CH662678A5 - Ueberspannungsschutzgeraet. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzgerät gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein solches Überspannungsschutzgerät ist in der bevorzugten Ausführungsform aus der DE-AS 27 18 188 bekannt. Hiermit wird der Vorteil erzielt, dass beim Auftreten geringerer Überspannungen und entsprechend geringer abzuleitender Ströme nur der Varistor als erste Schutzstufe anspricht. In solchen Fällen ist der an ihm auftretende Spannungsabfall nicht hoch genug, um die Funkenstrek-ke, insbesondere die dort im Ausführungsbeispiel vorgesehene Luft-Gleit-Überschlags-Funkenstrecke zum Überschlag zu bringen. Erst bei grösseren Belastungen wird die Funkenstrecke als weitere Schutzstufe und damit als Überlastschutz für den Varistor wirksam. Bei einer solchen Anordnung begrenzt die Funkenstrecke die Spannung am Verbraucher und am Varistor immer auf einen nahezu konstanten Wert. Es können aber auch andere Funkenstrecken als Luft-Gleit-Überschlags-Funkenstrek-ken vorgesehen sein, z.B. Gasentladungsabieiter, sofern sie die gewünschte Strombelastbarkeit aufweisen. Ein solches Überspannungsschutzgerät ist allgemein einsetzbar, wobei sein bevorzugtes Anwendungsgebiet jedoch der Bereich ist, in dem mit direkten Blitzeinschlägen zu rechnen ist. Solche Überspannungsschutzgeräte werden z.B. in Gebäuden einzusetzen sein, bei denen direkte Blitzeinschläge in die elektrische Anlage zu erwarten sind.

Es ist jedoch der Fall nicht auszuschliessen, dass der Varistor, z.B. durch zu häufige Beanspruchung, im Laufe der Zeit durch langanhaltende Folgeströme von Blitzeinschlägen (sogenannte «Blitzstromschwänze») seine Stromspannungskennlinie ändert, d.h. niederohmig wird und dadurch bei normaler Betriebsspannung einen unzulässigen Leckstrom führt. Ein solcher Strom kostet nicht nur Geld sondern kann auch zu einer unzulässigen Anhebung des Erdpotentials und unter Umständen zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Varistors und damit des Geräts führen. Unter Umständen kann der Varistor hierdurch auch zerstört werden. Insbesondere ist bei einer solchen Veränderung der Kennlinie des Varistors aber die Gefahr gegeben, dass am Varistor beim Auftreten eines abzuleitenden Strom-stosses nicht mehr ein hinreichend hoher Spannungsabfall entsteht und damit auch nicht mehr die erforderliche Zündspannung an der Funkenstrecke erreicht wird, diese also nicht mehr ihre Ableitfunktion ausführen kann.

Aus den beiden DE-GM 75 01 349 und 81 05 608 sind Ven-tilableiter bekannt, die eine Reihenschaltung aus Funkenstrek-ke, veränderlichem Widerstand (Varistor) und einem Sicherungsstreifen aufweisen. Bei einer unzulässigen Erwärmung wird der Sicherungsstreifen (Lotstelle) zerschmolzen. Damit ist aber der gesamte Ventilabieiter vom Netz getrennt, d.h. insgesamt unwirksam geworden.

Gegenüber dem vorstehend erläuterten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Überspannungsschutzgerät gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend zu verbessern, dass eine durch zu häufige Beanspruchung mit Stossströmen, insbesondere Blitzstossströmen oder dergleichen eintretende Schädigung des Varistors (Veränderung der Strom-Spannungskennlinie des Varistors) und der hiermit auftretende hohe Leckstrom die Funktion der Funkenstrecke nicht beeinträchtigen und die Funktion des Überspannungsschutzgerätes insgesamt erhalten bleibt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen, ausgehend vom Oberbe5

