DE102013202793B4

DE102013202793B4 - Reversible Abtrennvorrichtung

Info

Publication number: DE102013202793B4
Application number: DE102013202793.1A
Authority: DE
Inventors: Martin Striewe; Axel Fabig
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2013-02-20
Filing date: 2013-02-20
Publication date: 2015-03-19
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: CN103997025A; CN103997025B; DE102013202793A1

Abstract

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 Stromzweiges (SK₁) und eines zweiten Stromzweiges (SK₂), wobei der erste Stromzweig (SK₁) eine Impedanz (Z₁) und der zweite Stromzweig 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) reversibel schaltbar ist,
• wobei durch einen Stromfluss durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) eine Erwärmung eintritt, durch die sich die äußere Form des Leiterabschnitts gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) verändert, wodurch dieser so auf den Schalter (S₁) einwirkt, dass dieser schaltet.

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.
Eine beispielhafte Abtrennvorrichtung ist aus der DE 10 2011 001 977 B3 bekannt. Diese Abtrennvorrichtung weist eine Parallelschaltung von zwei Stromzweigen auf. Die Abtrennvorrichtung schaltet einmalig und weist in einem Stromzweig einen Kaltleiter auf.
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 Stromzweiges und eines zweiten Stromzweiges auf, wobei der erste Stromzweig eine Impedanz und der zweite Stromzweig 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 reversibel 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) reversibel 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 und 2b 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 Stromzweiges SK₁ und eines zweiten Stromzweiges SK₂ auf.
Der erste Stromzweig SK₁ – dargestellt in 2a – weist eine Impedanz Z₁ auf. Der zweite Stromzweig – dargestellt in 2b – 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 Stromzweigen gemeinsam ist ein Schalter S₁. Der Schalter S₁ ist in Serie zu der Parallelschaltung der Stromzweige und der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE geschaltet.
Wie in 1 und 2b dargestellt, wird der Schalter S₁ durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung FGL reversibel geschaltet, wobei der Schaltvorgang des Leiterabschnittes durch einen Stromfluss durch den Leiterabschnitt ausgelöst wird, sodass bei Erwärmung des Leiterabschnittes die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE reversibel 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 Stromzweig 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 und 2b 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 Stromzweig 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 Stromzweig 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 Stromzweige SK₁ und SK₂ galvanisch gekoppelt. Ohne weiteres können aber auch andere Anordnungen der Stromzweige vorgesehen sein. Insbesondere können die beiden Stromzweige 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

RAT

Reversible Abtrennvorrichtung

ÜSE

Überspannungsschutzeinrichtung

SK₁

erster Stromzweig

SK₂

zweiter Stromzweig

Z₁

Impedanz

FGL

Leiterabschnitt, Formgedächtnislegierung

S₁

Schalter

X₁

Komplexer Widerstand

L₁

Leiter

PE

Schutzleiter

W₁, W₂

Wirkrichtung

Claims

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 Stromzweiges (SK₁) und eines zweiten Stromzweiges (SK₂), wobei der erste Stromzweig (SK₁) eine Impedanz (Z₁) und der zweite Stromzweig 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) reversibel schaltbar ist, • wobei durch einen Stromfluss durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) eine Erwärmung eintritt, durch die sich die äußere Form des Leiterabschnitts gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung (FGL) verändert, wodurch dieser so auf den Schalter (S₁) einwirkt, dass dieser schaltet.
Reversible Abtrenneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Stromzweig (SK₂) ein erstes Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X₁), wobei der veränderliche Widerstand komplex ist und einen induktiven Anteil aufweist, 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 Stromzweig (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 Stromzweig galvanisch und induktiv mit dem ersten Stromzweig gekoppelt ist.