EP0026861A1 - Arrangement for protection against overvoltage - Google Patents

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EP0026861A1
EP0026861A1 EP80105594A EP80105594A EP0026861A1 EP 0026861 A1 EP0026861 A1 EP 0026861A1 EP 80105594 A EP80105594 A EP 80105594A EP 80105594 A EP80105594 A EP 80105594A EP 0026861 A1 EP0026861 A1 EP 0026861A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
shape memory
memory alloy
critical temperature
arrangement
arrangement according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP80105594A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Walter Alex Bosshard
Walter Bosshard
Bernd Volle
Jörg Zollinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cerberus AG
Original Assignee
Cerberus AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cerberus AG filed Critical Cerberus AG
Publication of EP0026861A1 publication Critical patent/EP0026861A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for overvoltage protection of electrical devices with a voltage limiting path connected in parallel with the protected device, which reduces the voltage at the device to a harmless value when a critical voltage is exceeded.
  • Such surge protection arrangements contain, for example, known, gas-filled surge arresters, in which a gas discharge path between two electrodes serves to limit the voltage. If the ignition voltage is exceeded, a gas discharge is formed, as a result of which the voltage across the protected device is reduced to the operating voltage of the gas discharge or a short circuit is generated if the current increases further.
  • known surge arresters e.g. with varistors, i.e. with resistors with very high negative voltage exponents of the resistor.
  • Surge arrester arrangements which contain fusible links have therefore become known. These have a solder bump with a melting point in the range of 50-150 ° C, which are in heat-conducting contact with an arrester electrode or a holder part. When the melting temperature is reached, the solder pearl melts and a short circuit is formed due to the spring pressure of the holder parts.
  • a disadvantage of such previously known arrangements is that this short circuit is irreversible. Furthermore, the melting of the solder pearl leads to contamination of the environment, which usually renders the holder inoperable. For both reasons, the holder and surge arrester must be replaced. There is also the risk of short circuits in system parts due to molten solder. A solder bead also depends on the position, i.e. the arrangement cannot be oriented as desired, so that the installation options are severely limited. Since a spring force is also required, an intermediate piece between the arrester and holder is almost always required. Thus, the leakage current must not only flow through the arrester and the holder, but also through the intermediate piece, i.e. Solder pearl. In addition to an additional voltage drop, this means a reduction in reliability due to the unfavorable corrosion behavior of the transition contacts and the known poor long-term behavior of solder alloys.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of previously known overvoltage protection devices and, in particular, to provide such an arrangement in which a short-circuit contact is closed safely and reliably and with a sufficiently large force at a predetermined temperature, without impairing the surroundings, i.e. without contamination or destruction of the holder or system components.
  • Such an arrangement should continue to be location independent, can be used multiple times without the need to replace parts, i.e. it should show reversible behavior.
  • the arrangement should continue to be stable over the long term and also be less susceptible to corrosion over longer times than previously known arrangements, without additional transition resistances.
  • the invention is characterized by an element made of a shape memory alloy with a certain critical temperature, which closes a contact bridging the voltage limiting path when this critical temperature is exceeded.
  • shape memory alloys which are also known as “shape memory alloys” to Use, as they store the selected __ in the preparation at elevated temperature geometric shape.
  • shape memory alloys also known as “shape memory alloys” to Use, as they store the selected __ in the preparation at elevated temperature geometric shape.
  • Such shape memory alloys are described, for example, in US Pat. Nos. 3,174,851 and 3,403,238, DE-PS 1,288,363 and 1,558,715 and DE-AS 2,261,710. As a rule, these are metals which are one Show martensite transformation.
  • Nickel / titanium alloys also known under the name Nitinol, which have a mass fraction of approximately 55% Ni and 45% Ti, have proven to be particularly suitable. Their properties could be improved in part by adding alloys of Cu, Al, Si, Fe, Co, Mn, V and other elements.
  • the type of alloy composition allows the critical temperature of the element to be set and, to a certain extent, the steepness of the transition.
  • shape memory alloys that work on the one-way principle have proven to be practical.
  • the critical temperature When the critical temperature is reached, the element deforms back into its original shape. This shape is retained and can be used to securely close a contact with a relatively large pressure force at an exact, predetermined temperature. This short circuit contact can be canceled again by mechanical reshaping.
  • the alloy composition enables critical temperatures between approx. -50 ° C and + 150 ° to be achieved and permissible shape changes up to 8%.
  • Corresponding shape memory alloys are researched'hergrat of: Titanium Metals Corporation of America (Toronto, Ohio), Battelle Memorial Institute (Columbus, Ohio) and F ried. Krup p GmbH (Essen), and the company BBC (Baden / Switzerland).
  • shape memory alloys that work according to the two-way principle have also proven to be useful for special applications. These alloys have the property that after cold working when heated to the critical temperature they do not completely return to their original shape. If the temperature drops again, the shape changes again in the sense of a cold deformation when another lower threshold is reached. Such an element can therefore be reset by cooling to a lower threshold temperature after it has closed the short-circuit contact when the upper critical temperature has been reached. Such hystereseartiges' behavior can be useful when an automatic opening of the short circuit is desired by a occurred Abkühung. If you select the lower threshold temperature using appropriate alloy additives so that it is below room temperature, the short circuit can be opened by cooling the element from a shape memory alloy to below room temperature.
