DE112010005119T5

DE112010005119T5 - Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung

Info

Publication number: DE112010005119T5
Application number: DE112010005119T
Authority: DE
Inventors: Xiaomao MAO; Tianyun Wei
Original assignee: Prosurge Electronics Co Ltd
Current assignee: Prosurge Electronics Co Ltd Foshan Cn
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-02-02
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2030-02-03
Also published as: US20110170217A1; WO2011085563A1; CN101741081A; DE112010005119B4; US8279575B2; KR101318852B1; KR20120023128A

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung, der ein Gehäuse und einen mit einer Montageplatte versehenen Grundträger umfasst. Auf dem Grundträger sind ein Überspannungsschutzelement und eine thermische Schutzeinrichtung angeordnet. Die thermische Schutzeinrichtung umfasst einen mit einer zweiten Elektrode des Überspannungsschutzelements elektrisch verbundenen Metallansatz, eine Druckfeder und einen in einer Führungsrille der Montageplatte beweglichen Schieber, der mit einem Lichtbogenlöschmittel ausgestattet ist. Im Normalbetrieb sind ein elektrisch leitfähiges Metallteil und der Metallansatz über eine Niedertemperaturlötstelle miteinander elektrisch verbunden. Fließt ein Fehlerstrom mit Industriefrequenz durch das Überspannungsschutzelement im Fehlerfall, schmilzt die Niedertemperaturlötstelle. Als Folge wird die Verbindung zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz gelöst, wobei sich das Lichtbogenlöschmittel am Schieber unter Einwirkung der Feder bewegt und einen dabei entstehenden Spalt ausfüllt. Inzwischen bildet sich ein Luftstrom aus, mit dem ein eventuell zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz entstehender Lichtbogen gelöscht werden kann. Somit wird ein sicherer, rechtzeitiger und zuverlässiger Stromkreisschutz erzielt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein schaltungstechnisches Schutzgerät, insbesondere auf einen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung.
Technischer Hintergrund
Metalloxid-Varistoren (MOVs) finden derzeit als Überspannungsschutzelement weit verbreitete Anwendung bei Blitzschutzvorrichtungen für Stromquellen. Bei MOVs handelt es sich um ein Festkörperelement aus polykristalliner Halbleiterkeramik, durch das unter Normalbedingungen lediglich ein sehr kleiner Leckstrom fließt. Bei ausgefallenem MOV fließt durch diesen jedoch ein sehr hoher Fehlerstrom mit Industriefrequenz aus der Stromquelle, was zur Verbrennung des MOV führt. Zur Vermeidung eines solchen Verbrennungsereignisses weist ein Überspannungsschutzgerät (Surge Protection Device, SPD), das mit einem MOV versehen ist, in der Regel eine mechanische Wärmeschutzeinrichtung auf. Aufgrund der guten thermischen Kopplung zwischen MOV und thermischer Schutzeinrichtung kann diese, sobald sich die Temperatur des MOV auf einen vorbestimmten Wert erhöht und eine niedrigschmelzende Legierung in der thermischen Schutzeinrichtung dadurch schmilzt oder weich wird, ausgelöst werden, um einen Spalt zwischen der Elektrode des MOV und der thermischen Schutzeinrichtung zu bilden. Auf diese Weise wird die Stromversorgung des MOV unterbrochen, damit sich die Temperatur des MOV nicht mehr erhöht. Wird jedoch dabei ein verhältnismäßig großer Strom abgeschaltet, so kann im genannten Spalt ein Lichtbogen entstehen. Wenn dieser Lichtbogen nicht rechtzeitig gelöscht werden kann, fließt der Fehlerstrom weiter, d. h. es besteht immer noch die Gefahr einer Verbrennung des MOV.
Im Moment finden die auf der Groß- oder Größtintegration basierten, kostspieligen Computer und computergestützte elektronische Baugruppen ein weiten Einsatz bei einer Menge von elektronischen Geräten, die ziemlich empfindlich gegen Überspannungen sind und deswegen mit Überspannungsschutzgeräten versehen sein müssen. Dabei ist das Überspannungsschutzgerät typischerweise zwischen Außenleiter und Erdleiter oder Nullleiter geschaltet. Während des Betriebs liegt am MOV immer eine Versorgungsspannung an, d. h. der MOV bleibt immer stromführend. MOVs zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen Impulstrom von mehreren Kiloampere oder sogar höher tragen können, aber weder Strom mit Industriefrequenz noch zeitweilige Überspannung für längere Zeit. Bei ausgefallenem MOV und abnehmendem Widerstandswert erhält der MOV von der Stromversorgung einen Fehlerstrom mit Industriefrequenz, der um das Tausendfache größer als der übliche Leckstrom sein und zur Zerstörung und Verbrennung des MOV führen kann.
