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Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement für einen Varistor.
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Aus dem Stand der Technik sind Varistoren bekannt.
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Varistoren stellen in elektrischen Schaltungen einen spannungsabhängigen Widerstand zur Verfügung. Varistoren werden daher in vielerlei Anwendungen eingesetzt, typischerweise um Überspannungen oberhalb einer bestimmten Grenzspannung abzuleiten, um so eine Überlastung oder Beschädigung einer nachfolgenden Einrichtung zu verhindern. Ein Beispiel für eine solche Überspannung ist eine Spannung, welche durch Blitzeinwirkung entstehen kann.
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Dabei weist der Varistor im Allgemeinen als Werkstoff ein körniges Metalloxid, z. B. Zinkoxid und/oder Wismutoxid und/oder Manganoxid und/oder Chromoxid und/oder Siliziumkarbid auf, der zwischen zwei flächigen Elektroden als Zuleitungselemente ZL1, ZL2 in aller Regel als (gesinterte) Keramik eingebracht ist. Ein beispielhafter Varistor VAR ist in 1 dargestellt. Dieser weist eine erste Zuleitung ZL1 auf einer Seite und eine zweite Zuleitung ZL2 auf einer gegenüberliegenden Seite auf.
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Typischerweise besitzen die einzelnen Körner eine unterschiedliche Leitfähigkeit. Dabei bilden sich an den jeweiligen Korngrenzen, d. h. an den Berührpunkten der Körner, Sperrschichten aus. Dabei kann man feststellen, dass mit zunehmender Dicke die Anzahl der Korngrenzen steigt und damit auch die Grenzspannung. Wird eine Spannung an die Zuleitungselemente ZL1, ZL2 gelegt, bildet sich ein elektrisches Feld aus. In Abhängigkeit der Spannung werden dabei die Sperrschichten nun abgebaut und der Widerstand sinkt.
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Aufgrund der Materialeigenschaften des Varistors ist sowohl die Stromverteilung als auch die Überwindung der Sperrschichten kein uniformer Prozess, sondern es bilden sich lokal Strompfade, beispielsweise Strompfade S1, S2, aus, die unterschiedlich schnell in den leitenden Zustand kommen. Beispielsweise wird in 1 der Strompfad S1 schneller als der Strompfad S2 leitend, da auf dem Strompfad S1 eine geringere Spannung (beispielhaft 200 V) als auf Strompfad S2 (beispielhaft 300 V) zu überwinden ist.
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Bedingt durch die Materialeigenschaften und in Folge von Benutzung des Varistors treten Leckströme auf. Diese Leckströme sind zwar in aller Regel gering, führen jedoch unter Umständen zu einer erheblichen Erwärmung des Bauelements und daher besteht Brandgefahr. Um hier gegenzusteuern wird typischerweise ein Temperatursensor verwendet, der bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur einen Schalter TS betätigt. Dies ist beispielhaft in der 2 gezeigt. Temperatursensoren sind dabei jedoch nur zur Detektion von langsamen Ereignissen einsetzbar. Eine schnelle Erwärmung, wie sie beispielsweise beim Anliegen einer hohen Spannung entstehet, führt zu einem auf Grund der nötigen und bekanntermaßen langsamen Wärmeleitung stark verzögerten Temperaturanstieg am Temperatursensor, so dass der Varistor in aller Regel schon zerstört wäre. Auch ist das Trennvermögen hier in aller Regel beschränkt, d. h. es können nur geringe Ströme abgeschaltet werden.
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Ein solcher Energieeintrag kann z. B. dadurch entstehen, dass über längere Zeit eine Überspannung auftritt, die zu einem Durchschalten des Varistors VAR führt und nun der Kurzschlussstrom des Netzes über den Varistor abgeleitet wird. In diesem Fall tritt eine erhebliche Erwärmung des Varistors VAR auf und es besteht Brandgefahr. Weiterhin kann der Varistor VAR dabei soweit geschädigt werden, dass der Varistor explosionsartig durchlegiert.
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Typischerweise werden Varistoren VAR deshalb mit einem vorgeschalteten Sicherungselement F versehen, dass so dimensioniert ist, dass die maximale Impulsstrombelastung Im des Varistors VAR noch abgeleitet werden kann, bei einem Überschreiten der maximale Impulsstrombelastung Im jedoch eine Abschaltung herbeigeführt wird. Allerdings geht eine hohe Impulsstromtragfähigkeit des Sicherungselements auch immer mit einem hohen Sicherungsnennwert einher. Daher kommt es im Fehlerfall erst vergleichsweise spät zu einer Unterbrechung des (startenden) Kurzschlussstromes.