  • FIG 1 shows an arrangement in which a surge arrester 1, which is inserted in a matching holder.
  • the surge arrester can consist, for example, of a gas-filled ceramic arrester from a Cerberus UC type series.
  • the holder has two leaf springs 2 and 3, which are mechanically preloaded in such a way that they endeavor to press the two contacts 4 and 5 fastened at their free ends and thus to form a short-circuit contact.
  • a bracket or a disk 7 made of a suitable shape memory alloy is attached between the upper electrode 8 of the surge arrester 1 and the upper leaf spring 2.
  • the alloy is selected so that its critical temperature corresponds to the temperature at which contacts 4 and 5 should short-circuit. If this critical temperature is reached, the bracket 7 bends in a narrow temperature range and the leaf spring 2 relaxes, so that a short circuit occurs between the contacts 4 and 5.
  • the arrangement can be made ready for operation again by taking the bracket 7 out of the holder and bending it so that it pushes the leaf springs 2 and 3 and the contacts 4 and 5 apart again when inserted.
  • the size of the deformation is completely uncritical. If necessary, only the surge arrester 1 has to be replaced as the only wearing part. Damage or contamination of the environment is excluded.
  • the arrangement also has the advantage that the same brackets and surge arresters can be used as in previously known arrangements with solder bump. In contrast to the latter, however, the arrangement with shape memory alloy is completely independent of the position and also has considerably better contact reliability and less susceptibility to corrosion over longer periods of time.
  • FIG. 2 shows an arrangement of an overvoltage arrester 11 between two slightly prestressed leaf springs 12 and 13, which in turn have short-circuit contacts 14 and 15 at their free front end.
  • the electrodes 18 and 19 of the surge arrester 11 are both in direct contact with the leaf springs 12 and 13.
  • the front end 17 of the one leaf spring 12 is now made of a suitable shape memory alloy, for example of a nickel / titanium alloy with a small amount of other alloy additives, which are selected so that the desired critical temperature at which a short circuit is to occur, for example 70 0 C is reached.
  • this front end 17 is now shaped such that it is bent such that the two contacts 14 and 15 are closed even when the surge arrester 11 is inserted. After inserting the surge arrester, the front end 17 is bent back so far that the contacts 14 and 15 are open and the arrangement is in the monitored state. If the temperature in the holder now rises above the critical temperature of the shape memory alloy of the front end 17, this end returns to its original shape and the contacts 14 and 15 close and form a short circuit.
  • the end 17 can be bent back again and the short circuit can thus be eliminated.
  • the usual shape memory alloys can be repeated several hundred times without impairing their function. It is advantageous that in this example the number of contacts is kept to a minimum and that the operational readiness can be restored in the simplest possible way.
  • FIG. 3 shows an overvoltage arrester 21, on the electrodes 22 and 23 of which sheet-shaped parts 24 and 25 made of a shape memory alloy are placed.
  • the front ends 26 and 27 of these two parts 24 and 25 are bent in the direction of the center of the surge arrester 21 in such a way that they overlap a little.
  • the sheet-shaped parts 24 and 25 are made of a shape memory alloy with a two-way effect or with a hysteresis effect.
  • the deformation is selected so that the front ends touch at the upper or critical temperature, i.e. short-circuit the electrodes, while they are apart from each other at the lower threshold temperature, ie they do not make contact with one another.
  • the direction of movement of the two elements is expediently opposite.
  • the lower threshold temperature of the shape memory alloy is selected so that it is above normal room temperature or the operating temperature. This is particularly expedient if the surge arrester remains ignited after ignition, caused by a voltage surge, the operating voltage of the gas discharge being below the normal operating voltage of the system. Due to the gradual increase in temperature, the element made of a shape memory alloy switches after a certain time, the arrester extinguishes and, after cooling below the lower threshold temperature, the original monitoring state is reached immediately without intervention by the operating personnel. Such an arrangement is therefore largely unattended.
  • FIG. 4 shows a similar surge arrester 31 with two electrodes 32 and 33, on which on the one hand an element 34 made of a shape memory alloy, the front side 36 of which is also bent back towards the center, and on the other side a fixed, also bent back contact 35 is placed.
  • the element 34 is now formed in such a way that when its critical temperature is exceeded, the front end 36 with the bent end of the fixed contact piece 35 forms a short circuit.
  • the element 34 is formed from a shape memory alloy, which works on the one-way principle, the reset can take place after response at elevated temperature by simply pressing on the free end 36.
  • the element 34 can also be formed from a shape memory alloy that works according to the two-way principle, wherein the lower threshold temperature can be below room temperature.
  • Such an element can be reset after the response, for example, by spraying in a rapidly evaporating spray.
  • the element 34 or its front end 36 is cooled to such an extent by the evaporative cooling that the short circuit is opened. A resetting can therefore take place without mechanical action.
  • FIGS. 3 and 4 can be used in normal, commercially available sockets, the advantages of such sockets in terms of contact security and long-term stability being retained, but nevertheless ensuring reliable overvoltage protection which is reversible and free of wear.

