DE102013202793A1 - Reversible Abtrennvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist eine reversible Abtrennvorrichtung (RAT) für eine Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE). Die reversible Abtrennvorrichtung (RAT) ist in Serie mit der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) zu betreiben und weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromkreises (SK1) und eines zweiten Stromkreises (SK2) auf, wobei der erste Stromkreis (SK1) eine Impedanz (Z1) und der zweite Stromkreis zumindest einen Leiterabschnitt gefertigt aus einem Formgedächtnislegierung (FGL) aufweist. Weiterhin weist die reversible Abtrennvorrichtung (RAT) einen Schalter (S1), welcher in Serie zu der Parallelschaltung und der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) geschaltet ist, auf, wobei der Schalter (S1) durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einem Formgedächtnislegierung (FGL) reversible schaltbar ist, und wobei der Schaltervorgang des Leiterabschnittes durch einen Stromfluss durch den Leiterabschnitt ausgelöst wird, so dass bei Erwärmung des Leiterabschnittes die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) reversible abgetrennt werden kann.
Description
- Die Erfindung betrifft eine reversible Abtrennvorrichtung.
- Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Überspannungsschutzeinrichtungen bekannt.
- Ein großes Problem bei der Verwendung dieser Überspannungsschutzeinrichtungen ist, das nach einem Ableitereignis häufig ein Folgestrom auftritt.
- Dieser Folgestrom führt in aller Regel zu einer hohen Verlustleistung der Überspannungsschutzeinrichtung. Dabei tritt eine starke Erwärmung auf, die zu einer irreversiblen Schädigung bzw. Zerstörung der Überspannungsschutzeinrichtung führt und somit nicht nur eine Gefahr für die Überspannungsschutzeinrichtung sondern auch für die Umgebung darstellt.
- Darüber hinaus ist häufig zur schnellen Ableitung eines Überspannungsereignisses eine geringe Impedanz der Überspannungsschutzeinrichtung zu beobachten. Tritt nun ein Folgestrom auf, so ist die niedrige Impedanz eine Gefahr für die treibende Energieversorgung, da die niedrige Impedanz praktisch einen Kurzschluss darstellt. Dieser Kurzschluss kann zu einer nachhaltigen Schädigung oder Zerstörung der treibenden Energieversorgung führen.
- Diese Probleme treten bei unterschiedlichen Überspannungsschutzeinrichtungen auf. Besonders ausgeprägt sind diese jedoch bei einer Verwendung von Funkenstrecken bzw. gasgefüllten Überspannungsableitern und insbesondere in Gleichspannungssystemen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Abtrennvorrichtung bereitzustellen, die eine sichere Abtrennung einer Überspannungsschutzeinrichtung bereitstellt.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine reversible Abtrennvorrichtung für eine Überspannungsschutzeinrichtung. Die reversible Abtrennvorrichtung ist in Serie mit der Überspannungsschutzeinrichtung zu betreiben und weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromkreises und eines zweiten Stromkreises auf, wobei der erste Stromkreis eine Impedanz und der zweite Stromkreis zumindest einen Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung aufweist. Weiterhin weist die reversible Abtrennvorrichtung einen Schalter, welcher in Serie zu der Parallelschaltung und der Überspannungsschutzeinrichtung geschaltet ist, auf, wobei der Schalter durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einem Formgedächtnislegierung reversible schaltbar ist, und wobei der Schaltervorgang des Leiterabschnittes durch einen Stromfluss durch den Leiterabschnitt ausgelöst wird, so dass bei Erwärmung des Leiterabschnittes die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) reversible abgetrennt werden kann.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
- Es zeigen
-
1 eine Übersichtsdarstellung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung im Einsatz mit einer Überspannungsschutzeinrichtung, und -
2a und2b Aspekte gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. - Die
1 zeigt eine Übersichtsdarstellung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung im Einsatz mit einer Überspannungsschutzeinrichtung. - Dabei ist eine reversible Abtrennvorrichtung RAT für eine Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE als gestrichelter Rahmen dargestellt.