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Dennoch treten immer wieder Schäden an Varistoren VAR auf, die nicht durch die vorgenannten Elemente detektiert werden können, d. h. es treten Ströme auf, die durch das Trennvermögen der thermischen Abschaltung TS nicht mehr abgetrennt werden können, die aber für ein vorgeschaltetes Sicherungselement F zu gering sind.
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Vor diesem Hintergrund ist es das Bestreben den Sicherungsnennwert des vorgeschalteten Sicherungselementes F zu minimieren, aber dennoch die maximale Stoßstromfestigkeit zu erhalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Kontaktelement für einen Varistor bereitzustellen, das einen oder mehrere dieser Nachteile umgeht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind auch Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es zeigen die
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1 einen prinzipiellen Aufbau und eine prinzipielle Wirkungsweise eines Varistors,
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2 eine typische Schaltungsanordnung eines Varistors gemäß dem Stand der Technik,
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3 eine Schaltungsanordnung eines Varistors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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4a eine beispielhafte schematische Ansicht einer Kontaktierung eines Varistors und 4b eine beispielhafte schematisch perspektivische Ansicht einer Kontaktierung eines Varistors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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5 bis 9 je eine beispielhafte seitliche schematische Schnittansicht einer Kontaktierung eines Varistors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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10 und 11 je eine beispielhafte schematische Aufsicht auf eine Kontaktierung eines Varistors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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12b eine beispielhafte seitliche schematische Schnittansicht einer Kontaktierung eines Varistors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und in 12a eine beispielhafte schematische Aufsicht auf eine Kontaktierung eines Varistors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
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13 eine beispielhafte Ausführung entsprechend dem Schema aus 5.
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Nachfolgend wird die Erfindung näher an Hand der Figuren erläutert werden. Die Erfindung schlägt eine neuartige Kontaktierung für einen Varistor VAR vor, wie sie schematisch in 3 gezeigt ist. Diese Kontaktierung weist ein erstes Zuleitungselement ZL1, welches zur Verbindung mit einem Versorgungsnetz geeignet ist, und eine Vielzahl von elektrischen Verbindungsstellen V1, V2, ... VN, welche zueinander beabstandet und zur mehrfachen Kontaktierung eines Pols des Varistors VAR geeignet sind, auf. Eine beispielhafte Anordnung von Verbindungsstellen V1, V2, ... VN ist in 4a und 4b gezeigt.
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Die Vielzahl von elektrischen Verbindungsstellen V1, V2, ... VN und das erste Zuleitungselement ZL1 sind elektrisch miteinander verbunden.
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Die Vielzahl von elektrischen Verbindungsstellen V1, V2, ... VN sind jeweils mit einem Sicherungselement F1, F2, ... FN ausgelegt, so dass ein lokales Durchlegieren eines Teils des Varistors VAR durch ein Auftrennen der betroffenen lokalen elektrischen Verbindungsstelle(n) bewerkstelligt wird. Eine beispielhafte Anordnung von Sicherungselementen F1, F2, ... FN ist wiederum in 3 gezeigt.
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Dabei wird der zuvor monolithische Varistor VAR (dargestellt durch einen gepunkteten Rahmen) nun zu einer virtuellen Parallelschaltung von Teilvaristoren VAR'1, VAR'2, ... VAR'N. Hierbei macht sich die Erfindung die in 1 aufgezeigte Isotropie zu Nutze, welche bewirkt, dass jede Verlängerung des Strompfades zwischen den Zuleitungselementen ZL1, ZL2 zu einem höheren Spannungsabfall führt, d. h. auch der Widerstand ansteigt, und deshalb ein Stromfluss mit paralleler Komponente, wie beispielsweise über S2, eher gering sein wird.
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Es ist dabei anzumerken, dass die virtuelle Parallelschaltung, welche die Erfindung zur Verfügung stellt, gegenüber realen Parallelschaltungen von Varistoren vorteilhaft ist, da die Teilvaristoren VAR'1, VAR'2, ... VAR'N der virtuellen Parallelschaltung eine erheblich geringere Bauteilestreuung zur Verfügung stellen als mit herkömmlichen und wirtschaftlich vernünftigem Aufwand mit realen Varistoren zur Verfügung gestellt werden könnte. Zudem würde eine reale Parallelschaltung deutlich mehr Raum als die virtuelle Parallelschaltung benötigen. Mehr benötigter Bauraum wird typischerweise als nachteilig empfunden.
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Beispielsweise kann dadurch eine Varistor-Sicherungs-Reihenschaltung (VAR-F), wie sie in 2 gezeigt ist, in einer virtuellen Parallelschaltung, wie sie in 3 gezeigt ist, realisiert werden. Würde man beispielsweise in 2 bei einem Nennstossstrom von 40 kA ein Sicherungselement F von circa 125 A einsetzen, kann nun in der virtuellen Parallelschaltung gemäß 3 bei angenommenen 4 Verbindungsstellen der Nennstossstrom auf je 10 kA pro virtuellem Teilvaristoren VAR'1, VAR'2, VAR'3, VAR'4 verteilt werden und die Sicherungselemente F1, F2, F3, F4 dementsprechend geringer gewählt werden, beispielsweise zu 35 A.
