DE3927547A1 - Anordnung zur abschaltung eines varistors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1. Eine solche Anordnung ist bei­ spielsweise aus DE-OS 37 34 214, sowie aus US-PS 42 88 833 bekannt. Bei Varistoren verändert sich durch häufige Stoß­ strombelastungen, bzw. auch vereinzelte Stoßstrombelastun­ gen oberhalb ihrer spezifischen Belastungswerte ihre Strom- Spannungskennlinie. Dadurch erhöht sich der über den Varistor fließende Strom bei konstant anliegender Spannung über den an sich zulässigen Wert. Dies führt im Netzbe­ trieb innerhalb des zulässigen Spannungsbereiches zu einer Überschreitung des maximal zulässigen Verlustleistung des Varistors, d.h. er wird unzulässig hoch erwärmt. Um dies zu verhindern, ist bei Anordnungen gemäß den angegebenen Literaturstellen (und analogen Anordnungen) eine Strom­ wärmeüberwachung derart vorgesehen, daß eine über Feder­ kraft vorgespannte Lotstelle mit dem Varistor wärmege­ koppelt ist. Wird durch die Wärmeentwicklung des Varistors die Schmelztemperatur des Lotes erreicht, bewirkt die Fe­ derkraft die Auftrennung der im Strompfad des Varistors liegenden Lotstelle. Eine solche Stromwärme-Überwachung ist äußerst träge, d.h. es entsteht eine hohe thermische Belastung des Ableiters und auch des Gehäusewerkstoffes sowie der Umgebung. Sie bedingt ferner nachteiligerweise einen großen Leistungsumsatz am Varistor (z.B. 6000 Ws) um das Lot zum Schmelzen zu bringen. Somit wird der Lei­ stungsumsatz am Varistor bis zur Abschaltung um nahezu den Faktor 10³ überschritten. Schließlich erfordern die vorbekannten Anordnungen einen relativ kleinen Erdungs­ widerstand.

Um Varistoren bei Stromüberlast abschalten zu können ist es ferner bekannt, in den Weg des Stromes, der über den Varistor fließt, eine Induktionsspule einzubringen, in der durch den erhöhten Stromfluß eine Spannung induziert wird, die dann als Betätigungsspannung für einen Abschaltmecha­ nismus dient. Hierzu wird beispielsweise auf die Schutz­ schaltungsanordnung nach DE-OS 35 32 760 verwiesen. Bei mehrpoliger Beschaltung aller Ableiter (Varistoren) werden auch im Falle des Überstromes nur in einem der Varistoren sämtliche Varistoren dieser Schutzschaltungsanordnung ab­ geschaltet. Dabei ist nicht zu erkennen, welcher der ins­ gesamt abgeschalteten Varistoren defekt ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, aus­ gehend von einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1, für eine zuverlässige Abschaltung eines einen unzulässig hohen Dauerstrom führenden Varistors zu sorgen, ohne diesen thermisch zu beanspruchen bzw. leistungsmäßig zu überlasten.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, die Merkmale des Kenn­ zeichens des Anspruches 1 vorgesehen. Somit wird für das Schmelzen der Lotstelle und damit das Auftrennen des den unzulässig hohen Strom führenden Strompfades als Heizquelle nicht mehr allein der Varistor, sondern zusätzlich der ge­ nannte Heizwiderstand vorgesehen. Diese Abschaltung ist also nicht mehr an die Voraussetzung einer entsprechen­ den Erhitzung des Varistors selber gebunden. Die Abschal­ tung kann bereits bei kleinen Fehlerströmen erfolgen, die als Produkt mit der anliegenden Spannung am Varistor nur kleine Verlustleistungen hervorrufen. Im Hinblick auf eine geforderte Abschältzeit von 5 s kann der Erdungswiderstand relativ groß gewählt wer­ den. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil besteht darin, daß bei Anordnungen mit mehreren Varistoren, welche in der Praxis die Regel sein werden, nur der defekte Varistor abgetrennt wird. Bevorzugt kann dies durch eine Defekt­ anzeige angezeigt werden. Es sind im wesentlichen keine mechanischen Teile vorhanden, insbesondere keine Halte­ magnete. Würde aufgrund irgendeines Schadens oder Über­ stromes der Varistor selber sich unzulässig hoch erhitzen, so hätte dies ebenfalls ein Aufschmelzen des Lotes und da­ mit ein Auftrennen des entsprechenden Strompfades zur Folge. Die Abschaltung kann also in zweifacher Weise ent­ weder gemäß der Erfindung durch den Heizwiderstand oder aber bei entsprechend erhitztem Varistor durch diesen selber erfolgen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist Gegen­ stand des Anspruches 2. Die Verwendung eines Stromwandlers zur Betätigung einer Schalteinrichtung ist aus der o.g. DE-OS 36 32 760 bekannt. Gemäß Anspruch 2 wird aber der Sekundärkreis des Stromwandlers im Steuerkreis eines Halbleiterschalters vorgesehen, wobei sich dieser Halb­ leiterschalter im Stromkreis des Heizwiderstandes be­ findet und diesen Stromkreis bei entsprechender Ansteue­ rung vom Stromwandler her schließt. Eine solche Anord­ nung und insbesondere in der Ausgestaltung gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 5 ermöglicht die Zu­ schaltung des Heizwiderstandes schon bei relativ kleinen Änderungen des den Varistor durchfließenden Stromes, wo­ durch rechtzeitig und schnell eine unzulässige Erwärmung des Varistors verhindert wird. Die Verlustleistungen am bzw. über den Varistor sind somit sehr gering.

Gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung nach Anspruch 6 ist bei mehrphasigen Anordnungen da­ für gesorgt, daß nur der Varistor (bzw. die Varistoren) abgeschaltet werden, bei denen durch einen unzulässig ho­ hen fließenden Strom die Gefahr der Überhitzung besteht, d.h. eine Trennung des Stromkreises zu erfolgen hat. In der zugehörigen bevorzugten Ausführung nach Anspruch 7 ist durch die jeweilige Anzeige der Überwachungsperson so­ fort mitgeteilt, welcher Varistor abgeschaltet wurde und ersetzt werden muß.

Mit den Merkmalen des Anspruches 8 ist auch bei mehrphasi­ gen Anordnungen nur ein Stromwandler notwendig, der stets mit der Spannung des jeweils schadhaften Stromkreises phasengleich ist und somit den zugehörigen Heizwiderstand zuschalten kann.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung und der zugehörigen Zeich­ nung zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 schematisch das Schaltbild einer Ausführung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Oszillogramm mit den Spannungen der einzelnen Phasen eines Drehstromnetzes sowie des Schalt­ signales für den Thyristor.

Fig. 1 zeigt die drei spannungsführenden Phasen 1 (L1), 2 (L2) und 3 (L3) und den Nulleiter 4. Jede dieser drei Phasen ist über eine Stromleitung 5, 5′, 5′′, einen Thermo­ schalter 6, 6′ und 6′′ und einen Überspannungsableiter in Form eines Varistors 8, 8′ und 8′′ an eine gemeinsame Erd­ leitung 9, 10 und über diese an Erde 11 gelegt. Die Lot­ stelle 7, 7′, 7′′ des jeweiligen Thermoschalters 6, 6′, 6′′ ist sowohl über einen Heizwiderstand 12, 12′ bzw. 12′′ auf­ schmelzbar (siehe ϑ′), oder aber in bekannter Weise vom Varistor 8, 8′, 8′′ her (siehe ϑ).

Die gemeinsame Erdleitung 10 ist von einem Stromwandler 13 umgeben, d.h. einer Induktionsspule, die eine möglichst hohe Induktivität in der Größenordnung von mehreren Henry hat steigt der Strom über den Normalwert so hat dies eine Ansteuerung eines Thyristors 14, 14′ bzw. 14′′ zur Folge, der sich im Stromkreis des Heizwiderstandes 12, 12′ bzw. 12′′ befindet. Damit wird der jeweilige Heizwiderstand an die Spannung der Phase 1, 2 oder 3 gelegt, in deren Strom­ kreis 5, 5′ bzw. 5′′ der schadhafte Varistor sich befindet und damit der unzulässig hohe Strom fließt. Die Heizwider­ stände befinden sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Lotstellen und bewirken sehr schnell das Aufschmelzen einer oder mehrerer Lotstellen 7, 7′, 7′′ und damit die Auftren­ nung des oder der betreffenden Strompfade. Bei einem Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung genügt schon ein Strom von ca. 20 mA in der Ableitung 10, um den Heizkreis über den Thyri­ stor zu aktivieren. Nach dem Durchschmelzen der Lotstelle und Öffnung des Thermoschalters 6, 6′ bzw. 6′′ (z.B. mittels einer Feder) reduziert sich der Strom in der Leitung 10 und damit die Ansteuerspannung (gate - Spannung) am Thyristor so weit, daß dieser öffnet und den betreffenden Heizwider­ stand abschaltet. Die Heizleistung dieses Widerstandes kann gemäß einem Ausführungsbeispiel einige Watt betragen.