Abstract

In an arrangement for protection against overvoltage for electrical equipment, an overvoltage suppressor (1,11,21,31) is combined with an element of a shape-memorising alloy (7,17,24,25,34,35) which has the property, after cold deformation, of returning to its original shape once a specific, critical temperature has been exceeded and of maintaining this memorised shape even after subsequent cooling, at least within a certain temperature range. The arrangement is implemented such that the shape memorising alloy creates a short-circuit of the electrodes of the overvoltage suppressor when the critical temperature is exceeded and thus represents additional temperature protection. The resetting can be implemented either mechanically, manually, or in the case of shape-memorising alloys which operate on the hysteresis principle, by re-cooling. The arrangement is reversible, operates with a minimum of contacts and parts subject to wear, and is reliable over lengthy time periods. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ueberspannungsschutz elektrischer Einrichtungen mit einer parallel zur geschützten Einrichtung geschalteten Spannungsbegrenzungsstrecke, welche bei Ueberschreitung einer kritischen Spannung die an der Einrichtung liegende Spannung auf einen unschädlichen Wert herabsetzt.The invention relates to an arrangement for overvoltage protection of electrical devices with a voltage limiting path connected in parallel with the protected device, which reduces the voltage at the device to a harmless value when a critical voltage is exceeded.

Solche Ueberspannungs-Schutzanordnungen enthalten beispielsweise bekannte,gasgefüllte Ueberspannungsableiter, bei denen eine Gasentladungsstrecke zwischen zwei Elektroden zur Spannungsbegrenzung dient. Bei Ueberschreitung der Zündspannung bildet sich eine Gasentladung aus, wodurch die an der geschützten Einrichtung liegenden Spannung auf die Brennspannung der Gasentladung herabgesetzt oder bei weiter ansteigendem Strom ein Kurzschluss erzeugt wird. Das gleiche Ziel kann auch mit anderen bekannten Ueberspannungsableitern erreicht werden, z.B. mit Varistoren, d.h. mit Widerständen mit sehr hohem negativem Spannungsexponenten des Widerstandes.Such surge protection arrangements contain, for example, known, gas-filled surge arresters, in which a gas discharge path between two electrodes serves to limit the voltage. If the ignition voltage is exceeded, a gas discharge is formed, as a result of which the voltage across the protected device is reduced to the operating voltage of the gas discharge or a short circuit is generated if the current increases further. The same goal can also be achieved with other known surge arresters, e.g. with varistors, i.e. with resistors with very high negative voltage exponents of the resistor.

Bei der praktischen Verwendung zum Ueberspannungsschutz, beispielsweise in der Nachrichtentechnik oder Telefonie, sind solche Ueberspannungsableiter häufig einer gewissen Eigenerwärmung ausgesetzt. Eine solche Erwärmung kann die Schutzwirkung des Ableiters oder dessen Halterungen in Frage stellen oder gar eine Zerstörung des Ableiters oder des zugehörigen Halters zur Folge haben.In practical use for overvoltage protection, for example in telecommunications or telephony, such surge arresters are often exposed to a certain amount of self-heating. Such heating can jeopardize the protective effect of the arrester or its holders or even destroy the arrester or the associated holder.

Es sind daher Ueberspannungsableiter-Anordnungen bekannt geworden, welche Schmelzlotsicherungen enthalten. Diese weisen eine Lotperle mit einem Schmelzpunkt im Bereich von 50 - 150°C auf, die in wärmeleitendem Kontakt mit einer Ableiterelektrode oder einem Halterteil stehen. Bei Erreichung der Schmelztemperatur schmilzt die Lotperle und durch Federdruckwirkung der Halterteile wird ein Kurzschluss gebildet.Surge arrester arrangements which contain fusible links have therefore become known. These have a solder bump with a melting point in the range of 50-150 ° C, which are in heat-conducting contact with an arrester electrode or a holder part. When the melting temperature is reached, the solder pearl melts and a short circuit is formed due to the spring pressure of the holder parts.

Nachteilig bei solchen vorbekannten Anordnungen ist, dass dieser Kurzschluss irreversibel ist. Weiterhin führt das Schmelzen der Lotperle zu einer Verunreinigung der Umgebung, was in der Regel den Halter funktionsunfähig macht. Aus beiden Gründen müssen Halter und Ueberspannungsableiter ausgetauscht werden. Weiter besteht die Gefahr von Kurzschlüssen in Anlageteilen durch geschmolzenes Lot. Eine Lotperle ist darüber hinaus lageabhängig, d.h. die Anordnung kann nicht beliebig orientiert werden, so dass die Installationsmöglichkeiten stark eingeschränkt sind. Da zudem eine Federkraft erforderlich ist, wird fast immer ein Zwischenstück zwischen Ableiter und Halter benötigt. Somit muss der Ableitstrom nicht nur über den Ableiter und den Halter fliessen, sondern zusätzlich über das Zwischenstück, d.h. Lotperle. Dies bedeutet ausser einem zusätzlichen Spannungsabfall eine Herabsetzung der Zuverlässigkeit wegen des ungünstigen Korrosionsverhaltens der Uebergangskontakte und des bekannt schlechten Langzeitverhaltens von Lotlegierungen.A disadvantage of such previously known arrangements is that this short circuit is irreversible. Furthermore, the melting of the solder pearl leads to contamination of the environment, which usually renders the holder inoperable. For both reasons, the holder and surge arrester must be replaced. There is also the risk of short circuits in system parts due to molten solder. A solder bead also depends on the position, i.e. the arrangement cannot be oriented as desired, so that the installation options are severely limited. Since a spring force is also required, an intermediate piece between the arrester and holder is almost always required. Thus, the leakage current must not only flow through the arrester and the holder, but also through the intermediate piece, i.e. Solder pearl. In addition to an additional voltage drop, this means a reduction in reliability due to the unfavorable corrosion behavior of the transition contacts and the known poor long-term behavior of solder alloys.

