EP2355274B1 - Electrical surge protection element - Google Patents

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Publication number
EP2355274B1
EP2355274B1 EP11001035.2A EP11001035A EP2355274B1 EP 2355274 B1 EP2355274 B1 EP 2355274B1 EP 11001035 A EP11001035 A EP 11001035A EP 2355274 B1 EP2355274 B1 EP 2355274B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
overvoltage protection
overvoltage
protection element
display
thermally activatable
Prior art date
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Active
Application number
EP11001035.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2355274A1 (en
Inventor
Rainer Dipl.-Ing. Durth
Christian Dipl.-Ing. Depping
Thomas Meyer
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.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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 Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP2355274A1 publication Critical patent/EP2355274A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP2355274B1 publication Critical patent/EP2355274B1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • H01T1/12—Means structurally associated with spark gap for recording operation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H01C7/126—Means for protecting against excessive pressure or for disconnecting in case of failure

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection element having a housing, with at least one overvoltage limiting component arranged in the housing, with connecting elements for electrically connecting the overvoltage protection element to the current or signal path to be protected and with a status display having a display element for indicating the state of the overvoltage protection element.
  • overvoltage limiting components arranged in an overvoltage protection element are subject to progressive degradation, i. an aging-related change in the parameters of the overvoltage limiting components. Over the course of time, the degradation process can lead to a failure of the surge arrester during a discharge process or even under grid conditions.
  • Varistors "old” both with applied operating voltage as well as each occurring discharge. As the degradation progresses, the resistance in the "non-conductive" state of the varistor is reduced in the first place, so that the occurring leakage current increases, which leads to a heating of the varistor. This heating of the varistor is used in the known overvoltage protection elements to trigger a separation mechanism from a predetermined temperature, which electrically disconnects the varistor from the current or signal path to be protected.
  • an overvoltage protection element in which the monitoring of the state of a varistor according to the principle of a temperature switch, so that when overheating of the varistor a provided between the varistor and a separator solder joint is separated, resulting in an electrical separation of the varistor.
  • a plastic element is pushed by the restoring force of a spring from a first position to a second position in which the formed as a resilient metal tongue separating element is thermally and electrically separated from the varistor by the plastic element, so that a possibly between the metal tongue and the contact point of the varistor arcing arc is deleted. Since the plastic element has two juxtaposed colored markings, it also acts as an optical status indicator, whereby the state of the overvoltage protection element - functional (green) or separated (red) - can be read directly on the spot.
  • the DE 10 2007 006 617 B3 discloses an overvoltage protection element comprising two overvoltage-limiting components arranged in a housing, in which the two overvoltage-limiting components, which may be two varistor disks, are individually separated in the event of overheating.
  • the optical status display thus the three different states - both varistors functional, a varistor no longer functional and separated, both varistors no longer functional and separated - are displayed. Even with this overvoltage protection element, however, the optical status display only indicates whether one or both varistors are functional or not. An additional indication of the state of a still functional varistor is not provided in the known overvoltage protection elements.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an overvoltage protection element described above, which in the simplest possible way a statement or a conclusion on the state of the overvoltage protection element permits.
  • thermoly activatable endothermic material is provided that is in thermal contact with the overvoltage limiting component as well as in mechanical contact with the display element of the status display, wherein in a heating of the overvoltage limiting component above a determined minimum temperature, the display element due to an expansion of the thermally activated endothermic material performs a position change whose size is a measure of the heating of the overvoltage limiting component.
  • the invention is based on the finding that for a surge-limiting component, a maximum energy can be determined or determined, which can implement or implement the device over its lifetime, without causing a critical change in the nominal parameters of the device. If this maximum energy has been implemented, then typical parameters of the overvoltage protection element, for example the maximum pulse strength, the leakage current behavior or the network follow current behavior may be impaired, so that the overvoltage protection element should be replaced.
  • the invention is also based on the finding that an energy conversion in the overvoltage limiting component always leads to a heating of the device, wherein the heating represents a direct measure of the internal energy expenditure. Starting at a component-specific temperature threshold, the heating of the component, which occurs, for example, when a surge current is dissipated, represents a proportional measure of the degradation of the overvoltage-limiting component.
  • the heat emitted by the overvoltage limiting component due to the energy converted is used to activate an endothermic chemical or physical process.
  • the thermally activated endothermic material which is arranged in thermal contact with the overvoltage limiting component, thereby assumes both the function of a sensor which detects the heating of the overvoltage limiting component, as well as the function of an actuator which actuates the display element of the status display.
  • blowing agents may also be used or incorporated into the materials, which are e.g. Liquid-filled plastic beads contain, which expand when heated due to the ball-internal pressure increase.
  • the minimum temperature at which the material expands should correspond approximately to the temperature at which degradation of the overvoltage limiting component is to be expected.
  • Each heating of the overvoltage limiting component - caused by an energy conversion in the interior of the component - above the minimum temperature then leads to an expansion of the thermally activated endothermic material and thus to a corresponding change in position of the display element of the status display.
  • the thermally activatable endothermic material is such that the expansion of the material which has occurred above a certain minimum temperature due to heating of the overvoltage limiting component is irreversible. An expansion of the material due to a certain heating thus remains, even if the overvoltage limiting component and also the material have cooled down again.
  • a certain change in position of the display element of the status display can be caused both by the single turnover of a large amount of energy and the resulting strong heating of the overvoltage limiting component as well as by the successive implementation of several smaller amounts of energy and the resulting multiple, each lower heating of the device.
  • the damage of surge arresters, in particular of spark gaps and varistors, takes place according to a nonlinear curve as a function of the pulse height and the heating.
  • One-time very high pulses with the consequence of very high heating have a significantly higher damaging influence than several pulses of medium power and heating. Small impulses hardly heat the varistor and, even with a very high number, do not cause any noticeable damage. This behavior corresponds in a very good way with the progress of the expansion of suitable blowing agents, which show almost no reaction below a threshold temperature and show a disproportionate reaction when heated very strongly.
  • the amount, the arrangement and the nature of the thermally activated endothermic material is selected such that the material then reaches its maximum extent when the overvoltage limiting device has implemented the amount of energy that maximally implement it over its lifetime may or should. If the previously determined maximum energy has been converted in the overvoltage limiting component so that the end of the prescribed service life of the component has been reached, the endothermic material should also have reached its maximum extent.
  • the maximum change in position of the display element of the status display can be set in a simple manner at the same time, so that the residual life of the overvoltage limiting component that remains is recognizable on the basis of the position of the display element.
  • thermally activatable endothermic material for example, a material with memory effect can be used.
  • materials with memory effect both plastics and metals are known, wherein the utilization of the so-called one-way memory effect, the aforementioned preferred irreverisible expansion of the material can be achieved.
  • an intumescent material which is preferably composed of a low-melting plastic, for example polyethylene (PE) or polypropylene (PP), and a blowing agent can also be used as thermally activatable endothermic material.
  • a low-melting plastic for example polyethylene (PE) or polypropylene (PP)
  • PP polypropylene
  • the mixture of blowing agents with polyolefins and waxes has proven to be particularly advantageous, which become liquid or viscous even at a temperature below the expansion temperature of the blowing agent.
  • the intumescent material may be in a solid state. If the temperature of the intumescent material increases due to heating of the overvoltage-limiting component, the intumescent material changes its state of aggregation and becomes liquid. After exceeding a certain temperature, the intumescent material reacts with a strong volume increase; the intumescent material foams up.
