Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem Kurzschlussmechanismus zwischen einer Mittelelektrode und einer Außenelektrode.
Überspannungsableiter der eingangs genannten Art werden üblicherweise verwendet zum Absichern von Telekommunikationseinrichtungen gegenüber kurzzeitig auftretenden Überspannungen, wie sie beispielsweise aus Blitzeinschlägen resultieren. Dabei wird durch Zünden des Überspannungsableiters die Außenelektrode mittels eines Lichtbogens mit der Mittelelektrode kurzgeschlossen. Sobald das Auftreten der Überspannung beendet ist, erlischt der Lichtbogen und die Schaltstrecke zwischen Mittel- und Außenelektrode ist wieder isolierend.
Um die soeben beschriebene Schutzfunktion auch bei Ausfall eines Überspannungsableiters aufrecht zu erhalten, können Ableiter mit zusätzlichen Funktionen ausgestattet werden. In diesem Zusammenhang sind Mechanismen zum Absichern des Ableiters bei einer thermischen Überbelastung bekannt (englisch: Fail safe), bei denen zwischen einem Federbügel und der Außenelektrode ein Schmelzelement aus Lotmaterial oder auch einer isolierenden Folie angeordnet ist, das bei zu hoher Temperatur die Bewegung des Federbügels freigibt, der dann die Schaltstrecke des Ableiters zwischen Mittelelektrode und Außenelektrode überbrückt und damit kurzschließt.
Ein solcher Überspannungsableiter ist z. B. aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter anzugeben, der sich im Fehlerfall durch einen sicheren Kontakt zwischen den kurzzuschließenden Elektroden auszeichnet.
Diese Aufgabe ist durch den Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den weiteren Ansprüchen hervor.
Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Überspannungsableiter mit einem Keramikkörper, wenigstens einer Außenelektrode und wenigstens einer weiteren Elektrode angegeben, bei dem ein elektrisch leitendes, von der Außenelektrode durch einen Luftspalt beabstandetes Kontaktelement vorgesehen ist, welches im Normalfall durch einen Federmechanismus vorgespannt ist. Der Federmechanismus übt auf das Kontaktelement eine Federkraft in Richtung auf die Außenelektrode aus. Zwischen der weiteren Elektrode und dem Kontaktelement ist eine elektrisch leitende Verbindung vorgesehen. Der Luftspalt zwischen der Außenelektrode und dem Kontaktelement ist in einem vorzugsweise hermetisch dicht geschlossenen Hohlraum angeordnet. Der das Kontaktelement vorspannende Federmechanismus wird im Fehlerfall z. B. durch Wärme ausgelöst, wobei das Kontaktelement freigesetzt, durch die Federkraft auf die Außenelektrode gedrückt wird und so einen Kurzschluss zwischen der Außenelektrode und der weiteren Elektrode erzeugt.
Die weitere Elektrode ist vorzugsweise eine Mittelelektrode, die zwischen zwei Außenelektroden angeordnet ist.
Dadurch, dass der Hohlraum abgeschlossen ist, ist er bei Einbettung des Ableiters in ein Silikon-Gel gegen das Gel geschützt. Das Gel wird beispielsweise als Feuchtigkeitsschutz des Ableiters verwendet.
Das Kontaktelement ist vorzugsweise komplett im dicht abgeschlossenen Hohlraum angeordnet. Der Hohlraum kann mit dem Luftspalt identisch sein.
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Mittelelektrode und dem Kontaktelement ist vorzugsweise in Form eines an der Mittelelektrode befestigten Federbügels ausgeführt. Der Federbügel übt eine Federkraft auf ein elektrisch leitendes, von der Außenelektrode beabstandetes Kontaktelement aus.
Das Kontaktelement kann z. B. mittels einer schmelzbaren Masse in einer Öffnung einer Metallplatte befestigt sein, welche zumindest teilweise formschlüssig in einer isolierenden Halterung eingebettet ist, die zwischen der Metallplatte und der Außenelektrode angeordnet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform gilt: Bei nicht geschmolzener Masse ist das Kontaktelement von der Außenelektrode beabstandet. Bei einer geschmolzenen Masse ist das Kontaktelement durch den Federbügel gegen die Außenelektrode gedrückt.
