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Die
Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem
Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, einer Abtrennvorrichtung,
welche in den elektrischen Anschlusspfad des Ableitelements eingebunden
ist, und/oder einer Einrichtung zum mindestens zeitweisen Kurzschließen
des Ableitelements, wobei die Abtrennvorrichtung und die Einrichtung
zum Kurzschließen thermisch aktiviert oder ausgelöst
werden, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Tritt
unter Netzbedingungen bei Blitzstrom- und Überspannungsableitern
eine Defektsituation ein, so ist dies in der Regel mit einer Stromerhöhung über
den Ableiter verbunden. So kann z. B. über die zunehmende
Stromwärme eine speziell dafür vorgesehene Kontaktstelle
mit Schalteigenschaften verwendet werden, die den Fehlerstrom abschaltet,
bevor Schäden durch thermische Effekte am eigentlichen
Ableiter oder dessen Umfeld auftreten.
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Derartige
Kontaktstellen bestehen nach dem Stand der Technik üblicherweise
aus einem mit einem Varistorelement verlöteten Kontakt,
der unter einer mechanischen Vorspannung gehalten ist. Wird unter
der Wärmeeinwirkung des Varistorelements die Lotstelle
aufgeschmolzen, erfolgt ein Schaltvorgang, der das Varistorelement
von der Versorgungsspannung trennt oder einen vergleichbaren sicheren
Zustand (Fail-Safe), z. B. einen Kurzschluss herbeiführt.
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Ein
derartig sicherer Schaltzustand ist allerdings nur unter bestimmten
Bedingungen zu erreichen. So müssen z. B. zur Bemessung
einer automatischen Abschaltung oder eines automatischen Kurzschlusses
die Stromkreisparameter und die einzelnen Anlagenteile bekannt sein.
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Dies
ist insbesondere dann problematisch, wenn Anlagenteile getauscht
werden oder eine Erweiterung der zu schützenden Anlage
vorliegt. Hierdurch können sich z. B. die Betriebs- und
Belastungsparameter für den vermeintlich sicheren Zustand
verändern.
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Bei
dem Fail-Safe-Zustand „Kurzschluss des Ableiters" kann
sich durch eine Anlagenerweiterung oder eine Vernetzung die notwendige
Dauerstromtragfähigkeit gegenüber dem ursprünglichen
Wert deutlich erhöhen.
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Bei
dem Einsatz von Austauschgeräten, Ergänzungsgeräten
oder aber auch bei einer Umgestaltung der Anlagenvernetzung ist
es ebenso denkbar, dass z. B. ein ehemals sicherer Zustand „Kurzschluss"
nach den Veränderungen sich ungünstig auf die
Gesamtkonzeption auswirkt und eine Abschaltung des Überspannungsableiters
auch unter Berücksichtigung der Leistungsfähigkeit
der Schutzmaßnahme des Ableiters an sich günstiger
wäre.
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Es
ist also bei einer Stromüberhöhung im Ableiterpfad
eine sichere Abtrennung in der üblichen Form einer automatischen
Stromabschaltung, z. B. über eine Stromsicherung, nur dann
möglich, wenn die Abschaltbedingungen bekannt sind bzw.
im Fehlerfall auch zuverlässig die dafür zugrunde
gelegten Parameter auftreten. Dies ist an sich grundsätzlich nur
bei Stromversorgungssystemen mit permanent verfügbarer
Kurzschlussleistung gegeben.
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Systeme,
bei denen sich der Kurzschlussstrom nur wenig vom Betriebsstrom
unterscheidet und/oder deren Kurzschlussleistung zeitlichen Einflüssen
unterliegt, weisen im Defektfall keinen sicheren Schaltzustand auf.
Dies ist z. B. bei Photovoltaikanlagen der Fall. Deren Fehlerzustand
ist somit nicht mit einer automatischen Stromabschaltung zu erfassen.
Hier bietet sich als bekannte Alternative ein gesteuerter Kurzschlusszustand
an. Nur wenn für den geschalteten Kurzschlusskreis die
Gefahr einer Überlastung besteht, kann hierfür
eine automatische Stromabschaltung vorgesehen werden. Im Gegensatz
zur konventionellen automatischen Stromabschaltung geht dieser Stromabschaltung
jedoch ein gesteuerter Kurzschlusszustand voraus. Ausgehend von
dem oben Ausgeführten geht es also zunächst darum,
den Defektzustand eines Ableiters in geeigneter Weise zu erfassen
und eine eindeutige, elektrische oder mechanische Fehlersignalisierung
abzuleiten, die geeignet ist, direkt oder indirekt einen gesteuerten
Kurzschlusszustand herbeizuführen.
