DE202012006940U1

DE202012006940U1 - Überstromschutzeinrichtung zum Schutz eines Überspannungsschutzelements

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Publication number: DE202012006940U1
Application number: DE201220006940
Authority: DE
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2022-07-19
Also published as: CN203747397U

Abstract

Überstromschutzeinrichtung, insbesondere zum Schutz eines Überspannungsschutzelements (2), mit einem Schmelzelement (4), dem ein I²t-Wert (A) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schmelzelement (4) ein Bauelement (5) parallel geschaltet ist, wobei dem Bauelement (5) ein I²t-Wert (B) zugeordnet ist, der größer als der I²t-Wert (A) des Schmelzelements (4) ist, so dass über das Bauelement (5) ein größeres I²t geführt werden kann als über das Schmelzelement (4), und dass das Schmelzelement (4) und das Bauelement (5) so ausgelegt sind, dass kurze aber relativ hohe Stromimpulse mit Anteilen hoher Frequenzen und hohen I²t-Werten im Wesentlichen nur über das Bauelement (5) fließen, während niederfrequente Ströme, insbesondere Ströme üblicher Niederspannungsnetze, nur über das Schmelzelement (4) fließen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überstromschutzeinrichtung insbesondere zum Schutz eines Überspannungsschutzelements mit einem Schmelzelement. Darüber hinaus betrifft die Erfindung noch eine Funktionseinheit aus einer Überstromschutzeinrichtung und einem Überspannungsschutzelement.
In der Mess-, Steuer- und Regeltechnik sowie in der Informationstechnik und der Telekommunikation werden Überspannungsschutzgeräte zum Schutz der Anlagen, Geräte und Verbraucher eingesetzt. Als Überspannungsschutzelemente werden dabei in Überspannungsschutzgeräten insbesondere Funkenstrecken, Varistoren, Suppressordioden und Gasableiter (ÜsAg) eingesetzt, die im Allgemeinen ein nicht lineares Ansprechverhalten bzw. eine nicht lineare Kennlinie aufweisen.
Die Überspannungsschutzgeräte dienen dazu, bei transienten Überspannungen aufgrund von beispielsweise atmosphärischen Entladungen die Spannung auf für die Anlagen und Geräte unkritische Werte zu begrenzen. Dies erfolgt in der Regel dadurch, dass bei einem Überspannungsereignis der auftretende Impulsstrom durch das in einem Querzweig angeordnete Überspannungsschutzgerät, welches bei Überschreiten einer bestimmten Ansprechspannung niederohmig wird, abgeleitet wird, so dass die im allgemeinen parallel zum Überspannungsschutzgerät angeordneten Geräte nicht von dem Impulsstrom durchflossen werden. Während bei einem Überspannungsereignis für eine relative kurze Zeit – in der Regel maximal einige Millisekunden – ein sehr großer Strom durch das dann niederohmige Überspannungsschutzgerät fließt, fließt im Nennbetrieb idealerweise kein Strom durch das Überspannungsschutzgerät, da dieses bei Nennspannung hochohmig ist.
Bei häufigem Ansprechen der Überspannungsschutzelemente oder bei einer Überlastung als Folge von zu hohen oder zu lange andauernden Überspannungen oder Strömen kann es zu einer allmählichen Alterung und damit zu einer Beschädigung oder sogar zu einer Zerstörung der Überspannungsschutzelemente kommen. Mit fortschreitender Alterung der Überspannungsschutzelemente verringert sich dabei in erster Linie ihr Widerstand im ”nicht leitenden” Zustand, so dass über das Überspannungsschutzgerät im Nennbetrieb Leckströme bis zur Größe des Kurzschlussstroms des treibenden Netzes fließen können.
Um dies zu verhindern werden Überspannungsschutzgeräte durch eine Sicherung geschützt, die im Fehlerfall den Leckstrom ab einer bestimmten Größe unterbrechen kann. In der Regel wird dazu nicht die Hauptsicherung, die so genannte Sicherung F1, sondern eine zusätzliche Sicherung F2 eingesetzt, die speziell dem Schutz des Überspannungsschutzgeräts dient und daher auch zusammen mit dem Überspannungsschutzgerät im Ableitzweig angeordnet ist.
