DE3606287A1 - Ueberspannungsschutzanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Zum Schutz überspannungsempfindlicher Geräte werden sowohl auf der Netz- wie auch an gegebenenfalls vorhandenen Daten­ leitungen vermehrt Varistoren, insbesondere Zinkoxidvari­ storen (VDR=Voltage Dependent Resistors) eingesetzt, die als einzelne Bauteile beschafft und gegebenenfalls direkt an Klemmstellen oder auch auf Leiterplatten im jeweiligen Gerät eingesetzt werden können. Zur Anwendung kommen meist solche Typen von Varistoren, die zwar ein geringes, für die häufig auftretenden transienten Überspannungen (in der Regel im µs-Bereich) jedoch meist ein ausreichendes Stoß­ stromableitvermögen aufweisen.

Das Auftreten von transienten Überspannungen in kurzer zeitlicher Folge oder energiereiche Transienten bzw. Transienten als Folge von fernen Blitzeinschlägen können zur allmählichen bzw. sofortigen Zerstörung des Bauelemen­ tes führen. Die Folge davon ist, daß das Bauelement ent­ weder bleibend seine I-U-Kennlinie (spannungsbegrenzende Eigenschaft) ändert und durch den erhöhten Leistungsumsatz unzulässig erwärmt wird, oder sogar sofort explodiert, d. h., daß die strukturelle Sperrschicht punktförmig "durch­ schlagen" wird und einen niederohmigen Kurzschluß bildet. In manchen Fällen wird zwar durch vorgeschaltete Überstrom­ auslöser bzw. -begrenzer eine gewisse Absicherung geschaf­ fen. Diese Absicherung ist aber nur teilweise, da die am Einbauort des Varistors auftretende Energie von vorne­ herein nicht abschätzbar und somit keine vollständige Ko­ ordinationsmöglichkeit ist. Es können also immer wieder Überbelastungen auftreten, die dann allmählich zu der er­ läuterten Zerstörung führen. Solche Überschreitungen einer gewissen, einkalkulierbaren Grundbelastung, können von der zu schützenden Anlage selber herkommen (z. B. Überspannungen durch Schaltvorgänge) oder von Blitzein­ schlägen. Dabei sind die Auswirkungen einer Zerstörung nicht nur von der Energieabsorbtion bei Stoßstrombelastung, sondern auch von bestimmten Netzparametern abhängig; dies sind u. a. Höhe des Kurzschlußstromes, Größe und Art der Vorsicherung und Größe des Abschlußwiderstandes. Dies be­ deutet aber, daß die letztlich im praktischen Einsatzfall im Varistor umgesetzte Energie im voraus nicht exakt zu bestimmen ist.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Überspannungsschutz­ anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so aus­ zubilden, daß schädliche thermische Auswirkungen infolge Varistorzerstörung, insbesondere Brand, an und durch eine solche Überspannungsschutzanordnung vermieden, zu­ mindest in einem Belastungsbereich vermieden sind, der über die normale, vom Hersteller angegebene Belastungs­ grenze des Varistors hinausgeht.

