überspannungsabieiter mit einem Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, insbesondere einem Varistor

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen überspannungsabieiter mit einem Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, insbesondere einem Varistor, sowie einer Abtrennvorrichtung, um das oder die Ableitelemente vom Netz zu trennen, wobei die Abtrennvorrichtung eine Trenn-, insbesondere Lötstelle umfasst, welche in den elektrischen Anschlusspfad innerhalb des Ableiters eingebunden ist, wobei über die Lötstelle ein beweglicher Leiterabschnitt oder eine bewegliche leitende Brücke mit dem Ableitelement einerseits und der Leiterabschnitt oder die Brücke andererseits mit einem ersten elektrischen Außenanschluss des Ableiters verbunden ist, sowie umfassend ein Vorspannkraft erzeugendes Mittel, beispielsweise eine Feder, wobei der diesbezügliche Kraftvektor auf den Leiterabschnitt oder die Brücke in Abtrennrichtung wirkt, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Schutz überspannungsempfindlicher Geräte werden in Netz- und Datenleitungen häufig mehr oder weniger kompakte überspannungsabieiter auf der Basis von Varistoren eingesetzt. Diese Ableiter besitzen im Regelfall ein begrenztes Ableitvermögen und können bei überlast allmählich, aber auch schlagartig einer Zerstörung unterliegen.

überspannungsabieiter auf der Basis von Varistoren besitzen im Niederspannungsbereich im Regelfall eine interne Abtrennvorrichtung.

Diese interne Abtrennvorrichtung besteht beispielsweise aus einer Kombination aus einer thermischen Abtrennvorrichtung und einer Sollbruchstelle für hohe Ströme. Diese Sollbruchstelle stellt eine definierte Reduzierung des Anschlussquerschnitts des Varistors mit einem bestimmten Schmelzintegralwert dar.

Bei hohen abzuleitenden Impulsströmen schmilzt diese Engstelle. Es wird dann das bewegliche Anschlussstück getrennt und infolge einer Federvorspannung wird der Varistor netzfrei. Zum Stand der Technik sei hier auf die DE 42 41 311 Al oder die DE 38 05 889 verwiesen.

Die prinzipielle Ausbildung einer Abtrennvorrichtung, die häufig von einer Lötverbindung zwischen dem Varistor und einem beweglichen, unter Federvorspannung stehenden Anpressdruck realisiert wird, zeigt die Prinzipskizze nach Fig. 1. Der dort gezeigte scheibenförmige Varistor 1 ist in Reihe mit der Abtrennvorrichtung 2, als Schalter

symbolisiert, geschaltet. Eine Vorspannkraft F wirkt auf die Abtrennvorrichtung. Schmilzt das Lot 5 an der Verbindungsstelle, dann wird der elektrische Kontakt zwischen dem Varistoranschluss 6 und dem Außenanschluss 7 über den Abtrennstreifen 3 aufgehoben. Die geometrische Engstelle mit definiertem Schmelzintegralwert ist durch das Bezugszeichen 4 symbolisiert.

Grundsätzlich können Fehler, die bei überspannungsableitern mit Varistoren auftreten, wie folgt beschrieben werden.

Bei einer allmählichen Erwärmung des Varistors, z.B. durch Alterung oder eine geringe Spannungsüberhöhung, spricht im Allgemeinen die thermische Abtrennvorrichtung nach mehreren Sekunden an. Ein die Abtrennvorrichtung fixierendes Lot schmilzt, wodurch die unter Federkraft stehenden Kontakte einem öffnungsvorgang unterliegen. Der Varistor besitzt bei diesem Fehlerfall noch einen hohen Widerstand, wodurch der Strom durch den Varistor stark begrenzt wird. Die Abtrennvorrichtung kann im Regelfall diese Ströme problemlos unterbrechen und somit den überlasteten Ableiter sicher vom Netz trennen, ohne dass eine weitere separate überspannungsschutzeinrichtung anspricht oder erforderlich ist. Die Netzversorgung des Verbrauchers wird demnach nicht unterbrochen oder gestört. Es muss lediglich der defekte überspannungsabieiter bei einer Wartung ausgetauscht werden.

Wird hingegen der Ableiter durch eine hohe Impulsspannung überlastet, jedoch nicht zerstört oder überschlagen, kann einerseits die thermische Abtrennvorrichtung wie erläutert zu einer verzögerten Abtrennung führen oder aber der Schmelzintegralwert der Engstelle wird erreicht, wodurch diese aufschmilzt und den Ableiter vom Netz trennt.