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Die
Erfassung des Fehlerzustands eines Ableiters kann grundsätzlich
auf verschiedene Art und Weise erfolgen, wobei sich gemäß dem
Stand der Technik die Temperaturüberwachung des aktiven Elements,
z. B. des erwähnten Varistors, als äußerst einfach
und effektiv gezeigt hat. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die
Temperaturüberwachung mit einer Schaltfunktion gekoppelt
wird, welche beim Erreichen einer bestimmten Grenztemperatur eine
Abschaltung des aktiven Elements (Varistors) bewirkt.
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Ein
direktes Verfahren, den angestrebten gesteuerten Kurzschlusszustand
bei defektem Ableiter herbeizuführen, bieten z. B. Ableiter,
deren thermische Schaltfunktion als Umschaltkontakt ausgebildet ist,
welcher einerseits die Abschaltung des defekten Elements bewirkt
und andererseits den vom Element getrennten Pol mit einem Gegenpol
verbindet. Diesbezüglich sei auf die im Anmeldezeitpunkt
nicht vorveröffentlichte
DE 10 2006 052 955 verwiesen.
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In
dieser Lehre wird ein Varistorableiter mit einer Abtrennvorrichtung
vorgestellt, welcher als Schutzfunktion das Prinzip der Abtrennung
nutzt. Bei der Montage, d. h. vor dem Schließen des Ableitergehäuses,
kann in dem Gerät zusätzlich ein Kurzschlussbügel
oder dergleichen eingeführt werden, wodurch nach Abtrennung
des Varistors das Gerät durch einen internen Kurzschlussbügel
gebrückt wird. Durch den Einsatz einer Isolierplatte, welche den
Kurzschlussbügel abdeckt und welche nachträglich
wieder entfernbar ist, kann das Gerät bei Fehlereintritt
alternativ in einen weiteren sicheren Zustand versetzt werden. Damit
ist eine gewisse Flexibilität für den Anwender
gegeben, die auch nach der Installation es ermöglicht,
eine Anpassung an ein geändertes Schutzbedürfnis
vorzunehmen.
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Die
Lösungen des Standes der Technik sind letztendlich nur
begrenzt in der Lage, einen dauerhaft großen Kurzschlussstrom
zu führen. So müssen Schalteinrichtungen vornehmlich
in der Lage sein, das defekte Element möglichst schnell
abzuschalten, sobald die kritische Grenztemperatur erreicht wird. Dies
bedeutet, die Schalteinrichtungen müssen eine geringe thermische
Zeitkonstante aufweisen, die den aktuellen Temperaturzustand des
Ableitelements idealerweise verzögerungsfrei erfassen kann.
Nur auf diese Weise können auch mögliche schnelle
Stromanstiege am Ableitelement über die Stromwärme abgeschaltet
werden. Dies erfordert, dass die konstruktive Ausgestaltung mit
Teilen vorgenommen wird, die keine große Masse oder wärmeabführende Eigenschaften
besitzen. Konstruktionen, die diese Bedingungen erfüllen,
weisen deshalb im Regelfall geringe Leiterquerschnitte auf, so dass
sie nicht in der Lage sind, große Dauerströme
zu schalten oder zu führen.
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Für
an sich denkbare Lösungen mit massiven Anschlussteilen
wären jedoch zur Bewegung erhebliche mechanische Kräfte
notwendig. Flexible Anschlusselemente wiederum besitzen hinsichtlich
der Ableitergrundfunktionen, nämlich dem Führen
von hohen Impulsströmen, erhebliche Nachteile. Auch hier
resultiert ein höherer Aufwand und ein gestiegener Platzbedarf.
Darüber hinaus sind solche aufwendigen Lösungen
nur für einen Bruchteil der Ableiter im beschriebenen Umfeld
notwendig und würden bei dem Durchschnitt der Anwendungen
zu kostspielig sein.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Überspannungsableiter
anzugeben, bei welchem mit minimalen, zusätzlichen, internen
Maßnahmen eine Erweiterung seiner Schutzfunktion möglich
wird, ohne dass grundsätzlich ein zusätzlicher
Aufwand entsteht. Der zusätzliche Aufwand soll sich nur
auf die tatsächlichen Bedarfsfälle erstrecken,
ohne dass eine übermäßige konstruktive
bzw. damit auch kostenseitige Belastung des Grundgeräts,
d. h. des eigentlichen Überspannungsableiters, gegeben
ist.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Überspannungsableiter
gemäß der Merkmalskombination des Patentanspruchs
1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige
Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
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Es
ist demnach der Grundgedanke der Erfindung, ein vollwertiges Überspannungsschutzgerät mit
zwei Außenanschlüssen bzw. Hauptanschlüssen so
weiterzubilden, dass im bereits installierten Zustand durch Umschalten
bzw. Entfernen einer Brücke mindestens ein weiterer Anschluss
am Überspannungsschutzgerät entsteht, der intern
mit der bereits vorhandenen Überlastschutz einrichtung,
d. h. einer Abtrennvorrichtung oder einem Kurzschließer
in Verbindung steht und extern zur Auslösung einer alternativen Überlastschutzeinrichtung,
d. h. des Zusatzmoduls, insbesondere durch Auskopplung eines Stroms
im Fehlerfall dient.