In einer Variante der Erfindung ragt das Kontaktelement in eine Öffnung der Metallplatte hinein und ist mittels einer schmelzbaren Masse in dieser Metallplatte befestigt. Das Kontaktelement ist vorzugsweise als ein Metallbolzen ausgebildet.
Die schmelzbare Masse (z. B. Lot, vorzugsweise Weichlot) sorgt dabei für einen dichten Abschluss des geschlossenen Hohlraums. Die schmelzbare Masse ist erforderlich, um das Kontaktelement in der Metallplatte zu befestigen und kann daher in einer geringen Menge vorgesehen sein, die sicherstellen muss, dass das Kontaktelement in der Metallplatte festgehalten wird. Die Befestigung des Kontaktelements in der Metallplatte kann bei entsprechender Dimensionierung des Bolzens bzw. des Lochs mit einer sehr geringen Menge von schmelzbarer Masse hergestellt werden, wodurch sich der Vorteil eines schnellen Auslösemechanismus ergibt.
Die Metallplatte mit dem vorzugsweise formschlüssig eingefügten Metallbolzen, der in die Öffnung der Metallplatte vorzugsweise weich eingelötet ist, ist in einem abgesetzten Bereich einer isolierenden Halterung, die z. B. als eine Isolierscheibe ausgebildet ist, vorzugsweise formschlüssig angeordnet.
Auf die nach außen gewandte Stirnseite des Metallbolzens in Richtung der Außenelektrode wird zur Erzeugung einer Vorspannung von einem an der Mittelelektrode befestigten elektrisch leitenden Federbügel eine Federkraft ausgeübt. Der Federbügel dient auch als die elektrische Verbindung zwischen der Mittelelektrode und dem Metallbolzen. Der Federbügel ist vorzugsweise aus einem Federmaterial, z. B. einem Federstahl gefertigt.
Der Federbügel bildet den Federmechanismus. Der Federbügel, die Metallplatte und das Kontaktelement bilden zusammen einen Kurzschlussmechanismus.
Im Fehlerfall wird im Ableiter eine unzulässig hohe Erwärmung erzeugt, wobei die schmelzbare Masse schmilzt, weswegen das Kontaktelement durch den Federbügel gegen die Außenelektrode gedrückt wird, wobei zwischen der.Mittel- und Außenelektrode ein Kurzschluss erzeugt wird.
In einer weiteren Variante der Erfindung umfasst der Kurzschlussmechanismus eine elektrisch mit der Mittelelektrode verbundene Metallplatte und ein federndes Kontaktelement, das eine vorzugsweise als eine Blattfeder ausgebildete Feder aufweist, deren festes Ende vorzugsweise an der Metallplatte befestigt ist und deren freies Ende bei der nicht geschmolzenen schmelzbaren Masse vorzugsweise im vorgespannten Zustand im Abstand von der Außenelektrode gehalten wird. Der Federmechanismus ist in diesem Fall durch das federnde Kontaktelement selbst gebildet.
Die Feder ist vorzugsweise als eine zusammengefaltete Blattfeder, d. h. im Querschnitt mäanderförmig mit mehreren Mäandersektionen ausgebildet, wobei die einander gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen Mäandersektion durch eine schmelzbare Masse federnd zusammengepresst bzw. unter Vorspannung weich zusammengelötet sind. Die Blattfeder wird im Normalfall durch die schmelzbare Masse in einem vorgespannten Zustand im Abstand von der Außenelektrode gehalten.
Wenn die schmelzbare Masse schmilzt und dabei ihre Festigkeit verliert, entfaltet sich die zusammengefaltete Blattfeder und erzeugt einen Kurzschluss zwischen der Metallplatte und der Außenelektrode.
Diese Variante der Erfindung hat den Vorteil besonders bei Verwendung von einem zähflüssigen Gel in der Umgebung des Ableiters, da der Federmechanismus vollständig im geschlossenen Hohlraum angeordnet und daher von der Umgebung isoliert ist. Durch die vollständige Trennung von der Umgebung kann die Bewegung des freigesetzten Federelements nicht mehr durch das Gel gehindert werden.
