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Title:
SURGE PROTECTION DEVICE, COMPRISING AT LEAST ONE SURGE ARRESTER AND ONE SHORT-CIRCUIT SWITCHING DEVICE WHICH IS CONNECTED IN PARALLEL WITH THE SURGE ARRESTER, CAN BE THERMALLY TRIPPED AND IS SPRING-PRETENSIONED
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/139893
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a surge protection device, comprising at least one surge arrester and one short-circuit switching device which is connected in parallel with the surge arrester, can be thermally tripped and is spring-pretensioned, wherein the abovementioned means form one physical unit. The thermal tripping means is arranged in the region where heating of the surge arrester is expected when it is overloaded, and operating or surge current does not flow through said thermal tripping means. The thermal tripping means is in the form of a stop part which releases an unlocking slide of the switching device in the event of thermal overload. The switching device has two opposite contact pieces, wherein at least one of the contacts is of moveable design and is under spring pretension in the closing direction of the switching device. The opening state of the switching device is ensured by the unlocking slide and is released by the thermal tripping means for closing the switching device.

Inventors:
HIRSCHMANN, Helmut (Im Schloss 8, Berg, 92348, DE)
WITTMANN, Georg (Lauterachstrasse 17, Lauterhofen, 92283, DE)
ZÄUNER, Edmund (Wiesenhaidstrasse 4, Berching/Pollanten, 92334, DE)
Application Number:
EP2015/053038
Publication Date:
September 24, 2015
Filing Date:
February 13, 2015
Export Citation:
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Assignee:
DEHN + SÖHNE GMBH + CO. KG (Hans-Dehn-strasse 1, Neumarkt/Opf., 92318, DE)
International Classes:
H01H37/76; H01C7/12; H01T1/14; H01H83/10
Domestic Patent References:
WO2009034081A12009-03-19
WO2008028724A12008-03-13
Foreign References:
DE102011018556A12012-08-23
EP0516922A21992-12-09
DE202009013505U12010-04-15
Attorney, Agent or Firm:
MEISSNER BOLTE & PARTNER GBR (Widenmayerstrasse 47-50, München, 80538, DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Überspannungsschutzeinrichtung, umfassend mindestens einen

Überspannungsabieiter (5) und eine dem Überspannungsabieiter parallel geschaltete, thermisch auslösbare, federvorgespannte Kurschlussschaltein- richtung (6), wobei vorgenannte Mittel eine Baueinheit bilden, das thermische Auslösemittel (4K) im Bereich der zu erwartenden Erwärmung des Über- spannungsableiters (5) bei dessen Überlastung angeordnet und als nicht vom Betriebs- oder StoBstrom durchflossenes Anschlagteil ausgebildet ist, welches bei thermischer Überlast einen Entriegelungsschieber (4; 41) der

Schalteinrichtung (6) freigibt,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schalteinrichtung (6) zwei gegenüberliegende, insbesondere

ineinandergreifende, Kontaktstücke (6a; 6b) aufweist, wobei mindestens eines der Kontaktstücke (6b) beweglich ausgeführt ist und in Schließrichtung der Schalteinrichtung unter Federvorspannung (8) steht, weiterhin der

Öffnungszustand der Schalteinrichtung durch den Entriegelungsschieber (4) gesichert und durch das thermische Auslösemittel (4K) zum Schließen der Schalteinrichtung (6) freigebbar ist.

2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Anschlagteil (4K) thermisch und mechanisch mit dem Überspannungsabieiter (5) gekoppelt ist und den Bewegungsweg des Entriegelungsschiebers (4; 41 ) blockiert.

3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass

im Öffnungsfall der Schalteinrichtung (6) in den sich ergebenden Abstandsraum der Kontaktstücke n(6a; 6b) ein Ende des Entriegelungsschiebers (4) als Trennelement eindringt.

4. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

das Trennelement unter Federvorspannung (9) steht, um im Kurzschlussfall der Schalteinrichtung (6) sich schnell und gerichtet von den Kontaktstücken (6a; 6b) zu entfernen .

5. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen

Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

mindestens Abschnitte der Kontaktstücke (6a; 6b) innerhalb eines eine

Lichtbogenkammer bildenden Formkörpers (7) befindlich sind, wobei der Formkörper (7) einen Ansatz (71) aufweist, welcher in einem Winkel orientiert ist, der von der Bewegungsrichtung des beweglichen Kontaktstücks (6b) abweicht.

6. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4 und 5,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Ansatz (71) einen Hohlraum zur Aufnahme des Trennelements (41) besitzt.

7. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorangegangenen

Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die zueinander weisenden Flächen der Kontaktstücke (6a; 6b) der

Schalteinrichtung (6) eine Kontur besitzen, um die Stromübergangsfläche zu vergrößern und den Übergangswiderstand zu verringern .

8. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Flächen der Kontaktstücke (6a; 6b) als Konus und Gegenkonus ausgebildet sind .

Description:
Überspannungsschutzeinrichtung, umfassend mindestens einen

Überspannungsableiter und eine dem Überspannungsableiter parallel geschaltete, thermisch auslösbare, federvorgespannte

Kurzschlussschalteinrichtung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung, umfassend mindestens einen Überspannungsabieiter und eine dem Überspannungsableiter parallel geschaltete, thermisch auslösbare, federvorgespannte Kurzschlussschalteinrichtung, wobei vorgenannte Mittel einen Baueinheit bilden, das thermische Auslösemittel im Bereich der zu erwartenden Erwärmung des Überspannungsableiters bei dessen Überlastung angeordnet und als nicht vom Betriebs- oder Stoßstrom durchflossenes Anschlagteil ausgebildet ist, welche bei thermischer Überlast einen Entriegelungsschieber der Schalteinrichtung freigibt, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 295 19 313 U l ist ein Überspannungsableiter auf Varistorbasis vorbekannt, wobei für eine direkte Übertragung der am Varistor im

Schadensfall entstandenen unzulässigen Wärme auf eine thermische

Auslöseeinrichtung gesorgt ist. Hierfür ist im Steckteil eine Tragwand vorha nden, wobei der Varistor an einer Seitenfläche der Tragwand und die thermische Auslösung sowie das dazu gehörige Schaltmittel an der anderen Seitenfläche der Tragwand angebracht si nd . Hierdurch liegt die thermische Auslösung dem Varistor gegenüber. In einer Ausgestaltung sind eine oder mehrere Anschlussfahnen des Varistors durch die Trennwand hindurch in den Bereich geführt, in dem sich die thermische Auslösung und das entsprechende Schaltmittel befinden.

Die Führung des Betriebsstroms bzw. der auftretenden Überlastströme erfolgt über Kontaktmittel ei nes Steckteils, welches wiederum in ein Basisteil einbringbar ist. Der Strom gelangt über das Schaltm ittel zum Varistor dergestalt, dass auch das eigentliche thermische Auslösemittel, insbesondere ein Lot, stromdurchflossen ist. Die gesamte Ausführung und Konstruktion der Lehre nach DE 295 19 313 U1 kann nur sehr kleine Ströme schalten. Im Falle des Auftretens von Kurzschlussströmen oder aber bei Gleichspannungsanwendungen ist ein

zusätzliches externes Schaltorgan, z.B. in Form eines separaten Schaltmittels oder einer Sicherung erforderlich.

Aus der EP 1 447 831 B1 oder der EP 2 065 914 A1 sind bauliche Kombinationen von Überspannungssteckteilen mit zusätzlichen Schalteinrichtungen bekannt, die entweder in ein gemeinsames Grundgehäuse eingebracht oder von einem solchen Grundgehäuse umgeben sind. Die im oben genannten Stand der Technik geschilderten Lösungen weisen ein Auslöse- bzw. Ausschaltverhalten auf, das nicht an die besonderen Eigenschaften der jeweils eingesetzten Überspannungsabieiter, z. B. Varistoren, angepasst ist.