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griff des Anspruches 1, zunächst die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1. Hiermit ist ein dauernd fliessender unzulässig hoher Leckstrom und vor allem die Gefahr vermieden, dass der Funkenstrecke nicht mehr die genügende Zündspannung zur Verfügung steht. Gegenüber den erläuternden Anordnungen nach DE-GM 75 Ol 349 und 81 05 608 besteht der Vorteil, dass nicht das gesamte Überspannungsschutzgerät sondern nur der den Varistor enthaltende Zweig der Parallelschaltung unterbrochen und damit unwirksam wird. Die Funkenstrecke übernimmt also nach wie vor den Schutz der nachgeschalteten Anlage. Die Funkenstrecke selber ist so stromtragfähig, dass sie auch netzfrequente Ströme (Folgeströme) sicher ableitet und unterbricht, d.h. das Gerät ist in jeder Betriebsphase unabhängig von einer eventuell vorhandenen Leitungssicherung. Dies wird z.B. gewährleistet durch den Einsatz einer Funkenstrecke, die aus zwei Elektroden mit dazwischen befindlicher Isolationsschicht besteht, wobei die Isolationsschicht aus einem Material gefertigt ist, das bei der Erhitzung durch den Überschlaglichtbogen ein diesen nach aussen drückendes, bzw. blasendes und kühlendes und damit löschendes Gas abgibt, so dass der Netzfolgestrom unterbrochen wird (DE-PS 29 34 238). Insbesondere empfiehlt sich der Einsatz der zuletzt erläuterten Funkenstrecke bei Niederspannungsanlagen. Statt des vorgenannten, insbesondere Wasserstoffgas abgebenden Isolationsmaterials (POM, Teflon = eingetragenes Warenzeichen, u.ä.) könnte auch in einer demgegenüber allerdings nicht so wirksamem Form Glimmer als Isolationsmaterial dienen.

Eine bevorzugte und konstruktiv einfache Ausführungsform der Erfindung ist Inhalt des Anspruches 2, der durch die Merkmale des Anspruches 3 weitergebildet wird. Solche Schmelzlotstellen sind an sich bekannt (siehe die beiden o.g. Gebrauchsmuster), jedoch nicht in der Anordnung an dieser Stelle einer Parallelschaltung aus Varistor und Funkenstrecke.

Gemäss Anspruch 4 kann auch eine elektrisch auslösende Überwachungs- und Abschaltvorachtung für diesen Varistorzweig vorgesehen sein.

Die Merkmale des Anspruches 5 stellen sicher, dass die Abschaltung des Varistors der Bedienungsperson der Anlage signalisiert wird. Mit den Merkmalen des Anspruches 6 kann die Funktionsfähigkeit einer Anzeigevorrichtung gemäss Anspruch 5 geprüft werden.

Anspruch 7 beinhaltet eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Überspannungsgerätes nach der'Erfindung.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den weiteren abhängigen Ansprüchen, sowie der nachstehenden Beschreibung und zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäs-sen Ausführungsbeispielen zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine einpolige Schaltung der Erfindung,

Fig. 2 eine dreipolige Schaltung nach der Erfindung, Fig. 3 ein Diagramm mit der Strom-Spannungskennlinie eines Varistors,

Fig. 4 in der Draufsicht eine dreipolige Ausführung eines Überspannungsgerätes nach der Erfindung,

Fig. 5 einen Schnitt gemäss der Linie V-V in Fig. 4, Fig. 6 einen Schnitt gemäss der Linie VI-VI in Fig. 5 und Fig. 7 eine Einzelheit der Fig. 5 im vergrösserten Massstab. Die Prinzipschaltung nach Fig. 1 zeigt zwischen der spannungsführenden Phase L bzw. 1 des Netzes und der Erde, bzw. der Potentialausgleichsschiene 2 eine Parallelschaltung einer Funkenstrecke, insbesondere einer Luft-GIeit-Überschlags-Fun-kenstrecke (siehe oben) 3 einerseits und einer Reihenschaltung eines Varistors 4 mit Überwachungs-Abschaltvorrichtung in Form einer Lotstelle 5 andererseits. Ferner ist parallel dazu eine Anzeigevorrichtung 6 mit Kontroll- oder Prüftaste 7 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt eine entsprechende drei-polige Ausführung mit den spannungsführenden Phasen LI, L2 und L3, bzw. 1 des