- Die reversible Abtrennvorrichtung RAT wird in Serie mit der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE betrieben. Diese Serienschaltung wird zwischen zwei beispielhaft gezeigten Leitern L1 und Schutzleiter PE geschaltet.
- Die reversible Abtrennvorrichtung RAT weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromkreises SK1 und eines zweiten Stromkreises SK2 auf.
- Der erste Stromkreis SK1 – dargestellt in
2a – weist eine Impedanz Z1 auf. Der zweite Stromkreis – dargestellt in2b – weist zumindest einen Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung FGL auf. In Ausführungsformen der Erfindung können die einzelnen Stromkreise SK1, SK2 auch weitere Bauteile aufweisen. Beiden Stromkreisen gemeinsam ist ein Schalter S1. Der Schalter S1 ist in Serie zu der Parallelschaltung der Stromkreise und der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE geschaltet. - Wie in
1 und2b dargestellt, wird der Schalter S1 durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung FGL reversible geschaltet, wobei der Schaltvorgang des Leiterabschnittes durch einen Stromfluss durch den Leiterabschnitt ausgelöst wird, sodass bei Erwärmung des Leiterabschnittes die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE reversible abgetrennt werden kann. - Das Schaltverhalten des Schalters S1 wird nachfolgend näher erläutert.
- Zunächst wird angenommen, dass – wie in
2a gezeigt – ein Überspannungsereignis eingetreten ist, das zu einem Stromfluss durch die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE und die Impedanz Z1 führt. - In der Nachfolge hierzu tritt ein Folgestrom und/oder ein Leckstrom auf. Ein Leckstrom resultiert z.B. aus einer geschädigten Überspannungsschutzeinrichtung, beispielsweise eines Varistors, oder aus einer weiter leitenden Funkenstrecke.
- Unter Einfluss des anhaltenden Folgestroms erwärmt sich die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE.
- Weiterhin fließt auch über den zweiten Stromkreis ein Teil des Folgestroms. Dieser wird über einen Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung FGL geführt. Hierdurch erwärmt sich auch dieser Leiterabschnitt.
- Unter Einfluss der Erwärmung dieses Leiterabschnitts FGL verändert sich der Leiterabschnitt. Je nach Ausführungsform der Formgedächtnislegierung FGL weist diese einen Einweg-Memoryeffekt oder einen Zweiweg-Memoryeffekt auf. Tritt nun die Erwärmung ein, so verändert der Leiterabschnitt FGL seine äußere Form und wirkt auf den Schalter S1 und schaltet diesen. Hierdurch wird die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE vom Folgestrom durch die zeitlich verzögerte Reaktion des Leiterabschnittes abgetrennt. Dies ist in
1 und2b durch die Wirkrichtung W1 dargestellt. - Mittels der vorbeschriebenen reversiblen Abtrennvorrichtung RAT ist es möglich eine sichere Abtrennvorrichtung nachrüstbar zur Verfügung zu stellen.
- In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der zweite Stromkreis SK2 ein erstes Bauelement mit veränderlichem Widerstand X1 auf, wobei der veränderliche Widerstand komplex ist, wobei der induktive Anteil aus einer parasitären oder konzentrierten Induktivität gebildet ist und der reelle Anteil aus einem nichtlinearen Bauteil gebildet ist.
- Der veränderliche Widerstand X1 befindet sich im Ruhezustand zunächst in einem nieder-impedanten Zustand. Tritt nun ein Folgestrom auf, so erhöht sich auf Grund des nichtlinearen Bauteils die Impedanz. Durch die Impedanz-Erhöhung wird der Strom durch den Leiterabschnitt FGL begrenzt und schützt somit diesen Leiterabschnitt FGL vor Schädigung.
- Wegen des Erlöschens des Stromflusses wird der elektro-mechanische Koppelmechanismus wieder in die Ausgangsposition zurückkehren.