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Die
externe Überlastschutzeinrichtung als Zusatzmodul kann
verschiedenste Funktionen erfüllen. Zum einen besteht hier
die Möglichkeit, den Überlastbereich zu erweitern,
d. h. es können Kurzschlussströme mit deutlich
höherem Leistungsvermögen geführt werden.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der Änderung
des Überlastverhaltens des Überspannungsschutzgeräts,
z. B. über den Ersatz einer internen Kurzschlussfunktion
des Grundgeräts durch eine Abschaltung des Überspannungsschutzgeräts.
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Es
gelingt also mit der kurz umrissenen erfindungsgemäßen
Lösung, Überspannungsableiter an geänderte
Anlagenbedingungen in leichter Weise anzupassen, so dass auch Änderungen
des Anlagenschutzkonzepts gefolgt werden kann, ohne dass übermäßig
hohe Kosten entstehen.
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Wenn
nunmehr im Anwendungsumfeld der Fall eintritt, dass der Kurzschlussstrom
des bereits geschalteten Systems den Kurzschlusspfad des Überspannungsableiters überlasten
würde, ist seitens des Ableiters die Möglichkeit
einer einfachen Abhilfe gegeben. Damit ist ausgeschlossen, dass
gefährliche Situationen eintreten, indem z. B. eine Kurzschlussverbindung
nicht erfindungsgemäßer Überspannungsableiter
sich zu stark durch den überhöhten Kurzschlussstrom
erhitzt oder gar aufschmilzt mit der Folge des Entstehens einer
unkontrollierbaren Zündquelle.
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Es
wird also der Defektzustand des erfindungsgemäß weitergebildeten Überspannungsableiters
bei Bedarf dazu verwendet, neben der im Ableiter bereits integrierten
eigentlichen Schutzfunktion, wie Abtrennen bzw. Kurzschließen
mit begrenztem Leistungsvermögen, ein zusätzliches
externes Schutzgerät mit hohem Leistungsvermögen
und gleicher oder entgegengesetzter Schutzwirkung für den Ableiter
auszulösen. Dieses zusätzliche Gerät
kann in einfacher Weise an einen bereits installierten Überspannungsableiter
angeschlossen werden, um einen eindeutigen und elektrisch sicheren
Schaltzustand des Gesamtsystems zu erzwingen.
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Ausgehend
von den in der Beschreibungseinleitung geschilderten bekannten Überspannungsableitern
mit einem Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, einer
Abtrennvorrichtung, welche in den elektrischen Anschlusspfad des
Ableitelements eingebunden ist, und/oder einer Einrichtung zum mindestens
zeitweisen Kurzschließen des Ableitelements, wobei die
Abtrennvorrichtung und die Einrichtung zum Kurzschließen
thermisch aktiviert oder ausgelöst werden, ist erfindungsgemäß neben
den Außenanschlüssen, die mit dem Anschlusspfad
verbunden sind bzw. verbunden werden können, mindestens
ein weiterer externer Anschluss ausgebildet, an welchem eine Defektzustandsgröße
des Ableiters anliegt, die bedarfsweise einem dem Ableiter oder dem
Ableitelement parallel geschalteten Zusatzmodul zugeführt
wird, um über das Zusatzmodul insgesamt höhere
Schalt- oder Kurzschlussströme führen zu können.
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Ausgestaltend
ist zwischen dem mindestens einem weiteren externen Anschluss und
einem der Außenanschlüsse des Anschlusspfads eine
von außen entfernbare oder aufhebbare elektrische Brücke vorhanden.
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Das
Zusatzmodul wird nach Entfernen der Brücke zwischen den
Brückenanschlüssen eingeschleift, so dass über
das Zusatzmodul der Kurzschlussstrom des Ableiters geführt
werden kann.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Zusatzmodul den Außenanschlüssen
des Anschlusspfads des Grundgeräts parallel geschaltet,
wobei nach Öffnen der Brücke der weitere externe
Anschluss auf einen Steuereingang des Zusatzmoduls gelegt ist, welcher
einen mit den Außenanschlüssen vorhandenen geschalteten
Kurzschließer im Zusatzmodul betätigt oder auslöst.