  • This increase in volume of an intumescent material caused by the temperature rise can be used in the overvoltage protection element according to the invention to change the position of the display element of the status display. If the intumescent material is only heated for a short time, or only to a relatively low temperature above the minimum temperature, this results in only a part of the intumescent Material reacts, ie foams.
  • the increase in volume of the intumescent material then represents - intentionally - a measure of the heating of the intumescent material and thus a measure of the energy conversion in the overvoltage-limiting component.
  • thermally activatable endothermic material relative to the overvoltage limiting component and relative to the display element of the status display, there are various possibilities, such an arrangement is advantageous, which ensures a good and most durable thermal contact between the overvoltage limiting component and the material.
  • a rod-shaped actuating element is arranged between the thermally activated endothermic material and the display element of the status display, which is connected at its one end to the display element and at its other end with a piston.
  • the thermally activatable material is arranged in a housing, in which the piston and a part of the actuating element are arranged displaceably, so that the piston can be moved in acting as a kind of cylinder housing by the propagating material.
  • the housing which accommodates the endothermic material and the piston and a part of the actuating element, is in thermal contact with the overvoltage limiting component, for which purpose the housing can be fastened directly to an outer side of the overvoltage limiting component, for example a disk-shaped varistor. It has proven to be advantageous if the housing consists of a material of high thermal conductivity, in particular has a thermal conductivity which is greater than that of the thermally activated endothermic material. Thereby, the risk of thermal decoupling by an already partially expanded material can be largely avoided.
  • a spring element can be arranged within the housing, the spring force of which counteracts the compressive force generated by the expansion of the thermally activatable endothermic material Material works.
  • the spring element which may be, for example, a cylinder spring, for example, be clamped between the endothermic material facing away from the side of the piston of the actuating element and the opposite inner wall of the housing and surrounding the actuating element concentric.
  • thermoelectric elements are preferably formed integrally with the housing. If the thermally activated endothermic material is an intumescent material, the thermoconductive elements preferably protrude into the intumescent material or are surrounded by the intumescent material, the thermoconductive elements having a length greater than the corresponding extent of the intumescent material in the unexpanded state. This ensures that, even in the already (partially) expanded state of the intumescent material, good heat is introduced via the thermo-conducting elements into the intumescent material.
  • an actively heating element can be used, which is in thermal contact with the thermally activatable endothermic material, so that heating of the actively heating element leads to heating of the thermally activatable endothermic material. So that the active heating element only heats up when the overvoltage limiting component also heats up, the actively heating element is connected in series with the overvoltage limiting component. A leakage current flowing through the overvoltage limiting component then also flows through the heating element, resulting in the desired heating thereof. Good thermal contact between the active heating element and the endothermic material can be ensured by the fact that the heating element is embedded in the endothermic material.
  • a semiconductor resistor in particular a PTC thermistor (PCT resistor) can be used.
  • the status display has a display element.
  • the status display can only be an optical status display, in which case the optical status display also has an optical display device, in particular a display scale, in addition to the display element.
  • the display element can also cooperate with an electrical display device, in particular a slide potentiometer, so that the status display not only represents an optical but also an electrical status display.
  • the electrical display can be used in particular also for remote notification of the state of the overvoltage protection element to a control station.
  • the state of the overvoltage limiting component is not (only) displayed via an analogue display scale
  • an incremental encoder can be used for this purpose. Such a digitized value can then be processed particularly easily.
  • an additional switch is provided, which is then actuated when the thermally activatable endothermic material has reached its maximum extent.
  • the actuation of the switch can preferably take place via the end of the rod-shaped actuating element, which is also connected to the display element.
  • Upon actuation of the switch while another display is activated by the end of the life of the overvoltage limiting component can be electrically, visually and / or acoustically displayed.
  • the switch can in turn be used preferably for remote signaling of the state of the overvoltage protection element.
  • FIG. 1 The figures show various embodiments of an overvoltage protection element 1 according to the invention with a - in the Fig. 1 and 2 Dashed lines shown - housing 2, in which a schematically illustrated overvoltage limiting component 3 is arranged, which may be, for example, a varistor.
  • a spark gap or a gas-filled surge arrester can in principle also be used.
  • To the overvoltage protection element 1 also includes a display element 4 having state display 5, wherein the status display is arranged in the practical realization of the overvoltage protection element 1 in the housing 2, that the status display 5 from outside the housing 2, for example, by a corresponding window is visible ,
  • the one end 8 of the rod-shaped actuating element 7 is connected directly to the display element 4; in the exemplary embodiments triangular display element 4 is attached to the end 8 of the rod-shaped actuating element 7.
  • a piston 10 is fixed, wherein the piston 10 is arranged displaceably together with a part of the rod-shaped actuating element 7 in a housing 11 acting as a cylinder. Since in the housing 11 on the side facing away from the actuating element 7 of the piston 10 and the intumescent material 6 is arranged, the piston 10 by an expanding material 6 of this within the housing 11 - in the illustration according to the Fig. 1 to 4 to the right - shifted, so that the display element 4 shifts in the state indicator 5.
  • the Fig. 1 and 2 show the display element 4 both in the unheated, ie not expanded state of the thermally activated endothermic material 6 (solid line) and at maximum expanded material 6 (dashed line), in which the display element 4 in its the end of life of the overvoltage limiting device 3 indicating End position is located.
  • a spring element 12 in the form of a cylindrical spring concentric with the rod-shaped actuating element 7 is arranged.
  • the cylinder spring 12 is supported on the one hand on the side facing away from the intumescent material 6 of the piston 10 and on the other hand on the opposite inner wall 13 of the housing 11 from.
  • the spring force The cylinder spring 12 thus counteracts the pressure force which acts on the piston 10 when the material 6 expands.
  • the Fig. 3 and 4 each show only a part of the overvoltage protection element 1 according to the invention, namely in each case only the housing 11 with the intumescent material 6 arranged therein and the piston 10 and a part of the rod-shaped actuating element 7.
  • the housing 11 has a plurality of thermoconductive elements 14, which extend in the longitudinal direction of the housing 11 and thus also in the direction of displacement of the piston 10. Due to the arrangement of the thermo-conducting elements 14, the heat transferred from the overvoltage-limiting component 3 to the housing 11 is introduced into the intumescent material 6 over a large area, so that the material 6 heats up relatively uniformly.
  • FIG. 4 shows two representations of the housing 11, once with an unexpanded intumescent material 6 (FIG. Fig. 4a ) and once with a maximum expanded intumescent material 6 ( Fig. 4b ).
  • the intumescent material 6 is disposed within the housing 11 in an additional expandable sheath 15, so that when expanding the material 6, a part of the force for stretching the sheath 15 must be expended.
  • the sheath 15 also serves in particular to prevent sticking of the expanding intumescent material 6 on the inner wall of the housing 11.
  • the status display 5 for easy readability of the position of the display element 4 has an optical display device 17 in the form of a display scale. With the help of the display scale 17 while the remaining life of the overvoltage limiting device 3 can be easily displayed, so that can be detected quickly and easily on site when an overvoltage protection element 1 should be replaced.
  • the display element 4 is also connected to an electrical display device 18 in the form of a sliding potentiometer, so that the state of the overvoltage protection element 1 can also be electrically detected or displayed via a corresponding remote message at a central location.
  • the overvoltage protection element 1 also has a switch 19 which is actuated when the thermally activatable endothermic material 6 has reached its maximum extent. Via the switch 19, an additional display can then be activated which indicates the end of the service life of the overvoltage limiting component 3 electrically, visually and / or acoustically.
  • the switch 19 may also be designed as a telecommunications contact, so that a simple Femüberwachung the state of the overvoltage protection element 1 is possible.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse, mit mindestens einem in dem Gehäuse angeordneten überspannungsbegrenzenden Bauelement, mit Anschlusselementen zum elektrischen Anschluss des Überspannungsschutzelements an den zu schützenden Strom- oder Signalpfad und mit einer ein Anzeigeelement aufweisenden Zustandsanzeige zur Anzeige des Zustandes des Überspannungsschutzelements.The invention relates to an overvoltage protection element having a housing, with at least one overvoltage limiting component arranged in the housing, with connecting elements for electrically connecting the overvoltage protection element to the current or signal path to be protected and with a status display having a display element for indicating the state of the overvoltage protection element.