Als Vorsicherung F1 und F2 werden im Stand der Technik Schmelzsicherungen eingesetzt, die auf das Ableitvermögen des Überspannungsschutzgeräts abgestimmt sein müssen. Wird zusätzlich zur Sicherung F1 eine Sicherung F2 im Ableitzweig eingesetzt, dann müssen die beiden Sicherungen aufeinander abgestimmt sein, wobei das Verhältnis von Hauptsicherung F1 zu Sicherung F2 bei einer Netzfrequenz von 50 Hz 1,6/1 betragen sollte. Außerdem muss die Sicherung F2 in der Lage sein, große Impulsströme, die über das Überspannungsschutzgerät abgeleitet werden sollen, ungehindert passieren zu lassen, so dass durch ein Auslösen der Sicherung F2 nicht das gewollte Ableiten eines Impulsstromes über das Überspannungsschutzgerät verhindert wird.
Jeder Schmelzsicherung ist ein I²t-Wert – der bei Sicherungen als Schmelzintegral bezeichnet wird – zugeordnet, der angibt, wie viel Energie die Sicherung aufnehmen bzw. führen kann, bevor sie auslöst. Bei der Auswahl einer geeigneten Sicherung ist somit auch darauf zu achten, dass der I²t-Wert der Schmelzsicherung nicht geringer als die Energie des größten Impulsstromes ist, der von dem Überspannungsschutzgerät abgeleitet werden soll. Soll durch das Überspannungsschutzgerät ein großer Impulsstrom abgeleitet werden können, so bedeutet dies, dass die entsprechende Sicherung, beispielsweise F2, einen entsprechend großen I²t-Wert aufweisen muss, damit der Impulsstrom über die Schmelzsicherung fließen kann.
Derartige Sicherungen weisen dann auch einen relativ hohen Nennstromwert – auch als Sicherungsnennwert bezeichnet – auf, der während einer langen Zeitdauer über die Sicherung fließen kann, ohne dass die Sicherung auslöst.
Ein hoher Nennstromwert führt jedoch dazu, dass kleinere Fehlerströme, die bei einer Beschädigung des Überspannungsschutzgeräts über dieses fließen können, durch die Sicherung nicht abgeschaltet werden, obwohl dies eigentlich gewünscht ist. Bei Verwendung einer Schmelzsicherung mit einem niedrigeren I²t-Wert würde zwar kleinere Fehlerströme abgeschaltet, die Schmelzsicherung würde dann jedoch auch bei einem Impulsstrom auslösen, der eigentlich von dem nachgeschalteten Überspannungsschutzgerät abgeleitet werden soll.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überstromschutzeinrichtung insbesondere zum Schutz eines Überspannungsschutzelements anzugeben, durch die einerseits ein relativ hoher Impulsstrom ungehindert fließen kann, die andererseits jedoch einen möglichst kleinen Sicherungsnennwert besitzt, so dass sie bereits bei relativ kleinen Fehlerströmen auslöst.
Diese Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Überstromschutzeinrichtung mit einem Schmelzelement dadurch gelöst, dass dem Schmelzelement ein Bauelement parallel geschaltet ist, wobei dem Bauelement ein I²t-Wert (B) zugeordnet ist, der größer als der I²t-Wert (A) des Schmelzelements ist, so dass über das Bauelement einen größeres I²t geführt werden kann als über das Schmelzelement, und dass das Schmelzelement und das Bauelement so ausgelegt sind, dass kurze aber relativ hohe Stromimpulse mit Anteilen hoher Frequenzen und hohen I²t-Werten im Wesentlichen nur über das Bauelement fließt, während niederfrequente Ströme, insbesondere Ströme üblicher Niederspannungsnetze, nur über das Schmelzelement fließen. Vorzugsweise kann über das parallel geschaltete Bauelement ein wesentlich größeres I²t als über das Schmelzelement geführt werden, d. h. über das Bauelement kann eine wesentliche größere Energie geführt bzw. abgeleitet werden als über das Schmelzelement.