In letzter Zeit wurde weltweit bei der Gestaltung und Herstellung von Überspannungsschutzgeräten deren thermischen Überlastsicherung Aufmerksamkeit geschenkt, um eine mögliche Verbrennung des MOV zu vermeiden. So ist z. B. aus der Druckschrift US 6,430,019 von Martenson, et al. mit dem Titel „Schaltungstechnisches Schutzgerät” eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Überspannungen bekannt. Wie aus 1 hervorgeht, ist diese Vorrichtung modular aufgebaut und weist einen MOV 112 und ein thermisches Schaltwerk 152 innerhalb des Gehäuses auf. Im thermischen Schalter ist zusätzlich eine bewegliche nichtleitende Prallplatte 188 vorgesehen, die bei gebrochener Lötstelle 182 in einen Spalt zwischen thermischem Schalwerk und MOV gedrückt werden kann. Dabei handelt es sich jedoch lediglich um eine senkrechte Bewegung der Prallplatte in den Spalt, bei der keine Lichtbogenlöschung zu erwarten ist.
Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung anzubieten, der eine rechtzeitige Lichtbogenlöschung und somit einen zuverlässigen Stromkreisschutz gewährleisten kann.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung bereitgestellt, der ein Gehäuse und einen mit einer Montageplatte versehenen Grundträger umfasst. Auf dem Grundträger sind ein Überspannungsschutzelement, eine thermische Schutzeinrichtung und eine Niedertemperaturlötstelle angeordnet. Das Überspannungsschutzelement weist eine erste und eine zweite Elektrode auf, wobei die Verlängerung der ersten Elektrode aus dem Grundträger herausragt und eine erste abführende Leitung des Überspannungsableiters bildet. Die thermische Schutzeinrichtung weist ein elektrisch leitfähiges Metallteil auf, dessen Verlängerung ebenfalls aus dem Grundträger herausragt und eine weitere, zweite abführende Leitung des Überspannungsableiters bildet.
Zudem umfasst die thermische Schutzeinrichtung einen mit der zweiten Elektrode des Überspannungsschutzelements elektrisch verbundenen Metallansatz, eine Druckfeder, einen in einer Führungsrille der Montageplatte beweglichen Schieber und ein am oberen Ende des Schiebers befindliches Lichtbogenlöschmittel. Im Normalbetrieb bzw. beim Betrieb des Überspannungsableiters bei Nennspannung und -strom sind das elektrisch leitfähige Metallteil und der Metallansatz über die Niedertemperaturlötstelle miteinander elektrisch verbunden.
Bei Ausfall und damit verbundener Temperaturerhöhung des Überspannungsschutzelements, bedingt durch z. B. transiente Überspannungen oder Alterung, schmilzt die Niedertemperaturlötstelle und die Verbindung zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz wird dadurch gelöst. Zugleich wird das Lichtbogenlöschmittel am Schieber durch die Feder nach oben gedrückt und füllt einen dabei entstehenden Spalt aus. Inzwischen bildet sich ein Luftstrom aus, mit dem ein eventuell zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz entstehender Lichtbogen gelöscht werden kann.
Weiters lässt sich der Grundträger mit der Montageplatte ins Gehäuse einschieben, wobei der Innenraum des Gehäuses durch die Montageplatte in zwei hintereinander angrenzende Teilbereiche aufgeteilt ist, und zwar einen ersten Hohlraum für das Überspannungsschutzelement und einen zweiten Hohlraum für die thermische Schutzeinrichtung. Hierbei ist das Überspannungsschutzelement über den in den zweiten Hohlraum hineinragenden Metallansatz mit der thermischen Schutzeinrichtung elektrisch verbunden.
Weiters kann das Überspannungsschutzelement nach wasserfester Verkapselung gemeinsam mit einem Harzmaterial in den ersten Hohlraum eingebaut werden. Alternativ kann es aber auch als nacktes Stück, also ohne vorherige wasserfeste Verkapselung, in den ersten Hohlraum eingepackt werden, um dann ein Harzmaterial oder ein Gemisch von Harz und Quarzsand in einem separaten Schritt einzugießen.