Bei der Überspa nnungsschutzeinrichtung gemäß EP 2 096 657 A1 ist zunächst eine thermische Abtrennvorrichtung mit lichtbogeniöschenden Eigenschaften vorhanden . Darüber hinaus ist eine zweite Schalteinrichtung mit Löschblechen gebildet. Dieser Stand der Technik entspricht einem Schaltgerät, das mit einer Überspannungsschutzfunktion erweitert wurde und welches nur eingeschränkte Leistungsdaten besitzt sowie lediglich für Spezialanwendungen geeignet ist.

Fasst man den Stand der Technik zusammen, dann sind thermische

Abtrennvorrichtungen üblicherweise so ausgelegt, dass sie das Alterungsverhalten spannungsbegrenzender Bauteile, wie z.B. Varistoren, überwachen und bei Erwärmung über ei ner kritischen Temperatur ansprechen . Im

Abtrennvorgang fließen im Regelfall nur sehr geringe Ströme im Milliampere- bis zum maximal einstelligen Amperebereich . Insofern liegt das Schaltvermögen klassischer therm ischer Antrennvorrichtungen auch nur in diesem geringen Strombereich.

Überlast- und/oder Fehlerfälle von Überspannungsableitern können im

Ergebnis praktischer Erfahru ngen auch zu einem Totalausfall bzw. zu einem Durchlegieren der Überspannungsbegrenzenden Bauteile führen . Der dann auftretende Kurzschlussstrom der angeschlossenen Versorgungsquelle muss von vorgeordneten Schutzeinrichtungen, z. B. einer Sicherung oder einem mechanischen Schaltgerät unterbrochen bzw. abgeschaltet werden, um eine Back-Up-Schutzfunktion zu erhalten.

Gemäß der EP 1 447 831 B1 wird der fließende Kurzschlussstrom von einer entsprechenden speziellen Schalteinrichtung unterbrochen.

Nachteilig bei der Kombination von Überspannungsschutzgeräten mit Sicherung bzw. mechanischem Schaltgerät ist es, dass zum Ansprechen bzw. Auslösen dieser Elemente immer ein Kurzschlussstrom im Sinne eines mehrfachen Nennstroms der Schalteinrichtung bzw. Sicherung fließen muss.

Dieser Strom, der in der Regel mehrere hundert Ampere aufweist oder in den Kiloamperebereich hineinreicht, kann zur Zerstörung oder Explosion der Überspannungsbegrenzenden Bauteile führen und eine Brandgefahr für das Gerät selbst oder für benachbarte Einrichtungen darstellen.

Ist also der auftretende Fehlerstrom in einer Überspannungsschutzeinrichtung größer als derjenige, der von der thermischen Abtrennvorrichtung selbst gelöscht werden kann, jedoch kleiner als der Auslösestrom von Back-Up- Schutzeinrichtungen, wie z.B. einer Sicherung, dann kann der Abieiter mit den oben erwähnten Folgen zerstört werden.

Darüber hinaus ist aus der DE 10 2012 014 595 A1 eine Vorrichtung zum Schutz vor thermischer Überlastung eines zu schützenden Bauteils vorbekannt. Die dortige Lösung soll wahlweise als Abtrenn- oder Kurzschlussschalter für das zu schützende Bauelement einsetzbar sein. Hierfür ist eine Betätigungseinrichtung als thermisch auslösbare Verbindung des zu schützenden Bauteils mit einem vorgespannten Element, z.B. einem Schalter ausgeführt. Erweicht die thermisch lösbare Verbindung, so wird die Kraft des vorgespannten