In Abhängigkeit von der Art des Stromes fließt dieser somit nur über das Schmelzelement (niederfrequenter Strom) oder im Wesentlichen nur über das parallel geschaltete Bauelement (kurzer, relativ hoher Stromimpuls mit Anteilen hoher Frequenzen). Das dem Schmelzleiter parallel geschaltete Bauelement dient somit zur Entlastung des Schmelzelements beim Fließen eines hohen Impulsstromes, da dieser nicht über das Schmelzelement sondern über das Bauelement fließt. Da der dem Bauelement zugeordnete I²t-Wert (B) höherer, vorzugsweise wesentlich höher, als der dem Schmelzelement zugeordnete I²t-Wert (A) ist, wird das Bauelement durch einen Impulsstrom mit einem entsprechend höheren I²t-Wert nicht beschädigt, wenn dieser über das Bauelement fließt.
Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung des Schmelzelements und des Bauelements kann das Schmelzelement einen relativ kleinen I²t-Wert (A) aufweisen, da das Schmelzelement nun nicht mehr einen großen Impulsstrom führen muss. Dies führt dazu, dass das Schmelzelement – gewollt – schon bei relativ kleinen Nennströmen niedriger Frequenz (typischerweise Netzfrequenz) auslöst, wodurch das Fliesen eines Fehlerstrom relativ schnell durch das Schmelzelement unterbrochen wird.
Damit ein niederfrequenter Strom über das Schmelzelement und nicht (auch) über das parallel geschaltete Bauelement fließt, ist das Bauelement zunächst hochohmig. Die Steuerung des Bauelements aus einem hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand erfolgt dabei vorzugsweise automatisch über die Spannung, die durch einen über das Schmelzelement fließenden kurzen aber relativ hohen Stromimpuls mit Anteilen hoher Frequenzen erzeugt wird. Das Bauelement und das Schmelzelement sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass das Bauelement niederohmig wird, bevor der Stromimpuls einen I²t-Wert erreicht hat, der größer als der I²t-Wert (A) des Schmelzelements ist.
Wichtig ist dabei, dass das Bauelement niederohmig wird, bevor der I²t-Wert des Teils des Impulses, der (noch) über den Schmelzleiter fließt, größer als der I²t-Wert (A) des Schmelzelements ist. Dadurch ist sichergestellt, dass das Bauelement niederohmig wird und damit der Stromimpuls über das Bauelement fließt, bevor das Schmelzelement aufgrund der Energie des Stromimpulses zerstört wird. Die Ansprechspannung oder Schaltspannung, durch die das Bauelement niederohmig wird, wird somit durch den Spannungsabfall an dem parallel geschalteten Schmelzelement erzeugt.
Als Bauelement, welches dem Schmelzelement parallel geschaltet ist, kann vorzugsweise ein Gasableiter (ÜsAg) verwendet werden. Alternativ kann als Bauelement, das dem Schmelzelement parallel geschaltet ist, auch ein spannungsgesteuerter Schalter, insbesondere ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) verwendet werden.
Als Schmelzelement kann grundsätzlich ein Schmelzleiter oder eine übliche Schmelzsicherung verwendet werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass als Schmelzelement ein Spulenschmelzleiter verwendet wird, so dass durch die Auslegung des Schmelzleiters als Spule die Induktivität des Schmelzelements erhöht wird. Die Induktivität L des Spulenschmelzleiters erhöht dabei den induzierten Spannungsabfall, der das Produkt aus der zeitlichen Stromänderung dI/dt und der Induktivität L ist (U_ind = L·dI/dt). Durch die Wahl einer entsprechend hohen Induktivität L des Spulenschmelzleiters induziert eine große zeitliche Stromänderung dI/dt eine hohe Spannung U_ind an dem Spulenschmelzleiter und damit auch an dem parallel geschalteten Bauelement, wodurch die Spannung, bei dem das Bauelement niederohmig wird, schnell erreicht wird, so dass das Bauelement niederohmig wird.
