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Die Erfindung betrifft eine Abtrennvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Überspannungsschutzeinrichtungen bekannt.
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Ein großes Problem bei der Verwendung dieser Überspannungsschutzeinrichtungen ist, dass nach einem Ableitereignis häufig ein Folgestrom auftritt.
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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.
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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.
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Diese Probleme treten bei unterschiedlichen Überspannungsschutzeinrichtungen auf. Besonders ausgeprägt sind diese jedoch bei einer Verwendung von Funkenstrecken bzw. gasgefüllten Überspannungsableitern und insbesondere in Gleichspannungssystemen.
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Aus der
WO 2011/102 811 A2 und der
DE 10 2011 001 977 B3 sind Abtrennvorrichtung mit schaltbaren Stromzweigen und einem PTC bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Abtrennvorrichtung bereitzustellen, die eine sichere Abtrennung einer Überspannungsschutzeinrichtung bereitstellt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Abtrennvorrichtung für eine Überspannungsschutzeinrichtung, wobei die Abtrennvorrichtung in Serie mit der Überspannungsschutzeinrichtung zu betreiben ist. Die Abtrennvorrichtung weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges und eines zweiten Stromzweiges, wobei der erste Stromzweig ein spannungsschaltendes Überspannungsschutzelement, und der zweite Stromzweig zumindest einen Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung aufweist, auf. Weiterhin weist die Abtrennvorrichtung einen ersten Schalter, der in Serie zu der Parallelschaltung und der Überspannungsschutzeinrichtung geschaltet ist, auf, wobei der Schalter durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einem Formgedächtnislegierung schaltbar ist, und wobei der zweite Stromzweig im Unterschied zum ersten Stromzweig eine Tiefpasscharakteristik aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Übersichtsdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung im Einsatz mit einer Überspannungsschutzeinrichtung, und
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2 eine Übersichtsdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung im Einsatz mit einer Überspannungsschutzeinrichtung.
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Die 1 und 2 zeigen je eine Übersichtsdarstellung einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung im Einsatz mit einer Überspannungsschutzeinrichtung. Soweit nicht nachfolgend explizit auf eine Figur hingewiesen wird, können sich die nachfolgenden Ausführungen stets auf alle Ausführungen beziehen.
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Dabei ist eine Abtrennvorrichtung RAT für eine Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE als gestrichelter Rahmen dargestellt.
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Die Abtrennvorrichtung AT wird in Serie mit der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE betrieben. Diese Serienschaltung wird zwischen zwei beispielhaft gezeigten Leitern L1 und Schutzleiter PE geschaltet.
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Die Abtrennvorrichtung AT weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges SK1 und eines zweiten Stromzweiges SK2 auf.
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Der erste Stromzweig SK1 dargestellt in der linken Ellipse weist ein spannungsschaltendes Überspannungsschutzelement GDT auf. Der zweite Stromzweig SK2 dargestellt in der rechten Ellipse weist zumindest einen Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung FGL auf. In Ausführungsformen der Erfindung können die einzelnen Stromzweige SK1, SK2 auch weitere Bauteile aufweisen.
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In Serie zu der vorbezeichneten Parallelschaltung als auch zu der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE ist ein erster Schalter S1 geschaltet. Der Schalter S1 wird durch den Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung FGL geschaltet.
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Der Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung FGL kann z.B. als parasitäre Komponente und/oder als diskrete Komponente eine komplexe Impedanz besitzt.
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Dabei stellt sich die gewünschte Situation ein, dass der zweite Stromzweig im Unterschied zum ersten Stromzweig eine Tiefpasscharakteristik aufweist.
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Überspannungsereignisse haben im Unterschied zu Folgeströmen in aller Regel eine hochfrequente Natur. Durch die gewählte Eigenschaft der Stromzweige wird daher ein Überspannungsereignis durch den ersten Stromzweig SK1 fließen, während der zweite Stromzweig SK2 im Hinblick auf die hochfrequente Natur in aller Regel nur von sehr geringen Strömen durchflossen wird.
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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.
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Der Folgestrom besitzt im Vergleich zum Überspannungsereignis eine niederfrequente Natur. Aufgrund der Tiefpasscharakteristik des zweiten Stromzweiges SK2 kann auch über den zweiten Stromzweig SK2 ein Teil des Folgestroms fließen. Dieser wird über einen Leiterabschnitt gefertigt aus einer Formgedächtnislegierung FGL geführt. Hierdurch erwärmt sich auch dieser Leiterabschnitt FGL.
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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 ersten Schalter S1 und schaltet diesen. Hierdurch wird der entsprechende Abschnitt und in der Nachfolge dazu die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE vom Folgestrom durch die zeitlich verzögerte Erwärmung des Leiterabschnittes abgetrennt. Dies ist in 1 und 2 durch die Wirkrichtung W1 dargestellt.
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Durch eine entsprechende Auslegung der Formgedächtnislegierung FGL als auch eventueller weiterer Bauelemente X 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.
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Durch die Tiefpasscharakteristik wird verhindert, dass ein Überspannungsereignis zu einer Auslösung des Schalters S1 führt.
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Mittels der vorbeschriebenen Abtrennvorrichtung AT ist es möglich eine sichere Abtrennvorrichtung nachrüstbar zur Verfügung zu stellen.
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Diese Abtrennvorrichtung AT weist für Folgeströme und Ableitströme unterschiedliche Strompfade auf. Während ein Ableitstrom über den Stromzweig SK1 und den Schalter S1 und die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE abgeleitet wird, wird ein Folgestrom – zumindest nach einer kurzen Einschwingzeit – auch über den zweiten Stromzweig SK2 und die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE abgeleitet.