Weiters ist die Führungsrille an der Montageplatte so angeordnet, dass sie sich in Richtung auf das elektrisch leitfähige Metallteil neigt. Bei Ausfall und damit verbundener Temperaturerhöhung des Überspannungsschutzelements schmilzt die Niedertemperaturlötstelle, wobei das Lichtbogenlöschmittel am Schieber durch die Druckfeder schräg nach oben bewegt wird, das elektrisch leitfähige Metallteil zur Seite hin drückt und einen dabei entstehenden Spalt ausfüllt. Inzwischen bildet sich ein Luftstrom aus, mit dem ein eventuell zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz entstehender Lichtbogen gelöscht werden kann. Hierbei ist die Führungsrille in einem Winkel von 45 bis 75 Grad zur Unterseite des Grundträgers angeordnet und wirkt mit der Druckfeder zusammen, um den Schieber zu bewegen.
Weiters kann es sich beim beschriebenen Überspannungsschutzelement um einen Metalloxid-Varistor MOV oder eine Gasentladungsröhre (Gas Discharge Tube, GDT) oder eine Reihenschaltung von GDT und MOV handeln.
Weiters kann das elektrisch leitfähige Metallteil entweder als L-förmiger elastischer Leiter, der bei geschmolzener Niedertemperaturlötstelle zur Seite hin springt und sich selbsttätig vom Metallansatz trennt, oder als weicher Leiter ausgebildet sein, der bei geschmolzener Niedertemperaturlötstelle durch des Lichtbogenlöschmittel am Schieber zur Seite hin gedrückt und somit vom Metallansatz getrennt wird.
Weiters kann das Lichtbogenlöschmittel aus einer Bodenfläche und drei Seitenwänden bestehen, welche mit der Montageplatte eine Lichtbogenlöschkammer mit einem nach oben geöffneten Innenraum umschließen. Sobald das Lichtbogenlöschmittel am Schieber durch die Feder in seine Wirkstellung gedrückt wird, deckt es den Metallansatz mit seinem Innenraum ab.
Weiters kann das Lichtbogenlöschmittel aus einem allgemeinen isolierenden und flammhemmenden Kunststoff bestehen. Um die Löschwirkung zu verbessern, kann es aber auch aus einem hochmolekularen Polymermaterial bestehen, das bei Verbrennung des Lichtbogens ein flammhemmendes Gas abgeben kann, wie beispielsweise Polyoxymethylen (POM) oder Polyamid (PA).
Weiters kann der Schieber ferner am unteren Ende mit einem Druckfeder-Führungsstift, der mit der Druckfeder verbunden ist, und am oberen Ende mit einem Zustandsanzeigemittel versehen sein, das bei der Bewegung des Schiebers aus dem Gehäuse herausragt, um einen Betriebszustand der thermischen Schutzeinrichtung anzuzeigen.
In einer Ausgestaltung sind an einer Seitenwand des zweiten Hohlraums ferner eine Dämpfungsfeder und ein Mikroschalter angebracht, wobei der Mikroschalter über Leitungen mit einem an der Oberseite der Montageplatte befindlichen zweipoligen Verbinder verbunden ist. Durch eine Bewegung des Schiebers wird der Mikroschalter ausgelöst, um eine mit dem zweipoligen Verbinder verbundene Alarmschaltung zu aktivieren.
In einer weiteren Ausgestaltung sind an der Oberseite der Montageplatte ein metallischer Mitnehmer und ein Mikroschalter angeordnet, wobei der Mikroschalter, wenn der Schieber bei seiner Bewegung in Kontakt mit dem metallischen Mitnehmer tritt, ausgelöst wird, um eine angeschlossene Alarmschaltung zu aktivieren.
Bei einem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung ist für die thermische Schutzeinrichtung ein mit einem Innenraum versehenes Lichtbogenlöschmittel vorgesehen, mit dem zunächst durch dessen Bewegung ein Lichtbogen gestreckt und gelöscht werden kann. Ferner ist der Metallansatz, der vom Innenraum des Lichtbogenlöschmittels überdeckt ist, rundum vollständig vom elektrisch leitfähigen Metallteil getrennt, wodurch eine erneute Einschaltung durch herumlaufende Lichtbogen verhindert wird. Dies stellt insgesamt eine zuverlässige und rechtzeitige Abschaltung sicher, so dass die Gefahr einer Verbrennung des Überspannungsschutzelements wegen eines weiter fließenden Fehlerstroms mit Industriefrequenz vermieden wird. Die Führungsrille ist an der Montageplatte so angeordnet, dass sie sich in Richtung auf das elektrisch leitfähige Metallteil neigt. So kann das Lichtbogenlöschmittel am Schieber, wenn es sich unter Einwirkung der Druckfeder schräg nach oben bewegt, einerseits das elastische, elektrisch leitfähige Metallteil zur Seite hin drücken, andererseits den dabei entstehenden Spalt ausfüllen. Auf diese weise lassen sich die sicherheitsrelevante Trennstrecke und damit der Lichtbogenwiderstand erhöhen, um den Lichtbogenstrom zu verringern.