Ein normativer 8/20 Stromimpuls erreicht seinen Maximalwert nach ca. 10 μs, wodurch ein sehr großes dI/dt entsteht. Die induzierte Spannung am Spulenschmelzleiter erreicht dadurch schnell die Ansprechspannung bzw. Steuerspannung des parallel geschalteten Bauelements, so dass dieses niederohmiger als der Spulenschmelzleiter wird. Der Impulsstrom fließt dann im Wesentlichen über das Bauelement und nicht mehr über den Spulenschmelzleiter, wodurch die gewollte Entlastung des Schmelzelements erreicht wird. Dagegen erreicht ein auftretender Fehlerstrom unter Netzbedingungen (50 Hz) seinen Maximalwert erst nach ca. 5 ms, so dass die daraus resultierende kleine zeitliche Stromänderung dI/dt nicht ausreicht, um eine Spannung U_ind am Schmelzelement zu induzieren, die ausreicht, damit das parallel geschaltete Bauelement niederohmig wird. Da das Bauelement auch durch die anliegende Netzspannung nicht in den niederohmigen Zustand gesteuert wird, fließt der Fehlerstrom vollständig über das Schmelzelement, wodurch sich dieses erwärmt. Überschreitet die durch den Fehlerstrom erzeugte Energie einen Maximalwert, I²t-Wert (A) des Schmelzelements, so schmilzt der Spulenschmelzleiter, so dass der Ableitzweig, in dem die Parallelschaltung aus Schmelzelement und Bauelement sowie das zu schützende Überspannungsschutzelement angeordnet sind, aufgetrennt wird; der Fehlerstrom wird unterbrochen.
Durch die Parallelschaltung des Bauelements zum Schmelzelement kann das Schmelzelement so ausgelegt sein, dass es einen relativ kleinen I²t-Wert (A) (Sicherungsnennwert) aufweist, so dass es bereits bei relativ kleinen Fehlerströmen zu einem Auslösen des Schmelzelements kommt. Durch die Parallelschaltung von Bauelement und Schmelzelement können jedoch auch relativ große Impulsströme über die Parallelschaltung fließen und damit von einem nachgeschalteten Überspannungsschutzelement abgeleitet werden, ohne dass das Schmelzelement den Ableitzweig vorher auftrennt. Wie zuvor bereits ausgeführt worden ist, weisen Stromimpulse mit einer hohen Amplitude und mit Anteilen hoher Frequenzen eine große zeitliche Stromänderung dI/dt auf, so dass aufgrund der an dem Schmelzelement induzierten hohen Spannung die Ansprechspannung bzw. Steuerspannung des Bauelements schnell erreicht wird, wodurch das Schmelzelement entlastet wird, so dass es nicht zu einer nennenswerten Erwärmung des Schmelzelements und damit nicht zu einem Auslösen desselben kommt.
Je kleiner die maximale Amplitude des Stromimpulses ist, desto geringer ist auch die zeitliche Stromänderung dI/dt. Unterhalb eines Schwellwertes reicht die am Schmelzelement abfallende Spannung nicht mehr aus, um das parallel geschaltete Bauelement zu zünden bzw. in den niederohmigen Zustand zu steuern. Im Fall von Fehlerströmen, die unter Netzbedingungen über die Parallelschaltung fließen, wird das parallel geschaltete Bauelement somit nicht niederohmig, d. h. es kommt nicht zum Zünden eines Gasableiters, so dass der Strom – gewollt – vollständig über den Spulenschmelzleiter fließt. Dadurch, dass das Schmelzelement einen relativ kleinen I²t-Wert (A) (Sicherungsnennwert) aufweist, wird ein solcher Fehlerstrom dann durch die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung schnell abgetrennt.