Die in einem Überspannungsschutzelement angeordneten überspannungsbegrenzenden Bauelemente, insbesondere Varistoren und Funkenstrecken, unterliegen einer fortschreitenden Degradation, d.h. einer alterungsbedingten Veränderung der Parameter der überspannungsbegrenzenden Bauelemente. Der Degradationsprozess kann dabei im Laufe der Zeit zu einem Versagen des Überspannungsableiters während eines Ableitvorganges oder auch unter Netzbedingungen führen.The overvoltage limiting components arranged in an overvoltage protection element, in particular varistors and spark gaps, are subject to progressive degradation, i. an aging-related change in the parameters of the overvoltage limiting components. Over the course of time, the degradation process can lead to a failure of the surge arrester during a discharge process or even under grid conditions.

Varistoren "altem" sowohl bei anliegender Betriebsspannung als auch bei jedem auftretenden Ableitvorgang. Mit fortschreitender Degradation verringert sich dabei in erster Linie der Widerstand im "nicht leitenden" Zustand des Varistors, so dass sich der auftretende Leckstrom erhöht, was zu einer Erwärmung des Varistors führt. Diese Erwärmung des Varistors wird bei den bekannten Überspannungsschutzelementen dazu genutzt, um ab einer vorgegebenen Temperatur einen Abtrennmechanismus auszulösen, der den Varistor von dem zu schützenden Strom- oder Signalpfad elektrisch abtrennt.Varistors "old" both with applied operating voltage as well as each occurring discharge. As the degradation progresses, the resistance in the "non-conductive" state of the varistor is reduced in the first place, so that the occurring leakage current increases, which leads to a heating of the varistor. This heating of the varistor is used in the known overvoltage protection elements to trigger a separation mechanism from a predetermined temperature, which electrically disconnects the varistor from the current or signal path to be protected.

Im Unterschied zu Varistoren "altem" Funkenstrecken in der Regel nur während des Ableitprozesses. Der im Ableitfall zwischen den Elektroden einer Funkenstrecke anstehenden Lichtbogen führt zu einem zu einer Schädigung der Elektroden selber, zum anderen auch zu einer Schädigung der die Elektroden umgebenden Isolationsteile. Dabei ist der Zustand der inneren Bauteile einer Funkenstrecke in der Regel nicht bekannt und kann auch nur sehr begrenzt durch Messungen innerhalb bestimmter Prüfzyklen ermittelt werden. Ein Abtrennmechanismus wie bei Varistoren ist bei Funkenstrecken in der Regel nicht vorgesehen.In contrast to varistors "old" spark gaps usually only during the dissipation process. The in the Ableitfall between the electrodes of a spark gap upcoming arc leads to a damage to the electrodes themselves, on the other hand to damage the surrounding the electrodes insulation parts. In this case, the state of the internal components of a spark gap is generally unknown and can only be determined very limited by measurements within certain test cycles. A separation mechanism as in varistors is usually not provided for spark gaps.

Aus der DE 44 13 057 A1 ist ein Verfahren zum Erfassen von Blitz- oder Stoßströmen bekannt, bei dem ein vormagnetisierter Datenträger in räumlicher Nähe zu einem von dem Blitz- oder Stoßstrom durchflossenen Leiter angeordnet wird, was zu einer Veränderung der Magnetisierung des Datenträgers führt. Die Änderung der Magnetisierung des Datenträgers kann dann mittels eines Lesegeräts, in den der Datenträger eingesteckt werden muss, erfasst und ausgewertet werden. Dieses Verfahren erfordert zum einen eine aktive Durchführung durch entsprechend geschultes Personal, zum anderen kann nur die jeweils maximal aufgetretene Magnetisierung bzw. Magnetisierungsänderung gemessen und ausgewertet werden, so dass beispielsweise mehrere kleinere Impulse vor oder nach dem maximalen Stoßstrom nicht erkannt werden. Mit diesem Verfahren lässt sich somit nur die maximale Stromstärke eines Blitz- oder Stoßstromes ermitteln; eine Aussage über den Zustand eines Ableiters lässt sich daraus jedoch nicht ohne weiteres ableiten.From the DE 44 13 057 A1 For example, there is known a method of detecting lightning or surge currents in which a biased data carrier is placed in close proximity to a conductor through which the lightning or surge current flows, resulting in a change in the magnetization of the data carrier. The change in the magnetization of the data carrier can then be detected and evaluated by means of a reader into which the data carrier must be inserted. On the one hand, this method requires active implementation by suitably trained personnel; on the other hand, only the respectively maximum magnetization or magnetization change that has occurred can be measured and evaluated so that, for example, several smaller pulses are not detected before or after the maximum surge current. With this method, only the maximum current intensity of a lightning or surge current can thus be determined; However, a statement about the state of an arrester can not be deduced from this without further ado.

Aus der DE 20 2004 006 227 U1 ist ein Überspannungsschutzelement bekannt, bei dem die Überwachung des Zustands eines Varistors nach dem Prinzip eines Temperaturschalters erfolgt, so dass bei Überhitzung des Varistors eine zwischen dem Varistor und einem Trennelement vorgesehene Lötverbindung aufgetrennt wird, was zu einem elektrischen Abtrennen des Varistors führt. Außerdem wird beim Auftrennen der Lötverbindung ein Kunststoffelement durch die Rückstellkraft einer Feder aus einer ersten Position in eine zweite Position geschoben, in der das als federnde Metallzunge ausgebildete Trennelement durch das Kunststoffelement thermisch und elektrisch vom Varistor getrennt ist, so dass ein eventuell zwischen der Metallzunge und der Kontaktstelle des Varistors anstehender Lichtbogen gelöscht wird. Da das Kunststoffelement zwei nebeneinander angeordnete farbige Markierungen aufweist, fungiert es zusätzlich als optische Zustandsanzeige, wodurch der Zustand des Überspannungsschutzelements - funktionstüchtig (grün) oder abgetrennt (rot) - direkt vor Ort abgelesen werden kann.From the DE 20 2004 006 227 U1 an overvoltage protection element is known, in which the monitoring of the state of a varistor according to the principle of a temperature switch, so that when overheating of the varistor a provided between the varistor and a separator solder joint is separated, resulting in an electrical separation of the varistor. In addition, when separating the solder joint, a plastic element is pushed by the restoring force of a spring from a first position to a second position in which the formed as a resilient metal tongue separating element is thermally and electrically separated from the varistor by the plastic element, so that a possibly between the metal tongue and the contact point of the varistor arcing arc is deleted. Since the plastic element has two juxtaposed colored markings, it also acts as an optical status indicator, whereby the state of the overvoltage protection element - functional (green) or separated (red) - can be read directly on the spot.

Die DE 10 2007 006 617 B3 offenbart ein Überspannungsschutzelement, mit zwei in einem Gehäuse angeordneten überspannungsbegrenzenden Bauelementen, bei dem die beiden überspannungsbegrenzenden Bauelemente, bei denen es sich um zwei Varistorscheiben handeln kann, bei Überhitzung einzeln abgetrennt werden. Durch eine als Drehanzeige ausgebildete optische Zustandsanzeige wird das Auftrennen einer oder beider Lötverbindungen angezeigt. Durch die optische Zustandsanzeige können somit die drei unterschiedlichen Zustände - beide Varistoren funktionsfähig, ein Varistor nicht mehr funktionsfähig und abgetrennt, beide Varistoren nicht mehr funktionsfähig und abgetrennt - angezeigt werden. Auch bei diesem Überspannungsschutzelement wird durch die optische Zustandsanzeige jedoch nur angezeigt, ob eine oder beide Varistoren funktionsfähig sind oder nicht. Eine darüber hinausgehende Anzeige des Zustands eines noch funktionstüchtigen Varistors ist bei den bekannten Überspannungsschutzelementen nicht vorgesehen.The DE 10 2007 006 617 B3 discloses an overvoltage protection element comprising two overvoltage-limiting components arranged in a housing, in which the two overvoltage-limiting components, which may be two varistor disks, are individually separated in the event of overheating. By a designed as a rotary display optical status display the separation of one or both solder joints is indicated. By the optical status display thus the three different states - both varistors functional, a varistor no longer functional and separated, both varistors no longer functional and separated - are displayed. Even with this overvoltage protection element, however, the optical status display only indicates whether one or both varistors are functional or not. An additional indication of the state of a still functional varistor is not provided in the known overvoltage protection elements.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein eingangs beschriebenes Überspannungsschutzelement zur Verfügung zu stellen, welches auf möglichst einfache Art und Weise eine Aussage bzw. einen Rückschluss auf den Zustand des Überspannungsschutzelements zulässt.The present invention is therefore based on the object to provide an overvoltage protection element described above, which in the simplest possible way a statement or a conclusion on the state of the overvoltage protection element permits.

Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsschutzelement dadurch gelöst, dass ein thermisch aktivierbares endothermes Material vorgesehen ist, dass sowohl in thermischem Kontakt mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement als auch in mechanischem Kontakt mit dem Anzeigeelement der Zustandsanzeige steht, wobei bei einer Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements oberhalb einer bestimmten Mindesttemperatur das Anzeigeelement aufgrund einer Ausdehnung des thermisch aktivierbaren endothermen Materials eines Positionsveränderung vollzieht, deren Größe ein Maß für die Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements ist.This object is achieved in the above-described overvoltage protection element in that a thermally activatable endothermic material is provided that is in thermal contact with the overvoltage limiting component as well as in mechanical contact with the display element of the status display, wherein in a heating of the overvoltage limiting component above a determined minimum temperature, the display element due to an expansion of the thermally activated endothermic material performs a position change whose size is a measure of the heating of the overvoltage limiting component.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für ein überspannungsbegrenzendes Bauelement eine maximale Energie bestimmt oder festgelegt werden kann, die das Bauelement über seine Lebensdauer umsetzen kann bzw. umsetzen soll, ohne dass es zu einer kritischen Veränderung der Nennparameter des Bauelements kommt. Ist diese maximale Energie umgesetzt worden, so können typische Parameter des Überspannungsschutzelements, z.B. die maximale Pulsfestigkeit, das Leckstromverhalten oder das Netzfolgestromverhalten beeinträchtigt sein, so dass das Überspannungsschutzelement ausgetauscht werden sollte. Der Erfindung liegt darüber hinaus die Erkenntnis zugrunde, dass ein Energieumsatz in dem überspannungsbegrenzenden Bauelement immer zu einer Erwärmung des Bauelements führt, wobei die Erwärmung ein direktes Maß für den inneren Energieumsatz darstellt. Ab einer bauteilespezifischen Temperaturschwelle stellt die beispielsweise beim Ableiten eines Stoßstroms auftretende Erwärmung des Bauelements ein proportionales Maß für die Degradation des überspannungsbegrenzenden Bauelements dar.The invention is based on the finding that for a surge-limiting component, a maximum energy can be determined or determined, which can implement or implement the device over its lifetime, without causing a critical change in the nominal parameters of the device. If this maximum energy has been implemented, then typical parameters of the overvoltage protection element, for example the maximum pulse strength, the leakage current behavior or the network follow current behavior may be impaired, so that the overvoltage protection element should be replaced. The invention is also based on the finding that an energy conversion in the overvoltage limiting component always leads to a heating of the device, wherein the heating represents a direct measure of the internal energy expenditure. Starting at a component-specific temperature threshold, the heating of the component, which occurs, for example, when a surge current is dissipated, represents a proportional measure of the degradation of the overvoltage-limiting component.

Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement wird die von dem überspannungsbegrenzenden Bauelement aufgrund der umgesetzten Energie abgegebenen Wärme zur Aktivierung eines endothermen chemischen oder physikalischen Prozesses genutzt. Das thermisch aktivierbare endotherme Material, welches in thermischen Kontakt mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement angeordnet ist, übernimmt dabei sowohl die Funktion eines Sensors, der die Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements detektiert, als auch die Funktion eines Aktors, der das Anzeigeelement der Zustandsanzeige betätigt.In the overvoltage protection element according to the invention, the heat emitted by the overvoltage limiting component due to the energy converted is used to activate an endothermic chemical or physical process. The thermally activated endothermic material, which is arranged in thermal contact with the overvoltage limiting component, thereby assumes both the function of a sensor which detects the heating of the overvoltage limiting component, as well as the function of an actuator which actuates the display element of the status display.

Zur Verarbeitung von Kunststoffen und zum Beispiel bei Anwendungen im Brandschutz sind am Markt verschiedene thermisch aktivierbare endotherme Materialien verfügbar, die unter thermischer Einwirkung eine Volumenvergrößerung erzeugen. Dabei können insbesondere auch Treibmittel eingesetzt bzw. in den Materialien eingebunden sein, die z.B. flüssiggasgefüllte Kunststoffkügelchen enthalten, die sich bei Erwärmung auf Grund der kugelinternen Druckerhöhung ausdehnen.For the processing of plastics and, for example, in applications in fire protection, various thermally activatable endothermic materials are available on the market which produce an increase in volume under thermal action. In particular, blowing agents may also be used or incorporated into the materials, which are e.g. Liquid-filled plastic beads contain, which expand when heated due to the ball-internal pressure increase.

Die Mindesttemperatur, ab der sich das Material ausdehnt, sollte dabei in etwa der Temperatur entsprechen, ab der eine Degradation des überspannungsbegrenzenden Bauelements zu erwarten ist. Jede Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements - hervorgerufen durch einen Energieumsatz im Inneren des Bauelements - oberhalb der Mindesttemperatur führt dann zu einer Ausdehnung des thermisch aktivierbaren endothermen Materials und somit zu einer entsprechenden Positionsveränderung des Anzeigeelements der Zustandsanzeige.The minimum temperature at which the material expands should correspond approximately to the temperature at which degradation of the overvoltage limiting component is to be expected. Each heating of the overvoltage limiting component - caused by an energy conversion in the interior of the component - above the minimum temperature then leads to an expansion of the thermally activated endothermic material and thus to a corresponding change in position of the display element of the status display.

Grundsätzlich besteht nun die Möglichkeit, jede Positionsveränderung des Anzeigeelements aufgrund einer Ausdehnung des endothermen Materials mit einer weiteren Messvorrichtung zu erfassen, um daraus den fortschreitenden Alterungsprozess des überwachten überspannungsbegrenzenden Bauelements zu ermitteln. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das thermisch aktivierbare endotherme Material jedoch derart beschaffen, dass die aufgrund einer Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements oberhalb einer bestimmten Mindesttemperatur erfolgte Ausdehnung des Materials irreversible ist. Eine aufgrund einer bestimmten Erwärmung erfolgte Ausdehnung des Materials bleibt somit bestehen, auch wenn sich das überspannungsbegrenzende Bauelement und auch das Material wieder abgekühlt haben. Dadurch ergibt sich mit jeder Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements oberhalb der Mindesttemperatur ein fortschreitender Prozess, der ein aufintegrierendes Maß der von dem überspannungsbegrenzenden Bauelement abgegebenen Wärmemenge darstellt und damit mit der Degradation des überspannungsbegrenzenden Bauelements korreliert.Basically, it is now possible to detect any change in position of the display element due to an expansion of the endothermic material with a further measuring device in order to use the progressive To determine the aging process of the monitored overvoltage limiting component. According to a preferred embodiment, however, the thermally activatable endothermic material is such that the expansion of the material which has occurred above a certain minimum temperature due to heating of the overvoltage limiting component is irreversible. An expansion of the material due to a certain heating thus remains, even if the overvoltage limiting component and also the material have cooled down again. As a result, with each heating of the overvoltage limiting component above the minimum temperature, a progressive process is produced, which represents an integrating measure of the amount of heat released by the overvoltage limiting component and thus correlates with the degradation of the overvoltage limiting component.

Eine bestimmte Positionsveränderung des Anzeigeelements der Zustandsanzeige kann dabei sowohl durch den einmaligen Umsatz einer großen Energiemenge und die daraus resultierende starke Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements als auch durch die aufeinander folgende Umsetzung mehrerer kleinerer Energiemengen und die daraus resultierende mehrfache, jeweils geringere Erwärmung des Bauelements hervorgerufen werden. Die Schädigung von Überspannungsableitern, insbesondere von Funkenstrecken und Varistoren, erfolgt nach einer nichtlinearen Kurve in Abhängigkeit von der Impulshöhe und der Erwärmung. Einmalige sehr hohe Impulse mit der Folge sehr hoher Erwärmung haben einen wesentlich höheren schädigenden Einfluss als mehrere Impulse mittlerer Leistung und Erwärmung. Kleine Impulse erwärmen den Varistor kaum und führen auch bei sehr hoher Anzahl zu keiner merklichen Schädigung. Dieses Verhalten korrespondiert in sehr guter Weise mit dem Forschritt der Expansion geeigneter Treibmittel, die unterhalb einer Schwelltemperatur nahezu keine Reaktion zeigen und bei sehr starker Erhitzung eine überproportionale Reaktion zeigen.A certain change in position of the display element of the status display can be caused both by the single turnover of a large amount of energy and the resulting strong heating of the overvoltage limiting component as well as by the successive implementation of several smaller amounts of energy and the resulting multiple, each lower heating of the device. The damage of surge arresters, in particular of spark gaps and varistors, takes place according to a nonlinear curve as a function of the pulse height and the heating. One-time very high pulses with the consequence of very high heating have a significantly higher damaging influence than several pulses of medium power and heating. Small impulses hardly heat the varistor and, even with a very high number, do not cause any noticeable damage. This behavior corresponds in a very good way with the progress of the expansion of suitable blowing agents, which show almost no reaction below a threshold temperature and show a disproportionate reaction when heated very strongly.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Menge, die Anordnung und die Beschaffenheit des thermisch aktivieren endothermen Materials derart gewählt, dass das Material dann seine maximale Ausdehnung erreicht, wenn das überspannungsbegrenzende Bauelement die Energiemenge umgesetzt hat, die es über seine Lebensdauer maximal umsetzen darf bzw. soll. Ist in dem überspannungsbegrenzenden Bauelement die zuvor bestimmte maximale Energie umgesetzt worden, so dass das Ende der vorgeschriebene Lebensdauer des Bauelements erreicht ist, so soll auch das endotherme Material seine maximale Ausdehnung erreicht haben. Dadurch kann auf einfache Art und Weise gleichzeitig die maximale Positionsveränderung des Anzeigeelements der Zustandsanzeige festgelegt werden, so dass anhand der Position des Anzeigeelements die noch verbleibende Restlebensdauer des überspannungsbegrenzenden Bauelements erkennbar ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the amount, the arrangement and the nature of the thermally activated endothermic material is selected such that the material then reaches its maximum extent when the overvoltage limiting device has implemented the amount of energy that maximally implement it over its lifetime may or should. If the previously determined maximum energy has been converted in the overvoltage limiting component so that the end of the prescribed service life of the component has been reached, the endothermic material should also have reached its maximum extent. As a result, the maximum change in position of the display element of the status display can be set in a simple manner at the same time, so that the residual life of the overvoltage limiting component that remains is recognizable on the basis of the position of the display element.