Netzes, der Erdungsleitung 2 bzw. Potentialausgleichsschiene PAS und dem Nulleiter N bzw. 8. Das Gehäuse des Überspannungsschutzgerätes ist durch die gestrichelte Linie 9 angedeutet. Die Leitung 10 zwischen Potentialausgleichsschiene PAS und Erdungsleitung 2 einerseits, sowie Nulleiter 8 andererseits ist nur mit einer Funkenstrecke 3 versehen, nicht aber mit dem Parallelzweig aus Varistor 4 und Überwachungs- sowie Abschaltvorrichtung 5. Es können Versicherungen 11 vorgesehen sein, die jedoch bei dem Einsatz von Funkenstrecken gemäss Patent 29 34 238 nicht erforderlich sind (siehe oben).

Als Beispiel, auf das die Erfindung aber nicht beschränkt ist, seien bei Verwendung von Funkenstrecken nach Patent 29 34 238 folgende elektrische Daten genannt:

Netzspannung 220/380 V

Vorsicherung 11: z.B. 50 A

Parallelzweig Varistor und Überwachungseinrichtung: ausgelegt für Stossströme 8/20

von 5 kA, entsprechend etwa 0,1 As und 500 J/Q

Luft-Gleitüberschlags-

Funkenstrecke: 100 kA, mit etwa 10 As und

500 kJ/Q

Fig. 3 zeigt das Diagramm einer Strom(I)-Spannungs(U)-Kennlinie eines Varistors. Dabei bezeichnet 12 die normale, ordnungsgemässe Kennlinie, während die Linien 13 und 14 Kennlinien eines geschädigten Varistors sind, der bereits bei kleineren Spannungen unzulässig hohe Ströme durchlässt. In einem solchen Fall schaltet die Überwachungseinrichtung 5 den-schadhaften Varistor 4 ab. Dies kann thermisch mittels eines Lotes geschehen, das bei entsprechender Erwärmung des Varistors schmilzt (siehe z.B. Fig. 4 und folgende). Auch könnte dies durch eine elektrisch auslösende Sicherung bzw. einen Sicherungsautomaten erfolgen (nicht dargestellt), der so einzustellen ist, dass er den Varistorleckstrom im mA-Bereich abschaltet.

Durch die Abschaltung nur des Varistors bleibt die Schutzfunktion des Gerätes durch die Funkenstrecke erhalten. Zur Kontrolle der Varistorabschaltung kann eine Anzeigevorrichtung (optisch oder akustisch) vorgesehen sein, die im Beispiel in Fig. 1 schematisch mit 6 angedeutet ist und beim Öffnen die Abschaltung des Varistors 4 durch die Abschaltvorrichtung 5 in dem die Teile 4, 5 aufweisenden Parallelzweig anzeigt. Die Funktionsfähigkeit dieser Anzeige kann durch eine Prüftaste 7 kontrolliert werden. In der drei-poligen Schaltung nach Fig. 2 können solche Überwachungs- und Kontrollvorrichtungen selbstverständlich auch vorhanden sein, nur sind sie zur Vereinfachung der Zeichnung in Fig. 2 nicht dargestellt. Es wird aber hierzu auf die Fig. 4 und folgende verwiesen.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 4 - 7 zeigt eine konstruktive Ausführung nach der Erfindung mit einem Gehäuse oder Grundgestell 15 aus isolierendem Werkstoff, drei Leitungsschienen 1', die von den bügelartigen Anschlussklemmen 16' für die Leitungen LI, L2, L3 bzw. 1 zu den Halteschrauben 16 für die Verbindung mit den Funkenstrecken 17 - 19 führen. Ferner ist eine vierte Leitungsschiene 8' zwischen einer bügelartigen Anschlussklemme 16' für den Nulleiter 8 und einer Halteschraube 16 sowie einem Anschluss 20 für die Erdleitung 2 mit PAS vorgesehen. Die Leitungsschiene 8' führt daher betriebsmässig keine Spannung. Die Leitungsschienen 1' und 8' sind jeweils als geradlinige mit den auftretenden Strömen belastbare, in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung blitzstromtragfähige Leitungen entsprechenden Querschnittes und mit entsprechend stabilen Halteschrauben und Anschlüssen 16, 16' ausgebildet. Die Leitungsschienen, Anschlussklemmen und Halteschrauben sind so ausgeführt, dass sie die auftretende elektrodynamische Beanspruchung eines Stromes, insbesondere Blitzstromes von z.B. 500 kJ/Q aushalten.