Das Abtrennverhalten der erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung kann dadurch noch weiter verbessert werden, dass für das Schmelzelement ein Material mit einem hohen spezifischen Widerstand verwendet wird, wodurch sich der Spannungsabfall und die in dem Schmelzelement umgesetzte Energie erhöht, was zu einem schnelleren Abtrennen des Schmelzelements führt. Eine hochohmige Ausbildung des Schmelzelements ist dabei, im Unterschied zu üblichen Schmelzsicherung, dann unproblematisch, wenn die Überstromschutzeinrichtung insbesondere als Schutzelement vor oder in Verbindung mit einem Überspannungsschutzgerät eingesetzt wird, da über dieses kein Nennstrom fließt.
Zuvor ist ausgeführt worden, dass als Bauelement, das dem Schmelzelement parallel geschaltet ist, gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ein Gasableiter und als Schmelzelement ein Spulenschmelzleiter verwendet wird. Eine Variante dieser bevorzugten Ausgestaltung sieht vor, dass der Gasableiter ein dreipoliger Gasableiter ist, dessen dritte, mittlere Elektrode über eine Spule angeschlossen ist, wobei der Spulenschmelzleiter derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Spule und der Spulenschmelzleiter als Transformator fungieren. Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die Spannung, bei der der Gasableiter gezündet werden soll, über den Transformator und insbesondere die Auswahl der Spule, über die die dritte Elektrode des dreipoligen Gasableiters angeschlossen ist, gut eingestellt werden kann. Dadurch, dass diese Spule und der Spulenschmelzleiter als Transformator fungieren, reicht die aufgrund eines durch den Spulenschmelzleiter fließenden Impulsstroms induzierte Spannung sehr schnell aus, um zu einer Zündung des Gasableiters zu führen. Ein derartiger dreipoliger Gasableiter besitzt durch den größeren Abstand der beiden Hauptelektroden eine höhere Isolationsspannung, kann aber im Überspannungsfall durch die dritte, mittlere Elektrode mit einer geringen Ansprechspannung gezündet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung ist vorgesehen, dass die Parallelschaltung aus Schmelzelement und Bauelement in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei das Gehäuse mit einem Löschmittel gefüllt ist. Dadurch kann das erreichbare Lichtbogenlöschvermögen deutlich erhöht werden.
Gemäß einer anderen, zusätzlichen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine thermische Abtrenneinrichtung vorgesehen, die mit dem Bauelement, insbesondere einem Gasableiter, thermisch gekoppelt ist. Hierbei ist vorzugsweise ein entsprechender Abtrennmechanismus mit einer eutektischen Legierung an dem Bauelement befestigt. Steigt die Temperatur des Bauelements über einen Schwellwert, so schmilzt die eutektische Legierung, was zu einer mechanischen Unterbrechung der Stromverbindung und damit zu einem Abtrennen des zu stark erwärmten Bauelements führt. Die Verwendung einer thermischen Abtrenneinrichtung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung in einem relativ leistungsstarken Netz eingesetzt wird, so dass die Gefahr besteht, dass nach dem Zünden des Bauelements der fließende Netzfolgestrom durch das Bauelement nicht von alleine gelöscht werden kann.
Eingangs ist ausgeführt worden, dass die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung insbesondere zum Schutz eines Überspannungsschutzelements dient. Gegenstand der Erfindung ist daher nicht nur die Überstromschutzeinrichtung alleine, sondern auch eine Funktionseinheit aus einer erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung und einem in Reihe dazu geschalteten Überspannungsschutzelement. Bei dem Überspannungsschutzelement kann es sich dabei beispielsweise um einen Varistor handeln. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung einer Funkenstrecke oder eines anderen Überspannungsschutzelements.