Als thermisch aktivierbares endothermes Material kann beispielsweise ein Material mit Memory-Effekt eingesetzt werden. Als Materialien mit Memory-Effekt sind sowohl Kunststoffe als auch Metalle bekannt, wobei bei Ausnutzung des sogenannten Einweg-Memory-Effekts die zuvorgenannte bevorzugte irreverisible Ausdehnung des Materials erreicht werden kann.As a thermally activatable endothermic material, for example, a material with memory effect can be used. As materials with memory effect, both plastics and metals are known, wherein the utilization of the so-called one-way memory effect, the aforementioned preferred irreverisible expansion of the material can be achieved.

Darüber hinaus kann als thermisch aktivierbares endothermes Material jedoch auch ein intumeszentes Material eingesetzt werden, welches sich vorzugsweise aus einem niedrig schmelzenden Kunststoff, beispielsweise Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP), und einem Treibmittel zusammensetzt. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei die Mischung von Treibmitteln mit Polyolefinen und Wachsen herausgestellt, die bereits bei einer Temperatur unterhalb der Expansionstemperatur des Treibmittels flüssig oder zähflüssig werden. Im nicht erwärmten Betriebszustand kann sich das intumeszente Material in einem festen Zustand befinden. Erhöht sich die Temperatur des intumeszenten Materials, aufgrund einer Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements, so wechselt das intumeszente Material seinen Aggregatzustand und wird flüssig. Nach Überschreiten einer bestimmten Temperatur reagiert das intumeszente Material mit einer starken Volumenzunahme; das intumeszente Material schäumt auf.In addition, however, an intumescent material which is preferably composed of a low-melting plastic, for example polyethylene (PE) or polypropylene (PP), and a blowing agent can also be used as thermally activatable endothermic material. The mixture of blowing agents with polyolefins and waxes has proven to be particularly advantageous, which become liquid or viscous even at a temperature below the expansion temperature of the blowing agent. In the unheated operating state, the intumescent material may be in a solid state. If the temperature of the intumescent material increases due to heating of the overvoltage-limiting component, the intumescent material changes its state of aggregation and becomes liquid. After exceeding a certain temperature, the intumescent material reacts with a strong volume increase; the intumescent material foams up.

Diese durch den Temperaturanstieg hervorgerufene Volumenzunahme eines intumeszenten Materials kann bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement dazu genutzt werden, die Position des Anzeigeelements der Zustandsanzeige zu verändern. Wird das intumeszente Material nur für eine kurze Zeit oder nur auf eine relativ geringe Temperatur oberhalb der Mindesttemperatur erwärmt, so führte dies dazu, dass nur ein Teil des intumeszenten Materials reagiert, d.h. aufschäumt. Die Volumenzunahme des intumeszenten Materials stellt dann - gewollt - ein Maß für die Erwärmung des intumeszenten Materials und damit ein Maß für den Energieumsatz in dem überspannungsbegrenzenden Bauelement dar.This increase in volume of an intumescent material caused by the temperature rise can be used in the overvoltage protection element according to the invention to change the position of the display element of the status display. If the intumescent material is only heated for a short time, or only to a relatively low temperature above the minimum temperature, this results in only a part of the intumescent Material reacts, ie foams. The increase in volume of the intumescent material then represents - intentionally - a measure of the heating of the intumescent material and thus a measure of the energy conversion in the overvoltage-limiting component.

Bezüglich der Anordnung des thermisch aktivierbaren endothermen Materials relativ zum überspannungsbegrenzenden Bauelement und relativ zum Anzeigelement der Zustandsanzeige gibt es verschiedene Möglichkeiten, wobei eine solche Anordnung vorteilhaft ist, die einen guten und möglichst dauerhaften thermischen Kontakt zwischen dem überspannungsbegrenzenden Bauelement und dem Material gewährleistet.With regard to the arrangement of the thermally activatable endothermic material relative to the overvoltage limiting component and relative to the display element of the status display, there are various possibilities, such an arrangement is advantageous, which ensures a good and most durable thermal contact between the overvoltage limiting component and the material.

Gemäß einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem thermisch aktivierbaren endothermen Material und dem Anzeigeelement der Zustandsanzeige ein stabförmiges Betätigungselement angeordnet, das an seinem einen Ende mit dem Anzeigeelement und an seinem anderem Ende mit einem Kolben verbunden ist. Das thermisch aktivierbare Material ist dabei in einem Gehäuse angeordnet, in dem auch der Kolben und ein Teil des Betätigungselements verschiebbar angeordnet sind, so dass der Kolben in dem als eine Art Zylinder fungierenden Gehäuse durch das sich ausbreitendes Material verschoben werden kann. Das Gehäuse, das das endotherme Material und den Kolben sowie einen Teil des Betätigungselements aufnimmt, steht dabei in thermischen Kontakt mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement, wozu das Gehäuse unmittelbar an einer Außenseite des überspannungsbegrenzenden Bauelements, beispielsweise eines scheibenförmigen Varistors, befestigt sein kann. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Gehäuse aus einem Material hohe Wärmeleitfähigkeit besteht, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer als die des thermisch aktivierbaren endothermen Materials ist. Dadurch kann die Gefahr eines thermischen Abkoppelns durch ein bereits teilweise expandiertes Material weitgehend vermieden werden kann.According to a preferred structural embodiment of the invention, a rod-shaped actuating element is arranged between the thermally activated endothermic material and the display element of the status display, which is connected at its one end to the display element and at its other end with a piston. The thermally activatable material is arranged in a housing, in which the piston and a part of the actuating element are arranged displaceably, so that the piston can be moved in acting as a kind of cylinder housing by the propagating material. The housing, which accommodates the endothermic material and the piston and a part of the actuating element, is in thermal contact with the overvoltage limiting component, for which purpose the housing can be fastened directly to an outer side of the overvoltage limiting component, for example a disk-shaped varistor. It has proven to be advantageous if the housing consists of a material of high thermal conductivity, in particular has a thermal conductivity which is greater than that of the thermally activated endothermic material. Thereby, the risk of thermal decoupling by an already partially expanded material can be largely avoided.

Um eine über die Temperatur möglichst linear zunehmende Ausdehnung des thermisch aktivierbaren endothermen Materials zu erreichen, kann innerhalb des Gehäuses ein Federelement angeordnet sein, dessen Federkraft der Druckkraft entgegenwirkt, die bei der Ausdehnung des thermisch aktivierbaren endothermen Materials wirkt. Das Federelement, bei dem es sich beispielsweise um eine Zylinderfeder handeln kann, kann beispielsweise zwischen der dem endothermen Material abgewandten Seite des Kolbens des Betätigungselements und der gegenüberliegenden Innenwand des Gehäuses eingespannt sein und das Betätigungselement konzentrisch umgeben.In order to achieve an expansion of the thermally activatable endothermic material which increases as linearly as possible over the temperature, a spring element can be arranged within the housing, the spring force of which counteracts the compressive force generated by the expansion of the thermally activatable endothermic material Material works. The spring element, which may be, for example, a cylinder spring, for example, be clamped between the endothermic material facing away from the side of the piston of the actuating element and the opposite inner wall of the housing and surrounding the actuating element concentric.

