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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Überspannungsableiter.
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Elektrische Stromkreise und Anlagen arbeiten mit einer für sie spezifizierten Spannung, der sogenannten Nennspannung, störungsfrei, es sei denn, dass Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb einer oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch transiente Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische oder elektronische Stromkreise in den verschiedensten Einsatzbereichen gegen transiente Überspannungen zu schützen, also um die Verfügbarkeit elektrischer und/oder elektronischer Anlagen und/oder Systeme zu erhöhen, wurden Überspannungsableiter entwickelt, wie aus dem Stand der Technik seit einigen Dekaden bekannt.
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Als Überspannungsableiter kommen dabei insbesondere Varistoren, Supressor-Dioden und gasgefüllte Überspannungsableiter oder Funkenstrecken sowie Kombinationen der vorgenannten Bauelemente zum Einsatz. Die einzelnen Überspannungsableiter können dabei unter anderem nach der Höhe des Ableitvermögens bzw. dem Schutzpegel unterschieden werden. Während Varistoren in der Regel als Mittelschutzstufe eingesetzt werden, dienen gasgefüllte Überspannungsableiter und Funkenstrecken in der Regel als Grobschutz. Darüber hinaus können die einzelnen Überspannungsableiter in spannungsbegrenzende Elemente, beispielsweise Varistoren, einerseits und in spannungsschaltende Elemente, beispielsweise gasgefüllte Überspannungsableiter und Funkenstrecken, andererseits unterteilt werden. Nachfolgend werden als Überspannungsableiter insbesondere gasgefüllte Überspannungsableiter und Funkenstrecken betrachtet, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt sein soll.
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Werden Überspannungsableiter während eines Ableitvorgangs oder durch zeitweise auftretende Überspannungen (TOV, temporary over voltage) überlastet, so ist der Betriebszustand, in den der Überspannungsableiter nach dem Ableitvorgang geht, in der Regel nicht klar definiert. Insbesondere kann sich die Impedanz des Überspannungsableiters so verändern, dass hohe netzgetriebene Ströme durch den Überspannungsableiter fließen, die jedoch noch zu gering sind, das vorgeschaltete Überstromschutzeinrichtungen ansprechen.
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Wird ein derartiger durch einen Ableitvorgang beschädigter Überspannungsableiter nicht nach dem Ableitvorgang ausgetauscht, können im weiteren Betrieb des Überspannungsableiters und/oder bei weiteren an dem Überspannungsableiter anliegenden Überspannungen Lichtbögen entstehen, die, neben dem Verlust der IP-Schutzart, zur Entflammung und/oder zur Explosion des Überspannungsableiters sowie Schädigung benachbarter Baugruppen bis hin zur Zerstörung der gesamten Industrieanlage führen können.
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Die bislang aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Detektion des Betriebszustands bzw. einer Betriebszustandsänderung eines Überspannungsableiters sind nur in einem anwendungstechnisch sehr begrenzten Umfeld einsetzbar. Insbesondere ist es aufwändig, im laufenden Betrieb eines Überspannungsableiters mögliche Alterungsvorgänge des Überspannungsableiters zu überwachen, speziell bei Überspannungsableitern, in denen bauartbedingt typischerweise keine Leckströme fließen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzvorrichtung anzugeben, mit der in besonders einfacher Weise eine Betriebszustandsänderung eines Überspannungsableiters detektierbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demnach wird diese Aufgabe gelöst durch eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Überspannungsableiter, wobei ein Kaltleiter oder ein Heißleiter zum Erfassen der Temperatur des Überspannungsableiters vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass in der Überspannungsschutzvorrichtung ein temperaturabhängiges Widerstandsbauelement, also ein Kaltleiter mit positiven Temperaturkoeffizienten oder ein Heißleiter mit negativen Temperaturkoeffizienten, vorgesehen ist, wobei der Widerstand des Kaltleiters mit zunehmender Temperatur ansteigt bzw. der Widerstand des Heißleiters mit zunehmender Temperatur abnimmt. Eine energiereiche Beaufschlagung des Überspannungsableiters, also beispielsweise bei einem Ableitvorgang, führt dazu, dass diese Energie im Überspannungsableiter in Wärme umgesetzt wird, also zu einem wenigstens temporären Temperaturanstieg im Überspannungsableiter führt. Je nach Wärmeleitungs- und Speicherverhalten des Überspannungsableiters hält diese auch bei transienten Beaufschlagungen von Überspannungen eingebrachte Temperaturerhöhung für einen deutlich längeren Zeitraum an, also beispielsweise für einige Sekunden, als die Transiente selbst, welche beispielsweise einige Mikrosekunden andauert.