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Im
Kurzschlusspfad des Überspannungsableiters kann eine Sicherung
oder ein NTC-Element vorhanden sein. In vorteilhafter Weise wird
das NTC-Element mit einem als Ableitelement vorgesehenen Varistor
thermisch gekoppelt. Bei einer Erwärmung des Varistors
wird das NTC-Element niederohmig, so dass als Defektzustandsgröße
ein Strom fließt und der im Zusatzmodul befindliche Kurzschließer
ausgelöst werden kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist einem
als Varistor ausgebildeten Ableitelement ein thermisch gekoppelter
PTC-Widerstand zugeordnet, welcher auf zwei zusätzliche,
von außen zugängliche Anschlüsse führt,
an denen ein Schaltelement kontaktierbar ist, welches sich im Zusatzmodul
befindet, um den ebenfalls im Zusatzmodul angeordneten Kurzschließer,
welcher mit den Außenanschlüssen in Verbindung
steht, auszulösen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert
werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
prinzipielle Darstellung eines Überspannungsableiters mit
einem Varistor als Ableitelement, einer thermischen Abtrennvorrichtung,
wobei diese als Umschalter zum Realisieren eines Kurzschlusses über
das Ableitelement ausgeführt ist;
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2a ein
Prinzip-Blockschaltbild eines Überspannungsableiters mit
einer Abtrennvorrichtung als Umschaltkontakt und von außen
zugänglicher Brücke;
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2b eine
Darstellung ähnlich derjenigen nach 2a, wobei
jedoch das Ableitelement überbrückt, d. h. kurzgeschlossen
wird;
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3a eine
Ausführungsform eines Überspannungsableiters mit
Zusatzmodul, wobei der Strom aus dem eigentlichen Überspannungsableiter im
Kurzschlussfall über das Zusatzmodul geführt ist;
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3b eine
Darstellung eines Überspannungsableiters mit Kurzschließer
gemäß 2b, bei welchem
der interne Kurzschlusspfad mit dem Aktivierungspfad eines externen
leistungsfähigeren Kurzschließers als Zusatzmodul
gekoppelt ist;
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3c eine
beispielhafte Darstellung der Impedanzverhältnisse für
den Überlastfall und nach Aktivierung des Zusatzmoduls
gemäß 3b;
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3d die
Darstellung eines Überspannungsableiters mit einer internen
Sicherung im Kurzschlusspfad gemäß 1 und
der Möglichkeit, den Fehlerstrom in das Zusatzmodul umzuleiten,
wobei das Zusatzmodul durch Umschalten einer Brücke an den Überspannungsableiter
angeschlossen wird;
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4a die
Ausbildung eines NTC-Widerstands im Kurzschlusspfad des Überspannungsableiters,
wobei der NTC-Widerstand mit dem Varistorelement im Überspannungsableiter
thermisch gekoppelt ist;
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4b ein
Ersatzschaltbild der Anordnung nach 4a mit
Angabe der Widerstandsverhältnisse nach dem Schließen
des Kurzschließers im Zusatzmodul bei noch erwärmtem
NTC-Widerstand und geschlossener Abtrennvorrichtung im Überspannungsableiter;
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5a ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform ohne ableiterseitigem
Kurzschlusspfad, wobei hier die Temperatur des Varistorelements
von einem thermisch gekoppelten PTC-Widerstand erfasst wird, der
sich im eigentlichen Überspannungsableiter befindet;
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5b ein
prinzipielles elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung nach 5a mit
beispielhaften Widerstandsverhältnissen und
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6 ein
Verschaltungsbeispiel für die Anwendung eines Ableiters
mit einem kurzschließenden Zusatzmodul in einem erdfreien
System.
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Um
eine Kurzschlussbrücke eines Überspannungsableiters
der gattungsgemäßen Art zu schützen,
besteht grundsätzlich die Möglichkeit, innerhalb
der Kurzschlussbrücke eine entsprechend auf den Leiterquerschnitt
der Kurzschlussverbindung bemessene Überstromsicherung
vorzusehen. Diese Sicherung ist im Kurzschlusspfad und nicht, wie
ansonsten üblich, im Ableiterpfad angeordnet. Durch die
Anordnung der Sicherung 8 im niederimpedanten Kurzschlusspfad
nach 1 wird diese nicht durch Stoßstromvorgänge
gealtert oder bereits ausgelöst und muss auch nicht für
einen bestimmten minimalen Stoßstrom ausgelegt werden.