Um ein reversibles Verhalten zu erreichen,ist ohne Erfolg versucht worden, statt einer Lotperle ein Bimetall-Element zu verwenden, welches bei einer vorgegebenen Temperatur einen Kurzschluss verursacht. Nachteilig hat sich dabei erwiesen, dass die Kurzschlussbildung mit einer minimalen Andruckkraft erfolgt. Die Kontakte verzundern daher, insbesondere bei langsamer oder schwankender Temperaturerhöhung, und es ist keine sichere Kontaktgabe gewährleistet.In order to achieve reversible behavior, attempts have been unsuccessful to use a bimetal element instead of a solder bead, which causes a short circuit at a predetermined temperature. It has been shown to be disadvantageous in that the short-circuiting takes place with a minimal pressure force. The contacts therefore scale to especially when the temperature rises slowly or fluctuates, and no reliable contact is guaranteed.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die beschriebenen Nachteile vorbekannter Ueberspannungs-Schutzeinrichtungen zu beseitigen und insbesondere eine solche Anordnung zu schaffen, bei der bei einer vorgegebenen Temperatur sicher und zuverlässig und mit hinreichend grosser Kraft ein Kurzschlusskontakt geschlossen wird, ohne Beeinträchtigung der Umgebung, d.h. ohne Verschmutzung oder Zerstörung des Halters oder von Anlageteilen. Eine solche Anordnung soll weiterhin lageunabhängig sein, mehrfach verwendet werden können, ohne die Notwendigkeit der Auswechslung von Teilen, d.h. sie soll ein reversibles Verhalten zeigen. Die Anordnung soll weiterhin langzeitstabil sein und auch über längere Zeiten eine geringere Korrosionsanfälligkeit zeigen als vorbekannte Anordnungen, ohne zusätzliche Uebergangswiderstände.The object of the invention is to eliminate the disadvantages of previously known overvoltage protection devices and, in particular, to provide such an arrangement in which a short-circuit contact is closed safely and reliably and with a sufficiently large force at a predetermined temperature, without impairing the surroundings, i.e. without contamination or destruction of the holder or system components. Such an arrangement should continue to be location independent, can be used multiple times without the need to replace parts, i.e. it should show reversible behavior. The arrangement should continue to be stable over the long term and also be less susceptible to corrosion over longer times than previously known arrangements, without additional transition resistances.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Element aus einer Formgedächtnislegierung mit einer bestimmten kritischen Temperatur, welches bei Ueberschreitung dieser kritischen Temperatur einen die Spannungsbegrenzungsstrecke überbrückenden Kontakt schliesst.The invention is characterized by an element made of a shape memory alloy with a certain critical temperature, which closes a contact bridging the voltage limiting path when this critical temperature is exceeded.

Die Erfindung macht sich die Eigenschaften von sogenannten Formgedächtnislegierungen, die auch als"shape memory alloys" bekannt sind zu Nutze, da sie__die bei der Herstellung bei erhöhter Temperatur gewählte geometrische Form speichern. Nach Abkühlung des Elementes unter eine durch das Material gegebene kritische Temperatur kann nun das Element mechanisch verformt werden. Wird die Temperatur wieder auf die kritsche Temperatur erhöht, so nimmt das Material wiederum die ursprüngliche Form an, unabhängig davon, in welcher Weise es vorher kalt-verformt worden war. Bis zu einer gewissen Verformung ist dabei die Formänderung vollständig frei wählbar und reversibel.The invention makes use of the properties of so-called shape memory alloys, which are also known as "shape memory alloys" to Use, as they store the selected __ in the preparation at elevated temperature geometric shape. After the element has cooled below a critical temperature given by the material, the element can now be mechanically deformed. Will the If the temperature is raised to the critical temperature again, the material will return to its original shape, regardless of how it was previously cold-formed. Up to a certain deformation, the change in shape can be freely selected and is reversible.

Solche Formgedächtnislegierungen sind beispielsweise beschrieben in den US-PS 3 174 851 und 3 403 238, den DE-PS 1 288 363 und 1 558 715 sowie der DE-AS 2 261 710. In der Regel handelt es sich dabei um Metalle, die eine Martensit-Umwandlung zeigen. Als besonders geeignet haben sich Nickel/Titan-Legierungen erwiesen, auch unter der Bezeichnung Nitinol bekannt, die einen Masseanteil von etwa 55 % Ni und 45 % Ti enthalten. Ihre Eigenschaften konnten teil-weise durch Legierungszusätze von Cu, Al, Si, Fe, Co, Mn, V und anderen Elementen verbessert werden. Durch die Art der Legierungszusammensetzung lässt sich dabei die kritische Temperatur des Elementes einstellen, sowie in gewissem Umfang die Steilheit des Ueberganges.Such shape memory alloys are described, for example, in US Pat. Nos. 3,174,851 and 3,403,238, DE-PS 1,288,363 and 1,558,715 and DE-AS 2,261,710. As a rule, these are metals which are one Show martensite transformation. Nickel / titanium alloys, also known under the name Nitinol, which have a mass fraction of approximately 55% Ni and 45% Ti, have proven to be particularly suitable. Their properties could be improved in part by adding alloys of Cu, Al, Si, Fe, Co, Mn, V and other elements. The type of alloy composition allows the critical temperature of the element to be set and, to a certain extent, the steepness of the transition.

Für die meisten Anwendungen zum Ueberspannungsschutz haben sich dabei Formgedächtnislegierungen, die nach den Einwegprinzip arbeiten, als praktisch erwiesen. Dabei verformt sich das Element bei Erreichen der kritischen Temperatur wieder in die ursprüngliche Gestalt. Diese Form bleibt erhalten und lässt sich dazu benützen, einen Kontakt mit einer verhältnismässig grossen Andruckkraft bei einer exakten, vorgegebenen Temperatur sicher zu schliessen. Durch mechanische Rückverformung kann dieser Kurzschlusskontakt wieder aufgehoben werden. Dabei lassen sich im Prinzip durch die Legierungszusammensetzung kritische Temperaturen zwischen ca. -50°C und +150° erzielen und zulässige Formänderungen bis 8 %. Entsprechende Formgedächtnislegierungen werden beispielsweise'hergestellt von: Titanium Metals Corporation of America (Toronto, Ohio), Battelle Memorial Institute (Columbus, Ohio) und Fried. Krupp GmbH (Essen), sowie der Firma BBC (Baden/Schweiz).For most applications for surge protection, shape memory alloys that work on the one-way principle have proven to be practical. When the critical temperature is reached, the element deforms back into its original shape. This shape is retained and can be used to securely close a contact with a relatively large pressure force at an exact, predetermined temperature. This short circuit contact can be canceled again by mechanical reshaping. In principle, the alloy composition enables critical temperatures between approx. -50 ° C and + 150 ° to be achieved and permissible shape changes up to 8%. Corresponding shape memory alloys are beispielsweise'hergestellt of: Titanium Metals Corporation of America (Toronto, Ohio), Battelle Memorial Institute (Columbus, Ohio) and F ried. Krup p GmbH (Essen), and the company BBC (Baden / Switzerland).