Die Mittel- und Außenelektrode bestehen vorzugsweise aus Kupfer. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Kupfers unterscheidet sich stark von dem der Keramik, was bei Temperaturbelastung die Dichtigkeit der Schnittstelle zwischen dem Keramikkörper und der Außenelektrode beeinträchtigen kann. Zum Ausgleich der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Keramikkörper und der Cu-Elektrode wird ein Ring bzw. Rahmen benutzt, der auf der Außenelektrode befestigt (vorzugsweise hart aufgelötet) ist. Als Material des Rings wird vorzugsweise ein Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt, der annähernd dem Ausdehnungskoeffizienten des Keramikkörpers gleich ist, wie z. B. FeNi.
In einer bevorzugten Variante ist die isolierende Halterung in den Ring (z. B. FeNi-Ring) bzw. Rahmen vorzugsweise formschlüssig eingefügt. Dabei entsteht zwischen der Außenelektrode, der isolierenden Halterung und der Metallscheibe ein dicht geschlossener Hohlraum, in dem der Luftspalt zwischen der Außenelektrode und dem Kontaktelement angeordnet ist. Die isolierende Halterung kann z. B. bei einer aus FeNi oder einem bezüglich thermischer Ausdehnung ähnlichen Material gefertigten Außenelektrode in einen abgesetzten Bereich der Außenelektrode eingesetzt sein. Im letzteren Fall kann auf den Ring oder Rahmen verzichtet werden.
In bevorzugter Variante ist die Metallplatte in die isolierende Halterung und die isolierende Halterung in den Ring eingepresst. Dadurch wird das Eindringen des Gels in den geschlossenen Hohlraum bzw. in den Luftspalt verhindert.
Die Metallplatte besteht vorzugsweise aus Messing oder aus einem anderen geeigneten Metall oder einer Metalllegierung.
Die isolierende Halterung besteht vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, dessen Schmelztemperatur über der Schmelztemperatur der schmelzbaren Masse, die typischerweise ca. 220°C beträgt, liegt. Der Kunststoff zeichnet sich vorzugsweise durch eine gute Federwirkung aus, die eine gute Presspassung zwischen der isolierenden Halterung und der Metallscheibe gewährleistet.
Im Fehlerfall, d. h. beim Überschreiten einer gewissen Grenzspannung Umax, entsteht ein Funkenüberschlag zwischen der Mittel- und Außenelektrode, wobei sich die Elektroden erwärmen.
Die an der Außenelektrode erzeugte Wärme wird auf das Kontaktelement und die Metallscheibe durch die Wärmeabstrahlung der Außenelektrode in Richtung des geschlossenen Hohlraums übertragen. Die an der Mittelelektrode erzeugte Wärme wird auf das Kontaktelement oder die Metallscheibe durch den Federbügel übertragen.
Im folgenden wird der Ableiter anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert: Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
Ein beispielhafter Überspannungsableiter vor und nach dem Ansprechen des Federmechanismus ist in
Das Kontaktelement 7 hat die Form eines runden Bolzens, der durch ein rundes Loch in einer Metallplatte 5a ragt. Die mechanische Verbindung zwischen dem Kontaktelement 7 und der Metallplatte 5a ist durch eine schmelzbare Masse 6 entlang des Lochrandes der Metallplatte 5a hergestellt. Der Metallbolzen ist in einer Metallplatte 5a also weich eingelötet.
Die schmelzbare Masse kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als Lot ausgebildet sein. In Verbindung mit lötbaren Materialien für das Kontaktelement und das Distanzelement ist so eine sehr einfache Verbindung zwischen Kontaktelement und Distanzelement möglich. Zudem stellen die für Lot verwendeten Zinn-Legierungen sicher, dass die Verbindung zwischen dem Kontaktelement und dem Distanzelement bei ausreichender Wärme schnell gelöst wird.
Die Metallplatte 5a weist eine vorzugsweise mittig angeordnete Öffnung zur Aufnahme des Kontaktelements 7 auf. Die Metallplatte 5a hat vorzugsweise die Form einer Scheibe, die in eine isolierende Halterung 5b eingesetzt ist. Die isolierende Halterung 5b weist einen abgesetzten Bereich zur Aufnahme der Metallplatte 5a auf.
Das Kontaktelement 7 kann, wie in
Der Federmechanismus umfasst ferner einen elektrisch leitenden Federbügel 3, der an der Mittelelektrode 1 des Ableiters befestigt ist, siehe
Der Federbügel 3, die Metallplatte 5a und das Kontaktelement 7 sind so gestaltet, dass bei Flüssigwerden der schmelzbaren Masse 6 der Federbügel 3 und das Kontaktelement 7 entlang der Öffnung der Metallplatte 5a gleiten können.