Elements frei und der Schalter begibt sich in einen weiteren Schaltzustand. Der Schalter kann dabei als Abtrennschalter, aber auch als Kurzschließer in Bezug auf das zu schützende Bauelement realisiert werden. Der Schalter besitzt darüber hinaus eine Auswahleinrichtung, mit der einstellbar ist, ob der Schafter als Abtrennschalter oder Kurzschließer wirkt.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Überspannungsschutzeinrichtung, umfassend mindestens einen Überspannt. ngsableiter und eine dem Überspannungsableiter parallel geschaltete, thermisch auslosbare federvorgespannte Schalteinrichtung anzugeben, wobei der Zustand des eingesetzten Überspannungsableiters, z.B. eines Varistors, entsprechend seinem Betriebs- und Überlastverhalten erfasst und bei Überlastzuständen sicher kurzgeschlossen wird, so dass ein

Ansprechen externer Sicherungen möglich ist und ein diesbezüglich definierter Fail-Safe-Zustand vorliegt.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Überspannungsschutzeinrichtung gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen .

Es wird demnach von einer Überspannungsschutzeinrichtung, umfassend mindestens einen Überspann ungsableiter und eine dem Überspannungsableiter parallel geschaltete, thermisch auslösbare Schalteinrichtung ausgegangen, wobei vorgenannte Mittel eine Baueinheit bilden und das thermische Auslösemittel im Bereich der zu erwartenden Erwärm ung des Überspannungsableiters bei dessen Überlast angeordnet ist.

Weiterhin ist das thermische Auslösemittel als nicht vom Betriebs- oder

Stoßstrom durchflossenes Anschlagteil ausgebildet, welches bei thermischer Überlast einen Entriegelungsschieber der Schalteinrichtung freigibt.

Das vorerwähnte Anschlagteil ist thermisch und mechanisch mit dem

Überspannungsableiter gekoppelt und blockiert den Bewegungsweg des

Entriegel ungsschiebers.

Die Schaltei nrichtung weist bevorzugt zwei gegenüberliegende Kontaktstücke auf, wobei mindestens eines der Kontaktstücke beweglich ausgeführt ist und in Schließrichtung der Schalteinrichtung unter Federvorspannung steht. Der Öffnungszustand der Schalteinrichtung ist durch den Entriegelungsschieber gesichert und kann durch das thermische Auslösemittel zum Schließen der Schalteinrichtung freigegeben werden . Bei einer Ausführungsvariante sind die Kontaktstücke bolzenartige Elemente aus einem leitfähigen, bevorzugt metallischen Material . Im Öffnungsfall der Schalteinrichtung befindet sich in dem sich ergebenden Abstandsraum ein Trennelement,

Das isolierende Trennelement steht ebenfalls unter Federvorspannung, um im Kurzschlussfall schnell und gerichtet den Abstandsraum zu verlassen.

Mindestens Abschnitte der Kontaktstücke sind innerhalb eines eine

Lichtbogenkammer bildenden Formkörpers befindlich, wobei der Formkörper einen Ansatz aufweist, welcher In einem Winkel orientiert ist, der von der Bewegungsrichtung des beweglichen Kontaktstücks abweicht. Hier kann es sich um eine 90°-Orientierung handeln. Zur Aufnahme der Kontaktstücke weist der Formkörper Aufnahmeräume auf.

Ebenfalls besitzt der Ansatz einen Hohlraum zur Aufnahme des Trennelements und der die Vorspannkraft erzeugenden Federeinrichtung .

Die zueinander weisenden Flächen der Kontaktstücke der Schalteinrichtung können eine Kontur besitzen, um die Strom Übergangsfläche zu vergrößern und den Übergangswiderstand zu verringern .

Dabei können bei einer Ausgestaltung die Flächen als ineinandergreifender Konus und Gegenkonus ausgebildet werden.

Der Entriegelungsschieber, welcher bevorzugt aus einem Kunststoffmaterial besteht bzw. als Kunststoff-Spritzteil gefertigt ist, liegt einerseits am

Anschlagteil an und fixiert andererseits die Schalteinrichtung, d.h. das bewegliche, federvorgespannte Kontaktstück.