Wird der Ableiter durch eine erhöhte netzfrequente Spannung oder einen Stoßstrom innerhalb kürzester Zeit zerstört oder überschlagen, können Fehlerströme auftreten, welche je nach Impedanz der Fehlstelle, der treibenden Spannung und dem prospektiven Kurzschlussstrom des Netzes im Bereich von einigen Kiloampere liegen. Diese Ströme erreichen häufig Werte, die oberhalb des Schaltvermögens üblicher Abtrennvorrichtungen liegen. Spricht bei diesen Belastungen die Abtrennvorrichtung vor anderen überstromschutzeinrichtungen an, kann der überspannungsabieiter geschädigt werden und das Ansprechen der überstromschutzeinrichtungen nur verzögert mit allen nachteiligen Folgen gegeben sein.

Der letztgenannte Fehlerfall ist demnach bezüglich der sicheren Abschaltung des überspannungsabieiters problematisch. Soll der Ableiter auch diesen Fehlerfall selb-

ständig beherrschen oder kann das Ansprechen der internen Abtrennvorrichtung des Ableiters vor dem Ansprechen der externen überstromschutzeinrichtung nicht verhindert werden, so muss die Abtrennvorrichtung ein höheres Schaltvermögen besitzen.

Zum Erreichen eines derartigen höheren Schaltvermögens sind verschiedene Lösungen des Standes der Technik bekannt.

Beispielsweise zeigt die EP 0 046 545 Al, die DE 28 53 697 Al oder die EP 0 862 255 Al bzw. die EP 1 447 831 Al die Kombination eines überspannungsabieiters mit einem mechanischen Schaltgerät, welches die eigentliche Abtrennfunktion übernimmt. Das Schaltvermögen einer solchen Abtrennvorrichtung ist zwar hinreichend hoch, jedoch ist der Aufwand und der notwenige Platzbedarf erheblich. Auch ist die Kopplung mit der thermischen Auslösefunktion konstruktiv schwierig.

Die DD 239 488 oder die US 6,430,019 Bl offenbaren den Einsatz eines isolierenden Schiebers, welcher nach dem Ansprechen der thermischen Abtrennvorrichtung zwischen die beiden Anschlussstücke bewegt wird.

Nachteilig bei dieser Lösung ist es, dass die Bewegung des Schiebers durch das Schmelzverhalten und die Rückstände des Lotes der thermischen Kontaktstelle behindert werden kann, wodurch die Geschwindigkeit der Lichtbogenverlängerung Undefiniert ist.

Weiterhin kann der isolierende Schieber durch das flüssige Lot leitfähig beschichtet werden und es besteht die Gefahr, dass der Lichtbogen den Schieber durchtrennt bzw. dessen thermische Zerstörung bewirkt, bevor eine ausreichende Lichtbogenverlängerung erreicht wurde.

Hier erwähnt sei noch die aus der EP 0 905 839 Al bzw. der WO 2004/064213 Al bekannte Nutzung der Doppelunterbrechung mit Klemmkontakten bzw. Lötkontakten. Der Hubweg einer derartigen Doppelunterbrechung ist jedoch begrenzt. Die Ausführungsformen bekannter Doppelunterbrechungen erlauben zudem keine besonders hohen Lichtbogenspannungen, da in diesen Anordnungen die Gefahr des direkten Kurzschlusses oder der Bildung eines einzelnen Lichtbogens besteht. Dies deshalb, da die Hauptkontakte nicht voneinander abgeschottet sind und eine direkte Beeinflussung des Lichtbogenplasmas vorliegt. Die überspannungsabieiter dieses Standes der Technik besitzen zudem keine Engstelle. Bei erhöhten Fehlerströmen ist jedoch gerade das Ansprechen der Engstelle wahrscheinlicher als das öffnen der thermischen Trennstelle.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten überspannungsabieiter mit einem Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, insbesondere einem Varistor, sowie einer Abtrennvorrichtung anzugeben, welcher sicherstellt, dass bei der überlastung gegebene Fehlerströme sicher beherrscht werden, ohne dass eine Schädigung der Varistoren eintritt, und zwar in dem Fall, wenn an sich das Schaltvermögen der integrierten Abtrennvorrichtung überfordert wird.

