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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe, insbesondere eine Baugruppe mit zumindest einem Basiselement und einem Steckelement.
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Hintergrund der Erfindung
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Überlastungen von elektrischen Anlagen können im Wesentlichen in zwei Kategorien eingeteilt werden. Zum einen treten Überlastungen in Form einer (dauerhaft) überhöhten Betriebsspannung auf. Zum anderen treten sogenannte transiente Überspannungen und/oder Stoßströme auf, die zu einer Überlastung führen können.
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In den unterschiedlichsten Spannungssystemen werden Überspannungsschutzelemente eingesetzt. Dabei unterscheiden sich die eingesetzten Schaltungen je nach System.
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Beispielsweise werden für sogenannte Typ 1 Ableiter (z.B. entsprechend der DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443):2007-06 oder IEC 60364-4-44:2001-08 bzw. DIN VDE 0110/IEC Publikation 664) oftmals Funkenstrecken-basierte Ableiter eingesetzt.
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Es ist bekannt, dass Überspannungsschutzelemente bei der Bewältigung der Schutzaufgabe degradieren.
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Beispielsweise können solche Überlastungen bei einem Metalloxidvaristor als Beispiel eines Überspannungsschutzelementes zu einer allmählichen Degradation führen. Diese hat das Auftreten von Leckströmen und/oder einen Anstieg des Leckstromes zur Folge.
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Durch Leckströme wird Wärme in dem Überspannungsschutzelement umgesetzt. Diese Wärme kann zu einer weitergehenden Schädigung des Überspannungsschutzelementes als auch zu einer Schädigung von benachbartem Analgen durch Wärmeeintrag führen. Der Wärmeeintrag kann zu weiterer Degradation, zu thermische Zerstörung und damit einhergehende Brandgefahr führen.
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Um dies zu vermeiden werden Überspannungsschutzelemente in aller Regel mit einer thermischen Sicherung zur Abtrennung (seltener zum Kurzschließen) des geschädigten Überspannungsschutzelements ausgestattet.
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Jedoch ergibt sich dann die Situation, dass zwar eine Schädigung durch das abgetrennte Überspannungsschutzelement verhindert ist, jedoch die eigentlich zu schützende Anlage schutzlos gegenüber Überspannungen ist.
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Ähnliche Situationen ergeben sich auch für andere Überspannungsschutzelemente, wie z.B. Funkenstrecken, Gasableiter (engl. gas discharge tube, abgekürzt GDT).
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Aus der japanischen Patentanmeldung
JP 2016-91 941 A , den deutschen Patentanmeldungen
DE 10 2017 129 660 A1 und
DE 103 04 492 A1 , sowie der chinesischen Patentanmeldung
CN 102 812 603 A sind unterschiedliche Baugruppen aufweisend ein Basiselement, in das lösbar ein Steckelement eingesetzt werden kann, bekannt.
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Häufig sind Überspannungsschutzelemente in einem Schaltschrank angeordnet. Dort sind die Überspannungsschutzelemente allerdings nicht immer einfach zugänglich. Daher wurden in der Vergangenheit Elemente mir einer Fernmeldung entwickelt.
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Diese Fernmeldung war jedoch im Wesentlichen daraufhin ausgerichtet eine Auslösung einer Abtrenneinrichtung zu erkennen. D.h. dem Verwender wurde die Möglichkeit gegeben ein defektes Überspannungsschutzelement zu erkennen.
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Dies erlaubt zwar einen zielgerichteten Austausch, jedoch bleibt die zu schützende Anlage bis zum Austausch schutzlos gegenüber Überspannungen.
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Es wäre daher wünschenswert frühzeitig eine Information über einen drohenden Ausfall zu erhalten, sodass das betreffende Überspannungsschutzelement rechtzeitig vor Ausfall ausgetauscht werden kann, um so den schutzlosen Zeitraum auf die Dauer des Austausches zu verringern.
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Zudem sollte der Austausch des betroffenen Überspannungsschutzelementes schnell und bevorzugt werkzeuglos möglich sein.