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Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass dieser zeitweise Temperaturanstieg im Überspannungsableiter unabhängig von der Art der eigentlichen Überspannungsschutzvorrichtung als Indikator für eine Beaufschlagung mit einer Überspannung nutzbar ist, der Temperaturanstieg also durch den Kaltleiter bzw. durch den Heißleiter detektierbar ist. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kaltleiter bzw. der Heißleiter die kurzzeitige Temperaturänderung des Überspannungsableiters erfasst und dadurch seine elektrischen Eigenschaften, also seinen elektrischen Widerstand, verändert.
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Dabei ist ferner bevorzugt, dass der Kaltleiter bzw. der Heißleiter eine kleine thermische Zeitkonstante aufweist, um Temperaturveränderungen auch im unteren Sekundenbereich, vorzugsweise sogar ein bis zwei Größenordnungen darunter, zu erfassen. Es ist also bevorzugt, dass die thermische Zeitkonstante des Kaltleiters bzw. des Heißleiters ≤
vorzugsweise ≤
ist.
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Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung kann mit beliebigen aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsableitern betrieben werden, welche bei einem Ableitvorgang Wärme freisetzen. Ebenfalls sind als Kaltleiter bzw. als Heißleiter beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Temperatursensoren verwendbar, welche ihren Widerstand mit der Temperatur ändern, also beispielsweise PTC-Widerständer bzw. NTC-Widerstände. Weiterhin ist bevorzugt ein Gehäuse vorzusehen, den Überspannungsableiter und den Kaltleiter bzw. den Heißleiter in dem Gehäuse anzuordnen, wobei das Gehäuse erste Anschlusselemente zum elektrischen Anschließen des Überspannungsableiters an den zu schützenden Strom- oder Signalpfad aufweist und das Gehäuse weiterhin zweite Anschlusselemente zum elektrischen Anschließen des Kaltleiters bzw. des Heißleiters aufweist. Ferner ist bevorzugt, dass in der Überspannungsschutzvorrichtung eine Mehrzahl von Kaltleitern bzw. Heißleitern vorgesehen sind.
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Die Erfindung stellt somit eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Überspannungsableiter bereit, bei der in besonders einfacher Weise im laufenden Betrieb des Überspannungsableiters feststellbar ist, ob ein Ableitvorgang einer Überspannung in dem Überspannungsableiter stattgefunden hat.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht der Kaltleiter bzw. der Heißleiter in thermischem Kontakt mit dem Überspannungsableiter. Durch einen derartigen „direkten” thermischen Kontakt des Kaltleiters bzw. des Heißleiters mit dem Überspannungsableiter lässt sich besonders sicher und verlässlich ermitteln, ob ein wärmefreisetzender Ableitvorgang in dem Überspannungsableiter aufgetreten ist.
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Ganz besonders ist gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung bevorzugt, dass der Kaltleiter bzw. der Heißleiter in dem Überspannungsableiter angeordnet ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass der Überspannungsableiter ein Überspannungsableitergehäuse aufweist und der Kaltleiter bzw. der Heißleiter in dem Überspannungsableitergehäuse angeordnet sind. Durch derartige Ausgestaltungen lässt sich eine Überspannungsschutzvorrichtung mit sehr geringen Abmessungen fertigen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist bevorzugt, dass der Kaltleiter bzw. der Heißleiter elektrisch isoliert von dem Überspannungsableiter ist. Ganz besonders ist in diesem Zusammenhang bevorzugt, dass der Kaltleiter bzw. der Heißleiter elektrisch isoliert von allen anderen Potentialen der Überspannungsschutzvorrichtung ist. Dabei wird der Fachmann die elektrische Isolationsfestigkeit dieses thermisch durch den Kaltleiter bzw. durch den Heißleiter angesteuerten Signalkreises gegenüber dem durch den Überspannungsableiter gebildeten Signalkreis anforderungsgerecht realisieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Betriebszustandsänderung der Überspannungsschutzanordnung erfolgt, wenn der Widerstand des Kaltleiters bzw. des Heißleiters einen Schwellwert, vorzugsweise erstmals, erstmals überschreitet bzw. unterschreitet. In diesem Zusammenhang ist weiterhin bevorzugt, dass die Betriebszustandsänderung irreversibel erfolgt. Somit bleibt gemäß dieser Ausführungsform nach einem Absinken der Temperatur des Überspannungsableiters die erfolgte Betriebszustandsänderung weiterhin erhalten. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise bei einer wiederkehrenden Anlagenbegehung einer mit der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung gesicherten Anlage festgestellt werden, dass in der Vergangenheit mindestens eine energiereiche Beaufschlagung des Überspannungsableiters stattgefunden hat, da die Auswerteeinrichtung die Betriebszustandsänderung bei erstmaligem Überschreiten bzw. Unterschreiten des Widerstands des Kaltleiters bzw. des Heißleiters über den Schwellwert bzw. unter den Schwellwert detektiert.