Wie bereits erläutert und aus Fig. 1 ersichtlich ist jede der Phasen mit einem Varistor, Lotstelle und Heizwider­ stand sowie den zugehörigen Bauelementen ausgestattet, wo­ bei aber nur ein einziger Stromwandler (Durchsteckwandler) 13 vorgesehen ist, dessen Sekundärwicklung also alle drei Thyrostoren im Überstromfall mit der notwendigen Ansteuer­ spannung (gate - Spannung) versieht. Bei mehrpoligen An­ ordnungen gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1, deren Außenleiter zueinander phasenverschoben sind (z.B. bei Drahstrom) wird nur derjenige Heizkreis aktiviert, bei dem Ansteuerspannung des Thyristors und Heizkreisspannung mit­ einander in Phase liegen. Dies ist aus Fig. 2 ersichtlich. Hier sei als Fehlersimulation in einem Drehstromnetz ange­ nommen, daß der Varistor, welcher der Phase L3 zugeordnet ist, einen Defekt hat, d.h. daß über diesen Varistor 8′′ ein zu hoher Strom fließt. Die entsprechende am Strom­ wandler 13 bzw. in dessen Sekundärspule induzierte Span­ nung ist phasengleich mit der Spannung am Thyristor 14′′. Das Ansteuersignal 16 des Stromwandlers ist somit synchron zur Spannung der betreffenden Phase, hier 3 (L3). Damit ergibt sich die entsprechende Ansteuerleistung, die diesen Thyristor zündet und somit den zugehörigen Heizwider­ stand 12′′ zuschaltet. Das Schaltsignal für den Thyristor läuft über die Impulslänge t_a synchron mit der entspre­ chenden Spannungskurve der Phase L3 und bewirkt nach einer kurzen Anfangszeit gemäß der waagerecht verlaufenden Linie 15 die Zuschaltung des Heizwiderstandes. Es wird also nur der Heizkreis des defekten Varistors aktiviert.

Zu allen drei Varistoren 8, 8′ und 8′′ ist bevorzugt je eine mechanische und/oder optische (in der Zeichnung nicht dargestellt) Defektanzeige vorgesehen, so daß der jeweils abgeschaltete Varistor erkennbar ist.

Claims (8)

1. Anordnung zur Abschaltung eines Varistors von einer Spannungsquelle mittels einer durch Erhitzung auf­ trennbaren Lotstelle im Strompfad des Varistors, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Erhitzung der Lot­ stelle (7, 7′, 7′′) ein Heizwiderstand (12, 12′, 12′′) vorgesehen ist, der sich in unmittelbarer Nachbar­ schaft der Lotstelle befindet bzw. mit der Lotstelle thermisch gekoppelt ist und der bei Fließen eines unzulässig hohen Stromes im Varistorstrompfad mit Hilfe von diese Stromerhöhung erfassenden Mitteln zugeschaltet wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich des Strompfades, der den über den schadhaften Varistor fließenden Strom führt, von einem Stromwandler (Induktionsspule) (10) umgeben ist, daß sich die Sekundärspule des Stromwandlers im Ansteuer­ kreis eines Halbleiterschalters (14, 14′, 14′′) befin­ det und daß der jeweilige Halbleiterschalter sich im Stromkreis des jeweiligen Heizwiderstandes (12, 12′, 12′′), diesen bei Ansteuerung durch den Stromwandler schließend, befindet.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Stromwandler (13) mit großer Induktivität, z.B. im Bereich mehrerer Henry.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen Halbleiterschalter, der bereits bei geringen Steuerströmen in der Größenordnung von z.B. einigen mA anspricht, sowie im Hinblick auf die Spannung am Heizwiderstand entsprechend span­ nungsfest ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Halbleiterschalter in Form von Thyristoren.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß bei mehrphasigen Anord­ nungen mit je einem Varistor pro Phase jedem Va­ ristor (8, 8′, 8′′) ein Heizwiderstand (12, 12′, 12′′) und einen den Heizwiderstand zuschaltender Halblei­ terschalter (14, 14′, 14′′) zugeordnet ist, wobei je­ der Halbleiterschalter in Steuerverbindung mit dem Stromwandler (13) steht.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Varistor (8, 8′, 8′′) der Anordnung eine mechanische und/oder optische Anzeige seines Abschalt­ zustandes zugeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei mehrphasigen Anordnungen (1, 2, 3) der Stromwandler (13) eine Erdableitung (10) umgibt, die für alle Phasen gemeinsam ist.