Zur Gewährleistung einer möglichst flächigen und gleichmäßigen Erwärmung des thermisch aktivierbaren endothermen Materials sind gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung innerhalb des Gehäuses mehrere Thermoleitelemente derart angeordnet, dass die Thermoleitelemente einerseits mit dem Gehäuse wärmeleitend verbunden und andererseits mit dem thermisch aktivierbaren Material in thermischen Kontakt stehen. Die Thermoleitelemente sind dabei vorzugsweise einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet. Handelt es sich bei dem thermisch aktivierbaren endothermen Material um ein intumeszentes Material, so ragen die Thermoleitelemente vorzugsweise in das intumeszente Material herein bzw. sind von dem intumeszente Material umgeben, wobei die Thermoleitelemente eine Länge aufweisen, die größer ist als die entsprechende Erstreckung des intumeszenten Materials im nicht ausgedehnten Zustand. Dadurch wird gewährleistet, dass auch im bereits (teilweise) ausgedehnten Zustand des intumeszenten Materials eine gute Wärmeeinleitung über die Thermoleitelemente in das intumeszente Material erfolgt.To ensure the widest possible and even heating of the thermally activated endothermic material according to a further preferred embodiment of the invention within the housing a plurality of thermocouples arranged such that the thermocouples on the one hand thermally conductively connected to the housing and on the other hand are in thermal contact with the thermally activatable material. The thermoelectric elements are preferably formed integrally with the housing. If the thermally activated endothermic material is an intumescent material, the thermoconductive elements preferably protrude into the intumescent material or are surrounded by the intumescent material, the thermoconductive elements having a length greater than the corresponding extent of the intumescent material in the unexpanded state. This ensures that, even in the already (partially) expanded state of the intumescent material, good heat is introduced via the thermo-conducting elements into the intumescent material.

Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer Ausgestaltung ein aktiv heizendes Element verwendet werden, das mit dem thermisch aktivierbaren endothermen Material in thermischen Kontakt steht, so dass eine Erwärmung des aktiv heizenden Elements zu einer Erwärmung des thermisch aktivierbaren endothermen Materials führt. Damit sich das aktiv heizende Element nur dann erwärmt, wenn sich auch das überspannungsbegrenzende Bauelement erwärmt, ist das aktiv heizende Element in Reihe mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement geschaltet. Ein durch das überspannungsbegrenzende Bauelement fließender Leckstrom fließt dann ebenfalls durch das heizende Element, was zu der gewünschten Erwärmung desselben führt. Ein guter thermischer Kontakt zwischen dem aktiv heizenden Element und dem endothermen Material kann dadurch gewährleistet sein, dass das heizende Element in dem endothermen Material eingebettet ist. Als aktiv heizendes Element kann beispielsweise ein Halbleiterwiderstand, insbesondere ein Kaltleiter (PCT-Widerstand), verwendet werden.Alternatively or additionally, according to one embodiment, an actively heating element can be used, which is in thermal contact with the thermally activatable endothermic material, so that heating of the actively heating element leads to heating of the thermally activatable endothermic material. So that the active heating element only heats up when the overvoltage limiting component also heats up, the actively heating element is connected in series with the overvoltage limiting component. A leakage current flowing through the overvoltage limiting component then also flows through the heating element, resulting in the desired heating thereof. Good thermal contact between the active heating element and the endothermic material can be ensured by the fact that the heating element is embedded in the endothermic material. As an active heating element For example, a semiconductor resistor, in particular a PTC thermistor (PCT resistor) can be used.

Eingangs ist ausgeführt worden, dass die Zustandsanzeige ein Anzeigeelement aufweist. Bei der Zustandsanzeige kann es sich dabei im einfachsten Fall nur um eine optische Zustandsanzeige handeln, wobei dann die optische Zustandsanzeige neben dem Anzeigeelement noch eine optische Anzeigeeinrichtung, insbesondere eine Anzeigeskala aufweist. Darüber hinaus kann das Anzeigeelement jedoch auch mit einer elektrischen Anzeigeeinrichtung, insbesondere einem Schiebepotentiometer zusammenwirken, so dass die Zustandsanzeige nicht nur eine optische sondern gleichzeitig auch eine elektrische Zustandsanzeige darstellt. Die elektrische Anzeige kann dabei insbesondere auch zur Fernmeldung des Zustands des Überspannungsschutzelements an eine Kontrollstation genutzt werden.Initially, it has been stated that the status display has a display element. In the simplest case, the status display can only be an optical status display, in which case the optical status display also has an optical display device, in particular a display scale, in addition to the display element. In addition, however, the display element can also cooperate with an electrical display device, in particular a slide potentiometer, so that the status display not only represents an optical but also an electrical status display. The electrical display can be used in particular also for remote notification of the state of the overvoltage protection element to a control station.

Soll der Zustand des überspannungsbegrenzenden Bauelements nicht (nur) über eine analoge Anzeigeskala angezeigt werden, so besteht auch die Möglichkeit, dem Anzeigeelement eine Einrichtung zur Digitalisierung der Positionsveränderung des Anzeigeelements zuzuordnen. Hierfür kann insbesondere ein Inkrementalgeber eingesetzt werden. Ein derart digitalisierter Wert kann dann besonders einfach weiterverarbeitet werden.If the state of the overvoltage limiting component is not (only) displayed via an analogue display scale, it is also possible to associate with the display element a device for digitizing the change in position of the display element. In particular, an incremental encoder can be used for this purpose. Such a digitized value can then be processed particularly easily.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements ist ein zusätzlicher Schalter vorgesehen, der dann, wenn das thermisch aktivierbare endotherme Material seine maximale Ausdehnung erreicht hat, betätigt wird. Die Betätigung des Schalters kann dabei vorzugsweise über das Ende des stabförmigen Betätigungselements erfolgen, das auch mit dem Anzeigeelement verbunden ist. Bei Betätigung des Schalters wird dabei eine weitere Anzeige aktiviert, durch die das Ende der Lebensdauer des überspannungsbegrenzenden Bauelements elektrisch, optisch und/oder akustisch angezeigt werden kann. Der Schalter kann dabei wiederum vorzugsweise zur Fernmeldung des Zustands des Überspannungsschutzelements genutzt werden.According to a further preferred embodiment of the overvoltage protection element according to the invention, an additional switch is provided, which is then actuated when the thermally activatable endothermic material has reached its maximum extent. The actuation of the switch can preferably take place via the end of the rod-shaped actuating element, which is also connected to the display element. Upon actuation of the switch while another display is activated by the end of the life of the overvoltage limiting component can be electrically, visually and / or acoustically displayed. The switch can in turn be used preferably for remote signaling of the state of the overvoltage protection element.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
Fig. 2
eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
Fig. 3
eine weitere Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements, einmal mit einem nicht ausgedehnten und einmal mit einem teilweise ausdehnten intumeszenten Material, und
Fig. 4
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Teils des Überspannungsschutzelements, einmal mit einem nicht ausgedehnten und einmal mit einem vollständig ausgedehnten intumeszenten Material.
In particular, there are a variety of ways to design and develop the overvoltage protection element according to the invention. To Reference is made to both the claims subordinate to claim 1 and to the following description of preferred embodiments in conjunction with the drawings. In the drawing show
Fig. 1
a schematic representation of a first embodiment of an overvoltage protection element according to the invention,
Fig. 2
a schematic representation of a second embodiment of an overvoltage protection element according to the invention,
Fig. 3
a further embodiment of a portion of the overvoltage protection element according to the invention, once with a non-expanded and once with a partially expanded intumescent material, and
Fig. 4
a further embodiment of a portion of the overvoltage protection element, once with a non-expanded and once with a fully expanded intumescent material.

Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements 1 mit einem - in den Fig. 1 und 2 gestrichelt dargestellten - Gehäuse 2, in dem ein schematisch dargestelltes überspannungsbegrenzendes Bauelement 3 angeordnet ist, bei dem es sich beispielsweise um einen Varistor handeln kann. Als überspannungsbegrenzendes Bauelement kann jedoch grundsätzlich auch eine Funkenstrecke oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter verwendet werden. Zu dem Überspannungsschutzelement 1 gehört darüber hinaus noch eine ein Anzeigeelement 4 aufweisende Zustandsanzeige 5, wobei die Zustandsanzeige in der praktischen Realisierung des Überspannungsschutzelements 1 derart im Gehäuse 2 angeordnet ist, dass die Zustandsanzeige 5 von außerhalb des Gehäuses 2, beispielsweise durch ein entsprechendes Sichtfenster erkennbar ist.The figures show various embodiments of an overvoltage protection element 1 according to the invention with a - in the Fig. 1 and 2 Dashed lines shown - housing 2, in which a schematically illustrated overvoltage limiting component 3 is arranged, which may be, for example, a varistor. As overvoltage limiting component, however, a spark gap or a gas-filled surge arrester can in principle also be used. To the overvoltage protection element 1 also includes a display element 4 having state display 5, wherein the status display is arranged in the practical realization of the overvoltage protection element 1 in the housing 2, that the status display 5 from outside the housing 2, for example, by a corresponding window is visible ,

Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement 1 ist ein thermisch aktivierbares endothermes Material 6, bei dem es sich beispielsweise um ein intumeszentes Material handelt, derart in thermischen Kontakt mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement 3 angeordnet, dass eine Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements 3 oberhalb einer bestimmten Mindesttemperatur zu einer entsprechenden Ausdehnung des Materials 6 führt. Da das Material 6 über ein stabförmiges Betätigungselement 7 mechanisch mit dem Anzeigeelement 4 der Zustandsanzeige 5 in Verbindung steht, führt eine Ausdehnung des thermisch aktivierbaren endothermen Materials 6 zu einer Positionsveränderung des Anzeigeelements 4, wobei die Größe der Positionsveränderung ein Maß für die Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements 3 und damit auch ein Maß für die Degradation des Bauelements 3 ist.In the overvoltage protection element 1 according to the invention, a thermally activatable endothermic material 6, which is, for example, an intumescent material, is arranged in thermal contact with the overvoltage limiting component 3 such that heating of the overvoltage limiting component 3 above a certain minimum temperature leads to a corresponding expansion of the material 6. Since the material 6 is mechanically connected to the display element 4 of the status display 5 via a rod-shaped actuating element 7, an expansion of the thermally activated endothermic material 6 leads to a change in position of the display element 4, the magnitude of the position change being a measure of the heating of the overvoltage limiting component 3 and thus also a measure of the degradation of the device 3.

Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ist das eine Ende 8 des stabförmigen Betätigungselements 7 direkt mit dem Anzeigeelement 4 verbunden; das in den Ausführungsbeispielen dreieckförmige Anzeigeelement 4 ist am Ende 8 des stabförmigen Betätigungselements 7 befestigt. Am gegenüberliegenden Ende 9 des Betätigungselements 7 ist ein Kolben 10 befestigt, wobei der Kolben 10 zusammen mit einem Teil des stabförmigen Betätigungselements 7 verschiebbar in einem als Zylinder wirkenden Gehäuse 11 angeordnet ist. Da in dem Gehäuse 11 auf der dem Betätigungselement 7 abgewandten Seite des Kolbens 10 auch das intumeszente Material 6 angeordnet ist, wird der Kolben 10 durch ein sich ausdehnendes Material 6 von diesem innerhalb des Gehäuses 11 - bei der Darstellung gemäß den Fig. 1 bis 4 nach rechts - verschoben, so dass sich auch das Anzeigeelement 4 im Bereich der Zustandsanzeige 5 verschiebt.In the embodiments illustrated in the figures, the one end 8 of the rod-shaped actuating element 7 is connected directly to the display element 4; in the exemplary embodiments triangular display element 4 is attached to the end 8 of the rod-shaped actuating element 7. At the opposite end 9 of the actuating element 7, a piston 10 is fixed, wherein the piston 10 is arranged displaceably together with a part of the rod-shaped actuating element 7 in a housing 11 acting as a cylinder. Since in the housing 11 on the side facing away from the actuating element 7 of the piston 10 and the intumescent material 6 is arranged, the piston 10 by an expanding material 6 of this within the housing 11 - in the illustration according to the Fig. 1 to 4 to the right - shifted, so that the display element 4 shifts in the state indicator 5.

Die Fig. 1 und 2 zeigen das Anzeigeelement 4 sowohl im nicht erwärmten, d.h. nicht ausgedehnten Zustand des thermisch aktivierbaren endothermen Materials 6 (durchgezogene Linie) als auch bei maximal ausgedehntem Material 6 (gestrichelte Linie), bei dem sich das Anzeigeelement 4 in seiner das Lebensende des überspannungsbegrenzenden Bauelements 3 anzeigenden Endposition befindet.The Fig. 1 and 2 show the display element 4 both in the unheated, ie not expanded state of the thermally activated endothermic material 6 (solid line) and at maximum expanded material 6 (dashed line), in which the display element 4 in its the end of life of the overvoltage limiting device 3 indicating End position is located.

Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements 1 gemäß Fig. 2 ist innerhalb des Gehäuses 11 ein Federelement 12 in Form einer Zylinderfeder konzentrisch zum stabförmigen Betätigungselement 7 angeordnet. Die Zylinderfeder 12 stützt sich dabei einerseits an der dem intumeszenten Material 6 abgewandten Seite des Kolbens 10 und andererseits an der gegenüberliegenden Innenwand 13 des Gehäuses 11 ab. Die Federkraft der Zylinderfeder 12 wirkt somit der Druckkraft entgegen, die bei einer Ausdehnung des Materials 6 auf den Kolben 10 wirkt. Durch eine entsprechende Wahl der Federkennlinie der Zylinderfeder 12 kann somit der Kraft-Weg-Verlauf des Betätigungselements 7 und damit auch die Verschiebung des Anzeigeelements 4 so eingestellt werden, dass die Positionsveränderung des Anzeigeelements 4 möglichst linear zum Grad der Degradation des überspannungsbegrenzenden Bauelements 3 ansteigt.In the embodiment of the overvoltage protection element 1 according to the invention Fig. 2 is within the housing 11, a spring element 12 in the form of a cylindrical spring concentric with the rod-shaped actuating element 7 is arranged. The cylinder spring 12 is supported on the one hand on the side facing away from the intumescent material 6 of the piston 10 and on the other hand on the opposite inner wall 13 of the housing 11 from. The spring force The cylinder spring 12 thus counteracts the pressure force which acts on the piston 10 when the material 6 expands. By an appropriate choice of the spring characteristic of the cylinder spring 12 thus the force-displacement profile of the actuating element 7 and thus the displacement of the display element 4 can be adjusted so that the change in position of the display element 4 increases linearly as possible to the degree of degradation of the overvoltage limiting component 3.

Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils nur einen Teil des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements 1, nämlich jeweils nur das Gehäuse 11 mit dem darin angeordneten intumeszenten Material 6 sowie dem Kolben 10 und einem Teil des stabförmigen Betätigungselements 7. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 weist das Gehäuse 11 mehrere Thermoleitelemente 14 auf, die sich in Längsrichtung des Gehäuses 11 und damit auch in Verschieberichtung des Kolbens 10 erstrecken. Durch die Anordnung der Thermoleitelemente 14 wird die von dem überspannungsbegrenzenden Bauelement 3 auf das Gehäuse 11 übertragene Wärme großflächig in das intumeszente Material 6 eingeleitet, so dass es zu einer relativ gleichmäßigen Erwärmung des Materials 6 kommt. Da die Länge der Thermoleitelemente 14 größer als die entsprechende Erstreckung des intumeszenten Materials 6 im nicht ausgedehnter Zustand (Fig. 3a) ist, ist auch dann noch eine gute Wärmeeinleitung in das intumeszente Material 6 gewährleistet, wenn sich dies bereits etwas ausgedehnt hat (Fig. 3b).The Fig. 3 and 4 each show only a part of the overvoltage protection element 1 according to the invention, namely in each case only the housing 11 with the intumescent material 6 arranged therein and the piston 10 and a part of the rod-shaped actuating element 7. In the embodiment according to FIG Fig. 3 the housing 11 has a plurality of thermoconductive elements 14, which extend in the longitudinal direction of the housing 11 and thus also in the direction of displacement of the piston 10. Due to the arrangement of the thermo-conducting elements 14, the heat transferred from the overvoltage-limiting component 3 to the housing 11 is introduced into the intumescent material 6 over a large area, so that the material 6 heats up relatively uniformly. Since the length of the Thermoleitelemente 14 greater than the corresponding extent of the intumescent material 6 in the unexpanded state ( Fig. 3a ), a good heat input into the intumescent material 6 is ensured even if this has already expanded somewhat ( Fig. 3b ).