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

Der Grundgedanke der Erfindung besteht demgemäß darin, den Fehlerstrom, der möglicherweise fließen kann, dadurch zu reduzieren, dass eine gezielte Kommutierung dieses Fehlerstroms in einen separaten Löschpfad erfolgt, wobei dieser Löschpfad der Abtrennvorrichtung parallel geschaltet ist oder in Abhängigkeit bestimmter Bedingungen parallel geschaltet wird.

Es wird also der Fehlerstrom nach dem öffnen der Trennstrecke unterbunden bzw. in den erwähnten Parallelzweig kommutiert und damit gelöscht.

Ausgestaltend besteht die Möglichkeit, im Bewegungsweg des Leiterabschnitts oder der Brücke, die Bestandteil der Abtrennvorrichtung sind, ein leitfähiges Element anzuordnen, dessen erstes Ende bei ausgelöster Abtrennvorrichtung mit dem Leiterabschnitt oder der Brücke in Kontakt gelangt, wobei dessen zweites Ende mit einem zweiten elektrischen Außenanschluss in Verbindung steht und das leitfähige Element eine Schalteinrichtung umfasst oder als Schalteinrichtung ausgebildet ist. Diese Ausführungsvariante führt zu einem sicheren Fail-Safe-Verhalten durch Erreichen eines gezielten Kurzschlusses des Ableitelements. Weiterhin stellt die vorerwähnte Ausführungsform sicher, dass bei einer vorgegebenen Zeit sich die Schalteinrichtung öffnet, womit der Fehlerstrom unterbrochen wird. Nach dem Abschaltvorgang ist das defekte überspannungsschutzgerät vom zu sichernden Stromkreis getrennt und es bleibt die Spannungsversorgung aufrecht erhalten. Durch den aufgehobenen Kurzschluss kann das Wartungspersonal eine Spannung messen und ohne Gefährdung den Ableiter austauschen.

Der parallel zur Abtrennvorrichtung vorgesehene Kommutierungszweig kann permanent der Abtrennvorrichtung elektrisch parallel geschaltet werden. Es besteht aber auch ausgestaltend die Möglichkeit, die Parallelschaltung nach Erreichen einer defi-

nierten Spannung über der Abtrennvorrichtung herbeizuführen oder in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Trennabstand der Abtrennvorrichtung auszulösen.

Im Kommutierungszweig sind ausgestaltend eine Sicherung oder ein PTC-Element angeordnet.

Zur Sicherung kann mindestens ein spannungsschaltendes oder spannungsbegrenzen- des Element in Serie geschaltet werden.

Es besteht weiterhin die Möglichkeit, im Kommutierungszweig eine weitere, zweite thermische Abtrennvorrichtung anzuordnen.

Mittels der zweiten Abtrennvorrichtung im Kommutierungszweig kann sichergestellt werden, dass im Störungsfall eine vollständige Netztrennung realisierbar ist.

Ein weiterer erfindungswesentlicher Ansatz besteht darin, im Trennabstand der mit dem Ableitelement in Serie angeordneten Abtrennvorrichtung eine sogenannte Fangelektrode vorzusehen, welche mit dem Kommutierungszweig verbunden ist. Im überlastfall wird ein über der Trennstrecke entstehender Lichtbogen zur Fangelektrode geführt und gelangt damit in den Kommutierungszweig und wird gelöscht.

Das für das Erreichen eines gezielten Kurzschlusses ausgestaltend vorgesehene leitfähige Element kann auch nachträglich in den Ableiter eingesetzt werden, um neben einer Abtrenn- auch die erwähnte Kurzschluss-Fail-Safe-Funktion zu realisieren.

Zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements im Sinne eines im Abtrennfall wirkenden Kurzschließers ist ein Isolierplättchen zwischen dem leitfähigen Element und dem Leiterabschnitt oder der Brücke anordenbar oder es weist das leitfähige Element mindestens auf seinem ersten Ende einen lösbaren Isolierüberzug auf.

Ebenso besteht die Möglichkeit zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements im Sinne eines im Abtrennfall wirkenden Kurzschließers, den relativen Abstand zwischen dem leitfähigen Element und dem Leiterabschnitt oder der Brücke einstellbar zu gestalten.

Zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements ist es auch möglich, ein den Bewegungsweg des Leiterabschnitts oder der Brücke begrenzendes Element als Stift, Bolzen oder dergleichen Anordnung einzusetzen.