Für spezielle Anwendungen haben sich jedoch auch Formgedächtnislegierungen, die nach dem Zweiwegprinzip arbeiten, als zweckmässig erwiesen. Diese Legierungen haben die Eigenschaft, dass sie nach Kaltverformung bei einer Erwärmung auf die kritische Temperatur nicht vollständig in die Ausgangsform zurückkehren. Sinkt nun die Temperatur wieder, so ändert sich die Form bei Erreichen einer anderen unteren Schwelle wieder im Sinne einer Kaltverformung. Ein solches Element kann also durch Abkühlung auf eine tiefer liegende Schwellentemperatur wieder zurückgestellt werden, nachdem es bei Erreichen der oberen kritischen Temperatur den Kurzschlusskontakt geschlossen hatte. Ein solches hystereseartiges'Verhalten kann zweckmässig sein, wenn eine automatische Oeffnung des Kurzschlusses nach einer eingetretenen Abkühung erwünscht ist. Wählt man die tiefer liegende Schwellentemperatur durch entsprechende Legierungszusätze so, dass diese unterhalb der Raumtemperatur liegt, so lässt sich der Kurzschluss öffnen, indem das Element aus einer Formgedächtnislegierung bis unter die Raumtemperatur abgekühlt wird. Dies kann beispielsweise durch ein Spraymittel erreicht werden, welches in die Ueberspannungsschutz-Anordnung eingesprüht wird und infolge der Verdunstungskälte eine Abkühlung unter die Raumtemperatur bewirkt. Formgedächtnisliegierungen dieser Art mit Hystereseverhalten wurden beispielsweise von der AG Brown Boveri & Cie. (Baden) entwickelt.However, shape memory alloys that work according to the two-way principle have also proven to be useful for special applications. These alloys have the property that after cold working when heated to the critical temperature they do not completely return to their original shape. If the temperature drops again, the shape changes again in the sense of a cold deformation when another lower threshold is reached. Such an element can therefore be reset by cooling to a lower threshold temperature after it has closed the short-circuit contact when the upper critical temperature has been reached. Such hystereseartiges' behavior can be useful when an automatic opening of the short circuit is desired by a occurred Abkühung. If you select the lower threshold temperature using appropriate alloy additives so that it is below room temperature, the short circuit can be opened by cooling the element from a shape memory alloy to below room temperature. This can be achieved, for example, by means of a spray agent which is sprayed into the overvoltage protection arrangement and, as a result of the evaporative cooling, brings about a cooling below room temperature. Shape memory layers of this type with hysteresis behavior have been developed, for example, by the Brown Boveri & Cie. (Baden) developed.

Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung, sowie weitere Ausgestaltungen und Vorteile derselben, beschrieben.

  • Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Halterung mit einem Ueberspannungsableiter.
  • Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel einer solchen Anordnung.
  • Figur 3 zeigt ein Beispiel eines Ueberspannungsableiters mit Temperaturkontakten.
  • Figur 4 zeigt ein weiteres Beispiel eines solchen Ueberspannungsableiters.
The invention, as well as further refinements and advantages thereof, are described on the basis of the exemplary embodiments illustrated in the figures.
  • FIG. 1 shows a first example of a holder with a surge arrester.
  • Figure 2 shows another example of such an arrangement.
  • Figure 3 shows an example of a surge arrester with temperature contacts.
  • FIG. 4 shows another example of such a surge arrester.

Figur 1 zeigt eine Anordnung, bei welcher ein Ueberspannungsableiter 1, der in einem dazu passenden Halter eingesetzt ist. Der Ueberspannungsableiter kann beispielsweise ein gasgefüllter Keramikableiter aus einer Cerberus-UC-Typenreihe bestehen. Der Halter weist zwei Blattfedern 2 und 3 auf, welche mechanisch so vorgespannt sind, dass sie bestrebt sind, die beiden an ihren freien Enden befestigten Kontakte 4 und 5 zusammenzudrücken und somit einen Kurzschlusskontakt zu bilden.Figure 1 shows an arrangement in which a surge arrester 1, which is inserted in a matching holder. The surge arrester can consist, for example, of a gas-filled ceramic arrester from a Cerberus UC type series. The holder has two leaf springs 2 and 3, which are mechanically preloaded in such a way that they endeavor to press the two contacts 4 and 5 fastened at their free ends and thus to form a short-circuit contact.

Bei zwischen die Blattfedern 2 und 3 eingesetztem Ueberspannungsableiter 3 werden die Kontakte 4 und 5 jedoch auseinandergedrückt gehalten, so dass zwischen diesen eine Grobfunkenstrecke 6 entsteht, welche bei verschiedenen Verwendungen, z.B. in der Telefonie, ohnehin erforderlich oder erwünscht ist.With the surge arrester 3 inserted between the leaf springs 2 and 3, however, the contacts 4 and 5 are kept apart, so that a coarse spark gap 6 is formed between them, which is used for various uses, e.g. in telephony, is required or desired anyway.