Die Lösung dieser Aufgabe wird zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, in den Merkmalen des Kenn­ zeichens des Anspruches 1 gesehen. Hiermit ist ein Schutz gegen die Folgen einer unzulässigen Erwärmung und ins­ besondere auch einer kurzzeitigen Erwärmung aufgrund eines relativ hohen, meist durch Blitzeinschlag verur­ sachten Stromes über den Varistor gegeben. Die thermi­ sche Widerstandskraft eines solchen Blocks aus wärme­ isolierendem Material ist recht erheblich. Da zu diesem Block bzw. zu dieser Einheit auch der Überstromauslöser bzw. -begrenzer gehört, werden zu hohe, schädliche Ströme abgeschaltet. Dies trägt im Zusammenwirken mit der An­ ordnung dieser Bauteile in einem thermisch isolierenden und thermisch widerstandsfähigen Block zur Lösung der gestellten Aufgabe bei. Dabei wird der weitere Vorteil erreicht, daß die elektrischen Bauelemente, Varistor einerseits und Überstromauslöser bzw. -begrenzer anderer­ seits in einer gemeinsamen Einheit vorgesehen sind und da­ bei elektrisch aufeinander abgestimmt sein können. Beide sind brandsicher untergebracht (in einem Extremfall könnte auch der Überstromauslöser bzw. -begrenzer eine Brandquelle sein). Außerdem wird die mögliche Montagegefahr vermieden, daß bei räumlich und in der Montage voneinander unabhängi­ gem Varistor einerseits und Überstromauslöser bzw. -begrenzer andererseits der Überstrombegrenzer vergessen oder nicht richtig dimensioniert oder nicht richtig montiert oder nicht eingeschaltet wird, d.h. die Kombination Varistor mit Überstromauslöser bzw. -begrenzer nicht funktionsfähig vorhanden ist. Auch besteht die Fehler­ möglichkeit des Einbaues eines nicht richtig dimensio­ nierten Varistors. Diese Fehler bzw. Nachteile sind mit der Erfindung ausgeschlossen, da beide Bauelemente ab Fabrik in einer Einheit zusammengefaßt sind und zwar unter zweckmäßiger Koordination der Belastungskennlinie des Varistors zur Abschaltkennlinie des Überstromaus­ lösers bzw. -begrenzers. Der Einbau ist auch auf engstem Raum möglich, ohne benachbarte Bauteile zu gefährden.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 2 bezieht auch eine Entladungsstrecke in diesen Block bzw. Einheit ein. Hiermit erreicht man, wie nachstehend noch im einzelnen aufgeführt, das Verhindern einer Spannungsver­ schleppung auf andere Systeme (z.B. Erdschluß), um eine Personengefährdung zu vermeiden.

Die Merkmale des Anspruches 4 verstärken die thermische Isolierwirkung und Widerstandskraft des Blocks bzw. Einheit und tragen damit zusätzlich zu einer Betriebssicherheit auch über eine mögliche Zerstörung des Varistors hinaus mit bei, wobei diese Betriebssicherheit auch bei schwie­ rigen Einbaubedingungen eingehalten wird.

Die Merkmale des Anspruches 7 stellen ebenfalls eine be­ vorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, indem in vorteilhafter Weise ein solches Modul zusammen mit ande­ ren Modulen in einfachster Weise in dem zu schützenden Gerät untergebracht werden kann. Dies erfolgt in der Regel durch einfaches Einstecken bzw. Herausziehen, wobei die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 hierzu von Vor­ teil sind. Als zu schützende Geräte kommen vom Prinzip her alle Geräte in Betracht, die vom Netz her versorgt oder an solchen betrieben werden. Insbesondere ist ge­ dacht an: Fernsehgeräte, EDV-Geräte und -anlagen, elektro­ nische Geräte, elektronische Baugruppen.

Soweit nicht das zu schützende Gerät selber eine Anzeige des defekten Zustandes des Varistors ergibt, sind mit Vorteil die Merkmale des Anspruches 8 einsetzbar. Auch hierfür wird relativ wenig Platz benötigt.

Die Merkmale des Anspruches 10 stellen eine vorteilhafte Schaltung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, nämlich einer Einheit aus Varistor, Überstromauslöser bzw. -begrenzer und Entladungsstrecke dar.

Die Merkmale des Anspruches 14 begünstigen die Montage bzw. Demontage der Einheit und insbesondere der Einheit in Form eines Moduls.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den wei­ teren Unteransprüchen, sowie der nachstehenden Beschrei­ bung und der zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausführungsmöglichkeiten zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht eines Blockes, Einheit oder Modul nach der Erfindung,

Fig. 2: die Ausführung einer elektri­ schen Schaltung der Bauelemente des Blockes oder dergleichen,

Fig. 3 und 4: schematisch zwei Schaltmöglich­ keiten eines solchen Blockes oder dergleichen mit zu schützen­ dem Gerät und gegebenenfalls Defektanzeige.