- Beispielsweise weist der zweite Stromkreis SK2 ein erstes Bauelement mit veränderlichem Widerstand X1 auf, das ein in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuertes Halbleiterbauelement und/oder einen thermisch veränderlichen Widerstand aufweist.
- Ein beispielhafter thermischer Widerstand ist ein PTC (Positive Temperature Coefficient). Ein beispielhaftes von der Temperatur gesteuertes Halbleiterbauelement ist ein Transistor.
- In einer Ausführungsform der Erfindung ist parallel zur Serienschaltung aus Schalter S1 und der Parallelschaltung ein zweites Bauelement mit veränderlichem Widerstand X2 angeordnet, das ein in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuertes Halbleiterbauelement und/oder einen thermisch veränderlichen Widerstand aufweist.
- In diesem Fall wird beim Öffnen des Schalters S1 der Folgestrom auf das zweite Bauelement mit veränderlichem Widerstand X2 kommutiert.
- Das zweite Bauelement mit veränderlichem Widerstand X2 befindet sich zunächst im Ruhezustand in einem nieder-impedanten Zustand. Das zweite Bauelement mit veränderlichem Widerstand reagiert auf den Stromfluss mit einer Impedanz-Erhöhung.
- Beispielsweise weist das zweite Bauelement mit veränderlichem Widerstand X2 einen PTC auf.
- Ist die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE beispielsweise eine Funkenstrecke oder ein gasgefüllten Ableiter, wird der fließende Strom soweit begrenzt, dass der Haltestrom der Überspannungsschutzeinrichtung unterschritten wird. Damit wird der Folgestrom unterbrochen und das Isolationsvermögen des Überspannungsschutzelementes kann sich wieder verfestigen.
- Ist die Abtrenneinrichtung RAT aktiviert, so führt dies zu einer Unterbrechung des Stromflusses. Im Ergebnis kann der Schalter S1 wieder in seine Ausgangsposition zurückkehren. Insofern ist die Abtrenneinrichtung RAT reversible.
- Beispielsweise besitzt der Schalter S1 in der Ausführungsform eines Formgedächtnislegierung mit Zweiwege-Memoryeffekt eine zweite Wirkrichtung W2, welche nach hinreichender Reduzierung des Stromflusses den Schalter S1 wieder schließt. Somit ist der Schutzpfad gegen Überspannungen wieder aktiv.
- Die Bauelemente mit veränderlichem Widerstand X1 und X2 gehen nach Beendigung des Stromflusses selbsttätig wieder in einen nieder-impedanten Zustand über.
- Da diese Bauelemente bei einem auftretenden Stromfluss mit einer Impedanz-Erhöhung reagieren, wird der Strom, der zunächst durch den Schalter S1 fließt, reduziert.
- Im Falle einer Gleichspannungsanwendung würde somit der Folgestrom am Schalter S1 herabgesetzt, so dass z.B. der Haltestrom der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE oder eines Lichtbogens unterschritten wird und damit der Strom durch die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE zum erliegen kommt.
- Mittels des Leiterabschnittes mit Formgedächtnislegierung FGL wird vorteilhaft sowohl die erkennende Wirkung als auch die schaltende Wirkung in einem Bauteil fehlersicher vereint.
- Weiterhin erlaubt die Verwendung von Formgedächtnislegierungen die Realisierung von unterschiedlichen Wirkrichtungen, insbesondere ein Öffnen des Schalters S1 in Wirkrichtung W1 und ein nachfolgendes Schließen bei Abkühlung, z.B. auch mit Hilfe einer Rückstellkraft (z.B. Feder), in Wirkrichtung W2.
- Durch eine entsprechende Auslegung des Leiterabschnittes aus Formgedächtnislegierung FGL als auch eventueller weiterer Bauelemente mit veränderlichem Widerstand kann die Zeit, die erforderlich ist, um ein Schalten des Schalters S1 über die Erwärmung des Leiterabschnittes FGL zu bewirken, geeignet im Bereich von Millisekunden bis in den Sekundenbereich eingestellt werden.