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Dabei ist der Schwellwert durch den Fachmann vorzugsweise derart festzulegen, dass der Schwellwert einer zu definierenden Temperaturerhöhung des Überspannungsableiters gegenüber der Betriebstemperatur des Überspannungsableiters im störungsfreien Betrieb des Überspannungsableiters darstellt. Unter einer Betriebszustandsänderung ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung zu verstehen, dass der Überspannungsableiter aufgrund einer Erwärmung, beispielsweise aufgrund eines erfolgten Ableitvorgangs, in einen Betriebszustand geht, der in der Regel nicht klar definiert ist, so dass zu prüfen ist, ob der Überspannungsableiter aufgrund einer durch den Ableitvorgang hervorgerufenen Beschädigung auszutauschen ist.
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Grundsätzlich kann der Widerstandswert des Kaltleiters bzw. des Heißleiters in einer beliebigen aus dem Stand der Technik und/oder dem Fachmann bekannten Weise ausgewertet oder abgefragt werden. Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist jedoch besonders bevorzugt, dass eine Auswerteeinrichtung zur Detektion der Betriebszustandsänderung der Überspannungsschutzvorrichtung vorgesehen ist und die Auswerteeinrichtung eine Anzeigeeinrichtung zur Visualisierung der Betriebszustandsänderung umfasst. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung als Schalter, ganz besonders bevorzugt als Schwellwertschalter, ausgeführt. Die Visulisierung kann mittels jeglicher dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannter Mittel erfolgen, also beispielsweise mit einer Leuchtanzeige. Ebenfalls ist es möglich, die Auswerteeinrichtung mittels eines Datenbusses und entsprechender Logik mit der Überspannungsschutzvorrichtung zu verbinden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung in der Überspannungsschutzvorrichtung angeordnet ist.
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Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Überspannungsschutzanordnung mit einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtungen, wobei die Kaltleiter bzw. die Heißleiter der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtungen, vorzugsweise als Reihenschaltung, zusammengeschaltet sind. Mittels einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung lassen sich eine Mehrzahl von Überspannungsableitern, welche jeweils einen Kaltleiter bzw. einen Heißleiter aufweisen, gemeinsam überwachen. Sobald in wenigstens einem der Überspannungsableiter eine Widerstandsänderung des Kaltleiters bzw. des Heißleiters aufgrund einer energiereichen Beaufschlagung des entsprechenden Überspannungsableiters auftritt, führt dies zu einer Widerstandsänderung der gesamten zur Gruppe zusammengeschalteten, vorzugsweise als Reihenschaltung zusammengeschalteten, Kaltleiter bzw. Heißleiter. Mit einer derartigen erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung lässt sich also in besonders einfacher Weise eine Mehrzahl von Überspannungsableitern hinsichtlich eines erfolgten Ableitvorgangs überwachen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Überspannungsschutzanordnung eine Auswerteeinrichtung auf, wobei die Auswerteeinrichtung eine Betriebszustandsänderung der Überspannungsschutzanordnung detektiert, wenn der Widerstand der zusammengeschalteten Kaltleiter bzw. der Heißleiter erstmalig einen Schwellwert überschreitet bzw. unterschreitet. Bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile der erfindungsgemäßen Überspannungsanordnung ergeben sich dem Fachmann in Analogie zu den obigen Erläuterungen der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt weiterhin durch ein Verfahren zur Detektion einer Betriebszustandsänderung eines Überspannungsableiters, umfassend die Schritte: a) Erfassen der Temperatur des Überspannungsableiters mit einem Kaltleiter oder mit einem Heißleiter, und b) Vergleichen ob der Widerstand des Kaltleiters bzw. des Heißleiters einen Schwellwert überschreitet bzw. unterschreitet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren den Schritt c): Detektieren der Betriebszustandsänderung, wenn der Widerstand des Kaltleiters bzw. des Heißleiters erstmalig den Schwellwert überschreitet bzw. unterschreitet.