Das leitfähige Element kann als Sicherung ausgebildet werden, aber auch einen Leistungshalbleiter aufweisen oder mit einem Leistungshalbleiter einen Stromkreis bilden, wobei der Leistungshalbleiter nach Führen eines Kurzschlussstroms mit Hilfe eines Initialimpulses in den geöffneten Zustand überführt wird.

Das leitfähige Element ist weiterhin ausgestaltend im Querschnitt derart dimensionierbar, dass nach dem Führen eines Kurzschlussstroms ein Auftrennen der leitfähigen Verbindung erfolgt.

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

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Reihenschaltung eines Varistors mit Abtrennvorrichtung sowie eine mögliche konstruktive Anordnung dieser Reihenschaltung gemäß Stand der Technik;

Fig. 2a ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung mit einem permanent der Abtrennvorrichtung parallel geschalteten Kommutierungszweig;

Fig. 2b eine Anordnung ähnlich derjenigen nach Fig. 2a, jedoch mit der Möglichkeit, den Kommutierungszweig separat zuzuschalten, und

Fig. 3 eine Ausführungsform des Kommutierungszweigs mit einer Fangelektrode, d.h. nicht ständiger Parallelschaltung bezogen auf die Abtrennvorrichtung.

Bei den Darstellungen nach den Fig. 2a, 2b und 3 wird zunächst von einer Reihenschaltung eines Ableitelements, insbesondere eines Varistors 1 mit einer Abtrennvorrichtung 2 ausgegangen.

Die Abtrennvorrichtung 2 umfasst eine nicht im Detail gezeigte Lötstelle, die in den elektrischen Anschlusspfad A-B des Ableiters eingebunden ist, wobei über die Lötstelle ein beweglicher Leiterabschnitt oder eine bewegliche leitende Brücke (als Schalter symbolisiert) mit dem Ableitelement 1 einerseits und der Leiterabschnitt oder die Brücke andererseits mit einem ersten elektrischen Außenanschluss des Ableiters verbunden ist. Weiterhin ist ein Vorspannkraft erzeugendes Mittel, symbolisiert mit F,

beispielsweise eine Feder, vorhanden, wobei der diesbezügliche Kraftvektor auf den Leiterabschnitt oder die Brücke in Abtrennrichtung wirkt.

Gemäß Fig. 2a ist ein Kommutierungszweig oder Kommutierungspfad 8 vorhanden, der eine Serienschaltung einer Sicherung 10 und eines spannungsschaltenden Elements 11 umfasst.

Der Kommutierungszweig 8 ist der Abtrennvorrichtung 2 ständig parallel geschaltet. In dem Fall, wenn sich die Abtrennvorrichtung 2 öffnet, kommutiert der Fehlerstrom in den Zweig 8. Dieser Zweig 8 führt den Strom so lange, bis ein ausreichender Trennstreckenabstand vorhanden ist und der Lichtbogen sicher gelöscht wird. Danach wird der Parallelzweig hochohmig geschaltet, z.B. durch Aktivierung der Sicherung 10, und der fließende Strom endgültig gelöscht.

Die Darstellung nach Fig. 2b zeigt eine Ausführungsvariante, wonach die Zuschaltung des Kommutierungszweigs 8 z.B. spannungsabhängig erfolgt oder aber auch durch eine mechanische Bewegung eines Schalters 9.

Bei den Lösungen gemäß den Fig. 2a und 2b wird der Kommutierungszweig 8 bei allen Belastungen, welche zum öffnen der Abtrennvorrichtung führen, aktiviert. Falls dies unerwünscht ist bzw. dann, wenn der Kommutierungszweig 8 nur im überlastfall der Abtrennvorrichtung 2 aktiviert werden soll, kann dies nach der Ausführungsform gemäß Fig. 3 realisiert werden.

Gemäß der Darstellung nach Fig. 3 wird das bewegliche Anschlusselement der Abtrennvorrichtung 2 an einer Fangelektrode 12 vorbei- oder hindurchgeführt.

Die Fangelektrode 12 ist so angeordnet, dass die Entfernung zwischen dem festen An- schluss des Varistors und der Fangelektrode 12 unter üblichen Abschaltbedingungen für eine sichere Abtrennung des Varistors 1 ausreichend ist.