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Ausgehend von dieser Situation ist es Aufgabe der Erfindung, eine Baugruppe zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, eine solche Baugruppe kostengünstig und zuverlässig zu realisieren.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Baugruppe gemäß Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
- 1 eine schematische seitliche Darstellung von Elementen einer erfindungsgemäßen Baugruppe,
- 2 eine schematische Aufsicht von oben auf Elemente einer erfindungsgemäßen Baugruppe in Ausführungsformen der Erfindung,
- 3 eine schematische seitliche Darstellung von Elementen und Aspekten einer erfindungsgemäßen Baugruppe in Ausführungsformen der Erfindung, und
- 4 eine schematische Aufsicht von unten auf Elemente einer erfindungsgemäßen Baugruppe in Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
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Angaben mit Zahlenwerten sind in aller Regel nicht als exakte Werte zu verstehen, sondern beinhalten auch eine Toleranz von +/- 1% bis zu +/- 10 %.
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In 1 und 3 ist eine erfindungsgemäße Baugruppe 1 in jeweils einer schematischen seitlichen Darstellung von Elementen gezeigt. Die Baugruppe 1 weist zumindest ein Basiselement B und ein Steckelement S auf.
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Das Basiselement B kann z. B. Elemente zur Montage auf einer Tragschiene, z.B. einer Hutschiene aufweisen. Weiterhin kann das Basiselement B (nicht gezeigte) Anschlüsse an das zu schützende elektrische Versorgungsnetz bzw. die zu schützende Anlage aufweisen.
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Das Steckelement S kann in das Basiselement B lösbar eingesteckt werden. Das Steckelement S und das Basiselement B können hierzu kooperierende Nuten und Vorsprünge/Rücksprünge aufweisen, sodass das Steckelement S beispielsweise von oben (in den 1 und 3) in das Basiselement B eingesteckt werden kann.
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Das Steckelement S weist ein elektrisches Bauelement EB auf. Das elektrische Bauelement EB ist beispielsweise ein Überspannungsschutzbauelement, insbesondere ein Varistor oder eine Transient-Voltage-Suppresordiode oder ein Gasableiter oder eine Funkenstrecke oder ein PTC (Positive Temperature Coefficient Thermistor / Kaltleiter) oder ein Feldeffekttransistoren (engl. field-effect transistors, abgekürzt FET) oder ein Thyristor.
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Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt.
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Das Basiselement B stellt eine elektrische Verbindung A1 , A2 zum Steckelement S bereit. Die elektrische Verbindung A1 , A2 kann z.B. mittels einer Stecker / Buchsenanordnung realisiert sein, wobei kooperierende Stecker und Buchsen sowohl am Basiselement B als auch am Steckelement S vorgesehen sein können. Die elektrische Verbindung kann ebenso wie kooperierende Nuten und Vorsprünge/Rücksprünge auch dazu verwendet werden, dass nur bestimmte Steckelemente in bestimmte Basiselemente B eingeführt werden können. Hierdurch kann eine Art Kodierung / Fehlersicherung realisiert werden, sodass z.B. entsprechend der Dimensionierung eines elektrischen Bauelements EB ein Steckelement S auch nur in hierzu passende Basiselemente B eingeführt werden kann.
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Die Baugruppe 1 weist weiterhin ein Sensorelement SE für ein oder mehrere Steckelemente S auf. In 2 und 4 sind eine Vielzahl von Steckelementen S1 , S2 .. SN gezeigt.
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Bevorzugt ist dann wie in 2 gezeigt für jedes der Steckelemente S1 , S2 ... SN ein eigenes Basiselement B1, B2 ... BN vorgesehen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass für mehrere Steckelemente ein gemeinsames Basiselement vorgesehen ist. In diesem Fall werden in dem Basiselement für eine Vielzahl von Steckelementen entsprechende elektrische Verbindungen bereitgestellt.
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Das Sensorelement kann zwischen dem Basiselement B und dem Steckelement S in gesteckter Anordnung von einer Außenseite, z.B. seitlich (in 1 und 3 senkrecht zur Papierebene), her eingebracht werden.