Der Entriegelungsschieber besitzt darüber hinaus einen nasenartigen

Abschnitt, welcher das federvorgespannte Kontaktstück der Schalteinrichtung sichert.

Im Bereich des federvorgespannten Kontaktstücks, welches vom nasenartigen Abschnitt des Entriegelungsschiebers gesichert wird, ist ein flexibles

elektrisches Verbindungsm ittel befestigt, was dann zu einem Anschluss am Überspannungsableiter führt. Der Formkörper, der Hohlraum und das Trennelement sind bevorzugt so ausgebildet, dass insbesondere bei geöffneter Schalteinrichtung eine gasdichte Abschottung realisiert wird, so dass sich ein quasi gekapselter Lichtbogenbrennraum bzw. eine diesbezügliche Lichtbogenlöschkammer ergibt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen :

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung mit Überwachungskreis Ü und Kurzschließer 4; 6 und

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Überspannungsschutzeinrichtung gemäß der Erfindung, ausgebildet als Steckteil zur Aufnahme in ein (nicht gezeigtes) Basisteil, wobei innerhalb des Steckteils der Formkörper mit Schalteinrichtung sowie das thermische Auslösemittel befindlich sind .

Die Darstellung des Prinzipschaltbilds nach Fig . 1 geht von einem Überspannungsschutzmittel 1 aus, bei welchem der Betriebs-Stoßstrompfad und der Überwachungspfad Ü funktional getrennt sind . Die integrierte Schalteinrichtung 6 ist als Kurzschließer ausgebildet, wobei m it dem Bezugszeichen 5 der Überspannungsabieiter, z. B. ausgebildet als Varistor, gekennzeichnet ist. Mit dem Bezugszeichen 4 ist in Fig . 1 die Entriegelung der Schalteinrichtung 6 symbolisiert und mit 4K das thermische Koppelelement als thermisches

Auslösemittel bezeichnet. Die Anschlüsse des Überspannungsschutzmittels weisen die Bezugszeichen 2 und 3 auf.

Das erfindungsgemäß realisierte Steckteil umfasst die Überspannungsschutzeinrichtung 1 mit dem Überspannungsabieiter 5, den Entriegelungsschieber 4 und den Formkörper 7, welcher die Schalteinrichtung 6 mit den Kontaktstücken 6a, 6b aufnimmt. Darüber hinaus sind an der Unterseite des Steckteils

Steckkontakte 2; 3 zur Betriebsstromzuführung vorhanden . Bezugszeichen 10 nach Fig . 2 kennzeichnet einen beweglichen Leiterabschnitt, um den

Strom kreis vom Steckkontakt im Bild links über die Schalteinrichtung zum Varistor und von diesem zum Steckkontakt im Bild rechts zu schließen . Die Fig . 2 zeigt den scheibenförmigen Varistor 5 mit einer aufgebrachten metallischen Leitfläche, die sich in einen Bereich erwarteter starker

Erwärmung des Varistors 5 erstreckt, wobei in diesem Bereich das thermische Auslösemittel 4K aufgebracht ist.

Die Schalteinrichtung 6 umfasst Kontaktstücke 6a und 6b (siehe Fig. 2), wobei im gezeigten Beispiel das Kontaktstück 6b unter Vorspannung einer Feder 8 beweglich im Formkörper 7 gelagert ist.

In Kurzschlussposition der Schalteinrichtung 6 wird das bewegliche Kontaktstück 6b an das feste Kontaktstück 6a angepresst.

Der Öffnungszustand der Schalteinrichtung 6 ist also durch das Mittel 4 gesichert und durch das thermische Auslösemittel 4K zum Schließen der

Schalteinrichtung 6 freigebbar.