Gegenüber dem Stand der Technik, bei dem der Lichtbogen durch eine nichtleitende Prallplatte getrennt wird, wird beim erfindungsgemäßen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung ein Lichtbogen gelöscht, indem er zunächst gestreckt und gekühlt wird. Auf diese Weise werden die Entstehung einer durch Stromsprung verursachten gegenelektromotorischen Kraft und die damit verbundene Beschädigung des Systems vermieden.
Der Innenraum des Gehäuses ist durch die Montageplatte in zwei angrenzende separate Teilbereiche aufgeteilt, und zwar einen ersten Hohlraum für das Überspannungsschutzelement und einen zweiten Hohlraum für die thermische Schutzeinrichtung. Ein derartiger Aufbau wirkt sich isolierend und flammhemmend aus, damit weitere elektronische Bauteile nicht durch den Lichtbogen zerstört werden. Weiterhin kann das Überspannungsschutzelement nach wasserfester Verkapselung gemeinsam mit einem Harzmaterial in den ersten Hohlraum eingebaut werden. Alternativ kann es aber auch als nacktes Stück, also ohne vorherige wasserfeste Verkapselung, in den ersten Hohlraum eingepackt werden, um dann ein Harzmaterial oder ein Gemisch von Harz und Quarzsand in einem separaten Schritt einzugießen. Dadurch kann das Überspannungsschutzelement im Fehlerfall vor Verbrennung geschützt werden. Gleichzeitig wird dem Überspannungsschutzelement ein Zerspringen bei großen Stoßströmen ausgeschlossen, das bei bestehenden MOVs oft vorkommt, welche nur mit einfachen Epoxidharzen verkapselt sind.
Darstellung der Abbildungen
Zum besseren Verständnis der Aufgabe, der Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung wird im Folgenden die vorliegende Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Es zeigen
1 den schematischen Aufbau eines schaltungstechnischen Schutzgeräts aus dem Stand der Technik,
2 in schematischer Seitenansicht einen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Normalbetrieb,
3 in schematischer Seitenansicht einen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Normalbetrieb,
4 in schematischer Seitenansicht einen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bei ausgelöster Wärmeschutzeinrichtung,
5 in geschnittener Draufsicht einen Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 den schematischen Aufbau eines mit einem Lichtbogenlöschmittel versehenen Schiebers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
7 in teilweise auseinandergezogener Darstellung den schematischen Aufbau eines Überspannungsableiters mit thermischer Überlastsicherung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 2 ist ein Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, der ein Gehäuse 1 aus einem technischen Kunststoff und einen mit einer Montageplatte 2 versehenen Grundträger 3 umfasst. Auf dem Grundträger befinden sich ein Überspannungsschutzelement (nicht ersichtlich in 2) und eine thermische Schutzeinrichtung 4, wobei das Überspannungsschutzelement eine erste Elektrode aufweist, deren Verlängerung aus dem Grundträger herausragt und eine erste abführende Leitung 5 des Überspannungsableiters bildet. Andererseits weist die thermische Schutzeinrichtung ein elektrisch leitfähiges Metallteil 41 auf, dessen Verlängerung ebenfalls aus dem Grundträger herausragt und eine weitere, zweite abführende Leitung 6 des Überspannungsableiters bildet.
Darüber hinaus umfasst die thermische Schutzeinrichtung 4 einen mit einer zweiten Elektrode des Überspannungsschutzelements elektrisch verbundenen Metallansatz 42, eine Druckfeder 43 und einen aus einem technischen Kunststoff hergestellten Schieber 45, der mit einem Lichtbogenlöschmittel 44 versehen ist und sich in einer Führungsrille 7 der Montageplatte bewegen kann. Im Normalbetrieb des Überspannungsableiters mit thermischer Überlastsicherung sind das elektrisch leitfähige Metallteil 41 und der Metallansatz 42 über eine Niedertemperaturlötstelle 8 miteinander elektrisch verbunden. Als Niedertemperaturlötstelle kann eine niedrigschmelzende Legierung zum Einsatz kommen, deren Schmelzpunkt niedriger als die Verbrennungstemperatur des Überspannungsschutzelements ist und üblicherweise einen Wert von 90°C bis 180°C aufweist.
Die Führungsrille 7 ist an der Montageplatte so angeordnet, dass sie sich in Richtung auf das elektrisch leitfähige Metallteil neigt. Aufgrund einer Temperaturerhöhung des Überspannungsschutzelements im Fehlerfall schmilzt die Niedertemperaturlötstelle und die Verbindung zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz wird dadurch gelöst. Zugleich wird das Lichtbogenlöschmittel am Schieber durch die Druckfeder schräg nach oben bewegt, drückt das elektrisch leitfähige Metallteil 41 zur Seite hin und füllt einen dabei entstehenden Spalt aus. Hierbei ist die Führungsrille in einem Winkel von 45 bis 75 Grad, beispielsweise 70 Grad, zur Unterseite des Grundträgers angeordnet und wirkt mit der Druckfeder zusammen, um den Schieber zu bewegen.