Kann im überlastfall hingegen ein entstehender Lichtbogen nicht sicher gelöscht werden, kommutiert der Strom zur Fangelektrode 12, während sich das bewegliche Element der Abtrennvorrichtung 1 weiterbewegt. Hierdurch wird zwischen dem festen Anschluss des Varistors 1 und dem beweglichen Element der Abtrennvorrichtung 2 eine Trennstrecke geschaffen, welche nur teilweise durch den Lichtbogen gebrückt wird. Nach Abschaltung des Fehlerstroms im Kommutierungszweig 8 verlischt der Lichtbogen dann vollständig.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 liegt im Ableiter ein frei brennender Lichtbogen vor, welcher durch den Ableiter, den festen Anschluss des Varistors und die Fangelektrode 12 thermisch und dynamisch zumindest zeitweise beherrscht werden muss.

Wie bereits dargelegt, kann im einfachsten Fall der Kommutierungszweig 8 durch eine Parallelschaltung einer Sicherung 10 kleiner Baugröße und geringer Nennstromstärke realisiert werden.

In Kombination dazu besteht die Möglichkeit, der Sicherung spannungsschaltende und spannungsbegrenzende Schaltelemente in Reihe zu schalten. Der entstehende Fehlerstrom kommutiert auf die Sicherung. Diese führt den Fehlerstrom über eine Zeitdauer, welche zum Verlöschen und zur Deionisation der Schaltstrecke ausreicht. Danach schaltet die Sicherung den Strom ab. Die Schaltspannung der Sicherung 10 darf hierbei die Spannungsfestigkeit der eigentlichen Schaltstrecke, d.h. der Schaltstrecke der Abtrennvorrichtung, nicht überschreiten.

Alternativ zu einer irreversibel arbeitenden Sicherung können reversible Sicherungen oder PTC-Elemente Verwendung finden. Auch ist der Einsatz von elektronischen Bauelementen zur Abschaltung und Kommutierung möglich.

Bei diesen Varianten der Erfindung kann im Kommutierungspfad eine weitere Abtrennvorrichtung vorgesehen sein, welche z.B. das PTC-Element bei Erreichen einer bestimmten Temperatur abtrennt, wodurch der Ableiter letztendlich durch eine reale Trennstrecke vollständig vom Netz freigeschaltet ist.

Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Fehlerfall der Varistor kurzgeschlossen wird, besteht die Gefahr, dass bei einem dauerhaften Kurzschluss im Fall der Anwendung eines solchen überspannungsabieiters bei trafolosen Wechselrichtern in photovoltaischen Anwendungen Probleme resultieren, und zwar bedingt durch fließende Rückströme. Außerdem kann das Auswechseln eines kurzgeschlossenen überspannungsabieiters eine Lichtbogengefährdung bewirken, da bei den erwähnten photovoltaischen Anwendungen ein Stromfluss vom Generator aus erfolgt.

Zur Vermeidung dieser Nachteile ist im Kurzschlusszweig eine Schalteinrichtung vorhanden. Im Fall einer überlastung des Varistors wird die eigentliche thermische Abtrennvorrichtung betätigt und es bewegt sich der Abtrennkontakt zum leitfähigen Element mit der Folge des Erreichens eines Kurzschlusszustands. Der entstehende Licht-

bogen wird von den Kontaktelementen geführt und verlischt selbständig bei Erreichen des Kurzschlusskontakts. Nach einer vorgegebenen Zeit öffnet sich dann die im Kurzschlusspfad vorgesehene Schalteinrichtung und unterbricht den Fehlerstrom. Als Schalteinrichtung können mechanische Schaltgeräte, Sicherungen, aber auch Leistungshalbleiter eingesetzt werden. Auch ist der Einsatz von Funkenstrecken als Schalteinrichtung denkbar. Nach dem Abschaltvorgang der Schalteinrichtung, die sich im Kurzschlusspfad befindet, ist die defekte überspannungsableiteranordnung aus dem eigentlichen Stromkreis herausgetrennt und es bleibt die Versorgung erhalten.

Bezugszeichenliste

1 Ableitelement / Varistor

2 Abtrennvorrichtung

3 beweglicher Leiterabschnitt oder bewegliche leitende Brücke

4 geometrische Engstelle

5 Lotstelle

6, 7 Varistoranschlüsse

8 Kommutierungszweig

9 Schalter

10 Sicherung

11 spannungsschaltendes Element

12 Fangelektrode