Gemäß Fig. 1 besteht der Block, Einheit oder gegebenen­ falls Modul aus einer thermoisolierenden Masse 1, z. B. eine Gießmasse, wie ein Gießharz, einer z. B. aus Kunst­ stoff bestehenden Umhüllung 2 und den nachstehend noch näher zu erläuternden elektrischen Bauelementen selber, die von der Masse 1 umgeben sind. Die Umhüllung 2 ist als Behälter ausgebildet, dessen in Fig. 1 oben gelegene Seite offen ist. Hierin werden in der Fabrikation zum einen die elektrischen Bauelemente eingeführt und zum anderen die Masse 1 eingebracht (eingegossen). Die elek­ trischen Anschlußkontakte 3 sind aus dem Block herausge­ führt und zwar in dieser Ausführungsform der Erfindung an deren offenen, nicht von der Umhüllung 2 bedeckten Oberfläche der Masse 1. Damit kann diese Einheit in Klemmstellen, Leiterplatten oder dergleichen eines Ge­ rätes usw. in einfachster Weise eingesteckt bzw. wieder herausgezogen werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in einem solchen Gerät oder dergleichen eine Reihe von Modulen bestimmter äußerer Abmessungen nebeneinander angeordnet werden könnte.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt wiederum die Einheit oder dergleichen 1 bzw. 1, 2 mit zwei Überstrom­ begrenzern 4, zwei Varistoren 5 und einer Entladungs­ strecke 6. Dabei können die Überstromauslöser oder -be­ grenzer z. B. ein Schmelzdraht, eine Lotstelle oder eine Sicherung sein. Als Varistoren empfehlen sich bevorzugt Zinkoxidvaristoren. Die Entladungsstrecke kann eine Funkenstrecke, insbesondere Luft-Funkenstrecke oder ein Gasentladungs-Ableiter sein, die in der bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung höher belastbar als die Vari­ storen ist. Alle elektrischen Bauelemente 4, 5 und 6 be­ finden sich elektrisch und thermisch isoliert und damit gegen Verursachung einer Brandgefahr geschützt in der Masse 1. Varistor 5, Entladungsstrecke 6 und Überstrom­ auslöser bzw. -begrenzer 4 können dabei gemeinsam auf einer Platine angeordnet sein. Die in Fig. 1 allgemein mit 3 bezifferten Kontaktstifte stellen in Fig. 2 im einzelnen folgendes dar: 7, 8 die Netzaußenleiter und 9 die Netzerde. Auf der anderen Seite sind 10, 11 die Phasen­ anschlüsse für das zu schützende Gerät und 12 die zuge­ hörige Erde. Insbesondere Fig. 2 zeigt, daß das gesamte "elektrische Innenleben" einer solchen Überspannungs­ schutzanordnung thermisch isoliert ist, wodurch eine Ex­ plosion oder eine unzulässig hohe thermische Belastung der Umgebung verhindert wird.

Fig. 2 zeigt ferner die bevorzugt verwendete sogenannte "Y-Schaltung". Hierbei ist die Entladungsstrecke 6 zwi­ schen der Erdleitung 9-12 und der Verbindungsleitung 13 zwischen den beiden Varistoren 5 geschaltet. Würde in diesem Leitungszug keine Entladungsstrecke vorhanden sein, so würde ein Kurzschluß in einem oder in beiden der Varistoren einen entsprechenden Erdschlußstrom zur Folge haben. Da die Höhe eines solchen Erdschlußstromes im we­ sentlichen vom Erdwiderstand bestimmt wird, der aber nicht von vorneherein in allen Einsatzfällen vorhersag­ bar ist, wäre auch die Größe des Erdschlußstroms nicht vorherbestimmbar. Dagegen verhindert die Entladungs­ strecke in der genannten Y-Schaltung das Abfließen eines Erdschlußstromes über den defekten Varistor. Vielmehr würde im Fall des Kurzschlusses einer oder beider der Varistoren der Kurzschlußstrom nur durch diese und durch das Netz fließen und dabei durch die zwischen Netz und Varistoren geschaltete Überstromauslöser bzw. -begrenzer abgeschaltet oder begrenzt werden. Es ist also im Defekt­ fall eines oder beider Varistoren keine Spannungsver­ schleppung zur Erdleitung hin zu befürchten.

Im Fall einer dreiphasigen Anordnung würde man drei Vari­ storen vorsehen und im Stern schalten und den gemeinsamen Sternpunkt dann über eine Entladungsstrecke mit Erde ver­ binden.