Beim beschriebenen Überspannungsschutzelement kann es sich um einen Metalloxid-Varistor MOV oder eine Gasentladungsröhre (Gas Discharge Tube, GDT) oder eine Reihenschaltung von GDT und MOV handeln. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als Überspannungsschutzelement ein Metalloxid-Varistor MOV vorgesehen.
Das elektrisch leitfähige Metallteil 41 ist L-förmig und elastisch ausgeführt und so ausgelegt, dass es, sobald die Niedertemperaturlötstelle schmilzt, zur Seite hin springt und sich selbsttätig vom Metallansatz trennt. An einer Seitenwand des zweiten Hohlraums sind ferner eine Dämpfungsfeder 9 und ein Mikroschalter 10 angebracht, wobei der Mikroschalter über zwei Leitungen 11, 12 mit einem an der Oberseite der Montageplatte befindlichen zweipoligen Verbinder 13 verbunden ist. Dabei wirkt die Dämpfungsfeder 9 dämpfend aus und kann vom Blitzstrom hervorgerufene Schwingungen bzw. thermische Verformungen des elektrisch leitfähigen Metallteils 41 im Normalbetrieb ausgleichen. Hingegen drückt der Mikroschalter 10 mit seinem Druckknopf gegen die Seitenwand des Schiebers, selbst wenn sich der Schieber wegen des zwischen ihm und der Führungsrille vorhandenen Schlitzes seitlich hin und her bewegt. Durch eine Bewegung des Schiebers nach oben wird der Mikroschalter 10 ausgelöst, um eine mit dem zweipoligen Verbinder 13 verbundene Alarmschaltung zu aktivieren.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, das sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, dass das elektrisch leitfähige Metallteil 41 für sich unelastisch ausgebildet ist, aber mit einem zwischengeschalteten weichen Leiter 410 versehen sein kann. So wird das Metallteil, wenn die Niedertemperaturlötstelle schmilzt, in Form eines weichen Leiters durch das Lichtbogenlöschmittel am Schieber zur Seite hin gedrückt und somit vom Metallansatz getrennt.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind an der Seitenwand des zweiten Hohlraums weder Dämpfungsfeder noch Mikroschalter angebracht. Des Weiteren ist hierbei auch kein zweipoliger Verbinder vorgesehen.
Stattdessen sind an der Oberseite der Montageplatte ein metallischer Mitnehmer 50 und ein Mikroschalter angeordnet. Dabei wirkt sich der metallische Mitnehmer 50 als Hebel aus und kann, wenn der Schieber bei seiner Bewegung in Kontakt mit dem metallischen Mitnehmer tritt, den Mikroschalter auslösen, um eine angeschlossene Alarmschaltung zu aktivieren.
Aufgrund einer Temperaturerhöhung des Überspannungsschutzelements im Fehlerfall schmilzt die Niedertemperaturlötstelle und die Verbindung zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil 41 und Metallansatz 42 wird dadurch gelöst. Zugleich wird das Lichtbogenlöschmittel 44 am Schieber durch die Druckfeder 43 schräg nach oben bewegt, drückt das elektrisch leitfähige Metallteil 41 zur Seite hin und füllt einen dabei entstehenden Spalt aus, siehe hierzu 4. Inzwischen bildet sich ein Luftstrom aus, mit dem ein eventuell zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil 41 und Metallansatz 42 entstehender Lichtbogen gelöscht werden kann. Durch eine nach oben gerichtete Bewegung des Schiebers wird der Mikroschalter 10 ausgelöst, um eine mit dem zweipoligen Verbinder 13 verbundene Alarmschaltung zu aktivieren.
In den vorangehend dargestellten Ausführungsbeispielen lässt sich der jeweilige mit einer Montageplatte ausgestattete Grundträger, wie in 5 gezeigt, ins Gehäuse 1 einschieben, wobei der Innenraum des Gehäuses 1 durch die Montageplatte 2 in zwei angrenzende separate Teilbereiche, und zwar einen ersten und einen zweiten Hohlraum, aufgeteilt ist. Dabei dient der erste Hohlraum zur Aufnahme eines Überspannungsschutzelements 14, bei dem es sich um einen Metalloxid-Varistor MOV oder eine Gasentladungsröhre (Gas Discharge Tube, GDT) oder eine Reihenschaltung von GDT und MOV handeln kann, und der zweite Hohlraum zur Aufnahme einer thermischen Schutzeinrichtung 4. Das Überspannungsschutzelement ist über einen in den zweiten Hohlraum hineinragenden Metallansatz mit der thermischen Schutzeinrichtung elektrisch verbunden.
