ oder zusätzlich auch eine abstoßende magnetische Wirkung die entsprechende Vorspannung 6 zur Verfügung stellen.
Der Schmelzdraht 3d ist so ausgelegt, dass er bei einer Beaufschlagung mit einem hohen I²t schmilzt. Ein solches I²t tritt beispielsweise auf, wenn ein als Schutzkomponente 2 eingesetzter Varistor durchlegiert. Dann fließt in relativ kurzer Zeit ein hoher Strom. Um diesen Stromfluss zu verhindern soll dieser massive Stromeintrag zu einem Schmelzen des Schmelzleiters 3d in relativ kurzer Zeit führen, z.B. innerhalb Bruchteilen von Sekunden. Typische Ströme, die dabei fließen, liegen im Bereich von 10 Ampere, 100 Ampere und mehr. Ein solcher Fall ist in 4 dargestellt. Andererseits ist der Schmelzdraht auch so dimensioniert, dass ein eventuell zu tragender Impulsstrom, z.B. bei einem transienten Ereignis, ohne weiteres getragen und abgeleitet werden kann. Weiterhin ist die Lötverbindung 3c so ausgelegt, dass die Lötverbindung 3c bei einer äußerer Erwärmung durch die Schutzkomponente 2 oberhalb einer spezifizierten Temperatur auf Grund der thermischen Verbindung über den Anschluss 2a zur Kappe 3a schmilzt. Eine solche thermische Absicherung ist im Vergleich zum Schmelzen des Schmelzdrahtes eher träge und bewegt sich im Sekunden bis Minutenbereich oder darüber. Kerngedanke ist, dass ein langsamer thermischer Tod einer Schutzkomponente 2 auch zum Auslösen der Sicherung 3 führt. Allerdings wird nun nicht der Schmelzleiter 3d aufschmelzen, sondern die Lötstelle 3c. Dieser Fall ist in 3 dargestellt, wo das Lot der Lötverbindung erweicht ist und im Unterschied zur 2 mit 3c‘ bezeichnet ist. Ein typisches Lot, das für die Lötverbindung 3c verwendet werden kann, ist ein geeignetes Niedrigtemperaturlot, z.B. mit einer Löttemperatur von 143° C oder Lötzinnröhrchen aus Bi/Pb/Cd oder ähnlichem. Natürlich ist es auch möglich den Schmelzdraht 3d selbst als Lötstelle 3c auszugestalten.
Erweicht die Lötstelle 3c oder schmilzt der Schmelzdraht 3d wird der zuvor bestehende elektrische Kontakt von der Kappe 3a über den Schmelzdraht 3d zur Anschlusselektrode 4 auf Grund der mechanischen Vorspannung 6 gelöst.
Die vorbezeichnet Konstruktion ermöglicht es in einer Sicherung zwei Funktionen zu vereinigen, nämlich eine thermische Sicherung und eine Kurzschlusssicherung. Auf Grund der Eigenschaft, dass beides in einer Sicherung vereinigt ist, ist die Bauform klein und kann zudem kostengünstig hergestellt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird, wie in 3 und 4 gezeigt, der Schmelzdraht 3d durch die mechanische Vorspannung 6 von der Lötverbindung 3c weg ins Gehäuse 3f verbracht. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass ein entstehender Lichtbogen, der als Blitz in 3 und 4 angedeutet ist, nicht außerhalb der Sicherung auftritt und so die Brandschutzsicherheit gewährleistet ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse 3f zumindest abschnittsweise eine Füllung mit einem lichtbogenlöschenden Material wie Sand oder POM aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die mechanische Vorspannung 6 eine Federkraft, wobei die Feder(n) entweder im Gehäuse – wie in 5 gezeigt –, insbesondere zwischen Kappe 3b und Anschlusselektrode 4, oder – wie in den 2, 3 und 4 gezeigt – außen am Gehäuse angeordnet ist/sind. Eine Anordnung im Inneren schützt vor Verschmutzungen hat aber den Nachteil, dass der Zustand der Feder nicht ohne weiter Maßnahmen kontrolliert werden kann.
In noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist parallel zum Schmelzdraht 3d ein Haltedraht 3e geführt. Dieser Haltedraht 3e ist im Unterschied zum Schmelzdraht 3d hochohmig ausgeführt und soll verhindern, dass die mechanische Vorspannung 6 den Schmelzdraht 3d zu früh zum Lösen bringt. Durch die hochohmige Ausgestaltung bei gleichzeitig höherer Festigkeit als der Schmelzdraht 3d wird der Strom im Wesentlichen über den Schmelzdraht 3d fließen. Ist dieser Strom in kurzer Zeit zu hoch (hohes I2t) wird der Schmelzdraht 3d aufschmelzen und der Haltedraht 3e wird nun vom Strom durchflossen. Auf Grund des höheren Widerstandes wird auch er nahezu unmittelbar durchschmelzen. Daher wird der Schmelzdraht 3d in aller Regel einen hohen Cu oder Al Anteil aufweisen, während z.B. der Haltedraht 3e aus Konstantan gefertigt sein kann.
In noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung steht der Haltedraht 3e mit der Anschlusselektrode 4 in elektrischer und mechanischer Verbindung, wobei der Schmelzdraht 3d und der Haltedraht 3e mit der gegenüberliegenden elektrischen Anschlusskappe 3a über die Lötverbindung 3c verbunden sind.
In noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Sicherung 3 weiterhin ein Anzeigemittel auf, um das Auslösen der Sicherung anzuzeigen. Diese kann beispielsweise eine mechanische Anzeige sein, welche mit der bewegliche Anschlusselektrode 4 bewegt wird und beispielsweise einen Farbwechsel von grün nach rot bereitstellt und / oder es kann ein Schalter, z.B. ein Microschalter, vorgesehen sein, der von der bewegliche Anschlusselektrode 4 betätigt wird und einen entsprechenden Schaltkreis schließt oder öffnet und/oder einer Fernwarnung auslöst.
In noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zeigt das Anzeigemittel das Auslösen der Sicherung 3 bei Aufschmelzen der Lötverbindung 3c als auch bei einem Schmelzen des Schmelzleiters 3d gleichartig an. Hierdurch wird unabhängig vom Schadensereignis angezeigt, dass die Sicherung 3 und das zugeordnete Schutzkomponente 2, bzw. soweit die Sicherung 3 in einem Überspannungsschutzgerät 1 angeordnet ist, das Überspannungsschutzgerät 1 zu wechseln ist. Hierdurch wird die Bauteilekomplexität weiter vermindert und eine kleine Baugröße wird ermöglicht.
In noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die bewegliche Anschlusselektrode 4 gleichzeitig das Anzeigemittel.
In noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die bewegliche Anschlusselektrode 4 Anschlagsmittel 7 auf, welche in den 2, 3 und 4 gezeigt sind, welche im Inneren des Gehäuses 3f liegen und bei Auslösen der Sicherung 3 an der Führung 8 im Inneren des Gehäuses 3f anschlagen.
In noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die bewegliche Anschlusselektrode 4 nach Innen in das Gehäuse 3f hinein eine Verlängerung auf, wobei das Gehäuse 3f zumindest abschnittsweise eine Füllung mit einem lichtbogenlöschenden Material aufweist.
Hierdurch wird sichergestellt, dass ein eventuell entstehender Lichtbogen nicht nach außen dringen kann.
Ziel der Erfindung ist es daher im Überspannungsschutzgerät 1 neben der thermischen Sicherung (Abtrennvorrichtung) einen zusätzlichen Überstromschutz zu integrieren der an die Anforderungen und an die Kurzschlussfestigkeit der Konstruktion angepasst ist. Das Ziel wird erreicht durch eine Zusammenfassung dieser beiden völlig unterschiedlichen Anforderungen (der thermischen Abtrennung und der Überstromabtrennung) in einer Komponente. Eine solche Sicherung mit „Doppelfunktion“ bietet bei verschiedenen Fehlerfällen einen deutlich besseren Schutz, sowohl bei kleinen Fehlerströmen, die mit einer Temperaturerhöhung der Schutzkomponente (z.B.: MOV = Metalloxidvaristor) einhergehen, und eine Auslösung bei Überschreitung einer Temperatur ermöglicht, zum anderen bei mittleren und hohen Strömen, die auftreten können wenn die Schutzkomponente schlagartig Überlastet wird und dabei einen niederohmigen Zustand einnimmt. Der Varistor 2 ist in diesem Fall meist „durchlegiert“, und hat eine reduzierte Verlustleistung und erzeugt daher weniger Wärme. Der Fehlerstrom kann dabei aber dennoch sehr hohe Werte annehmen, die dem Kurzschlussstrom der Spannungsquelle entsprechen können. Daher benötigt eine solche Sicherung eine Ausschaltfähigkeit bis in den kA – Bereich. Die „Doppelfunktion“ in einem Sicherungselement reduziert Kosten und Einzelteile, Montageaufwand, und ist für die Anwendung zum Schutz von Überspannungsschutzkomponenten 1 geeignet, um die Sicherheit und die normativen Anforderungen zu erfüllen. Für die Eignung in einem Überspannungsschutzgerät muss die transiente Impulsfestigkeit der gewählten Sicherungsorgane besonders hoch sein, bzw. an die Stoßstromfestigkeit angepasst werden. Dies stellt in der Regel einen Kompromiss zwischen einer erforderlichen Mindestfestigkeit (d.h. keine Auslösung im Bereich der ausgewiesenen Stoßstromfestigkeit des Überspannungsschutzgerätes) und einer sicheren und schnellen Auslösung für den Kurzschlussschutz bzw. einem Ausfall einer der internen Komponenten dar.
