DE4020646C2 - Schutzschaltung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Schutzschaltung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern gegen Überspannungen unter Einsatz von Ableitern, bestehend aus Varistoren und/ oder Gasentladungsableitern (DE 36 06 287 A1).

Es sind eine Reihe von Überspannungsschutzgeräten für Strom­ versorgungen bekannt, die in der Regel aus Varistoren und/ oder Gasentladungsableitern bestehen. Als Beispiel sei hier eine Schutzschaltung nach der DE 36 06 287 A1, insbesondere deren Fig. 2, genannt. Hinzu können Suppressordioden und Filterkomponenten kommen, dies liegt an der Art der unter­ schiedlichen Schutzeinrichtungen. Die Schutzgeräte sollen Impulse zur Erde ableiten, bevor sie den Verbraucher zerstö­ ren oder schädigen. Als Beispiel seien hier Datenverarbei­ tungsgeräte genannt, hochwertige elektrische Geräte wie Fernseher, hochwertige Beleuchtungsanlagen oder andere elek­ trische Verbraucher.

Aus der DE 38 31 935 A1 sind für den Überspannungsschutz Tempe­ raturschalter in Form von Temperatursicherungen bekannt. Ei­ ne weitere Überspannungsschutzeinrichtung für elektrische Anlagen zeigt die DE 36 11 793 A1 mit spannungsabhängigen Widerständen mit einem gasgefüllten Überspannungsableiter.

Man ist bemüht, Grenzen festzusetzen, die eine Belastbarkeit definieren, etwa die Stoßstromfestigkeit, die angibt, mit welcher Grenzbelastung das Schutzgerät belastet werden kann, ohne daß die Schutzeinrichtung selbst zerstört wird. Darüber hinaus wird gefordert, daß bei Überlastfällen, die zum Ab­ schalten des Überspannungsschutzes führen, eine Anzeige er­ folgt, die den entsprechenden Deffektzustand des Schutzgerä­ tes dem Verbraucher kenntlich macht. Ein Problem besteht da­ bei darin, daß bisher Grenzen nicht definiert sind, bis zu denen eine derartige Anzeige noch sicher erfolgen soll bzw. sicher erfolgen muß. Hierfür wird im folgenden auch der Aus­ druck "fail-safe" benutzt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der dieses "fail-safe"-Verhalten einer Schutzeinrichtung be­ herrschbar und in festen Grenzen definierbar ist.

Mit einer Schutzvorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zum definierten Abschalt- und Anzeigeverhalten oberhalb ei­ ner Belastbarkeitsgrenze der Ableiter und unterhalb einer Abschalt- und Anzeigeobergrenze bei zerstörten Ableitern diese Ableiter zur sicheren Kontaktverbindung innerhalb der genannten Grenzen mit Bandelektroden angeordnet sind.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß selbst nach Überschrei­ ten der Belastbarkeitsgrenze der Ableiter, wie beispielswei­ se der Varistor, die Kontaktverbindungen über die Bandelek­ troden in jedem Fall noch aufrechterhalten werden.

Es hat sich gezeigt, daß bei standardmäßigen Varistoren mit Drahtelektroden letztere im Überlastfall praktisch immer aufgrund der linienförmigen Kontaktierung abplatzen. Dies führt zu einer Unterbrechung des Stromflusses zur Erde, auch "open-circuite-fail-safe" genannt. Hier setzt die Erfindung ein, indem sie einen "short-circuite-fail-safe"-Verhalten sicherstellt, d. h. ein Kurzschlußverhalten im Überlastfall.

Erfolgt, wie bei bekannten Lösungen möglich, eine Leitungs­ abtrennung im Überlastfall, können alle Sicherungsmaßnahmen, die auf Erwärmungsmessung basieren und z. B. entsprechende Anzeigevorrichtungen vorsehen, wie etwa Temperatursicherun­ gen, nicht mehr arbeiten, ein Anzeigen eines Ausfalles des Sicherungselementes ist daher nicht mehr möglich. Auch kön­ nen Temperaturschalter nicht mehr ansprechen. Der Schutz ist daher nicht mehr gewährleistet, obgleich die Anlage noch op­ tisch ihre Funktionsfähigkeit vortäuscht.

Da ein derartiger Nachteil nach der Erfindung nicht erfolgt, sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, daß ein erster Temperaturschalter im Strompfad zur Lastabschaltung am Aus­ gang der Schutzschaltung vorgesehen ist. Diese erfindungs­ gemäße Maßnahme hat besondere zusätzliche wesentliche Vor­ teile. So können Temperatursicherungen, die zum Abtrennen der Last führen und im Wärmekontakt mit den Varistoren oder sonstigen Überlastungsschutzelementen stehen, am Ausgang der Schutzschaltung deswegen angebracht werden, da sie nicht stromstoßfest gestaltet sein müssen.

Die oben angesprochene Art der Bandelektroden sorgt hier für eine Vorableitung eines solchen Stromstoßes.

In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß zwischen den beiden Strompfaden die Reihenschaltung zweier Varistoren und zwischen deren Verbindungspunkt und der Erdleitung ein Gas­ entladungsableiter angeordnet ist und daß ein weiterer Tem­ peraturschalter zwischen den beiden Varistoren und dem Gas­ entladungsableiter vorgesehen ist.