Erfindungsgemäß kann das Überspannungsschutzelement 14 nach wasserfester Verkapselung gemeinsam mit einem Harzmaterial 15 in den ersten Hohlraum eingebaut werden. Alternativ kann es aber auch als nacktes Stück, also ohne vorherige wasserfeste Verkapselung, in den ersten Hohlraum eingepackt werden, um dann ein Harzmaterial, z. B. Epoxidharz oder Siliconharz, oder ein Gemisch von Harz und Quarzsand, in einem separaten Schritt einzugießen.
Wie aus 6 zu ersehen ist, besteht bei allen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen das Lichtbogenlöschmittel 44 am Schieber 45 aus einer Bodenfläche 441 und drei Seitenwänden 442, welche mit der Montageplatte eine Lichtbogenlöschkammer mit einem nach oben geöffneten Innenraum 443 umschließen. So kann bei der Bewegung des Lichtbogenlöschmittels am Schieber, angetrieben durch die Druckfeder, ein Luftstrom entstehen, mit dem ein Lichtbogen gelöscht werden soll. Sobald das Lichtbogenlöschmittel durch die Feder in seine Wirkstellung gedrückt wird, deckt es den Metallansatz mit seinem Innenraum ab, so dass zusätzlich zur Lichtbogenlöschung die Verbindung des Metallansatzes mit der zweiten Elektrode des Überspannungsschutzelements gelöst wird. Auf diese Weise wird eine erneute Einschaltung durch längere Lichtbogen verhindert.
Das Lichtbogenlöschmittel kann aus einem allgemeinen isolierenden Kunststoff bestehen. Um die Löschwirkung zu verbessern, kann es aber auch aus einem Polymermaterial bestehen, das bei Verbrennung des Lichtbogens ein flammhemmendes Gas abgeben kann, wie beispielsweise Harz, Polyoxymethylen (POM) oder Polyamid (PA). So können die Seitenwände der Lichtbogenlöschkammer, wenn sie vom Lichtbogen abgeschmolzen und verdunstet werden, eine Menge von Polyoxymethylen- oder Polyamiddämpfen abgeben, was einerseits zur Kühlung des Lichtbogens beiträgt. Andererseits wird dabei eine beschleunigte Ausbreitung der Lichtbogenplasmen nach außen hin bewirkt, damit der Lichtbogen in kurzer Zeit gestreckt und gelöscht werden kann.
Überdies ist der Schieber am unteren Ende mit einem Druckfeder-Führungsstift 451, der mit der Druckfeder 43 verbunden ist, und am oberen Ende mit einem Zustandsanzeigemittel 452 versehen, das bei der Bewegung des Schiebers durch eine oberseitige Signalausgangsöffnung aus dem Gehäuse herausragt, um den Betriebszustand der thermischen Schutzeinrichtung anzuzeigen. Bei auskragendem Zustandsanzeigemittel wird davon ausgegangen, dass die thermische Schutzeinrichtung bereits zur Abschaltung ausgelöst worden ist.
7 zeigt in teilweise auseinandergezogener Darstellung den schematischen Aufbau eines Überspannungsableiters mit thermischer Überlastsicherung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der ein Gehäuse 1 aus einem technischen Kunststoff und einen mit einer Montageplatte 2 versehenen Grundträger 3 umfasst, wobei sich der Grundträger ins Gehäuse 1 einschieben lässt. Auf dem Grundträger ist eine thermische Schutzeinrichtung angebracht. Das separat verkapselte Überspannungsschutzelement 14 kann direkt in einen ersten Hohlraum des Gehäuses eingebaut werden. Darüber hinaus weist das Überspannungsschutzelement eine erste Elektrode, deren Verlängerung aus dem Grundträger herausragt und eine erste abführende Leitung 5 des Überspannungsableiters bildet, und die thermische Schutzeinrichtung ein elastisches, elektrisch leitfähiges Metallteil 41 auf, dessen Verlängerung ebenfalls aus dem Grundträger herausragt und eine weitere, zweite abführende Leitung 6 des Überspannungsableiters bildet.