Auch die Fig. 4 zeigt zwei Darstellungen des Gehäuses 11, einmal mit einem nicht ausgedehnten intumeszenten Material 6 (Fig. 4a) und einmal mit einem maximal ausgedehnten intumeszenten Material 6 (Fig. 4b). Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist das intumeszente Material 6 innerhalb des Gehäuses 11 in einer zusätzlichen dehnbaren Hülle 15 angeordnet, so dass beim Ausdehnen des Materials 6 ein Teil der Kraft zur Dehnung der Hülle 15 aufgewandt werden muss. Die Hülle 15 dient dabei insbesondere auch dazu, ein Verkleben des sich ausdehnenden intumeszenten Materials 6 an der Innenwand des Gehäuses 11 zu verhindern. Um die Reibung zwischen der Hülle 15 und der Innenwand des Gehäuses 11 sowie zwischen der Innenwand des Gehäuses 11 und den gegenüberliegenden Flächen des Kolbens 10 zu reduzieren, ist bei dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel auf den Innenwandflächen des Gehäuses 11 eine Gleitschicht 16 aufgebracht. Anhand der Fig. 1 und 2 ist schließlich noch dargestellt, dass die Zustandsanzeige 5 zur einfachen Ablesbarkeit der Position des Anzeigeelements 4 eine optische Anzeigeeinrichtung 17 in Form einer Anzeigeskala ausweist. Mit Hilfe der Anzeigeskala 17 kann dabei die Restlebensdauer des überspannungsbegrenzenden Bauelements 3 einfach angezeigt werden, so dass schnell und einfach direkt vor Ort erkannt werden kann, wann ein Überspannungsschutzelement 1 ausgetauscht werden sollte.Also the Fig. 4 shows two representations of the housing 11, once with an unexpanded intumescent material 6 (FIG. Fig. 4a ) and once with a maximum expanded intumescent material 6 ( Fig. 4b ). In contrast to the embodiment according to Fig. 1 the intumescent material 6 is disposed within the housing 11 in an additional expandable sheath 15, so that when expanding the material 6, a part of the force for stretching the sheath 15 must be expended. In this case, the sheath 15 also serves in particular to prevent sticking of the expanding intumescent material 6 on the inner wall of the housing 11. In order to reduce the friction between the sheath 15 and the inner wall of the housing 11 and between the inner wall of the housing 11 and the opposite surfaces of the piston 10 is in the in the Fig. 4 illustrated embodiment, a sliding layer 16 applied to the inner wall surfaces of the housing 11. Based on Fig. 1 and 2 Finally, it is shown that the status display 5 for easy readability of the position of the display element 4 has an optical display device 17 in the form of a display scale. With the help of the display scale 17 while the remaining life of the overvoltage limiting device 3 can be easily displayed, so that can be detected quickly and easily on site when an overvoltage protection element 1 should be replaced.

Darüber hinaus ist das Anzeigeelement 4 auch mit einer elektrischen Anzeigeeinrichtung 18 in Form eines Schiebepotentiometers verbunden, so dass der Zustand des Überspannungsschutzelements 1 auch elektrisch erfasst oder über eine entsprechende Fernmeldung an einer zentralen Stelle angezeigt werden kann. Schließlich weist das Überspannungsschutzelement 1 noch einen Schalter 19 auf, der dann betätigt wird, wenn das thermisch aktivierbare endotherme Material 6 seine maximale Ausdehnung erreicht hat. Über den Schalter 19 kann dann eine zusätzliche Anzeige aktiviert werden, die das Ende der Lebensdauer des überspannungsbegrenzenden Bauelements 3 elektrisch, optisch und/oder akustisch anzeigt. Der Schalter 19 kann auch als Fernmeldekontakt ausgebildet sein, so dass eine einfache Femüberwachung des Zustands des Überspannungsschutzelements 1 möglich ist.In addition, the display element 4 is also connected to an electrical display device 18 in the form of a sliding potentiometer, so that the state of the overvoltage protection element 1 can also be electrically detected or displayed via a corresponding remote message at a central location. Finally, the overvoltage protection element 1 also has a switch 19 which is actuated when the thermally activatable endothermic material 6 has reached its maximum extent. Via the switch 19, an additional display can then be activated which indicates the end of the service life of the overvoltage limiting component 3 electrically, visually and / or acoustically. The switch 19 may also be designed as a telecommunications contact, so that a simple Femüberwachung the state of the overvoltage protection element 1 is possible.

Claims (13)

  1. Overvoltage protection element, comprising a housing (2), at least one overvoltage limiting component (3) which is located in the housing (2), terminal elements for electrical connection of the overvoltage protection element (1) to a current or signal path which is to be protected, and a state display (5) which has a display element (5) for displaying the usage state of the overvoltage protection element,
    characterized in
    that a thermally activatable, endothermic material (6) is provided that is in thermal contact with the overvoltage limiting component (3) and also in mechanical contact with the display element (4) of the state display (5),
    wherein when the overvoltage limiting component (3) is heated above a certain minimum temperature, the display element (4) changes position by expansion of the thermally activatable, endothermic material (6), the degree being a measure for the heating of the overvoltage limiting component (3),
  2. Overvoltage protection element according to claim 1, characterized in that the thermally activatable, endothermic material (6) is made such that the expansion of the material (6), which results from the heating of the overvoltage limiting component (3) above a certain minimum temperature, is irreversible.
  3. Overvoltage protection element according to claim 2, characterized in that the amount, arrangement and composition of the thermally activatable, endothermic material (6) is chosen such that the material (6) reaches its maximum expansion when the overvoltage limiting element (3) has converted the amount of energy that the overvoltage limiting element (3) can convert at the most in its service life.
  4. Overvoltage protection element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the thermally activatable, endothermic material (6) is an intumescent material.
  5. Overvoltage protection element according to claim 4, characterized in that the intumescent material consists of a low-melting plastic and an expanding agent, wherein the plastic is already liquid or viscous at a temperature below the expansion temperature of the expanding agent.
  6. Overvoltage protection element according to any one of claims I to 5, characterized in that a rod-shaped actuating element (7) is disposed between the thermally activatable, endothermic material (6) and the display element (4), the rod-shaped actuating element being connected at one end (8) to the display element (4) and to a piston (10) at an opposite end (9), and wherein the thermally activatable, endothermic material (6) is located in a housing (11) in which the piston (10) and part of the actuating element (7) are movably arranged.
  7. Overvoltage protection element according to claim 6, characterized in that a spring element (12) is disposed within the housing (11), the spring exerting a spring force directed to counteract a pressure force produced by expansion of the thermally activatable, endothermic material (6).
  8. Overvoltage protection element according to claim 6 or 7, characterized in that at least one thermoconductive element (14) is arranged within and connected to the housing (11) in a heat conductive manner, that the thermoconductive element (14) is in thermal contact with the thermally activatable, endothermic material (6), wherein the thennoconductive element (14) has a length that is greater than a corresponding length of the thermally activatable, endothermic material (6) in an unexpanded state.
  9. Overvoltage protection element according to any one of claims I to 8, characterized in that an active heating element, in particular a PCT resistor, is in thermal contact with the thermally activatable, endothermic material (6), in particular is embedded in the material (6), wherein the active heating element is connected in series with the overvoltage limiting component (3).
  10. Overvoltage protection element according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the thermally activatable, endothermic material (6) is surrounded by a flexible jacket (15).
  11. Overvoltage protection element according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the display element (4) interacts with an optical display means (17), in particular a display scale, as well as with an electrical display means (18), in particular a sliding potentiometer.
  12. Overvoltage protection element according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the display element (4) is connected to a means for digitization of the position change of the display element (4), in particular an incremental transmitter.
  13. Overvoltage protection element in according to any one of claims 1 to 12, characterized in that a switch (19) is actuated when the thermally activatable, endothermic material (6) reaches its maximum expansion, wherein an additional display is activated that electrically, optically and/or acoustically indicates that the end of the service life of the overvoltage limiting component (3) has been reached.
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