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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ableiten von Überspannung mit einem Überspannungsableiter mit einem Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, einer Abtrennvorrichtung, welche in den elektrischen Anschlusspfad des Ableitelements eingebunden wird, und/oder einer Einrichtung zum mindestens zeitweisen Kurzschließen des Ableitelements, wobei die Abtrennvorrichtung und/oder 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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Die
DE 90 12 881 U1 betrifft die Anordnung eines Varistors in einem Gehäuse, wobei erforderliche Bauteile wie der Varistor, ein Thermoschalter und Anschlüsse von einem plattenförmigen, isolierenden Träger getragen werden bzw. daran befestigt sind, wobei der Träger und die vorgenannten Bauteile von einem isolierenden Gehäuse umgeben sind.
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Aus der
DE 37 34 214 A1 ist eine Anordnung zur Abschaltung eines Varistors bekannt, wobei sich der Varistor in einem etwa napfförmigen metallischen Gehäuse befindet und eine zweite Kontaktfläche mit einer Isoliermasse abgedeckt ist und eine elektrische und thermisch leitende Verbindung durch die Isoliermasse hindurch zu einer Lotstelle besteht.
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Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zum Ableiten von Überspannung mit einem Überspannungsableiter anzugeben, bei welchem mit minimalen, zusätzlichen, internen Maßnahmen eine Erweiterung der Schutzfunktion des Überspannungsableiters 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 Verfahren zum Ableiten von Überspannung 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 Verfahren zum Ableiten von Überspannung mit einem Überspannungsableiter anzugeben, wobei ein vollwertiges Überspannungsschutzgerät mit zwei Außenanschlüssen bzw. Hauptanschlüssen so weitergebildet wird, dass im bereits installierten Zustand durch Umschalten bzw. Entfernen einer Brücke mindestens ein weiterer Anschluss am Überspannungsschutzgerät entsteht, der intern mit der bereits vorhandenen Überlastschutzeinrichtung, 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 Verfahrens zum Ableiten von Überspannung mit einem Überspannungsableiter bei Bedarf dazu verwendet, neben der im Überspannungsableiter 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 Überspannungsableiter 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/oder die Einrichtung zum Kurzschließen thermisch aktiviert oder ausgelöst werden, wird 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 Überspannungsableiter oder dem Ableitelement parallel geschalteten Zusatzmodul zugeführt wird, um über das Zusatzmodul insgesamt höhere Schalt- oder Kurzschlussströme führen zu können.
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Außerdem 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 erfindungsgemäß nach Entfernen der Brücke zwischen den Brückenanschlüssen eingeschleift, so dass über das Zusatzmodul der Kurzschlussstrom des Überspannungsableiters 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 einen 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.