- Weiterhin kann durch entsprechende Auslegung der Bauelemente mit veränderlichem Widerstand X1 und X2 der Stromfluss eines Überspannungsereignisses geeignet gesteuert werden. Weisen diese z.B. einen induktiven Anteil auf, so ist der entsprechende Leiterzweig initial vor Stromfluss geschützt, während ein Folgestrom über den Leiterzweig zumindest teilweise abgeleitet werden kann. Ohne hierauf beschränkt zu sein, kann eine beispielhafte Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE einen Varistor (MOV) und/oder eine Funkenstrecke (GDT) aufweisen.
- In den Ausführungsformen gemäß den Figuren sind die zwei Stromkreise SK1 und SK2 galvanisch gekoppelt. Ohne weiteres können aber auch andere Anordnungen der Stromkreise vorgesehen sein. Insbesondere können die beiden Stromkreise SK1 Und SK2 auch induktiv gekoppelt sein.
- Auch kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Erwärmung der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE zusätzlich zu der Erwärmung der Leiterabschnitte aus Formgedächtnislegierung FGL beitragen kann.
- Ohne weiteres kann die erfindungsgemäße Abtrenneinrichtung RAT auch mit einer Überspannungseinrichtung ÜSE als Baueinheit zur Verfügung gestellt werden.
- Bezugszeichenliste
-
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- RAT
- Reversible Abtrennvorrichtung
- ÜSE
- Überspannungsschutzeinrichtung
- SK1
- erster Stromkreis
- SK2
- zweiter Stromkreis
- Z1
- Impedanz
- FGL
- Leiterabschnitt, Formgedächtnislegierung
- S1
- Schalter
- X1
- Komplexer Widerstand
- L1
- Leiter
- PE
- Schutzleiter
- W1, W2
- Wirkrichtung
Claims (8)
- Reversible Abtrennvorrichtung (RAT) für eine Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE), wobei die reversible Abtrennvorrichtung (RAT) in Serie mit der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) zu betreiben ist, aufweisend • eine Parallelschaltung eines ersten Stromkreises (SK1) und eines zweiten Stromkreises (SK2), wobei der erste Stromkreis (SK1) eine Impedanz (Z1) und der zweite Stromkreis zumindest einen Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) aufweist, und • einen Schalter (S1), welcher in Serie zu der Parallelschaltung und der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) geschaltet ist, • wobei der Schalter (S1) durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) reversible schaltbar ist, • wobei der Schaltvorgang des Leiterabschnittes durch einen Stromfluss durch den Leiterabschnitt ausgelöst wird, so dass bei Erwärmung des Leiterabschnittes die Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) reversible abgetrennt werden kann.
- Reversible Abtrenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromkreis (SK2) ein erstes Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X1), wobei der veränderliche Widerstand komplex ist, wobei der induktive Anteil aus einer parasitären oder konzentrierten Induktivität gebildet ist und der reelle Anteil aus einem nichtlinearen Bauteil gebildet ist.
- Reversible Abtrennvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromkreis (SK2) ein erstes Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X1) aufweist, das ein in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuertes Halbleiterbauelement und/oder einen thermisch veränderlichen Widerstand aufweist.
- Reversible Abtrennvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X1) einen PTC aufweist.
- Reversible Abtrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Serienschaltung aus Schalter (S1) und der Parallelschaltung ein zweites Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X2) vorgesehen ist, das ein in Abhängigkeit von der Temperatur gesteuertes Halbleiterbauelement und/oder einen thermisch veränderlichen Widerstand aufweist.
- Reversible Abtrennvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X2) einen PTC aufweist.
- Reversible Abtrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung einen Varistor (MOV) und/oder eine Funkenstrecke (GDT) aufweist.
- Reversible Abtrennvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromkreis galvanisch und induktiv mit dem ersten Stromkreis gekoppelt ist.
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