Auch wenn dies die bevorzugte Anwendung der Überstromschutzeinrichtung ist, so sind auch andere Anwendungen möglich. Die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung kann beispielsweise auch einem Motor vorgeschaltet sein, durch den unter Umständen ein kurzer aber relativ hoher Anlaufstrom fließen kann. Auch einem solchen Motor kann ein Schmelzelement als Sicherung vorgeschaltet sein. Das dem Schmelzelement parallel geschaltete Bauelement dient dann zum Schutz des Schmelzelements vor einem hohen Anlaufstrom, der bei der erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung dann im Wesentlichen über das Bauelement und nicht über das Schmelzelement fließt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Überspannungsschutzelement mit einer thermischen Abtrenneinrichtung gekoppelt, wodurch eine unzulässige Erwärmung des Überspannungsschutzelements verhindert werden kann. Wie an sich aus dem Stand der Technik bekannt, kann die thermische Abtrenneinrichtung dabei den Zustand des Überspannungsschutzelements nach dem Prinzip eines Temperaturschalters überwachen, so dass bei einer Überhitzung des Überspannungsschutzelements eine zwischen dem Überspannungsschutzelement und einem Trennelement vorgesehene Lötverbindung aufgetrennt wird, was dann zu einem elektrischen Abtrennen des Überspannungsschutzelements führt. Ein derartiges Überspannungsschutzelement ist beispielsweise aus der DE 20 2004 006 227 U1 bekannt.
Schließlich kann zu der erfindungsgemäßen Funktionseinheit bzw. der erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung noch eine Schmelzsicherung in Reihe geschaltet sein, wobei die Schmelzsicherung und die Überstromschutzeinrichtung vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Je nach Anwendungsfall kann dabei das Überspannungsschutzelement, vorzugsweise zusammen mit der thermischen Abtrenneinrichtung, in einem separaten Gehäuse oder zusammen mit der Überstromschutzeinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überstromschutzeinrichtung bzw. die Funktionseinheit aus einer Überstromschutzeinrichtung und einem Überspannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die den Schutzansprüchen 1 und 12 nach geordneten Schutzansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 eine schematische Darstellung der im Stand der Technik realisierten Sicherung eines Überspannungsschutzelements,
2 eine schematische Darstellung zweier Varianten eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung,
3 eine schematische Darstellung zweier Varianten eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung,
5 eine schematische Darstellung zweier Varianten eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung,
6 eine schematische Darstellung zweier Varianten eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung, und
7 eine schematische Darstellung zweier Varianten einer erfindungsgemäßen Funktionseinheit.
Die 2 bis 6 zeigen schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung 1, die zum Schutz eines Überspannungsschutzelements 2 dient, wobei die Überstromschutzeinrichtung 1 und das Überspannungsschutzelement 2 gemeinsam in einem Ableitzweig 3 angeordnet sind. Beim Auftreten eines Überspannungsereignisses wird ein parallel zum Ableitzweig 3 angeschlossener Verbraucher dadurch geschützt, dass das Überspannungsschutzelement 2 leitend wird, so dass ein auftretender Impulsstrom über den Ableitzweig 3 und damit nicht über den Verbraucher abfließt.
1 zeigt ein in einem Ableitzweig 3 angeordnetes Überspannungsschutzelement 2, dem eine Schmelzsicherung F2 vorgeschaltet ist, wodurch das Überspannungsschutzelement 2 vor Überlastung durch einen Kurzschlussstrom geschützt ist. Hat sich der Widerstand des Überspannungsschutzelements 2 aufgrund häufigen Ansprechens oder als Folge einer Überlastung verringert, so dass durch das Überspannungsschutzelement 2 auch im Nennbetrieb ein Strom fließt, so wird dieser Strom ab einer bestimmten Größe und Dauer durch die dann auslösende Sicherung F2 unterbrochen. Da im Überlastfall der abzuleitende Impulsstrom über den Ableitzweig 3 fließen soll, muss die Sicherung F2 jedoch auch in der Lage sein, einen derartigen Impulsstrom ungehindert passieren zu lassen. Eine Schmelzsicherung F2, die einen hohen Impulsstrom übertragen kann, hat jedoch in der Regel auch einen relativ hohen Sicherungsnennwert, was dazu führt, dass kleinere Fehlerströme, die im Ableitzweig 3 über das Überspannungsschutzelement 2 fließen, durch die Schmelzsicherung F2 nicht – oder jedenfalls nicht schnell genug – abgeschaltet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung 1 ist daher parallel zu einen Schmelzelement 4 ein Bauelement 5 geschaltet, das ab einer bestimmten Ansprechspannung niederohmig wird. Ist die über dem Schmelzelement 4 abfallende Spannung höher als die Ansprechspannung des Bauelements 5, so dass dieses niederohmig wird, so fließt der Strom im Wesentlichen vollständig über das Bauelement 5, wodurch das Schmelzelement 4 entlastet wird.