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Der Überspannungsableiter
auf Varistorbasis gemäß 1 besitzt
zwei Hauptanschlüsse 1 und 2. Wird der
Varistor 3 durch einen erhöhten Strom so stark
erwärmt, dass die Lotstelle am internen Varistoranschluss 4 schmilzt,
wird der Varistoranschlussbügel 5 unter dem Einfluss
einer Federkraft bis zum internen Kurzschlusskontakt 6 bewegt.
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In
diesem Moment verlischt ein möglicher Funke bzw. ein entstandener
Lichtbogen, welcher bei hohen Strömen und Spannungen, aber
auch bei Gleichstrombelastungen möglich ist.
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Über
den nun, gegenüber dem Varistorpfad niederimpedanten Kurzschlusspfad 7 beginnt
nun ein Stromfluss. Ist die Stromhöhe kleiner als die Nennstromstärke
der Sicherung 8, wird der Kurzschluss dauerhaft oder bis
zu einer Fremdabschaltung getragen. Übersteigt die Höhe
des Kurzschlussstroms die Dauerstromtragfähigkeit der Sicherung,
schaltet diese den Strom entsprechend ihrer Zeit/Stromkennlinie ab.
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Die
Trennstrecke zwischen den internen Kontakten 4 und 6 wird
hierbei mit der Schaltspannung der Sicherung 8 belastet.
Um Rückzündungen der Trennstrecke zu vermeiden,
ist sowohl die Höhe der Spannung als auch der zeitliche
Verlauf der Abschaltung durch die Sicherung mit der statischen und dynamischen
Belastbarkeit der Trennstrecke 4/6 zu koordinieren.
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Um
im Fall höherer Belastungsströme die Möglichkeit
eines gesteuerten Dauerkurzschlusses zur Verfügung zu haben,
ist erfindungsgemäß ein Schaltelement vorgesehen,
das z. B. durch einen relativ kleinen Strom aktiviert werden kann
und in diesem Zustand einen weiteren (externen) Kurzschlusskreis
schließt, welcher wiederum im Dauerbetrieb auf die Höhe
der maximalen Kurzschlussströme der Anlage ausgelegt ist,
in der sich der betreffende Überspannungsableiter befindet.
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Der
Strom zur Aktivierung, welcher aus dem Kurzschlusspfad des Überspannungsableiters
zur Ansteuerung der leistungsfähigeren Kurzschlusseinrichtung
umgeschaltet wird, ist in seiner Höhe und Dauer mit der
Leistungsfähigkeit des internen Kurzschließers
des Überspannungsableiters koordiniert. Die Kurzschlusstragfähigkeit
kann durch die Erweiterung mit einem Zusatzmodul gegenüber
dem internen Kurzschließer um ein Vielfaches erhöht
werden. Als externer Kurzschließer und Zusatzmodul kann
z. B. ein Geräte eingesetzt werden, wie es aus der
DE 10 2005 048 003
A1 bekannt ist. Der Inhalt dieser Offenlegungsschrift wird
hiermit zum Umfang vorliegender Offenbarung erklärt. Gemäß dieser
Lösung besteht das Auslösesignal aus einem Stromsignal,
wodurch in die in einem Opferelement erzeugte Stromwärme
das Opferelement verformt. Hierdurch wird es möglich, dass
die durch das Opferelement gegen einen Federdruck auf Abstand gehaltenen
Hauptkontakte in eine Schließposition gelangen. Die geschlossenen
Hauptkontakte sind für hohe Dauerströme ausgelegt
und können z. B. mehrere 100 A dauerhaft führen,
während der zur Auslösung benötigte Signalstrom
nur wenige Ampere beträgt.
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Gemäß der
Lehre der vorliegenden Erfindung wird jedoch keine aufwendige Ansteuerung
des Schaltelements in einem Aktivierungskreis vorgenommen. Vielmehr
wird der Strom des Kurzschlusspfads aus dem Überspannungsableiter
direkt in den Aktivierungskreis des Kurzschließers des
Zusatzmoduls eingeleitet. Die Schaltfunktion übernimmt
somit die Abtrennstelle des Überspannungsableiters.
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Die 2a zeigt
einen Überspannungsableiter, dessen Abtrennvorrichtung
als Umschaltkontakt ausgeführt ist.
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Hier
ist der Kurzschlusspfad auf einen externen Anschluss 9 geführt,
welcher von außen zugänglich ist und mit einer
Anschlussklemme 2 des Ableiters über eine Brücke 10 verbunden
wird.
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In
dieser Anschlussvariante arbeitet der gezeigte Ableiter eigenständig
ohne Erweiterung auf höhere Schalt- bzw. Kurzschlussströme.
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Die
Brücke 10 bietet jedoch bereits diese Erweiterungsmöglichkeit,
indem sie, wie in den 3a und 3b dargestellt,
statt mit dem ableiterseitigen Abschluss 2 mit dem Anschluss 11 des
Zusatz- oder Erweiterungsmoduls 18 mit dem Kurzschlusspfad-Anschluss 9 verbunden
wird.