Das Schemabild der Fig. 3 zeigt Block, Einheit bzw. Modul 1 (2) mit den erläuterten Kontakten bzw. Anschlüssen 7-12 und dem ebenfalls schematisch dargestellten Gerät 13. Falls einer oder beide der Varistoren defekt wird, stellt in diesem Beispiel das Gerät selber die Anzeige für die­ sen Defekt dar, da es im Defektfall spannungs- bzw. strom­ los wird.

Im Ausführungsbeispiel der Schema-Darstellung der Fig. 4 sind die gleichen Bezugsziffern verwendet wie in Fig. 3, wobei die vom Netz herkommenden Leitungen mit 7′, 8′, 9′ beziffert sind. Block Einheit oder Modul 1 (2) befindet sich zwischen den beiden Phasen 7′ 8′ und hat damit eben­ falls die Schutzwirkung. Falls es ausfällt, ist zur Defekt- Anzeige über die Anschlüsse 14, 15 eine Leuchtanzeige 16 vorgesehen.

Fig. 3 stellt also die Reihen- bzw. Serienschaltung der Einheit oder dergleichen 1 (2) und Fig. 4 die Parallel­ schaltung mit externer Meldeanzeige dar.

Claims (14)

1. Anordnung zum Schutz von elektrischen Geräten, Bau­ gruppen oder dergleichen gegen Überspannungen, be­ stehend zumindest aus einem Varistor und einem Überstromauslöser bzw. -begrenzer, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest ein Varistor (5) und zu­ mindest ein Überstromauslöser bzw. -begrenzer (4) zusammen in einem Block (1) aus thermisch-isolie­ rendem Material untergebracht und von diesem umschlossen sind, wobei elektrische Anschlußkon­ takte (3) des Varistors und des Überstromauslösers bzw. -begrenzers aus dem Material des Blockes (1) herausgeführt sind.

2. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß ferner eine Entladungs­ strecke (6) sich in dem Block (1) befindet und von dessen Material umgeben ist.

3. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als thermisch isolieren­ des Material (1) eine Gießmasse, z.B. ein Gießharz, dient, mit der die elektrischen Bauelemente (4, 5, 6) elektrisch und thermisch isoliert umgossen sind.

4. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Umhüllung (2) des thermisch isolierenden Materials (1), z. B. eine aus Kunststoff bestehende Umhüllung.

5. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (2) als ein an einer Seitenfläche offener Behälter ausgebildet ist.

6. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte (3) an der offenen Seitenfläche des Behälters (2) aus dem thermisch isolierenden Material (1) herausgeführt sind.

7. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung als Modul passend zu anderen Modulen eines bestimmten Gerätes, einer Baugruppe oder dergleichen ausgebildet ist.

8. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Block, der Einheit oder dem Modul eine Anzeige (16) für einen de­ fekten Zustand des Varistors (5) parallel geschaltet ist.

9. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 wobei Netzaußenleiter und eine Netzerde vor­ gesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Über­ stromauslöser bzw. -begrenzer sich zwischen Netzaußen­ leitereingang (7) bzw. (8) und Varistor (5) befindet.

10. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Varistoren (5) zwischen beide Netzaußenleiter geschaltet sind und die Entladungsstrek­ ke (6) zwischen Netzerde (9, 12) und die Verbindungs­ leitung (13) beider Varistoren geschaltet ist (soge­ nannte Y-Schaltung).

11. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Varistor (5) und Überstromauslöser bzw. -begrenzer (4) und bevorzugt auch die Entladungsstrecke (6) elektrisch aufeinander abgestimmt sind.

12. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungs­ strecke (6) strommäßig höher belastbar ist als der Varistor (5).

13. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Varistor (5), Entladungsstrecke (6) und Überstromauslöser bzw. -begrenzer (4) gemeinsam auf einer Platine angeordnet 5 sind.

14. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkon­ takte (3) derart ausgebildet und positioniert sind, daß der Block, die Einheit oder das Modul auf Klemm­ stellen oder direkt auf Leiterplatten des zu schützen­ den Gerätes steckbar bzw. montierbar sind.