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D.h. die Erfindung ermöglicht durch die steckerartige Ausgestaltung einen einfachen Austausch nur des defekten / ausfallgefährdeten Steckelementes S. Dadurch, dass das Sensorelement SE von einer Außenseite, bevorzugt seitlich, eingebracht werden kann, ist eine einfache Nachrüstung auch bestehender Anlagen möglich. Insbesondere wird durch die getrennte Ausführung des Sensorelementes SE eine kostengünstige Lösung zur Verfügung gestellt, da die Sensorelemente, da sie nicht in dem Steckelement S angeordnet sind, am Ort verbleiben können und auch für ein ausgetauschtes Steckelement S wieder zur Verfügung stehen. Ebenso wird hierdurch vermieden, dass Fernmeldeschnittstellen für jedes einzelne Steckelement S verkabelt werden müssen.
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D.h. insbesondere bei einem Einsatz von Überspannungsschutzgeräten an schwer zugänglichen Orten ist ein Monitoring der elektrische Bauelement EB in Verbindung mit einer Fernmeldefunktion möglich.
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Informationen über den Alterungszustand der in einer zu schützenden Anlagen eingesetzten elektrische Bauelemente EB ermöglichen es dem Verwender eine zustandsorientierte bis hin zu einer vorausschauenden Wartungsstrategie zu implementieren. Hierdurch kann die Verfügbarkeit der entsprechend geschützten Anlage stark erhöht werden.
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Insbesondere kann eine kontinuierliche/periodische/bedarfsgesteuerte Zustandserfassung und -bewertung von aussagekräftigen Alterungsindikatoren bereitgestellt werden.
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Im Fall von Metalloxidvaristoren (MOV) eignen sich insbesondere die (direkte) Erfassung von Leckströmen (über die Anschlüsse A1 , A2 ) und/oder die (indirekte) Erfassung der Temperatur, um den Vorschädigungsgrad zu ermitteln. Hieraus kann eine Lebensdauerprognose getroffen werden.
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Zudem kann die Impulsbelastung (Energieumsatz und Ladung, etc.) als aussagekräftiger Indikator zur Bewertung des Zustands bzw. des Alterungsverhaltens des elektrischen Bauelementes EB herangezogen werden.
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D.h. mittels der erfindungsgemäßen Baugruppe 1 können Impulsbelastung und/oder Temperatur von elektrischen Bauelementen EB ermittelt werden. Die ermittelte(n) Messgröße(n) dient/dienen als Indikator für die Bestimmung einer Alterung bzw. Vorschädigungsgrad des elektrischen Bauelementes EB.
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Das Sensorelement SE erlaubt mittels eines oder mehrerer Sensoren, die in räumlichem Bezug zu einem jeweiligen Steckelemente stehen, den drohenden Ausfall zu erkennen. Hierzu stehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Verfügung, die alleine oder in Kombination zum Einsatz kommen können.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Steckelement S - wie in 1 und 3 gezeigt - in einen Rücksprung R des Basiselementes B eingebracht werden.
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Hierdurch kann in besonders einfacher Weise ein nachträgliches Einbringen ermöglicht werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Baugruppe 1 weiterhin ein Auswertemodul H auf, das seitlich (unmittelbar) benachbart zu einem in ein Basiselement B - in 2 an Basiselement BN - angeordnetem Steckelement S angeordnet werden kann, wobei das Auswertemodul H von dem Sensorelement SE ermittelte Werte auswerten kann. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann das Auswertemodul H auch an anderer Stelle (unmittelbar) benachbart zu einem Basiselement B bzw. zu einem Sensorelement SE angeordnet sein.
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Das Auswertemodul H kann z.B. einen Microcontroller, ASIC oder FPGA aufweisen, der Daten von einem oder mehreren Sensoren auf dem Sensorelement SE kontinuierlich, periodisch oder auf Anforderung abfragt und auswertet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Baugruppe 1 weiterhin ein Kommunikationsmodul I/O auf, das seitlich (unmittelbar) benachbart zu einem in ein Basiselement B - in 2 an Basiselement B1 - angeordneten Steckelement S angeordnet werden kann, wobei das Kommunikationsmodul I/O) von dem Sensorelement SE ermittelte Werte weiterleiten kann. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann das Kommunikationsmodul I/O auch an anderer Stelle (unmittelbar) benachbart zu einem Basiselement B bzw. zu einem Sensorelement SE angeordnet sein.