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In 4a ist eine beispielhafte schematische Ansicht einer Kontaktierung eines Varistors und in 4b eine beispielhafte schematisch perspektivische Ansicht einer Kontaktierung eines Varistors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Dabei befindet sich auf einer Seite, hier der Unterseite, ein durch einen gestrichelten Rahmen angezeigtes flächenhaftes Zuleitungselement ZL2. Darüber befindet sich der eigentliche Varistor VAR und hierüber befindet sich nun ein fünf Leiter aufweisendes Zuleitungselement ZL1. Jeder der Leiter bildet somit eine der vorgenannten elektrischen Verbindungsstellen V1, V2, V3, V4, V5. Zudem bildet jeder der Leiter eines der vorgenannten Sicherungselemente F1, F2, ... F5. Fließt nun ein Strom I in das Zuleitungselement ZL1 hinein, so wird der Strom sich auf die fünf Leiter und somit auf die Verbindungsstellen V1, V2, V3, V4, V5 und Sicherungselemente F1, F2, ... F5 verteilen. Ist der Varistor im Wesentlichen homogen, wovon in der Regel auszugehen ist, so wird sich der Strom I geleichmäßig verteilen, so dass I1 = I2 = I3 = I4 = I5 ist. Die Homogenität ist durch die längs und quer vernetzten Varistorsymbole in 4a angedeutet.
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Auch bei einem Impulsstrom tritt eine Stromaufteilung auf, so dass jeder der Strompfade nur einen Teilimpulsstrom I1, I2, I3, I4, I5 tragen muss. Daher können nun Sicherungselemente F in jedem der Strompfade integriert werden, die eine geringere Stoßstromtragefähigkeit besitzen, wobei das Schmelzintegral in aller Regel so gewählt ist, dass es nur geringfügig höher als der I2t-Wert des Teilimpulses ist, d. h. dass das jeweilige Sicherungselement in der Lage ist, einen Teilimpuls ohne Zerstörung tragen zu können. Der I2t-Wert korreliert mit dem Nennwert des Sicherungselement. Da der I2t-Wert nun geringer ist, können Sicherungselemente mit geringeren Nennwerten verwendet werden.
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D. h. die Sicherungselemente sind so ausgelegt, dass sie jeweils ein I2t aufweisen, welches durch die maximal zulässige Impulsstrombelastung bezogen auf den zu kontaktierenden Varistorabschnitt gegeben ist.
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Wird nun der Varistor an einer Stelle niederohmig, z. B. durch Beschädigung, so tritt dies in aller Regel nur punktuell auf. Beispielsweise ist in 4a auf der Verbindungsstelle V2 eine solche Stelle durch einen schwarzen Punkt markiert. Nun ändert sich aber der Stromfluss. Wird an der gezeichneten Stelle der Varistor VAR niederohmig, so fließt der Strom nun im Wesentlichen über diese Stelle, d. h. I = I2 und I1 = I3 = I4 = I5 = 0 A. Da das Sicherungselement aber wie zuvor beschrieben geringer ausgelegt sein kann, reicht nun der Strom aus, um das Sicherungselement der Verbindungsstelle V2 zum Abtrennen zu veranlassen. D. h. nun kann schon bei einem deutlich geringeren Kurzschlussstrom eine Abtrennung erreicht werden, die zudem in aller Regel schneller sein wird.
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Darüber hinaus wird nur ein Teilbereich – Verbindungsstelle V2 – aus der Parallelschaltung entfernt, während die restlichen Teilbereiche aktiv verbleiben und somit zumindest mit einer reduzierten Leistungsfähigkeit Schutz bereitgestellt werden kann. D. h., werden viele Verbindungsstellen mit jeweiligen Sicherungselementen zur Verfügung gestellt, so sinkt die Leistungsfähigkeit nur gering. Näherungsweise kann man dabei annehmen, dass die Leistungsfähigkeit abhängig von der Fläche der aktiven Verbindungsstellen ist.
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Auch wenn nun eine thermische Auftrennung TS1, TS2, TS3, TS4 – wie in 3 gezeigt – an jedem der virtuellen Varistoren vorgesehen sein kann, kann zudem alternativ oder zusätzlich eine gemeinsame thermische Abtrennung mittels eines thermisch aktivierbaren Schalters TS vorgesehen sein.
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In 5 ist eine beispielhafte seitliche schematische Schnittansicht einer Kontaktierung eines Varistors VAR gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Dabei ist angenommen, dass die Anordnung sich in einem Gehäuse G befindet. Das Gehäuse G kann druckfest ausgeführt sein, um andere Anlagen vor einer nicht auszuschließenden explosionsartigen Zerstörung des Varistors zu schützen.