Zudem umfasst die thermische Schutzeinrichtung einen mit einer zweiten Elektrode des Überspannungsschutzelements elektrisch verbundenen Metallansatz 42, eine Druckfeder 43 und einen aus einem technischen Kunststoff hergestellten Schieber 45, der mit einem Lichtbogenlöschmittel versehen ist und sich in einer Führungsrille der Montageplatte bewegen kann. Dabei ragt der Metallansatz 42 durch eine Vertikalöffnung 46 in der Montageplatte in einen zweiten Hohlraum hinein, um eine elektrische Verbindung mit der thermischen Schutzeinrichtung herzustellen.
Der in den obenstehenden Ausführungsbeispielen dargestellte Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung bietet folgende Vorteile:

– Mit Hilfe eines mit einem Innenraum versehenen Lichtbogenlöschmittels kann zunächst durch dessen Bewegung ein Lichtbogen gekühlt und gelöscht werden. Ferner ist der Metallansatz, der vom Innenraum des Lichtbogenlöschmittels überdeckt ist, rundum vollständig vom elastischen, elektrisch leitfähigen Metallteil getrennt, wodurch eine erneute Einschaltung durch herumlaufende Lichtbogen verhindert wird. Dies stellt insgesamt eine zuverlässige und rechtzeitige Abschaltung sicher, so dass die Gefahr einer Verbrennung des Überspannungsschutzelements wegen eines weiter fließenden Fehlerstroms mit Industriefrequenz vermieden wird.
– Die Führungsrille ist an der Montageplatte so angeordnet, dass sie sich in Richtung auf das elastische, elektrisch leitfähige Metallteil neigt. So kann das Lichtbogenlöschmittel am Schieber, wenn es sich unter Einwirkung der Druckfeder schräg nach oben bewegt, einerseits das elastische, elektrisch leitfähige Metallteil zur Seite hin drücken, andererseits den dabei entstehenden Spalt ausfüllen. Auf diese Weise lassen sich dann das elastische, elektrisch leitfähige Metallteil und das Überspannungsschutzelement in einem sicheren Abstand zueinander halten, wenn das elastische, elektrisch leitfähige Metallteil seine Elastizität verliert.
– Der Innenraum des Gehäuses ist durch die Montageplatte in zwei angrenzende separate Teilbereiche aufgeteilt, und zwar einen ersten Hohlraum für das Überspannungsschutzelement und einen zweiten Hohlraum für die thermische Schutzeinrichtung. Ein derartiger Aufbau wirkt sich isolierend und flammhemmend aus. Weiters kann das Überspannungsschutzelement nach wasserfester Verkapselung gemeinsam mit einem Harzmaterial in den ersten Hohlraum eingebaut werden. Alternativ kann es aber auch als nacktes Stück, also ohne vorherige wasserfeste Verkapselung, in den ersten Hohlraum eingepackt werden, um dann ein Harzmaterial oder ein Gemisch von Harz und Quarzsand in einem separaten Schritt einzugießen. Dadurch kann das Überspannungsschutzelement im Fehlerfall vor Verbrennung geschützt werden. Gleichzeitig wird dem Überspannungsschutzelement ein Zerspringen bei großen Stoßströmen ausgeschlossen, das bei bestehenden MOVs oft vorkommt, welche nur mit einfachen Epoxidharzen verkapselt sind.

Bisher wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, die keine Einschränkung der Erfindung darstellen. Jede Modifikation oder Abänderung, die vom Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgenommen wird, ist vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6430019 [0004]

Claims

Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung, umfassend ein Gehäuse und einen mit einer Montageplatte versehenen Grundträger, wobei auf dem Grundträger ein Überspannungsschutzelement, eine thermische Schutzeinrichtung und eine Niedertemperaturlötstelle angeordnet sind, wobei das Überspannungsschutzelement eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die Verlängerung der ersten Elektrode aus dem Grundträger herausragt und eine erste abführende Leitung des Überspannungsableiters bildet, und wobei die thermische Schutzeinrichtung ein elektrisch leitfähiges Metallteil aufweist, dessen Verlängerung ebenfalls aus dem Grundträger herausragt und eine weitere, zweite abführende Leitung des Überspannungsableiters bildet, dadurch gekennzeichnet, dass – die thermische Schutzeinrichtung ferner einen mit der zweiten Elektrode des Überspannungsschutzelements elektrisch verbundenen Metallansatz, eine Druckfeder, einen in einer Führungsrille der Montageplatte beweglichen Schieber und ein am oberen Ende des Schiebers befindliches Lichtbogenlöschmittel umfasst, – beim Betrieb des Überspannungsableiters mit thermischer Überlastsicherung bei Nennspannung und -strom das elektrisch leitfähige Metallteil und der Metallansatz über die Niedertemperaturlötstelle miteinander elektrisch verbunden sind, – bei Ausfall und damit verbundener Temperaturerhöhung des Überspannungsschutzelements – die Niedertemperaturlötstelle schmilzt, – die Verbindung zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz gelöst wird, – das Lichtbogenlöschmittel am Schieber durch die Feder nach oben gedrückt wird und einen dabei entstehenden Spalt ausfüllt, und – sich ein Luftstrom ausbildet, mit dem ein eventuell zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz entstehender Lichtbogen gelöscht werden kann.