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Bei
der Ausführungsform nach 2b ist ebenfalls
ein weiterer Anschluss 9, wie in der 2a gezeigt,
vorhanden. Es erfolgt bei der Ausführungsform nach 2b jedoch
kein Abschalten des Varistorelements 3. Vielmehr wird eine Überbrückung
des Varistors 3 bei Überlast durch Bewegung eines
Kurzschlussbügels 12 auf interne Kurzschlusskontakte 6 und 13 realisiert.
Der Kurzschlussbügel 12 ist hierzu beispielsweise
mit einem Lot 14 und einem Haltedraht 15 am Varistor 3 befestigt.
Die Verbindung ist durch eine Feder 16 vorgespannt. Nach
dem Schmelzen des Lotes 14 bei Überlast des Varistors 3 wird
der Bügel 12 auf die Kontakte 6 und 13 gedrückt, wodurch
eine niederohmige Brückung des Varistors 3 entsteht.
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Bei
dieser Ausführungsform eines Kurzschließers verbleibt
der hochohmige Varistor 3 quasi als Parallelpfad neben
dem eigentlichen Kurzschließer am Netz.
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Dies
bedeutet jedoch, dass der geschaltete Kurzschluss-Stromkreis nicht
unterbrochen werden darf, da ansonsten das defekte Varistorelement 3 weiterhin
ständig an Spannung liegen würde.
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In
den 2a und 2b ist,
wie bereits erläutert, eine externe Brücke 10 zwischen
den Anschlüssen 2 und 9 vorhanden. Die
Brücke 10 kann wortsinngemäß als
Brücke, aber auch als Umschalter ausgeführt werden.
Maßgeblich ist, dass die Brücke eine Auftrennung
des internen Kurzschlusspfads des Überspannungsableiters
ermöglicht.
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Die 3a und 3b zeigen
eine vorteilhafte Weiterbildung des Überspannungsableiters
mit den Zusatzmodulen 18, die entsprechend bereits elektrisch
angeschlossen sind.
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Die
Brücke 10 wird hierbei an einen Hauptanschluss 11 bzw.
an einen Aktivierungsanschluss des Zusatzmoduls 18 angeschlossen,
wodurch der im Fehlerfall entstehende Kurzschlussstrom umgelenkt
wird und nicht mehr direkt mit beiden Hauptanschlüssen
des Überspannungsableiters 17 in Verbindung steht.
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Bei
der Darstellung nach 3a wird der Strom aus der Ableiterkurzschlussbrücke
in das externe Gerät 18 umgeleitet.
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Die
Darstellung nach 3a zeigt konkret einen Überspannungsableiter 17 mit
Umschaltkontakt nach 2a in Kombination mit einem
Zusatzmodul 18 mit integrierter Abschalteinrichtung 19,
z. B. in Form einer Stromsicherung, welche im Überlastfall ausgelöst
wird.
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Das
Zusatzmodul 18 besitzt bei dieser Ausführungsform
nur einen weiteren Hauptanschluss 20.
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Die
Verbindung der Module 17 und 18 erfolgt, wie bereits
beschrieben, über die entsprechende Verschaltung der Brücke 10.
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Bei
dieser beispielhaften Anordnung nach 3a wird
die ursprüngliche Schutzfunktion „Kurzschließen"
durch „Abschaltung" ersetzt. Die Abschaltung erfolgt durch
die Sicherung 19. Neben der Änderung der Überlastschutzfunktion
besteht bei dieser Lösung ein weiterer Vorteil. Die Leistungsfähigkeit und
die Auswahl der Sicherung 19 werden nicht durch die Integration
in den Ableiterpfad, wie bei 1 gezeigt,
begrenzt. Die Austauschbarkeit ist separat gegeben. Die Trennstrecke
und die Schutzwirkung der Sicherung 19 ist von dem Überlastzustand und
damit den Wirkungen des Überspannungsschutzgeräts
weitestgehend entkoppelt.
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Die 3b zeigt
einen Überspannungsableiter 17 mit einem Kurzschließer
gemäß der Darstellung nach 2b, bei
welchem der interne Kurzschlusspfad 9 mit dem Aktivierungspfad
am Anschluss 11 eines externen leistungsfähigeren
Kurzschließers als Zusatzmodul 18 gekoppelt ist.
Prinzipiell kann ein derartiges Gerät auch an einen Ableiter nach
der Darstellung gemäß 2a angeschlossen werden.
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Die
Art der Überlastfunktion „Kurzschluss" bleibt
beim Ausführungsbeispiel nach 3b erhalten.