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Das Kommunikationsmodul I/O kann hierzu über eine oder mehrere geeignete drahtlose (beispielsweise W-Lan, Bluetooth, RFID, ZigBeee, LTE, ...) und/oder drahtgebundene (beispielsweise Feldbus, Interbus, LAN, ...) Kommunikationsschnittstellen verfügen. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann das Kommunikationsmodul I/O und das Auswertemodul H auch als integrierte Einheit zur Verfügung gestellt werden.
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Das Kommunikationsmodul I/O als auch das Auswertemodul H können an das Sensorelement SE „angedockt“ werden. Dabei kann z.B. durch ein Aufstecken (ähnlich dem Einstecken eines Steckelementes S in ein Basiselement B) geeignete elektrische Verbindungen hergestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann natürlich auch eine induktive Ankopplung vorgesehen sein, um so z.B. eine einfachere Positionierung und/oder eine weitere galvanische Trennung zur Verfügung zu stellen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung stellt das Sensorelement SE Alterungsindikatoren eines in einem Steckelement S befindlichen elektrischen Bauelements EB zur Verfügung.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Sensorelement SE einen thermischen Sensor ST und/oder einen Magnetfeld-Sensor SM und/oder einen Strom-Sensor für ein Steckelement S auf. Dabei können für unterschiedliche Steckplätze unterschiedliche Sensoren vorgesehen sein. Der thermische Sensor ST kann z.B. einen Temperatursensor PT100 oder ähnlich, einen Kaltleiter, einen Heißleiter, einen Infrarotsensor, etc. aufweisen. Der thermische Sensor ST ist bevorzugt in naher Nachbarschaft zum elektrischen Bauelement EB oder einem hiermit thermisch verbundenen Element angeordnet, um so eine möglichst schnelle Erkennung einer Erwärmung zu ermöglichen. Der Magnetfeld-Sensor SM und/oder ein Strom-Sensor können mittels Spulen, insbesondere Planarspulen, realisiert sein. D.h. das Sensorelement SE kann eine (starre) Platine (z.B. aus FR6) sein, auf der Spulen in einer oder mehreren Leiterbahnebenen realisiert sind. Magnetfeld-Sensor SM und/oder ein Strom-Sensor sind bevorzugt in der Nähe der elektrischen Verbindung A1 , A2 angeordnet.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Sensorelement SE eine Schalteinrichtung SWauf, die durch Schaltelemente ST, beispielsweise durch einen Stößel (z.B. aktiviert / betätigt bei Abtrennung) in einem Steckelement S betätigt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Sensorelement SE und/oder ein Kommunikationsmodul I/O und/oder das Auswertemodul H zumindest einen Sensor zur Erfassung eines Umgebungsparameters auf.
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Beispielsweise kann auch die Umgebungstemperatur erfasst werden. Mittels der erfassten Umgebungstemperatur ist es möglich die Alterung präziser zu beurteilen, da bei einer höheren Umgebungstemperatur die mögliche einbringbare thermische Leistung abnimmt und somit bei gleichartigen Schutzereignissen die Alterung erhöht ist.
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Es sei angemerkt, dass weitere Sensoren auch in einem Steckelement S angeordnet sein können. Diese können über eine kontaktbehaftete oder eine kontaktlose Verbindung an das Sensorelement SE angebunden sein.
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Weiterhin sei angemerkt, dass die in einem Basiselement B und ein Steckelement S bereitgestellt Funktionalität gleichfalls auch in einem integrierten Bauteil zur Verfügung gestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Baugruppe
- B
- Basiselement
- S; S1, S2 ... SN
- Steckelement
- EB
- elektrisches Bauelement
- A1, A2
- elektrische Verbindung
- SE
- Sensorelement
- R
- Rücksprung
- H
- Auswertemodul
- I/O
- Kommunikationsmodul
- SW
- Schalteinrichtung
- ST
- Schaltelemente