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Unterhalb der Halteschrauben 16 befinden sich die bevorzugt blitzstromtragfähigen Funkenstrecken mit Elektrode 17, Isolierstück 18 und gemeinsamer Erdungsplatte 19. Dabei ist das Isolierstück 18 mit einem umlaufenden Ringbund 18' versehen, der die jeweilige Elektrode 17 von der Erdungsplatte 19 isoliert. Der sich dabei bildende Lichtbogen der Gleitentladung ist mit 18' ' beziffert (siehe Fig. 7). Die Halteschraube 16 durchsetzt das Isolierstück 18 und ist in das Grundgestell 15 aus isolierendem Werkstoff eingeschraubt, so dass kein Überschlag von der Halteschraube 16 zu der Erdungsplatte 19 erfolgen kann.

Die Potentialausgleichsschiene bzw. die Erdleitung 2 wird an die Klemme 20, die ebenfalls bügelartig ausgebildet ist, angeschlossen. Zwischen den Leitungsschienen 1' und der Erdungsplatte 19 liegt jeweils ein Parallelzweig bestehend aus Varistor 4 und Überwachungs- und Abschaltvorrichtung 5, 6 und 7, wobei die Teile 4, 5 räumlich neben den Leitungsschienen 1' liegen. Die Varistoren 4 befinden sich platzsparend nebeneinander. Dabei ist mit 5 die Lotstelle bezeichnet, die die Varistor-kontaktierung 25 und den hiermit verbundenen leitenden Teil 21 mit einer Feder 22 elektrisch verbindet. Die Feder 22 ist bei 23 an die betreffende Leitungsschiene 1' angeschlossen, während 24 eine zusätzliche von den Leitungen V isolierende mechanische Befestigung darstellt. Tritt ein unzulässiger hoher Leckstrom auf dem Wege 23, 22, 5, 21, 25 und 4 gegen 19 auf, so schmilzt die Lotstelle 5 und die Feder 22 bewegt sich auf-5 grund ihrer Eigenspannung in Pfeilrichtung 22', bis sie am Kontakt 26 anliegt. Die Schmelztemperatur des genannten Lotes kann z.B. 150°C betragen. Der Kontaktteil 26 ist auch in der Prinzipschaltung nach Fig. 1 eingetragen. Hierdurch wird die Trennung dieses Varistors 4 über 5 und 6 angezeigt. Die io Tasteinrichtung 7 ist in den Fig. 5, 6 ersichtlich. Ihr Stift T tastet bei dieser Kontrolle bis über die Feder 22 und den An-schluss 23 dem Teil 21 zugeführte Netzspannung ab, die in nicht ausgelöster Stellung gemäss Fig. 5 an der Varistorkontak-tierung 25 ansteht, bei geöffneter Lotverbindung 5, jedoch 15 durch die Feder 22 abgeschaltet wird.