Die Erfindung sieht auch vor, daß die Bandelektroden an ei­ nem zweikontaktigen Temperaturschalter über ein eutektisches Lot verbunden sind. Damit können Temperatureinflüsse sicher beherrscht werden, da über das eutektische Lot eine entspre­ chende Verbindung dann gelöst werden kann.

Auch diese Maßnahme hat gegenüber bekannten Temperatursiche­ rungen, beispielsweise gekapselte Sicherungen des Federtyps, besondere Vorteile, da diese dazu tendieren, daß diese Fe­ dern bei Impulsbelastungen verschweißen, also nicht mehr si­ cher schalten. Wie oben angegeben, sorgt hier für ein siche­ res Verhalten auch das Vorsehen eines Temperaturschalters hinter den Varistoren. Eine Abschaltvorrichtung mit Tempera­ tursicherung im Strompfad am Eingang der Schaltung kann nur bis zu bestimmten, relativ niedrigen Impulsbelastungen ein "fail-safe"-Verhalten aufweisen, was zum sicheren Kurz­ schließen und damit zum Abschalten sowohl der Last als auch des Überspannungsschutzes führt. Bei höheren Impulsbelastun­ gen können derartige Temperatursicherungen nach dem Stand der Technik verschweißen, so daß weder die Last noch der Überspannungsschutz selbst abgetrennt werden. Die Varistoren werden heiß und können Brände verursachen.

Wird eine Last im Falle einer Überlastung des Schutzgerätes, z. B. bei einem Gewittereinschlag, nicht vom Netz getrennt, ist ein entsprechender Schutz bei einem in der Regel kurze Zeit später erfolgenden weiteren Gewitterschlag nicht mehr vorhanden, diesen Nachteil vermeidet die vorliegende Erfin­ dung.

Die Erfindung sieht in weiterer Ausgestaltung vor, daß bei den beiden Temperaturschaltern der Auslösetemperatur-Unter­ schied im Schaltverhalten wenigstens 20°C beträgt und/oder daß die beiden Temperaturschalter eine derartige Abschalt­ charakteristik aufweisen, daß der erste Temperaturschalter zeitlich vor dem weiteren Temperaturschalter bei Auftreten einer Störung schaltet.

Vorteilhaft kann es sein, wenn der weitere Temperaturschal­ ter an den Varistoren mit einer mittels eutektischem Lot dort verlöteten Feder ausgerüstet ist. Damit wird erreicht, daß die Elektroden einen Kontakt der Temperatursicherungen darstellen, der andere Kontakt wird dann über den Federdraht vorgenommen. Werden in dieser Schaltung an der Feder zwei Varistoren angeordnet, die beide zur Erde geführt werden, direkt oder indirekt über Gasentlastungsableiter, so ist ei­ ne derartige Schaltung erfindungsgemäß als Dreipol gestal­ tet.

Dieser Dreipol kann als "Oder-Schaltung" bzw. "Und/Oder- Schaltung" ausgebildet sein, wobei die Aktivierung der Schutzschaltung bei Lösen entweder des einen und/oder des anderen Kontaktes an den Ableitern erfolgt.

In der Schaltung ist erfindungsgemäß auch ein Anzeigeelement zur optischen und/oder akustischen Kenntlichmachung bei Ak­ tivierung der Schutzschaltung vorgesehen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Schaltung gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 eine Schaltung gemäß der Erfindung sowie in

Fig. 3 einen Detailausschnitt aus der Schaltung gemäß Fig. 1.

Nachfolgend sind bei der Beschreibung der Fig. 1 zum Stand der Technik alle Bezugszeichen mit einem "′" versehen.

Nach Fig. 1 weist die dort allgemein mit 1′ bezeichnete Schutzschaltung zwischen den L- und N-Leitern zwei Varisto­ ren 2′ und 3′ auf, wobei vor den Varistoren in der Leitung L ein Temperaturschalter 4′ vorgesehen ist. Im mit 5′ be­ zeichneten Ableiterpfad zur PE-Leitung bzw. zur Erde ist hier ein Gasentladungsableiter 6′ vorgesehen.

Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen Schaltung 1 gemäß Fig. 2 zwischen den L- und N-Leitungen Varistoren 2 und 3 vorgesehen und erst hinter dieser Einrichtung we­ nigstens in der L-Leitung ein Temperaturschalter zum Ab­ trennen der Last, mit 4 bezeichnet. Zusätzlich gestrichelt dargestellt ist ein weiterer Wärmekontaktschalter 4a in der Leitung N vorgesehen. Auch hier ist im Ableiterpfad 5 ein Gasentladungsableiter 6 angeordnet.

Wesentlich für die Erfindung ist ein zusätzlicher Tempera­ turschalter 7 im Ableiterpfad, an dem im dargestellten Bei­ spiel beide Varistoren 2 und 3 kontaktiert sind.

In Fig. 3 ist diese Sicherungseinrichtung vergrößert darge­ stellt.