Als Bauelement 5 kann dabei beispielsweise gemäß 2a ein spannungsgesteuerter Schalter, insbesondere ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch gemäß den übrigen Figuren ein Gasableiter als Bauelement 5 verwendet, welches dem Schmelzelement 4 parallel geschaltet ist. Das Schmelzelement 4 kann gemäß 3a durch eine Reihenschaltung eines Schmelzleiters 6 und einer Spule 7 oder vorzugsweise durch einen in den übrigen Figuren dargestellten Spulenschmelzleiter 4 gebildet sein, der gemäß 3b um den Gasableiter 5 gewickelt ist.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung 1 wird das dem Spulenschmelzleiter 4 parallel geschaltete Bauelement 5 von einem dreipoligen Gasableiter gebildet, wobei die dritte, mittlere Elektrode 8 über eine Spule 9 angeschlossen ist. Diese Spule 9 und der Spulenschmelzleiter 4 fungieren dabei als Transformator, so dass die aufgrund eines durch den Spulenschmelzleiter 4 fließenden Impulsstroms induzierte Spannung sehr schnell ausreicht, um zu einer Zündung des Gasableiters 5 zu führen.
Wie insbesondere aus 3b ersichtlich ist, sind der Spulenschmelzleiter 4 und der Gasableiter 5 bevorzugt in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet, das zur Verbesserung des Löschverhaltens vorzugsweise mit einem Löschmittel, insbesondere mit einem Quarzsand, gefüllt ist.
Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß der 5 unterscheiden sich dadurch von dem Ausführungsbeispiel gemäß 3b, dass die Überstromschutzeinrichtung 1 zusätzlich noch eine thermische Abtrenneinrichtung 11 aufweist, die mit dem Gasableiter 5 thermisch gekoppelt ist. Steigt die Temperatur des Gasableiters 5 über einen Schwellwert, so führt der vorzugsweise über eine eutektische Legierung realisierte Abtrennmechanismus der thermischen Abtrenneinrichtung 11 dazu, dass die Stromverbindung der Überstromschutzeinrichtung 1 unterbrochen wird. Der Unterschied zwischen den in den 5a und 5b dargestellten Ausführungsbeispielen besteht dabei lediglich darin, dass bei der Ausführungsform gemäß 5a nur der Gasableiter 5 und der Spulenschmelzleiter 4 in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet sind, während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5b zusätzlich auch noch die thermische Abtrenneinrichtung 11 in dem Gehäuse 10 integriert ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Überstromschutzeinrichtung 1 gemäß 6 ist der Parallelschaltung aus Gasableiter 5 und Spulenschmelzleiter 4 zusätzlich noch eine Schmelzsicherung 12 in Reihe geschaltet, wobei die Schmelzsicherung 12 entweder außerhalb des Gehäuses 10 (6a) oder ebenfalls innerhalb des Gehäuses 10 (6b) der Überstromschutzeinrichtung 1 angeordnet sein kann.
In 7 sind schließlich zwei Ausführungsbeispiele einer Funktionseinheit bestehend aus einer erfindungsgemäßen Überstromschutzeinrichtung 1 und einem dazu in Reihe geschalteten Überspannungsschutzelement 2 dargestellt. Die Überstromschutzeinrichtung 1 ist dabei entsprechend 5b ausgebildet, so dass sie neben der Parallelschaltung des Spulenschmelzleiters 4 und des Gasableiters 5 auch eine thermische Abtrenneinrichtung 11 aufweist.
