DE102013202795B3

DE102013202795B3 - Reversible Abtrennvorrichtung

Info

Publication number: DE102013202795B3
Application number: DE201310202795
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: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: CN103997028A; CN103997028B; DE102013202795C5

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine reversible Abtrennvorrichtung (RAT) für eine Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE). Die reversible Abtrennvorrichtung (RAT) wird in Serie mit der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) betrieben. Die reversible Abtrennvorrichtung (RAT) weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges (SK₁) und eines zweiten Stromzweiges (SK₂) auf, wobei der erste Stromzweig (SK₁) einen ersten Schalter (S₁) und der zweite Stromzweig (SK₂) ein Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X) aufweist. Der Schalter (S₁) weist eine Formgedächtnislegierung auf, welche den Schalter (S₁) betätigt, wobei die Formgedächtnislegierung in thermische Verbindung (ϑ) mit der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) gebracht wird, so dass bei Erwärmung der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) diese Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) reversibel 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, dass 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.
Aus der DE 10 2008 013 448 A1 und der DE 41 24 321 A1 als auch der DE 10 2011 052 286 A1 sind Abtrennvorrichtung mit schaltbaren Stromzweigen und einem PTC bekannt.
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 wird in Serie mit der Überspannungsschutzeinrichtung betrieben. Die reversible Abtrennvorrichtung weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges und eines zweiten Stromzweiges auf, wobei der erste Stromzweig einen ersten Schalter und der zweite Stromzweig ein Bauelement mit veränderlichem Widerstand aufweist. Der Schalter weist eine Formgedächtnislegierung auf, welche den Schalter betätigt, wobei die Formgedächtnislegierung in thermische Verbindung mit der Überspannungsschutzeinrichtung gebracht wird, so dass bei Erwärmung der Überspannungsschutzeinrichtung diese Überspannungsschutzeinrichtung 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 zeigt
1 eine Übersichtsdarstellung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung im Einsatz mit einer Überspannungsschutzeinrichtung.
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 der linken Ellipse weist einen ersten Schalter S₁ auf. Der zweite Stromzweig SK₂ dargestellt in der rechten Ellipse weist ein Bauelement mit veränderlichem Widerstand X auf. In Ausführungsformen der Erfindung können die einzelnen Stromzweige SK₁, SK₂ auch weitere Bauteile aufweisen.
Der Schalter S₁ weist eine Formgedächtnislegierung auf, welche den Schalter S₁ betätigt, wobei die Formgedächtnislegierung in thermische Verbindung ϑ mit der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE gebracht wird. Diese thermische Verbindung ist als gestrichelte Linie beginnend bei der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE dargestellt.
Zunächst wird angenommen, dass ein Überspannungsereignis eingetreten ist, das zu einem Stromfluss durch die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE und im Wesentlichen über den geschlossenen Schalter S₁ führt.
In der Nachfolge zu dem Überspannungsereignis tritt ein Folgestrom auf. Dieser Folgestrom kann z. B. ein Leckstrom einer geschädigten Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE, beispielsweise eines Varistors MOV, oder eine weiter leitende Funkenstrecke GDT sein.
Unter Einfluss des anhaltenden Folgestroms erwärmt sich die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE.
Unter Einfluss der Erwärmung der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE verändert sich die Formgedächtnislegierung im Schalter S₁. Je nach Ausführungsform der Formgedächtnislegierung weist diese einen Einweg-Memoryeffekt oder einen Zweiweg-Memoryeffekt auf. Tritt nun die Erwärmung ein, so verändert die Formgedächtnislegierung ihre äußere Form und wirkt in Wirkrichtung W₁ auf den Schalter S₁ und schaltet diesen. Hierdurch wird die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE vom Folgestrom durch abgetrennt.
Diese Betätigung tritt auf Grund der notwendigen Wärmeleitung zeitverzögert auf, so dass ein typisches Überspannungsereignis, wie z. B. ein Blitzschlag, auf Grund der kurzen Zeitdauer nicht die notwendige Erwärmung erreichen kann. Der Schalter S₁ öffnet nun.
Dabei wird der Strom nun vom Stromzweig SK₁ auf den parallelen Stromzweig SK₂ gelenkt. Auf Grund des veränderlichen Widerstandes X ändert sich nun der Widerstand entweder fremd- oder eigengesteuert. Diese Änderung tritt zeitverzögert oder unter Einfluss eines sich ergebenden Temperaturanstieges ein. Dabei wird der veränderliche Widerstand X beispielsweise erhöht. Ein ansteigender Widerstand führt dazu, dass der Spannungsabfall am Widerstand X steigt, während der Spannungsabfall an der Überspannungseinrichtung ÜSE sinkt. Dieser Effekt kann nun ausgenutzt werden, um die Spannung am ÜSE soweit abzusenken, dass eine Haltespannung oder Brennspannung unterschritten wird und somit der Stromfluss zum Erliegen kommt.
Hierdurch kann die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE reversibel abgetrennt werden.
Durch die Verwendung eines zweiten Stromzweiges kann die Schaltleistung des Schalters S₁ geringer als üblich sein, da die eigentliche Abtrennung zeitverzögert durch den veränderlichen Widerstand X bewirkt wird. Eine hierzu eventuell benötigte Rückstellkraft kann z. B. auch durch eine Federkraft aufgebracht werden.
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 in Wirkrichtung W₂.
Durch eine entsprechende Auslegung der Formgedächtnislegierung als auch eventueller weiterer Bauelemente mit veränderlichem Widerstand kann die Zeit, die erforderlich ist, um ein Schalten des Schalters S₁ über die Erwärmung der Formgedächtnislegierung zu bewirken, geeignet im Bereich von Millisekunden bis in den Sekundenbereich eingestellt werden.
Für das Bauelement mit veränderlichem Widerstand X kommt ganz allgemein die Zusammenschaltung verschiedener induktiver, kapazitiver und resistiver Komponenten in Frage. Insbesondere bietet es sich hier an, eine resistive Komponente aus einem PTC-Widerstand zu verwenden (Positive Temperature Coefficient). Eine andere Lösung dieser Aufgabe besteht im Einsatz von Halbleiterschaltern (Transistoren), welche nach einer gewissen Zeit in den Sperrzustand geschaltet werden.
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 ÜSE kann wieder hergestellt werden.
Weiterhin kann durch entsprechende Auslegung des Bauelements mit veränderlichem Widerstand X der Stromfluss eines Überspannungsereignisses geeignet gesteuert werden. Weist dieses 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 der Figur 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.
Ohne weiteres kann die erfindungsgemäße Abtrennvorrichtung RAT auch mit einer Überspannungseinrichtung ÜSE als Baueinheit zur Verfügung gestellt werden.
Bezugszeichenliste