Die Ableiter bzw. Varistoren, dort ebenfalls mit 2 und 3 bezeichnet, weisen fest verbundene Bandelektroden 8 bzw. 9 auf, wobei die Bandelektroden an einer Kontaktfeder 10 mit­ tels eutektischer Lötpunkte 11 und 12 angelötet sind. Wird nun eine entsprechende Temperatur erreicht, so lösen sich die Lötpunkte 11 und 12 und die Kontaktfeder 10 öffnet im Sinne des mit 13 bezeichneten Pfeiles in Fig. 3, wobei hier beispielsweise eine Temperatur von etwa 130°C angege­ ben werden kann.

Als Beispiel sei folgende Angabe gemacht:
Die stoßstromfeste Temperatursicherung im Pfad des Über­ spannungsschutzes soll diesen im Überlastfall sicher ab­ trennen, sie muß aber stoßstromfest sein bis zu einem defi­ nierten Grenzwert des sogenannten "fail-safe"-Verhaltens. Wenn z. B. die Grenze der Belastbarkeit des Überspannungs­ schutzes mit 10 kA angegeben ist, bedeutet dies, daß zu­ nächst sichergestellt sein muß, daß derartige Impulse si­ cher abgeleitet werden, ohne den Überspannungsschutz zu zerstören und ohne eine Abtrennvorrichtung zu aktivieren.

Wenn nun beispielsweise die Obergrenze des "fail-safe"-Ver­ haltens mit beispielsweise 15 kA angegeben ist, bedeutet dies, daß bis zu diesem Wert die Temperatursicherung nicht durch den 15-kA-Impuls ausgelöst wird, sondern nur durch die Erwärmung des Varistors bei Überlastung und damit zur Lösung der oben angegebenen Verlötungsstellen 11 und 12, was grundsätzlich zeitlich später erfolgt, d. h. einige Se­ kunden nach dem 15-kA-Impuls. Außerdem bedeutet bei der vorliegenden Erfindung dieser 15-kA-Wert, daß die entspre­ chenden Varistoren bis zu diesem Wert garantiert in den Kurzschluß übergehen.

Sichergestellt ist auch, daß bei Erwärmung des Ableiters erst durch die ansteigenden Temperaturen die entsprechen­ den Sicherungen in den Strompfaden auslösen und danach erst die Temperatursicherungen im Ableiterpfad, d. h. gemäß Fig. 2 schalten erst die Temperatursicherungen 4 bzw. 4a bevor die Einrichtung gemäß Bezugszeichen 7 auslöst. Ein solches Schaltverhalten muß sichergestellt sein, um zu ver­ hindern, daß nicht zunächst im Ableiterpfad abgeschaltet wird, da letztere den Strom zu den Varistoren abschaltet, so daß diese nicht mehr erhitzt werden, was zum Fehlverhal­ ten der Sicherungseinrichtung führen würde.

Claims (9)

1. Schutzschaltung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern ge­ gen Überspannungen unter Einsatz von Ableitern, bestehend aus Varistoren und/oder Gasentladungsableitern, dadurch gekennzeichnet, daß zum definierten Abschalt- und Anzeigeverhalten oberhalb einer Belastbarkeitsgrenze der Ableiter (2, 3, 6) und unter­ halb einer Abschalt- und Anzeigeobergrenze bei zerstörten Ableitern diese Ableiter zur sicheren Kontaktverbindung in­ nerhalb der genannten Grenzen mit Bandelektroden (8, 9) ange­ ordnet sind.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Temperaturschalter (4, 4a) im Strompfad (L) zur Lastabschaltung am Ausgang der Schutzschaltung (1) vor­ gesehen ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Strompfaden (L, N) die Reihenschal­ tung zweier Varistoren (2, 3) und zwischen deren Verbindungs­ punkt und der Erdleitung (PE) ein Gasentladungsableiter (6) angeordnet ist und daß ein weiterer Temperaturschalter (7) zwischen den beiden Varistoren und dem Gasentladungsableiter vorgesehen ist.

4. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandelektroden (8, 9) an einem zweikontaktigen Tempe­ raturschalter über ein eutektisches Lot verbunden sind.

5. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei den beiden Temperaturschaltern (4, 7) der Auslösetem­ peratur-Unterschied im Schaltverhalten wenigstens 20°C be­ trägt.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Temperaturschalter (4, 7) eine derartige Ab­ schaltcharakteristik aufweisen, daß der erste Temperatur­ schalter (4) zeitlich vor dem zweiten Temperaturschalter (7) bei Auftreten einer Störung schaltet.

7. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Temperaturschalter (7) an den Varistoren (8, 9) mit einer mittels eutektischem Lot (11, 12) dort verlöte­ ten Feder (10) ausgerüstet ist.

8. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Temperaturschalter (7) als Dreipol gestaltet ist, wobei die Elektroden (8, 9) der beiden Varistoren an ei­ nem gemeinsamen temperaturbeeinflußbaren Abschaltelement an­ geordnet sind.

9. Schutzschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigeelement (14) zur optischen und/oder akusti­ schen Kenntlichmachung bei Aktivierung der Schutzschaltung (1) vorgesehen ist.