Die Leistungsfähigkeit des Kurzschließers wird gegenüber
derjenigen des internen Kurzschlussbügels jedoch deutlich
erhöht.
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Die
dargestellte Kombination bietet sich hier insbesondere an, da der
geschaltete Kurzschlusspfad aufgrund der fehlenden Abtrennvorrichtung
des Varistors 3 nicht unterbrochen werden darf.
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Wird
der interne, auf den Anschluss 9 geführte Kurzschlusspfad
des Ableiters 17 über den Kurzschlussschalter 12 geschlossen,
fließt zunächst ein Strom über das Element 21 im
Zusatzmodul 18, welches sich unter dem Einfluss eines übermäßigen Stroms
so weit erhitzt, dass es sich, unter Federvorspannung stehend, verformt
und so den Weg für die Schaltkontakte des Kurzschlussschalters 22 im
Zusatzmodul 18 frei gibt, so dass diese in den geschlossenen
Zustand übergehen.
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Nun
fließt der Kurzschlussstrom zwischen den Hauptanschlüssen 20 und 23 des
Zusatzmoduls auf dem direkten Weg über die stromtragfähigen Kontakte
des Kurzschlussschalters 22. Die übrigen Elemente
sind, da sie sich in einem relativ hochohmigen Parallelpfad befinden,
kurzgeschlossen und stromlos.
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Der
Strompfad über den Weg des ableiterseitigen Kurzschlussschalters 12/Opferelement 21 bildet
den Steuerstromkreis für den Kurzschlussschalter 22 und
führt somit den Kurzschlussstrom nur so lange, bis der
Kurzschlusskreis über den Schalter 22 geschlossen
ist. Somit ist der Steuerstromkreis auch kurzgeschlossen, d. h.
stromlos.
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Zusätzlich
kann der Überspannungsableiter 17 auch über
eine Abtrennvorrichtung 24 verfügen, die als Überhitzungsschutz
wirkt, welche durch den internen Kurzschließer im allgemeinen
gebrückt werden sollte.
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Die
Spannungsfestigkeit des Zusatzmoduls 18 mit dem stromgesteuerten
Kurzschließer 22 zwischen den Anschlüssen 20 und 23 bzw.
zwischen den Anschlüssen 11 und 23 muss
im nicht aktiven Zustand mit dem Schutzpegel des Ableiters 17 abgestimmt
werden. Gleichzeitig kann das Zusatzmodul 18 auch als Backup-Funkenstrecke
mit Kurzschlussfunktion eingesetzt werden. Hierzu wird die Spannungsfestigkeit
zwischen den genannten Anschlüssen so ausgelegt, dass das
Gerät als selbständiger Ableiter fungieren kann,
welcher bei Überlastgefahr in den Sicherheitszustand „Kurzschluss" übergeht.
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Die 3c verdeutlicht
für den Überlastfall und nach der Aktivierung
des leistungsfähigen Kurzschließers entsprechend 3b beispielhaft
die gegebenen Impedanzverhältnisse.
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Das
Widerstandsverhältnis soll hier insbesondere bei hohen
Strombelastungen im Verhältnis 1:10000 bezogen auf die
Elemente 22 und 3 liegen.
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Die 3d zeigt
einen Überspannungsableiter 17 mit einer internen
Sicherung 8 im Kurzschlusspfad 7. Weiterhin besitzt
der Ableiter 17 die Möglichkeit, den internen
Kurzschlusspfad zwischen den Klemmen 2 und 9 aufzutrennen
und den Fehlerstrom in ein Zusatzmodul 18 umzuleiten.
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Gemäß 3d wird
als Zusatzmodul 18 der aus 3b bekannte
Kurzschließer durch Umschalten der Brücke 10 an
den Ableiter 17 angeschlossen. Die Wirkung der internen
Schutzmaßnahme „Abschaltung" wird durch den externen
Kurzschließer 22 in die Schutzmaßnahme „Kurzschluss" überführt. Hierzu
ist zu berücksichtigen, dass das Ansprechverhalten des
Opferelements 21 mit der Charakteristik der internen Sicherung 8 im
Ableiter abgestimmt ist. Diese Abstimmung kann beispielsweise so
erfolgen, dass das Opferelement 21 sowohl einen niedrigen I2t-Wert als auch im gesamten Überlastbereich
eine geringere Ansprechzeit als die interne Sicherung 8 besitzt.
Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, die beiden Kennlinien
und physikalischen Grundwerte so abzustimmen, dass je nach Überlaststrom
eine Abschaltung des Elements 8 bzw. ein Kurzschluss des Elements 21 erfolgt.
