DE102008016585A1

DE102008016585A1 - Schutzvorrichtung

Info

Publication number: DE102008016585A1
Application number: DE102008016585A
Authority: DE
Inventors: Norbert Kasper
Original assignee: Weidmueller Interface GmbH and Co KG
Current assignee: Weidmueller Interface GmbH and Co KG
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-10-01
Also published as: CN101981777A; US20110102957A1; WO2009121770A1; CN101981777B; RU2010143740A; RU2472267C2; EP2272145A1

Abstract

Eine Schutzvorrichtung (1) mit wenigstens einem Schutzelement (FS, SD1, SD2) zum Schutz eines elektrischen Systems vor Beeinträchtigung und/oder Zerstörung durch ein Störereignis, wobei die Schutzvorrichtung (1) eine Diagnoseeinrichtung (2) zur Funktionszustandserkennung der Schutzvorrichtung (1) mit einer Messeinrichtung und einer Störereigniserkennungseinrichtung aufweist, wobei die Messeinrichtung einen Spannungsverlauf zwischen einem ersten und einem zweiten Messpunkt (3, 4) erfasst und wobei die Messeinrichtung, wenn die Störereigniserkennungseinrichtung anhand von einer Anzahl vorbestimmter Merkmale ein Störereignis erkennt, prüft, ob der Spannungsverlauf einer Anzahl von vorbestimmten Kriterien genügt, und wobei die Schutzvorrichtung (1) von der Diagnoseeinrichtung (2) als funktionsfähig erkannt wird, wenn der von der Messeinrichtung erfasste Spannungsverlauf der Anzahl vorbestimmter Kriterien genügt, und wobei die Schutzvorrichtung (1) von der Diagnoseeinrichtung (2) als nicht funktionsfähig erkannt wird, wenn der von der Messeinrichtung erfasste Spannungsverlauf nicht der Anzahl vorbestimmter Kriterien genügt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zum Schutz eines elektrischen Systems gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Die in Rede stehende Schutzvorrichtung schützt ein elektrisches System vor Beeinträchtigung und/oder Zerstörung durch ein Störereignis.
Im Kontext der vorliegenden Offenbarung wird unter einem Störereignis ein Ereignis verstanden, durch dessen Auftreten ein elektrisches System mit elektrischer Energie beaufschlagt wird, und zwar derart, dass das elektrische System in seiner ordnungsgemäßen Funktion beeinträchtigt oder zerstört wird. Beispiele für Störereignisse sind Blitzeinschläge oder statische Entladungen in deren Folge Überspannungsimpulse und/oder Überstromimpulse, beispielweise galvanisch, induktiv oder kapazitiv, in das elektrische System eingekoppelt werden und dieses in seiner Funktion beeinträchtigen oder zerstören.
Vorstehend bezeichnete Schutzvorrichtungen für elektrische Systeme sind dem Fachmann im Aufbau und Funktion bekannt und bedürfen daher keiner weiteren Erläuterung im Rahmen der vorliegenden Erfindung.
Nachteilig an den bekannten Schutzvorrichtungen ist jedoch, dass diese einen verhältnismäßig hohen Aufwand bei Überwachung, Überprüfung und/oder Wartung erfordern. Besonders hoch ist dieser Aufwand bei komplexen, beispielsweise mehrstufigen, Schutzvorrichtungen.
Demgemäss ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Schutzvorrichtung zu schaffen, die die geschilderten Nachteile behebt.
Die Erfindung löst die Aufgabe mit einer Schutzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Sie schafft ferner das Verfahren nach Anspruch 11.
Erfindungsgemäß wird eine Anzahl von Schutzelementen, beispielsweise Gasableiter, Varistoren, Suppressordioden und ggf. andere, aufweisende Schutzvorrichtung mit einer Diagnoseeinrichtung überwacht/überprüft, und zwar derart, dass diese Überwachung die gesamte Schutzvorrichtung überprüft, so dass eine Überwachung/Überprüfung einzelner Schutzelemente nicht mehr erforderlich ist.
In vorteilhafter Weise wird so der Aufwand für die Überwachung, Überprüfung und/oder Wartung von in Rede stehenden Schutzvorrichtungen verringert.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der gegenständlichen Beschreibung, den Zeichnungen und den Merkmalen der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und der gegenständlichen Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung in Form einer elektrischen Schaltung, und
2: eine schematische Darstellung eines beispielhaften Spannungsverlaufs 1 zeigt eine beispielhafte Schutzvorrichtung 1 zum Schutz elektrischer Systeme gegen Störereignisse.
Zunächst wird der Aufbau der Schutzvorrichtung 1 beschrieben:
Im Eingangsbereich der Schutzvorrichtung 1 liegt jeweils eine Funkenstrecke zwischen zwei Zweigen E1–A1 und E3–A3 sowie zwischen zwei Zweigen E2–A2 und E3–A3, beide Funkenstrecken sind in der vorliegenden Ausführungsform in einem mit FS bezeichneten Bauteil untergebracht. Dieser Teil der Schutzvorrichtung wird als Grobschutz bezeichnet und ”vernichtet” den größten Teil der durch ein Störereignis in die Schutzvorrichtung 1 eingekoppelten Energie.
Der restliche Teil der Schutzvorrichtung 1 wird als Feinschutz bezeichnet und dient vorrangig dazu, die auftretenden Spannungen auf ein für das zu schützende elektrische System ungefährliches Maß zu begrenzen. Eine Eingangsklemme E1 ist über einen Widerstand R1 mit einer Ausgangsklemme A1 verbunden. Parallel zur Ausgangsklemme A1 und zu einer auf PE-Potential liegenden Ausgangsklemme A3 liegt eine Suppressordiode SD1. Entsprechend ist eine Eingangsklemme E2 über einen Widerstand R2 mit einer Ausgangsklemme A2 verbunden, parallel zur Ausgangsklemme A2 und zur auf PE-Potential liegenden Ausgangsklemme A3 liegt eine Suppressordiode SD2.
Die Anzahl der Schutzstufen – also Grob und Feinschutz – ist nicht auf zwei Stufen begrenzt, weiterhin ist die Anzahl der vorstehend beschriebenen Zweige nicht auf zwei begrenzt. Dieser Aufbau ist lediglich beispielhaft zu verstehen und kann, je nach Anwendungsfall, unterschiedlich ausfallen und erweitert/verändert werden, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein nicht dargestelltes, gegen Störereignisse zu schützendes elektrisches System, beispielsweise ein Messverstärker oder ein Industrie-PC, ist über die Ausgangsklemmen A1 bis A3 an die Schutzvorrichtung angeschlossen. Die Eingangsklemmen E1–E3 sind je nach Anwendung ihrerseits mit Signalquellen und/oder mit elektrische Energie liefernden Einrichtungen, beispielsweise ein elektrische Versorgungsnetz, verbunden.
In jedem Fall erfolgt die Installation und die Verschaltung von Schutzvorrichtung 1 und zu schützendem elektrischen System derart, dass im Falle eines Störereignisses eingekoppelte elektrische Energie auf der Eingangsseite der Schutzvorrichtung 1 eingekoppelt wird. Dies ist dem Fachmann bekannt.
Tritt ein Störereignis auf, so wird elektrische Energie in die Schutzvorrichtung 1 eingekoppelt. In Folge dieser Einkopplung treten Ströme durch Schutzelemente, hier die dargestellten und mit FS, SD1 und SD2 bezeichneten Bauteile, auf, die zur Zerstörung dieser Schutzelementen führen können, falls diese Ströme über die für das jeweilige Element zulässigen Werten liegen. Derartige Werte können die Dauer und/oder den Wert eines Stromes betreffen.
Die Schutzvorrichtung 1 weist erfindungsgemäß eine schematisch dargestellte Diagnosevorrichtung 2 zur Funktionszustandserkennung der Schutzvorrichtung 1 auf, wobei die Diagnosevorrichtung 2 eine nicht dargestellte Störereigniserkennungseinrichtung zur Erkennung von Störereignissen und eine nicht dargestellte Messeinrichtung zum erfassen von Spannungsverläufen zwischen einem ersten Messpunkt und einem zweiten Messpunkt aufweist. Im vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel liegt der erste Messpunkt 3 elektrisch auf dem Potential der Ausgangsklemme A3 und der zweite Messpunkt 4 liegt elektrisch auf dem Potential der Ausgangsklemme A4. Die zwischen diesen beiden Messpunkten erfasste Spannung bzw. der derart erfasste Spannungsverlauf wird im Folgenden als Restspannung – siehe Spannungspfeil U_R – bezeichnet.
Die Messeinrichtung erfasst/misst den Spannungsverlauf kontinuierlich, in bestimmten Zeitabständen und/oder zu festgelegten Zeitpunkten. Mit Hilfe der von der Messeinrichtung erfassten Spannungswerte des Spannungsverlaufs erkennt die Störereigniser kennungseinrichtung ein Störereignis anhand vorbestimmter Merkmale, beispielsweise anhand einer bestimmten Steigung, eines bestimmten Spannungswertes und/oder eines bestimmten Spannungswertebereichs. Es versteht sich von selbst, dass die vorbestimmten Merkmale in Abhängigkeit der verwendeten Schutzelemente (FS, SD1, SD2) vorbestimmt und festgelegt werden. Weiterhin können die Merkmale, anhand derer ein Störereignis erkannt wird, mit Zeitmerkmalen werden. So kann zur Erkennung eines Störereignisses durch die Störereigniserkennungseinrichtung gefordert sein, dass eine bestimmte Steigung, ein bestimmter Spannungswert oder ein bestimmter Spannungswertebereich für einen bestimmten Zeitraum erkannt werden muss, damit die Störereigniserkennungseinrichtung ein Störereignis erkennt. Auch diese zeitliche Verknüpfung kann von den verwendeten Schutzelementen (FS, SD1, SD2) abhängen.