Bei den beiden in 7 dargestellten Varianten der Funktionseinheit ist als Überspannungsschutzelement 2 jeweils ein Varistor vorgesehen, wobei neben der thermischen Abtrenneinrichtung 11, die mit dem Gasableiter 5 thermisch gekoppelt ist, eine zweite thermische Abtrenneinrichtung 13 vorgesehen ist, die mit dem Varistor 2 thermisch gekoppelt ist. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7a die Überstromschutzeinrichtung 1 einerseits und der Varistor 2 mit der thermischen Abtrenneinrichtung 13 andererseits jeweils in einem eigenen Gehäuse 10, 14 angeordnet sind, sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7b sämtliche Bauteile der Funktionseinheit in einem gemeinsamen Gehäuse 15 angeordnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202004006227 U1 [0027]

Claims

Überstromschutzeinrichtung, insbesondere zum Schutz eines Überspannungsschutzelements (2), mit einem Schmelzelement (4), dem ein I²t-Wert (A) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schmelzelement (4) ein Bauelement (5) parallel geschaltet ist, wobei dem Bauelement (5) ein I²t-Wert (B) zugeordnet ist, der größer als der I²t-Wert (A) des Schmelzelements (4) ist, so dass über das Bauelement (5) ein größeres I²t geführt werden kann als über das Schmelzelement (4), und dass das Schmelzelement (4) und das Bauelement (5) so ausgelegt sind, dass kurze aber relativ hohe Stromimpulse mit Anteilen hoher Frequenzen und hohen I²t-Werten im Wesentlichen nur über das Bauelement (5) fließen, während niederfrequente Ströme, insbesondere Ströme üblicher Niederspannungsnetze, nur über das Schmelzelement (4) fließen.
Überstromschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (5) aus einem hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand steuerbar ist, wobei die Steuerung insbesondere durch eine Spannung erfolgt, die durch einen über das Schmelzelement (4) fließenden, kurzen aber relativ hohen Stromimpuls mit Anteilen hoher Frequenzen erzeugt wird, und dass das Bauelement (5) niederohmig wird, bevor der Stromimpuls einen I²t-Wert erreicht hat, der größer als der I²t-Wert (A) des Schmelzelements (4) ist.
Überstromschutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauelement (5) ein spannungsgesteuerter Schalter, beispielsweise ein IGBT verwendet wird.
Überstromschutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauelement (5) ein Gasableiter verwendet wird.
Überstromschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Schmelzelement (4) ein Spulenschmelzleiter mit einer erhöhten Induktivität verwendet wird, der vorzugsweise um das Bauelement (5) gewickelt ist.
Überstromschutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzelement (4) einen erhöhten ohmschen Widerstand aufweist, so dass dem Schmelzelement (4) ein kleiner I²t-Wert (A) zugeordnet ist.
Überstromschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Bauelement (5) ein dreipoliger Gasableiter verwendet wird, wobei die dritte Elektrode (8) über eine Spule (9) angeschlossen ist und wobei die Spule (9) und der Spulenschmelzleiter (4) als Transformator fungieren.
Überstromschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzelement (4) und das Bauelement (5) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (10) mit einem Löschmittel gefüllt ist.
Überstromschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Abtrenneinrichtung (11) vorgesehen ist, die mit dem Bauelement (5) thermisch gekoppelt ist.
Überstromschutzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzelement (4), das Bauelement (5) und die thermische Abtrenneinrichtung (11) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (10) mit einem Löschmittel gefüllt ist.
Überstromschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstromschutzeinrichtung (1) eine Schmelzsicherung (12) in Reihe geschaltet ist, wobei die Überstromschutzeinrichtung (1) und die Schmelzsicherung (12) vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind.
Funktionseinheit aus einer Überstromschutzeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und einem Überspannungsschutzelement (2), insbesondere einem Varistor, wobei die Überstromschutzeinrichtung (1) und das Überspannungsschutzelement (2) in Reihe geschaltet sind.
Funktionseinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Abtrenneinrichtung (13) vorgesehen ist, die mit dem Überspannungsschutzelement (2) thermisch gekoppelt ist, wobei vorzugsweise zumindest das Überspannungsschutzelement (2) und die thermische Abtrenneinrichtung (13) in einem gemeinsamen Gehäuse (14) angeordnet sind.