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Grundträger mit der Montageplatte ins Gehäuse einschieben lässt, wobei der Innenraum des Gehäuses durch die Montageplatte in zwei angrenzende Teilbereiche aufgeteilt ist, und zwar einen ersten Hohlraum für das Überspannungsschutzelement und einen zweiten Hohlraum für die thermische Schutzeinrichtung, und dass das Überspannungsschutzelement über den in den zweiten Hohlraum hineinragenden Metallansatz mit der thermischen Schutzeinrichtung elektrisch verbunden ist.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Überspannungsschutzelement entweder nach wasserfester Verkapselung gemeinsam mit einem Harzmaterial in den ersten Hohlraum eingebaut, oder als nacktes Stück, also ohne vorherige wasserfeste Verkapselung, in den ersten Hohlraum eingepackt werden kann, um dann ein Harzmaterial oder ein Gemisch von Harz und Quarzsand in einem separaten Schritt einzugießen.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrille an der Montageplatte so angeordnet ist, dass sie sich in Richtung auf das elektrisch leitfähige Metallteil neigt, und dass bei Ausfall und damit verbundener Temperaturerhöhung des Überspannungsschutzelements – die Niedertemperaturlötstelle schmilzt, – das Lichtbogenlöschmittel am Schieber durch die Druckfeder schräg nach oben bewegt wird, das elektrisch leitfähige Metallteil zur Seite hin drückt und einen dabei entstehenden Spalt ausfüllt, und – sich ein Luftstrom ausbildet, mit dem ein eventuell zwischen elektrisch leitfähigem Metallteil und Metallansatz entstehender Lichtbogen gelöscht werden kann.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsrille in einem Winkel von 45 bis 75 Grad zur Unterseite des Grundträgers angeordnet ist und mit der Druckfeder zusammenwirkt, um den Schieber zu bewegen.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Überspannungsschutzelement ein Metalloxid-Varistor oder eine Gasentladungsröhre oder eine Reihenschaltung aus einer Gasentladungsröhre und einem Metalloxid-Varistor vorgesehen ist.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Metallteil entweder als L-förmiger elastischer Leiter, der bei geschmolzener Niedertemperaturlötstelle zur Seite hin springt und sich selbsttätig vom Metallansatz trennt, oder als weicher Leiter ausgebildet ist, der bei geschmolzener Niedertemperaturlötstelle durch das Lichtbogenlöschmittel am Schieber zur Seite hin gedrückt und somit vom Metallansatz getrennt wird.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenlöschmittel aus einer Bodenfläche und drei Seitenwänden besteht, welche mit der Montageplatte eine Lichtbogenlöschkammer mit einem nach oben geöffneten Innenraum umschließen, und dass das Lichtbogenlöschmittel am Schieber den Metallansatz mit seinem Innenraum abdeckt, sobald es durch die Feder in seine Wirkstellung gedrückt wird.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenlöschmittel aus einem hochmolekularen Polymermaterial besteht, das bei Verbrennung des Lichtbogens ein Gas abgeben kann, wobei als hochmolekulares Polymermaterial Harz oder Polyoxymethylen (POM) oder Polyamid (PA) eingesetzt wird.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber ferner am unteren Ende mit einem Druckfeder-Führungsstift, der mit der Druckfeder verbunden ist, und am oberen Ende mit einem Zustandsanzeigemittel versehen ist, das bei der Bewegung des Schiebers aus dem Gehäuse herausragt, um einen Betriebszustand der thermischen Schutzeinrichtung anzuzeigen.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Seitenwand des zweiten Hohlraums ferner eine Dämpfungsfeder und ein Mikroschalter angebracht sind, wobei der Mikroschalter über Leitungen mit einem an der Oberseite der Montageplatte befindlichen zweipoligen Verbinder verbunden ist und durch eine Bewegung des Schiebers ausgelöst werden kann, um eine mit dem zweipoligen Verbinder verbundene Alarmschaltung zu aktivieren.
Überspannungsableiter mit thermischer Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite der Montageplatte ein metallischer Mitnehmer und ein Mikroschalter angeordnet sind, wobei der Mikroschalter, wenn der Schieber bei seiner Bewegung in Kontakt mit dem metallischen Mitnehmer tritt, ausgelöst wird, um eine angeschlossene Alarmschaltung zu aktivieren.