Hat die Störereigniserkennungseinrichtung ein Störereignis erkannt, so prüft die, hier- für mit den erforderlichen Mitteln ausgestattete, Messeinrichtung ob der Spannungsverlauf einer Anzahl von vorbestimmten Kriterien genügt. Genügt der Spannungsverlauf der Anzahl von vorbestimmten Kriterien, so erkennt die Diagnoseerkennungseinrichtung 2 den Funktionszustand der Schutzeinrichtung 1 als funktionsfähig, genügt der Spannungsverlauf der Anzahl der vorbestimmbaren Kriterien nicht, so erkennt die Diagnoseerkennungseinrichtung 2 den Funktionszustand der Schutzeinrichtung 1 als nicht funktionsfähig.
Die Anzahl der vorbestimmbaren und vorbestimmten Kriterien kann eine Vielfalt von Einzelkriterien aufweisen. Diese können wiederum Steigungen, Spannungswerte und Spannungswertebereiche betreffen und von den eingesetzten Schutzelementen und/oder dem zu schützenden elektrischen System abhängen.
2 zeigt beispielhaft einen von der Messvorrichtung zwischen zwei Messpunkten 3, 4 erfassten Spannungsverlauf. Anhand des gezeigten beispielhaften Spannungsverlaufs wird die Erfindung insbesondere ein einen Spannungswertebereicht betreffendes Kriterium erläutert.
Der Spannungsverlauf ist in einem Koordinatensystem dargestellt, wobei die horizontalen Achse (t in μS) die Zeitachse und die vertikale Achse (U in Volt) die Spannungsachse darstellt.
Der durch eine schwarze Linie dargestellte Spannungsverlauf 5 weist im Bereich von 0 Sekunden bis zum Zeitpunkt t₁ einen steil ansteigenden Verlauf auf und geht im Zeitpunkt t₁ in einen waagerechten, im wesentlichen zu Zeitachse parallelen, Verlauf über, der auch im Zeitpunkt t₂ noch gegeben ist.
Weiterhin dargestellt ist, mittels einer gestrichelten Line eine Nennspannung (U_N = 24 V), beispielsweise eine zwischen den Eingangsklemmen E2 und E1 in 1 eingespeiste Versorgungsspannung für das zu schützende elektrische System, wobei die Versorgungsspannung in 1 mit dem Pfeil U_E bezeichnet ist.
Beispiel haft ist weiterhin ein oberer Spannungswert 6 (hier beispielhaft 70 V) und ein unterer Spannungswert 7 (hier 50 V) dargestellt. Um einem diesen Spannungswertebereich betreffenden Kriterium zu genügen muss der Spannungsverlauf zwischen diesen beiden Spannungswerten liegen. Der gezeigte Spannungsverlauf genügt diesem Kriterium, wie dies aus der 2 (U_R = 60 V) erkennbar ist. Die Diagnoseeinrichtung erkennt in diesem Fall den Funktionszustand der Schutzeinrichtung als funktionsfähig.
Weiterhin kann zur Erkennung der Funktionsfähigkeit ein einen Zeitraum betreffendes Kriterium gefordert werden, beispielsweise dass ein bestimmter Spannungswerte für einen bestimmten Zeitraum (t₂ – t₁) wie in 2. dargestellt, eingehalten werden muss, oder dass ein Spannungsverlauf maximal für einen bestimmten Zeitraum in einem bestimmten Spannungswertebereich verlaufen darf.
Weiterhin kann es sinnvoll sein, die Messeinrichtung auszugestalten, dass die durchgeführten Messungen zur Erfassung des Spannungsverlaufs in vorbestimmbaren Zeitabständen, beispielsweise alle 10 Millisekunden, durchgeführt werden, und/oder die Messungen zu bestimmten festgelegten Zeitpunkten durchzuführen.
Wird von der Diagnoseeinrichtung 2 ein vorbestimmter Funktionszustand erkannt, so kann dieser Zustand von einer Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einer Leuchtdiode, oder über eine Meldeeinrichtung, beispielsweise ein bistabiles Relais mit einem geschalteten Öffner, angezeigt und/oder zur Weiterverarbeitung an weitere, gegebenenfalls übergeordnete elektrische Einrichtungen weitergemeldet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, die auf vielfache Weise abgewandelt werden können. Insbesondere ist es möglich die genannten Merkmale in anderen als den genannten Kombinationen auszuführen.
Weiterhin ist es denkbar zur Erkennung eines Funktionszustandes bzw. eines Störereignisses auch Ströme bzw. Stromverläufe heranzuziehen und diese in analoger Weise zu den beschriebenen Spannungen bzw. Spannungsverläufen zu überwachen.