Das Gerät nach den Fig. 4 bis 7 kann sehr raumsparend untergebracht werden, wobei man die scheibenförmigen Varistoren 4 parallel zu den Leitungsschienen 1' anordnet. Dabei können die beiden oberen zu den Leitungen LI, L2 gehörenden Va-20 ristoren 4 unmittelbar aneinander liegen und über einen gemeinsamen Erdkontakt 4' mit der Erdungsschiene 19 verbunden werden.

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2 Blätter Zeichnungen

Claims (14)

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1. Überspannungsschutzgerät bestehend aus mindestens einem Varistor und einer dazu elektrisch parallel geschalteten Funkenstrecke, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den Varistor (4) enthaltenden Zweig der Parallelschaltung eine Überwachungseinrichtung (5) für die Einhaltung der Strom-Spannungskennlinie (12) des Varistors und Abschaltung des Varistors im entsprechenden Fehlerfall vorgesehen ist.

2. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungs- und Abschalteinrichtung (5) als thermisch beeinflussbare, auf eine entsprechende Erwärmung durch einen Leckstrom des Varistors (4) hin abschaltende Vorrichtung ausgebildet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungs- und Abschalteinrichtung (5) als bei entsprechender Wärmebelastung sich trennende Lotverbindung ausgebildet ist.

4. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf einen bestimmten Leckstrom des Varistors einstellbare und von diesem auslösbare elektrische Sicherung oder Sicherungsautomat vorgesehen ist.

5. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Anzeigevorrichtung (6), die bei einem Abschalten des den Varistor (4) enthaltenden Parallelzweiges durch die Überwachungs- und Abschaltvorrichtung (5) von dieser eingeschaltet wird.

6. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine von Hand betätigbare Kontrolle, z.B. Prüftaste (7), der Anzeigevorrichtung (6).

7. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse oder Grundgestell (15) pro Phase eine im wesentlichen gerade verlaufende, thermisch und dynamisch entsprechend strombelastbare, bevorzugt blitzstromtragfähige Leitungsschine (1', 8') vorgesehen ist, wobei diese Leitungsschiene der die Funkenstrecke (3) enthaltende Parallelzweig oder ein Teil dieses Zweiges ist, dass sich im Verlauf oder am Ende dieser Leitungsschiene die Funkenstrecke (3; bzw. 17, 18, 19) befindet und dass der zugehörige Varistor (4) räumlich in der Nähe der zugehörigen Leitungsschiene liegt.

8. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem mehrphasigen Gerät die Phasenleitungen und eine Schutz- oder Erdleitung parallel nebeneinander liegen, wobei aber nur den Phasenleitungen ein Varistor mit Überwachungs- und Abschalteinrichtung parallel geschaltet ist.

9. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen der scheibenförmigen Varistoren (4) parallel zu den Leitungsschienen (1') verlaufen.

10. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem den Varistor (4) enthaltenden Zweig der Parallelschaltung eine Feder (22) über eine Lotstelle (5) am Varistor (4) angebracht und mit diesem elektrisch in Reihe geschaltet ist und dass die Feder (22) eine mechanische Eigenspannung aufweist, die sie nach Auftrennen der Lotstelle (5) in eine Anzeigestellung bewegt.

11. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse oder Grundgestell (15) ein Kontakt (26) der Anzeigevorrichtung (6) angebracht ist, an dem die Feder (22) nach dem Auslösen anliegt und dass am Gehäuse ferner die Kontroll Vorrichtung, z.B. ein Betätigungsknopf (7) mit Kontaktstift (7' ), vorgesehen ist, der in Betätigungsstellung bei noch nicht ausgelöster Feder diese und den genannten Kontakt (26) überbrückt.

12. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecke eine blitzstromtragfähige Funkenstrecke ist.

13. Überspannungsschutzgerät nach einem der Ansprüche 1

bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecke als Luft-Gleit-Überschlags-Funkenstrecke ausgebildet ist.

14. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftüberschlagsstelle der Funkenstrecke sich ausserhalb deren Elektroden befindet.