Zwischen der oberen Elektrode 8 des Ueberspannungsableiters 1 und der oberen Blattfeder 2 ist ein Bügel oder eine Scheibe 7 aus einer geeigneten Formgedächtnislegierung angebracht. Die Legierung ist so ausgewählt, dass ihre kritische Temperatur derjenigen Temperatur entspricht, bei welcher sich die Kontakte 4 und 5 kurzschliessen sollen. Wird diese kritische Temperatur erreicht, so verbiegt sich der Bügel 7 in einem engen Temperaturbereich, und die Blattfeder 2 entspannt sich, sodass zwischen den Kontakten 4 und 5 ein Kurzschluss entsteht. Die Anordnung kann wieder dadurch betriebsbereit gemacht werden, dass der Bügel 7 aus dem Halter herausgenommen und verbogen wird, sodass er beim Einsetzen die Blattfedern 2 und 3 und die Kontakte 4 und 5 wieder auseinanderdrückt. Die Grösse der Verformung ist dabei völlig unkritisch. Gegebenenfalls ist lediglich noch der Ueberspannungsableiter 1 als einziges Verschleissteil auszutauschen. Eine Beschädigung oder Verschmutzung der Umgebung ist dabei ausgeschlossen. Die Anordnung hat im übrigen den Vorteil, dass die gleichen Halterungen und Ueberspannungsableiter benutzt werden können wie bei vorbekannten Anordnungen mit Lotperle. Im Gegensatz zu diesen letzteren ist die Anordnung mit Formgedächtnislegierung jedoch völlig lageunabhängig und weist zudem eine erheblich bessere Kontaktsicherheit und eine geringere Korrosionsanfälligkeit über längere Zeiträume auf.Between the upper electrode 8 of the surge arrester 1 and the upper leaf spring 2, a bracket or a disk 7 made of a suitable shape memory alloy is attached. The alloy is selected so that its critical temperature corresponds to the temperature at which contacts 4 and 5 should short-circuit. If this critical temperature is reached, the bracket 7 bends in a narrow temperature range and the leaf spring 2 relaxes, so that a short circuit occurs between the contacts 4 and 5. The arrangement can be made ready for operation again by taking the bracket 7 out of the holder and bending it so that it pushes the leaf springs 2 and 3 and the contacts 4 and 5 apart again when inserted. The size of the deformation is completely uncritical. If necessary, only the surge arrester 1 has to be replaced as the only wearing part. Damage or contamination of the environment is excluded. The arrangement also has the advantage that the same brackets and surge arresters can be used as in previously known arrangements with solder bump. In contrast to the latter, however, the arrangement with shape memory alloy is completely independent of the position and also has considerably better contact reliability and less susceptibility to corrosion over longer periods of time.

Figur 2 zeigt eine Anordnung eines Ueberspannungsableiters 11 zwischen zwei leicht vorgespannten Blattfedern 12 und 13, welche an ihrem freien Vorderende wiederum Kurzschlusskontakte 14 und 15 tragen. In diesem Beispiel stehen die Elektroden 18 und 19 des Ueberspannungsableiters 11 beide in direktem Kontakt mit den Blattfedern 12 und 13.FIG. 2 shows an arrangement of an overvoltage arrester 11 between two slightly prestressed leaf springs 12 and 13, which in turn have short-circuit contacts 14 and 15 at their free front end. In this example, the electrodes 18 and 19 of the surge arrester 11 are both in direct contact with the leaf springs 12 and 13.

Das vordere Ende 17 der einen Blattfeder 12 ist nun aus einer geeigneten Formgedächtnislegierung ausgeführt, beispielsweise aus einer Nickel/Titan-Legierung mit einer geringfügigen Menge anderer Legierungszusätze, welche so gewählt werden, dass die gewünschte kritische Temperatur, bei welcher ein Kurzschluss entstehen soll, beispielsweise 700C erreicht wird. Dieses vordere Ende 17 ist nun bei der Herstellung so formiert, dass es derart verbogen ist, dass die beiden Kontakte 14 und 15 auch bei eingesetztem Ueberspannungsableiter 11 geschlossen sind. Nach Einsetzen des Ueberspannungsableiters wird das vordere Ende 17 soweit zurückgebogen, dass die Kontakte 14 und 15 geöffnet sind und sich die Anordnung im Ueberwachungszustand befindet. Steigt nun die Temperatur in der Halterung über die kritische Temperatur der Formgedächtnislegierung des vorderen Endes 17 an, so kehrt dieses Ende in seine ursprüngliche Form zurück und die Kontakte 14 und 15 schliessen sich und bilden einen Kurzschluss. Nach Aufhören der Störung kann das Ende 17 wieder zurückgebogen und der Kurzschluss damit beseitigt werden. Bei den üblichen Formgedächtnislegierungen ist dabei eine mehrhundertfache Wiederholung möglich ohne Beeinträchtigung der Funktion. Vorteilhaft ist dabei, dass in diesem Beispiel die Zahl der Kontakte auf ein Minimum beschränkt ist und die Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft auf einfachst mögliche Weise erfolgen kann.The front end 17 of the one leaf spring 12 is now made of a suitable shape memory alloy, for example of a nickel / titanium alloy with a small amount of other alloy additives, which are selected so that the desired critical temperature at which a short circuit is to occur, for example 70 0 C is reached. During manufacture, this front end 17 is now shaped such that it is bent such that the two contacts 14 and 15 are closed even when the surge arrester 11 is inserted. After inserting the surge arrester, the front end 17 is bent back so far that the contacts 14 and 15 are open and the arrangement is in the monitored state. If the temperature in the holder now rises above the critical temperature of the shape memory alloy of the front end 17, this end returns to its original shape and the contacts 14 and 15 close and form a short circuit. After the fault has ended, the end 17 can be bent back again and the short circuit can thus be eliminated. The usual shape memory alloys can be repeated several hundred times without impairing their function. It is advantageous that in this example the number of contacts is kept to a minimum and that the operational readiness can be restored in the simplest possible way.