Claims

Schutzvorrichtung (1) mit wenigstens einem Schutzelement (FS, SD1, SD2) zum Schutz eines elektrischen Systems vor Beeinträchtigung und/oder Zerstörung durch ein Störereignis, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Schutzvorrichtung (1) eine Diagnoseeinrichtung (2) zur Funktionszustandserkennung der Schutzvorrichtung (1) mit einer Messeinrichtung und einer Störereigniserkennungseinrichtung aufweist, b. wobei die Messseinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Spannungsverlauf zwischen einem ersten und einem zweiten Messpunkt (3, 4) zu erfassen, und wobei die Messeinrichtung wenn die Störereigniserkennungseinrichtung anhand von einer Anzahl vorbestimmter Merkmale ein Störereignis erkennt, dazu ausgelegt ist, zu prüfen, ob der Spannungsverlauf einer Anzahl von vorbestimmten Kriterien genügt, derart, dass die Schutzvorrichtung (1) von der Diagnoseeinrichtung (2) als funktionsfähig erkannt wird, wenn der von der Messeinrichtung erfasste Spannungsverlauf der Anzahl vorbestimmter Kriterien genügt, und derart, dass die Schutzvorrichtung (1) von der Diagnoseeinrichtung (2) als nicht funktionsfähig erkannt wird, wenn der von der Messeinrichtung erfasste Spannungsverlauf nicht der Anzahl vorbestimmter Kriterien genügt.
Schutzvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Anzahl vorbestimmter Merkmale wenigstens ein eine vorbestimmte Steigung des Spannungsverlaufs betreffendes Merkmal und/oder eine einen vorbestimmten Spannungswert des Spannungsverlaufs betreffendes Merkmal und/oder ein einen vorbestimmten Spannungswertebereich des Spannungsverlaufs aufweist.
Schutzvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der vorbestimmten Kriterien wenigsten ein einen Spannungswertebereich definierendes Kriterium aufweist.
Schutzvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswertebereich einen vorbestimmten unteren Spannungswert (7) und einen vorbestimmten oberen Spannungswert (6) aufweist.
Schutzvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Spannungswert (7) 50 Volt und der obere Spannungswert (6) 70 Volt beträgt.
Schutzvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmale und Kriterien mit vorbestimmbaren Zeitpunkten und/oder Zeiträumen betreffenden Anforderungen verknüpft sind.
Schutzvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmbaren Merkmale, Kriterien und/oder Anforderungen in Abhängigkeit von dem oder den eingesetzten Schutzelementen vorbestimmt sind.
Schutzvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Messeinrichtung durchgeführten Messungen in vorbestimmbaren Zeitabständen und/oder zu vorbestimmbaren Zeitpunkten durchgeführt werden.
Schutzvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (1) eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige des von der Diagnoseeinrichtung (2) erkannten Funktionszustands aufweist.
Schutzvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (1) eine Meldeeinrichtung zur Weitermeldung des von der Diagnoseeinrichtung (2) erkannten Funktionszustands aufweist.
Verfahren zum Betreiben einer Schutzvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem a. die Messseinrichtung einen Spannungsverlauf zwischen einem ersten und einem zweiten Messpunkt (3, 4) erfasst und die Messeinrichtung, wenn die Störereigniserkennungseinrichtung anhand von einer Anzahl vorbestimmter Merkmale ein Störereignis erkennt, prüft, ob der Spannungsverlauf einer Anzahl von vorbestimmten Kriterien genügt, und b. wobei die Schutzvorrichtung (1) von der Diagnoseeinrichtung (2) als funktionsfähig erkannt wird, wenn der von der Messeinrichtung erfasste Spannungsverlauf der Anzahl vorbestimmter Kriterien genügt, und wobei die Schutzvorrichtung (1) von der Diagnoseeinrichtung (2) als nicht funktionsfähig erkannt wird, wenn der von der Messeinrichtung erfasste Spannungsverlauf nicht der Anzahl vorbestimmter Kriterien genügt.