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Das Gehäuse G kann weiterhin mit einem Löschmittel LM gefüllt sein. Ein geeignetes Löschmittel ist beispielsweise POM oder Quarzsand. Dabei umgibt das elektrisch isolierende Löschmittel LM die Sicherungselemente F1, F2, ... FN zumindest abschnittsweise.
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Hier sind die Verbindungsstellen V1, V2 über dünne elektrische Verbindungen mit dem Zuleitungselement ZL1 verbunden. Diese dünnen elektrischen Verbindungen können z. B. als Schmelzleiter ausgeführt sein und erfüllen somit die Funktion der Sicherungselemente F1, F2.
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Eine mögliche Ausgestaltung des Schemas aus 5 ist in 13 gezeigt.
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Im Gegensatz dazu sind in 6 SMD-Sicherungen oder Feinsicherungen zwischen dem Zuleitungselement ZL1 und den jeweiligen Verbindungsstellen V1, V2 gezeigt. Zur Sicherstellung des elektrischen Kontakts kann das Zuleitungselement ZL1 mittels einer oder mehrere Federn D in elektrischem Kontakt mit den Sicherungselementen gehalten werden.
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D. h. die Sicherungselemente sind kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder formschlüssig zwischen der Zuleitungselement ZL1 und dem Varistor VAR befestigt.
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In 7 sind im Unterschied zu 5 die Verbindungsstellen an einem Punkt zusammengeführt.
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In 8 ist im Unterschied zu 6 eine Art vorgefertigte scheibenartige Matrix M eingebracht. Die Matrix M kann beispielsweise Sicherungsdrähte F1, F2 aufweisen, die z. B. in einem Ziehverfahren hergestellt wurden und in einer Isolationsmatrix eingebracht wurden. Auch ist es möglich ein Trägermaterial P, beispielsweise eine Platine, mit Durchkontaktierungen als Matrix M zu verwenden, wobei die Durchkontaktierungen als Sicherungselemente F, F1, F2, ... FN dienen. Entsprechender Weise können den einzelnen Durchkontaktierungen F je eine Verbindungsstelle V zugeordnet werden, d. h. auf einer zweilagigen Platine P kann eine erste Lage für das Zuleitungselement ZL1 verwendet werden, während die zweite Lage zur Herstellung der Verbindungsstellen verwendet wird.
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In der Ausführungsform der 9 sind die einzelnen Sicherungselemente F, F1, F2, ... FN aus federartigen Verbindungsstellen gebildet, die auf dem Varistor elektrisch leitend aber thermisch lösbar verbunden werden. Hier wird die Auslösung durch ein Trennen der Verbindung bewirkt.
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Ohne weiteres können die vorgestellten Ausführungsformen als Kontaktelement KE ausgeführt sein um mit einem Varistor VAR verbunden zu werden. Auch kann die Erfindung in einem Varistorensemble verkörpert sein, das einen Varistor VAR und eine erfindungsgemäße Kontaktierung aufweist.
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Ohne Beschränkung der Allgemeinheit können die einzelnen Verbindungsstellen unterschiedlich dimensioniert sein und in entsprechender Weise eine unterschiedliche Impedanz aufweisen.
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In 10 ist ein Beispiel für ein tannenbaumartiges Kontaktelement KE dargestellt. Dieses weist einen Kontaktpunkt für das Zuleitungselement ZL1 und zahlreiche Verästelungen auf. Dabei können die einzelnen Äste an ihren Endpunkten den Kontakt zum Varistor VAR herstellen, wobei die Äste selbst wiederum als Sicherungselement F dienen können. Ein derartiges Kontaktelement KE kann ohne weiteres durch Stanzen hergestellt werden.
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In 11 ist eine ähnliche Anordnung zu sehen. Hier sind die Verbindungsstellen größer ausgeführt. Ein derartiges Kontaktelement KE kann beispielsweise durch Stanzen und Biegen hergestellt werden. Beispielsweise kann wie in 12a und 12b gezeigt eine federnde Struktur auch durch Biegen erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- KE
- Kontaktelement
- VAR, VAR'1, VAR'2, VAR'3, VAR'4
- Varistor
- V1, V2, ... VN
- elektrische Verbindungsstellen
- ZL1, ZL2
- Zuleitungselemente
- P
- Trägermaterial, Platine
- F, F1, F2, ... FN
- Sicherungselemente
- LM
- Löschmittel
- D
- Kraft
- G
- (druckfestes) Gehäuse
- M
- Matrix
- S1, S2
- Strompfad
- TS, TS1, TS2, TS3, TS4
- Schalter
- Im
- maximale Impulsstrombelastung