RAT

Reversible Abtrennvorrichtung

ÜSE

Überspannungsschutzeinrichtung

SK₁

erster Stromzweig

SK₂

zweiter Stromzweig

S₁

Schalter

X

Bauelement mit veränderlichem Widerstand

L₁

Leiter

PE

Schutzleiter

ϑ

thermische Verbindung

W₁, W₂

Wirkrichtung

FGL

Formgedächtnislegierung

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) einen ersten Schalter (S₁) und der zweite Stromzweig (SK₂) ein Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X) aufweist, • wobei der Schalter (S₁) eine Formgedächtnislegierung aufweist, welche den Schalter (S₁) betätigt, wobei die Formgedächtnislegierung in thermischer Verbindung (ϑ) mit der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) ist, so dass bei Erwärmung der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) diese Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) reversibel abgetrennt werden kann.
Reversible Abtrennvorrichtung (RAT) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement mit veränderlichem Widerstand (X) ein in Abhängigkeit von der Temperatur der Überspannungsschutzeinrichtung (ÜSE) gesteuertes Halbleiterbauelement ist und/oder einen thermisch veränderlichen Widerstand aufweist.
Reversible Abtrennvorrichtung (RAT) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung einen Varistor (MOV) und/oder eine Funkenstrecke (GDT) aufweist.