In Figur 3 ist ein Ueberspannungsableiter 21 dargestellt, auf dessen Elektroden 22 und 23 blattförmige Teile 24 und 25 aus einer Formgedächtnislegierung aufgesetzt sind. Die vorderen Enden 26 und 27 dieser beiden Teile 24 und 25 sind in Richtung der Mitte des Ueberspannungsableiters 21 umgebogen und zwar so, dass sie ein wenig übereinandergreifen.FIG. 3 shows an overvoltage arrester 21, on the electrodes 22 and 23 of which sheet-shaped parts 24 and 25 made of a shape memory alloy are placed. The front ends 26 and 27 of these two parts 24 and 25 are bent in the direction of the center of the surge arrester 21 in such a way that they overlap a little.

In diesem Fall sind die blattförmigen Teile 24 und 25 aus einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt oder mit Hysteresewirkung ausgeführt. Dabei wird die Verformung so gewählt, dass die vorderen Enden sich bei der oberen oder kritischen Temperatur berühren, also die Elektroden kurzschliessen, während sie bei der unteren Schwellentemperatur voneinander entfernt sind, also keinen Kontakt miteinander bilden. Die Bewegungsrichtung der beiden Elemente ist dabei zweckmässigerweise gegenläufig.In this case, the sheet-shaped parts 24 and 25 are made of a shape memory alloy with a two-way effect or with a hysteresis effect. The deformation is selected so that the front ends touch at the upper or critical temperature, i.e. short-circuit the electrodes, while they are apart from each other at the lower threshold temperature, ie they do not make contact with one another. The direction of movement of the two elements is expediently opposite.

Für viele Verwendungszwecke ist es dabei zweckmässig, dass die untere Schwellentemperatur der Formgedächtnislegierung so gewählt wird, dass sie oberhalb der normalen Raumtemperatur oder der Betriebstemperatur liegt. Dies ist besonders dann zweckmässig, wenn der Ueberspannungsableiter nach dem Zünden, verursacht durch einen Spannungsstoss gezündet bleibt, wobei die Brennspannung der Gasentladung unterhalb der normalen Betriebsspannung der Anlage liegt. Durch die allmähliche Temperaturerhöhung schaltet das Element aus einer Formgedächtnislegierung nach einer gewissen Zeit, der Ableiter löscht und nach Abkühlung unter die untere Schwellentemperatur wird der ursprüngliche Ueberwachungszustand sofort ohne Eingreifen des Bedienungspersonals erreicht. Eine solche Anordnung ist also weitgehend bedienungsfrei.For many purposes, it is expedient that the lower threshold temperature of the shape memory alloy is selected so that it is above normal room temperature or the operating temperature. This is particularly expedient if the surge arrester remains ignited after ignition, caused by a voltage surge, the operating voltage of the gas discharge being below the normal operating voltage of the system. Due to the gradual increase in temperature, the element made of a shape memory alloy switches after a certain time, the arrester extinguishes and, after cooling below the lower threshold temperature, the original monitoring state is reached immediately without intervention by the operating personnel. Such an arrangement is therefore largely unattended.

Figur 4 zeigt einen ähnlichen Ueberspannungsableiter 31 mit zwei Elektroden 32 und 33, auf welche einerseits ein Element 34 aus einer Formgedächtnislegierung, dessen Vorderseite 36 ebenfalls zur Mitte zurückgebogen ist, und auf der anderen Seite einen festen, ebenfalls zurückgebogenen Kontakt 35 aufgesetzt ist. Das Element 34 ist nun so formiert, dass bei Ueberschreitung seiner kritischen Temperatur das vordere Ende 36 mit dem umgebogenen Ende des festen Kontaktstückes 35 einen Kurzschluss bildet. Bei Ausbildung des Elementes 34 aus einer Formgedächtnislegierung, die nach dem Einwegprinzip arbeitet, kann die Rückstellung nach Ansprechen bei erhöhter Temperatur durch einfaches Drücken auf das freie Ende 36 erfolgen. Andererseits kann das Element 34 auch aus einer Formgedächtnislegierung ausgebildet sein, die nach dem Zweiwegprinzip arbeitet, wobei die untere Schwellentemperatur unterhalb der Raumtemperatur liegen kann. Eine Rückstellung eines solchen Elementes nach dem Ansprechen kann beispielsweise durch Einsprühen eines schnellverdampfenden Spraymittels erfolgen. Durch die Verdunstungskälte wird dabei das Element 34 bzw. dessen Vorderende 36 soweit abgekühlt, dass der Kurzschluss geöffnet wird. Eine Rückstellung kann also hierbei ohne mechanische Einwirkung erfolgen.FIG. 4 shows a similar surge arrester 31 with two electrodes 32 and 33, on which on the one hand an element 34 made of a shape memory alloy, the front side 36 of which is also bent back towards the center, and on the other side a fixed, also bent back contact 35 is placed. The element 34 is now formed in such a way that when its critical temperature is exceeded, the front end 36 with the bent end of the fixed contact piece 35 forms a short circuit. If the element 34 is formed from a shape memory alloy, which works on the one-way principle, the reset can take place after response at elevated temperature by simply pressing on the free end 36. On the other hand, the element 34 can also be formed from a shape memory alloy that works according to the two-way principle, wherein the lower threshold temperature can be below room temperature. Such an element can be reset after the response, for example, by spraying in a rapidly evaporating spray. The element 34 or its front end 36 is cooled to such an extent by the evaporative cooling that the short circuit is opened. A resetting can therefore take place without mechanical action.