Das Kontaktelement kann in einer Variante der Erfindung mechanisch fest mit dem Federbügel 3 verbunden oder Bestandteil des Federbügels 3 sein.
Zwischen dem Kontaktelement 7, der Metallplatte 5a, der isolierenden Halterung 5b und der Außenelektrode 2 ist ein Hohlraum 22 gebildet. Der Hohlraum 22 ist durch die schmelzbare Masse 6 abgedichtet. Die Metallplatte 5a ist gegen den Ring 16 und die isolierende Halterung 5b jeweils z. B. durch Presspassung abgedichtet. Der Ring 16 ist auf der Außenelektrode 2 aufgelötet oder aufgeschweißt. Somit wird ein dichter Abschluss des Hohlraums gegen ein Gel und ggf. Feuchte erreicht.
Zwischen der Mittelelektrode 1 und der Außenelektrode 2 ist ein gasgefüllter Keramikkörper 19 angeordnet. Der Keramikkörper ist vorzugsweise mit einem Edelgas gefüllt. Der Ableiter ist vorzugsweise mit zwei Außenelektroden und ggf. bezogen auf die Mittelelektrode symmetrisch ausgebildet. Die Mittelelektrode 1 ist vorzugsweise zwischen zwei Keramikkörpern angeordnet. Die Mittel- bzw. Außenelektroden 1, 2 sind jeweils durch Löten mit den Keramikkörpern 19 verbunden.
Die Mittel- und Außenelektrode 1 bzw. 2 besteht vorzugsweise aus Cu. Es ist aber in einer anderen Variante möglich, dass die Mittel- und/oder Außenelektrode aus FeNi besteht.
Auf der Außenelektrode 2 am Rand ist ein Ring 16 angeordnet, der vorzugsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung besteht. In den Ring 16 ist die isolierende Halterung 5b eingesetzt. Die Außenelektrode 2 weist in dem dem Kontaktelement 7 zugewandten Bereich eine Ausnehmung zur Bildung eines Luftspaltes 20 auf. Der Luftspalt 20 ist im dicht geschlossenen Hohlraum 22 angeordnet.
Die
Im Fehlerfall schmilzt die schmelzbare Masse 6 durch die in der Umgebung des Ableiters erzeugte Wärme. Dabei wird das Kontaktelement 7 freigelassen und durch die Federkraft F des Federbügels 3 auf die Außenelektrode 2 gedrückt, siehe
In
Das Kontaktelement 7 weist eine Blattfeder 21 mit einem festen Ende 21a und einem freien Ende 21b auf. Das feste Ende 21a der Blattfeder ist an der Metallplatte 5c befestigt, z. B. hartgelötet. Das freie Ende 21b der Blattfeder wird z. B. durch Weichlöten mit der Metallplatte 5c oder einem anderen Abschnitt (z. B. festem Ende) der Blattfeder vorgespannt.
Es ist vorteilhaft, wenn die Blattfeder 21, wie in
Die Blattfeder 21 und der Federbügel 3 können z. B. aus CuBe gefertigt sein.
Im Fehlerfall schmilzt die schmelzbare Masse, wobei die durch das Falten vorgespannte Blattfeder freigelassen wird. Die zusammengefaltete Blattfeder springt auseinander. In
In
In
Das in
In dieser Variante der Erfindung ist der geschlossene Hohlraum 22 zwischen der Außenelektrode 2, der isolierenden Halterung 5b und der Metallplatte 5c gebildet. Bewegliche Teile des Federmechanismus (d. h. das als Blattfeder ausgebildete Kontaktelement) sind hier vollständig im geschlossenen Hohlraum 22 angeordnet.
In
In
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, die Presspassung der eingesetzten Teile durch eine andere Art der Einbettung, z. B. Eingießen, zu ersetzen. Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt. Der beschriebene Sicherungsmechanismus ist selbstverständlich nicht auf die Absicherung nur einer Schaltstrecke zwischen der Mittelelektrode 1 und der Außenelektrode 2 beschränkt. Durch symmetrische Ergänzung kann auch die zweite Schaltstrecke zwischen der Mittelelektrode 1 und der weiteren Außenelektrode in entsprechender Art und Weise abgesichert werden.
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