Der geöffnete Zustand der Schalteinrichtung 6 ist mit der Fig . 2 illustriert. Hier ist auch die Position des Trennelements 4 erkennbar, dessen

Lageveränderung beim Kurzschluss unterstützt von der Feder 9 erfolgt.

Der Formkörper 7 weist einen Ansatz 71 auf, welcher in einem Winkel orientiert ist, der von der Bewegungsrichtung des beweglichen Kontaktstücks 6b abweicht.

Der Ansatz 71 umfasst einen Hohlraum zur Aufnahme eines Abschnitts 41 des Trennelements 4.

Die zueinander weisenden Flächen der Kontaktstücke 6a und 6b können eine Konuskontur mit zugehöriger konischer Ausnehmung im Gegenkontaktstück aufweisen . Hierdurch wird die Strom Übergangsfläche vergrößert und der Übergangswiderstand zwischen den Kontaktstücken reduziert.

Das flexible elektrische Verbindungsmittel 10 ist einerseits mit dem

beweglichen Kontaktstück 6b in Verbindung stehend und führt andererseits zu einem angeformten Anschlussschenkel 33. Der weitere elektrische Anschluss 21 des Varistors 5 führt zum Steckanschluss 2. Die Innenkontur innerhalb des Formstücks 7 entspricht der Außenkontur des beweglichen Kontaktstücks 6b unter Beachtung der notwendigen Toleranzen zur gewünschten freien Beweglichkeit des diesbezüglichen Kontaktstücks.

Das Überspannungsbegrenzende Bauteil 5, ausgebildet bevorzugt als Varistor, ist gemäß den zeichnerischen Darstellungen über ein thermisches Auslösemittel 4K thermisch an das Entriegeiungs- und Auslösesystem gekoppelt. Dabei steht das thermische Auslöseelement 4K unter keinem Stromdurchfluss.

Die Ausgestaltung des thermischen Auslöseelements kann damit völlig frei zur Optimierung des Ansprechverhaltens und damit zum Erreichen einer guten Auslösecharakteristik gewählt werden, und zwar über eine entsprechende Positionierung auf dem Varistor 5 und/oder einer Dimensionierung und

Auswahl des Materials für das thermische Auslöseelement hinsichtlich

Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit. Das thermische Auslöseelement 4K kann als separates Teil gefertigt werden, welches mit einem Lot oder einem wärmeempfindlichen Kleber am Varistor fest befestigt wird . Andererseits aber kann das thermische Auslösemittel auch selbst aus einem Material bestehen, das sich bei Wärmeeinwirkung nachgiebig verformt.

In den überwiegenden Fällen wird eine sehr schnelle und thermisch

empfindliche Auslösecharakteristik gewünscht. Dies kann dadurch realisiert werden, dass das thermische Auslösemittel direkt mit dem Überspannungsbegrenzenden Bauteil optimal wärmeleitend verbunden wird oder aus einem thermisch isolierenden Umhüllungsmaterial gefertigt ist, um Wärmeverluste zu vermeiden . Wärmeleitfähige Verbindungen zu quasi parasitären Wärmesenken werden vermieden.

Da bei der erfindungsgemäßen Lösung der Überwachungskreis Ü sich nicht im Betriebsstrompfad befindet, ist die Auslegung der thermischen Überwachungseinrichtung ausschließlich und unter dem Blickwinkel des Ausfallverhaltens des spannungsbegrenzenden Bauelements dimensionierbar.

Beim Überschreiten einer eingestellten kritischen Temperatur wird die thermische Kopplung mit dem Überspannungsbegrenzenden Element

aufgehoben . Das thermische Auslösem ittel wird mit Blick auf die Federkraft 9 und den Entriegelungsschieber 4; 41 weg bewegt, so dass die Schalteinrichtung in den Kurzschluss übergeht. Im Kurzschlussfall wird der Strom über die Kontaktstücke 6a und 6b geführt, wobei die entsprechende Kontaktstelle unter Federvorspannung steht.