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Bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dem Fachmann in Analogie zu den obigen Erläuterungen der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung oder der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzanordnung.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
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2 eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht, und
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3 eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzanordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht. Die Überspannungsschutzvorrichtung weist einen Überspannungsableiter 1 und einen Kaltleiter 2 zum Erfassen bzw. Mesen der Temperatur des Überspannungsableiters 1 auf.
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Vorliegend ist der Überspannungsableiter 1 und der Kaltleiter 2 in einem Gehäuse 3 angeordnet, wobei das Gehäuse 3 als Überspannungsschutzstecker ausgeführt ist. Dabei ist der Kaltleiter 2 mit einer in dem Gehäuse 3 vorgesehenen Platine 4 elektrisch leitend verbunden. Ebenfalls weist der Überspannungsableiter 1, welcher beispielsweise als gasgefüllter Überspannungsableiter 1 oder als Funkenstrecke ausgeführt ist, eine elektrisch leitende Verbindung mit der Platine 4 auf, wobei der Kaltleiter 2 elektrisch isoliert von dem Überspannungsableiter 1 ist. Ferner ist das als Überspannungsstecker ausgeführte Gehäuse 3 in ein Basiselement 5 einsteckbar, wobei das Basiselement 5 Anschlussklemmen 6 zum elektrischen Anschließen des Überspannungsableiters 1 an den zu schützenden Strom- und Signalpfad sowie Anschlussklemmen 6 zum elektrischen Anschließen des Kaltleiters 2 an einen Signalpfad aufweist.
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Eine energiereiche Beaufschlagung des Überspannungsableiters 1, beispielsweise durch einen Ableitvorgang, führt zu einem temporären Temperaturanstieg im Überspannungsableiter 1. Dadurch erhöht sich der Widerstand des Kaltleiters 2, so dass eine Auswerteeinrichtung 7 eine Änderung des Betriebszustands des Überspannungsableiters 1 detektiert, welche, wie beispielsweise aus 2 ersichtlich, in einer Anzeigeeinrichtung 8 visualisierbar ist.
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Dabei ist die Auswerteeinrichtung 7 beispielsweise als Schwellwertschalter ausgeführt und detektiert eine Betriebszustandsänderung des Überspannungsableiters 1, wenn der Widerstand des Kaltleiters 2 einen Schwellwert überschreitet. In alternativen Ausgestaltungen kann anstelle des Kaltleiters 2 ein Heißleiter verwendet werden, so dass dann eine Betriebszustandsänderung detektiert wird, wenn der Widerstand des Heißleiters den Schwellwert unterschreitet.
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Während, wie in 1 dargestellt, der Kaltleiter 2 im Gehäuse 3 der Überspannungsschutzvorrichtung angeordnet ist, zeigt 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel, in dem der Kaltleiter 2 im Überspannungsableiter 1 angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind, wie in 3 dargestellt, eine Mehrzahl von Überspannungsableitern 1 mit jeweiligen Kaltleitern 2 vorgesehen, wobei die Kaltleiter 2 in Reihe geschaltet 9 sind. Die in Reihe geschalteten 9 Kaltleiter 2 sind elektrisch leitend mit einer einzigen Auswerteinrichtung 7 verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Überspannungsableiter
- 2
- Kaltleiter
- 3
- Gehäuse
- 4
- Platine
- 5
- Basiselement
- 6
- Anschlussklemme
- 7
- Auswerteeinrichtung
- 8
- Anzeigeeinrichtung
- 9
- Reihenschaltung
ist.