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Ohne hierauf beschränkt zu sein kann die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE einen Varistor und/oder eine Funkenstrecke aufweisen.
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Besonders bei DC-Anwendungen als auch bei Hochstromanwendungen ist das Abschalten mittels eines Schalters problematisch.
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Durch Einsatz von stromreduzierenden und/oder strombegrenzenden Elementen Z kann wie in 2 gezeigt, diesem Problem entgegen gewirkt werden.
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Wie in 2 gezeigt, kann zusätzlich eine als Impedanz Z dargestellte Komponente parallel zum Schalter S1 vorgesehen sein und in der Folge ein weiterer Schalter S2.
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Unter Einfluss der Erwärmung dieses Leiterabschnitts FGL verändert sich der Leiterabschnitt FGL. Tritt nun die Erwärmung ein, so verändert der Leiterabschnitt FGL seine äußere Form und wirkt auf den ersten Schalter S1 und schaltet diesen.
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Hierdurch wird in 2 der entsprechende Abschnitt abgetrennt. Dies ist in 2 durch die Wirkrichtung W1 dargestellt.
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Dadurch ist der parallele Kurzschlusspfad zur Impedanz Z unterbrochen und der weitere Folgestrom muss über die Impedanz Z fließen. Im Unterschied dazu wäre ein Überspannungsereignis über den Kurzschluss durch den Schalter S2 vorbeigeleitet worden.
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Die Impedanz Z weist eine resistive Komponente auf, welche einerseits zu einer Reduzierung des Folgestromes führt und andererseits zu einer Verlustleistung und damit Erwärmung der Impedanz Z.
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Für die Impedanz Z kommt ganz allgemein die Zusammenschaltung verschiedener induktiver, kapazitiver und resistiver Komponenten in Frage.
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Insbesondere bietet es sich hier an, eine resistive Komponente, die eine positive thermische Widerstandskennlinie aufweist, z.B. einen PTC-Widerstand, zu verwenden (Positive Temperature Coefficient).
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Die veränderliche Impedanz Z befindet sich z.B. im Ruhezustand zunächst in einem nieder-impedanten Zustand. Tritt nun ein Folgestrom auf, so erhöht sich die Impedanz. Durch die Impedanz-Erhöhung wird der Strom durch den Leiterabschnitt FGL begrenzt und schützt somit diesen Leiterabschnitt FGL vor Schädigung. Weiterhin führt die Erwärmung mittels der thermische Verbindung ϑ zu einer thermischen Auslösung des Schalters S2.
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D.h. in der zweiten Ausführungsform wird zunächst zwischen Überspannungsereignis und Folgestrom unterschieden und in der Nachfolge eines Folgestromes, dieser gezielt reduziert und/oder begrenzt, und anschließend endgültig abgeschaltet.
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Hierdurch können Schaltelemente geringerer Schaltleistung verwendet werden und zudem auch die Abschaltung von DC-Anwendungen als auch Hochstromanwendungen sichergestellt werden.
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Wegen des Erlöschens des Stromflusses kann bei geeigneter Auslegung der Wirkmechanismen der Schalter S1 bzw. S2 wieder in den Ausgangszustand zurückkehren.
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Z.B. kann vorgesehen sein, dass der Leiterabschnitt aus Formgedächtnislegierung den Schalter S1 wieder in seinen Ausgangszustand verbringt. So wäre die Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE wieder aktiv und könnte vor einem erneuten Überspannungsereignis schützen.
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Beispielsweise besitzt der Schalter S1 in einer entsprechenden Ausführungsform eine zweite Wirkrichtung W2, welche nach hinreichender Reduzierung des Stromflusses den Schalter S1 z.B. unter Zuhilfenahme einer Rückstellkraft (z.B. einer Feder) wieder schließt. Somit ist der Schutzpfad gegen Überspannungen wieder aktiv.
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Z.B. kann der Schalter S2 in der Ausführungsform der 2 reversible oder nichtreversible ausgelegt sein. So kann z.B. bei Auftreten eines Folgestromes dieser zwar getrennt werden, aber eine weitere Verwendung ausgeschlossen sein, z.B. wegen einer vermuteten dauerhaften Schädigung. Andererseits kann der Schalter auch reversible schaltbar sein und z.B. bei Wegfall der Erwärmung wieder in seinen Ausgangszustand zurückkehren.
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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.
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Auch kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Erwärmung der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE zusätzlich zu der Erwärmung der Leiterabschnitte aus Formgedächtnislegierung FGL beitragen kann.
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Ohne weiteres kann die erfindungsgemäße Abtrenneinrichtung RAT auch mit einer Überspannungseinrichtung ÜSE als Baueinheit zur Verfügung gestellt werden.
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Mittels des Leiterabschnittes mit Formgedächtnislegierung FGL wird vorteilhaft sowohl die erkennende Wirkung als auch die schaltende Wirkung in einem Bauteil fehlersicher vereint.
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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 z.B. mit Hilfe einer Rückstellkraft, beispielsweise einer Feder.
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Bezugszeichenliste
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- AT
- Abtrennvorrichtung
- ÜSE
- Überspannungsschutzeinrichtung
- SK1
- erster Stromzweig
- SK2
- zweiter Stromzweig
- Z
- Impedanz
- FGL
- Leiterabschnitt, Formgedächtnislegierung
- S2, S1
- Schalter
- X
- Bauelement
- L1
- Leiter
- PE
- Schutzleiter
- W1, W2
- Wirkrichtung
- GDT
- Spannungsschaltendes Überspannungsschutzelement
- ϑ
- thermische Verbindung