Bezugszeichenliste

1: Überspannungsschutzgerät
1a, 1b: elektrische Anschlüsse
2: Schutzkomponente
2a, 2b: elektr. Anschlüsse der Schutzkomponente
3: Sicherung
3a, 3b: Kappe
3c: Lötverbindung
3d: Schmelzdraht
3e: Haltedraht
3f: Gehäuse
4: Bewegliche Anschlusselektrode
5: Flexible elektrische Verbindung
6: Vorspannung
7: Anschlagsmittel
8: Führung

Claims

Sicherung (3) zur Verbindung mit einer Schutzkomponente (2) eines Überspannungsschutzgerätes (2), • wobei die Sicherung (3) ein Gehäuse (3f), eine erste Kappe (3a), eine zweite Kappe (3b) und einen Schmelzdraht (3d), welcher zwischen der ersten Kappe (3a) und der zweiten Kappe (3b) innerhalb des Gehäuses verläuft, aufweist, • wobei die erste Kappe (3a) zur thermischen und elektrischen Verbindung mit der Schutzkomponente (2) ausgelegt ist, • wobei der Schmelzdraht (3d) an der ersten Kappe (3a) mittels einer Lötverbindung (3c) gehalten wird, • wobei der Schmelzdraht (3d) an einer Anschlusselektrode (4) gegenüber der ersten Kappe (3a) befestigt ist, • wobei die Anschlusselektrode (4) in einer Führung (8) beweglich gegenüber dem Körper der Sicherung (3) gehalten ist und gegenüber dem Körper der Sicherung (3) unter einer mechanischen Vorspannung (6) steht, dadurch gekennzeichnet, dass • der Schmelzdraht (3d) so ausgelegt ist, dass er bei einer Beaufschlagung mit einem hohen I²t schmilzt, und dass • die Lötverbindung (3c) so ausgelegt ist, dass die Lötverbindung (3c) bei einer äußerer Erwärmung durch das Überspannungsschutzgerät (2) oberhalb einer spezifizierten Temperatur auf Grund der thermischen Verbindung schmilzt, • und dass der elektrische Kontakt zwischen der ersten Kappe (3a) und der Anschlusselektrode (4) auf Grund der mechanischen Vorspannung (6) bei Schmelzen des Schmelzdrahtes (3d) als auch der Lötverbindung (3c) gelöst wird.
Sicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung des elektrischen Kontaktes dadurch bewerkstelligt wird, dass der Schmelzdraht (3d) durch die mechanische Vorspannung (6) von der Lötverbindung (3c) weg ins Gehäuse verbracht wird.
Sicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Vorspannung eine Federkraft ist, wobei die Feder entweder im Gehäuse, insbesondere zwischen Kappe (3b) und Anschlusselektrode (4), oder außen am Gehäuse angeordnet ist.
Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zumindest abschnittsweise eine Füllung mit einem lichtbogenlöschenden Material aufweist.
Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Schmelzdraht (3d) ein Haltedraht (3e) geführt ist.
Sicherung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Haltedraht (3e) mit der Anschlusselektrode (4) in elektrischer und mechanischer Verbindung steht, wobei der Schmelzdraht (3d) und der Haltedraht (3e) mit der gegenüberliegenden elektrischen Anschlusskappe (3a) über die Lötverbindung (3c) verbunden sind.
Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherung weiterhin Anzeigemittel aufweist, um das Auslösen der Sicherung anzuzeigen.
Sicherung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigemittel das Auslösen der Sicherung bei Aufschmelzen der Lötverbindung als auch bei einem Schmelzen des Schmelzleiters gleichartig anzeigt.
Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Anschlusselektrode (4) gleichzeitig das Anzeigemittel ist.
Sicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Anschlusselektrode (4) Anschlagsmittel (7) aufweisen, welche im Inneren des Gehäuses liegen und bei Auslösen der Sicherung an der Führung (8) im Inneren des Gehäuses anschlagen.
Sicherung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Anschlusselektrode (4) nach Innen in das Gehäuse hinein eine Verlängerung aufweist, wobei das Gehäuse zumindest abschnittsweise eine Füllung mit einem lichtbogenlöschenden Material aufweist.