Es sei bemerkt, dass sich die in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ueberspannungsableiter in normale handelsübliche Fassungen einsetzen lassen, wobei die Vorteile solcher Fassungen bezüglich Kontaktsicherheit und Langzeitstabilität erhalten bleiben, trotzdem jedoch ein sicherer Ueberspannungsschutz gewährleistet ist, welcher reversibel und verschleissfrei ist.It should be noted that the surge arresters shown in FIGS. 3 and 4 can be used in normal, commercially available sockets, the advantages of such sockets in terms of contact security and long-term stability being retained, but nevertheless ensuring reliable overvoltage protection which is reversible and free of wear.

Claims (8)

1. Anordnung zum Ueberspannungsschutz elektrischer Einrichtungen mit einer parallel zur geschützten Einrichtung geschalteten Spannungsbegrenzungsstrecke, welche bei Ueberschreitung einer kritischen Spannung die an der Einrichtung liegende Spannung auf einen unschädlichen Wert herabsetzt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element (7, 17, 24, 25, 34, 35) aus einer Formgedächtnislegierung mit einer bestimmten kritischen Temperatur vorgesehen ist, welches bei Ueberschreitung dieser kritischen Temperatur einen die Spannungsbegrenzungsstrecke (1, 11, 21, 31) überbrückenden Kontakt schliesst.1. Arrangement for overvoltage protection of electrical devices with a voltage limiting path connected in parallel with the protected device, which reduces the voltage at the device to a harmless value when a critical voltage is exceeded, characterized in that an element (7, 17, 24, 25, 34 , 35) made of a shape memory alloy with a certain critical temperature is provided, which closes a contact bridging the voltage limiting path (1, 11, 21, 31) when this critical temperature is exceeded. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (7) aus einer Formgedächtnislegierung zwischen einer Elektrode (8) eines Ueberspannungsableiters (1) und einem federnden Element (2) einer Ueberspannungsableiter-Halterung so angebracht ist, dass es im kaltverformten Zustand zwei mit Elementen (2, 3) der Halterung verbundene Kontakte (4, 5) auseinanderdrückt, bei Erreichen seiner kritischen Temperatur jedoch seine Form so verändert, dass die Kontakte (4, 5) einen Kurzschluss bilden.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the element (7) made of a shape memory alloy between an electrode (8) of a surge arrester (1) and a resilient element (2) of a surge arrester holder is attached so that it is in the cold-formed state pushes apart two contacts (4, 5) connected to elements (2, 3) of the holder, but changes its shape when its critical temperature is reached so that the contacts (4, 5) form a short circuit. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (17) aus einer Formgedächtnislegierung aus einem Teil einer Ueberspannungsableiter-Halterung (12, 13) besteht und so ausgebildet ist, dass es nach Ueberschreitung seiner kritischen Temperatur zwei Kontakte (14, 15), die mit entgegengesetzten Polen der Halterung (12, 13) verbunden sind, kurzschliesst, bei Kaltverformung diese Kontakte (14, 15) jedoch öffnet.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the element (17) consists of a shape memory alloy from a part of a surge arrester holder (12, 13) and is designed such that it has two contacts (14, 15 ), which are connected to opposite poles of the holder (12, 13), short-circuits, but opens these contacts (14, 15) when cold-formed. 4. Anordnung nach Anspruch 1 mit einem Ueberspannungsableiter (21, 31), bei dem wenigstens eine Elektrode (22, 23, 32) mit einem Element (24, 25, 34) aus einer Formgedächtnislegierung verbunden ist, welches so ausgebildet und angeordnet ist, dass es bei Ueberschreitung seiner kritischen Temperatur einen mit der anderen Elektrode (23, 33) verbundenen Gegenkontakt (25, 35) kurzschliesst, bei Rückverformung jedoch öffnet.4. Arrangement according to claim 1 with an overvoltage arrester (21, 31), in which at least one electrode (22, 23, 32) is connected to an element (24, 25, 34) made of a shape memory alloy, which is designed and arranged in this way, that when its critical temperature is exceeded it short-circuits a counter-contact (25, 35) connected to the other electrode (23, 33), but opens when it is deformed. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus einer Formgedächtnislegierung Nickel/Titan als Grundmaterialien enthält.5. Arrangement according to one of claims 1-4, characterized in that the element of a shape memory alloy contains nickel / titanium as base materials. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung wenigstens einen aus der Gruppe der Elemente Kupfer, Aluminium, Silizium, Eisen, Kobalt, Mangan und Valadium ausgewählten Zusatz enthält.6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the shape memory alloy contains at least one selected from the group of elements copper, aluminum, silicon, iron, cobalt, manganese and valadium. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche l - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung so zusammengesetzt ist, dass sie nach dem Einwegprinzip arbeitet und so angeordnet ist, dass sie nach der Kurzschlussbildung und nachfolgender Abkühlung unter die kritische Temperatur mechanisch verformt werden kann, wobei der Kurzschluss beseitigt wird.7. Arrangement according to one of claims 1-4, characterized in that the shape memory alloy is composed so that it works according to the one-way principle and is arranged so that it can be mechanically deformed after the short-circuit formation and subsequent cooling below the critical temperature, wherein the short circuit is eliminated. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgedächtnislegierung so gewählt ist, dass sie nach dem Zweiwegprinzip arbeitet, wobei die Rückkehr in die eingeprägte Lage unter Kurzschlussbildung bei Ueberschreitung der kritischen Temperatur stattfindet und eine Rückverformung unter Oeffnung des Kurzschlusses bei der Abkühlung unter eine tiefer liegende untere Schwellentemperatur.8. Arrangement according to one of claims 1-4, characterized in that the shape memory alloy is selected so that it works according to the two-way principle, the return to the embossed position taking place with a short circuit when the critical temperature is exceeded and a recovery under open short circuit when cooling below a lower threshold temperature.
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