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Als
weitere Ausgestaltung kann die Brücke 10 auch
so gestaltet werden, dass beim Umklemmen die interne Sicherung 8 im
Kurzschlusspfad gebrückt wird. Hierdurch sind alle Kombinationsmöglichkeiten mit
einem Zusatzmodul wie bei einer einfachen internen Kurzschlussbrücke
ohne Sicherung möglich.
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Gemäß der
Darstellung nach 4a ist im Kurzschlusspfad des Überspannungsableiters 17 ein NTC-Widerstand 25 vorhanden,
der mit dem Varistor 3 thermisch gekoppelt ist. Im normalen
Zustand ist der Varistor 3 und der NTC-Widerstand 25 kalt
und damit auch der Steuerstrompfad zum Element 21 im Zusatzmodul 18 hochohmig.
Bei Überlastgefahr oder bereits defektem Varistor 3 nimmt
dieser gegenüber seiner Umgebung eine erhöhte
Temperatur an, die ab einem bestimmen Wert den NTC-Widerstand 25 niederohmig
steuert. Damit kann ein Steuerstrom für das Element 21 zu
fließen beginnen. Sobald sich, wie bereits erläutert,
einen Verformung des Opferelements 21 vollzogen hat, wird
der Kurzschlusskreis über die Einrichtung 22 geschlossen.
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Sobald
die Widerstandsverhältnisse bei geschlossenem Kurzschlussschalter 22 derart
sind, dass der Varistor 3 stromlos wird, erkaltet der NTC-Widerstand 25 und
wird hochohmig. Falls der Reststrom über dem Varistor dazu
führt, daß sich dieser entsprechend erhitzt, wird
der NTC-Widerstand niederohmig und entlastet den Varistor stromseitig.
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Der
Varistor 3 kann, wie in der 4a gezeigt,
zusätzlich in an sich bekannter Weise mit einer thermischen
Abtrennvorrichtung 24 ausgestattet sein.
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Die 4b zeigt
ein Ersatzschaltbild der Anordnung nach 4a mit
einer Angabe der Widerstandsverhältnisse nach dem Schließen
des Kurzschließers 22 bei noch erwärmtem
NTC-Widerstand 25 und geschlossener Abtrennvorrichtung 24.
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Bei
der Darstellung nach 5a wird kein Strom aus dem Überspannungsableiter 17 in
das Zusatzmodul 18 quasi umgeleitet, sondern es wird eine Spannung
zur Verfügung gestellt, die als Steuerspannung dient.
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Es
zeigt also 5a eine Lösung, die
im Prinzip ohne ableiterseitigen Kurzschlusspfad auskommt. Anstelle
dessen wird die Temperatur des Varistorelements 3 von einem
thermisch gekoppelten PTC-Widerstand 26 erfasst, der bei
Erwärmung hochohmig wird und so indirekt über
die Anschlüsse 9 und 27 einer Steuerspannung
für das Schaltelement 29 im Zusatzmodul 18 frei
schaltet, das daraufhin den Steuerstromkreis zum Opferelement 21 schließt.
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Der
weitere Ablauf erfolgt in der bereits beschriebenen Weise. Auch
hier kann der Überspannungsableiter 17 über
eine bekannte Abtrennvorrichtung 24 verfügen.
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Die 5b zeigt
ein Ersatzschaltbild der Anordnung nach 5a. Auch
hier müssen die angedeuteten Widerstandsverhältnisse
Beachtung finden.
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Die 6 zeigt
eine beispielhafte Anwendung eines Ableiters mit einem kurzschließenden
Zusatzmodul 18 in einem erdfreien System, d. h. beide Außenanschlusspole
sind von Erde isoliert geführt. Es ist hier erkennbar,
dass auch bei einem derartigen relativ aufwendigen Fall ein einziges
Zusatzmodul 18 zum Erreichen der gewünschten Anpassbarkeit
an geänderte Belastungsfälle ausreichend ist.
Gemäß 6 ist also je ein Pol eines Überspannungsableiters 17 z.
B. in der Ausführungsform nach 2a gegen
Erde geschaltet. Die Ausgänge 9 der Kurzschlusspfade
der Überspannungsableiter 17 sind gemeinsam auf
den Steuerstromeingang 11 des Erweiterungsmoduls 18 geführt,
der als Kurzschließer ausgelegt ist, so dass grundsätzliche
beide Ableiter 17 einzeln, jeweils der erstauslösende
oder beide zusammen einen Kurzschluss im Zusatzmodul 18 zwischen
den Anschlüssen 20 und 23 herbeiführen
können. Die Auslösung des Zusatzmoduls 18 ist
hier quasi in einer ODER-Bedingung verknüpft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006052955 [0011]
- - DE 102005048003 A1 [0048]