DE9211808U1

DE9211808U1 - Anordnung mit Überspannungsschutzmitteln

Info

Publication number: DE9211808U1
Application number: DE9211808U
Authority: DE
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1992-11-05
Anticipated expiration: 2002-09-03

Description

Firma DEHN + SÖHNE GmbH + Co. KG
Rennweg 11 - 15, 8500 Nürnberg

'Anordnung mit Überspannungsschutzmitteln"

Die Erfindung betrifft zunächst eine Anordnung mit Überspannungsschutzmitteln gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Hierzu ist eine Anordnung für den Überspannungsschutz gemäß DE-PS 38 12 058 bekannt. In der dort beschriebenen Schaltungskombination kann die mit dem Varistor in Reihe geschaltete Impedanz wahlweise ein ohmscher Widerstand, eine Induktivität oder eine Kapazität sein. Diese Reihenschaltung liegt parallel zu der Funkenstrecke. Der Spannungsabfall an der Reihensschaltung hing davon ab, ob ein ohmscher Widerstand eingesetzt wurde (Bewertung nach dem Stromscheitelwert) , ob eine Induktivität eingesetzt wurde (Bewertung nach der Stromsteilheit), oder ob eine Kapazität eingesetzt wurde (Bewertung nach der Impulsdauer). Es konnte also mit der jeweils vorgesehenen Impedanz immer nur eine bestimmte Kurvenform des Stoßstromes erfaßt und ausgewertet werden. Dagegen ergaben sich bei Stoßströmen mit anderen Kurven Abweichungen.

Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht gegenüber diesem Stand der Technik darin, den Varistor auch bei unterschied-

lichen Belastungsströme gegen eine energetische Überbelastung zu schützen. Ausgehend von einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 soll zunächst dafür gesorgt werden, daß unabhängig von den vorgenannten Parametern Stromscheitelwert, Stromsteilheit oder Impulsdauer stets die Zündung der Funkenstrecke erfolgt, bevor eine energetische Überlastung des Varistors auftritt.

Die Lösung dieser Aufgabe wird zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, in den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gesehen. Unter einem PTC-Widerstand wird ein Kaltleiter mit einem positiven Temperaturkoeffizienten verstanden, der mit steigender Temperatur hochohmiger wird. Dies bedeutet, daß bei Fließen eines entsprechend hohen Stromes in der Reihenschaltung aus PTC-Widerstand und Varistor die von diesem Strom im PTC-Widerstand erzeugte Wärme bewirkt, daß dieser Widerstand hochohmiger wird, was zu einer Erhöhung des Spannungsabfalles am PTC-Widerstand führt. Ist dann der Gesamtspannungsabfall, der sich aus dem

²^ Spannungsabfall am PTC-Widerstand und dem am Varistor zusammensetzt, so groß, daß er die Zündspannung der Funkenstrecke erreicht, so zündet diese und leitet die Überspannung ab, was zu einer schlagartigen Reduzierung des Stromes führt, der bisher in der Reihenschaltung aus PTC-Widerstand und

²^ Varistor geflossen ist. Dabei ist es für das angestrebte Ergebnis ohne Einfluß, ob es sich beispielsweise um einen Stoßstrom 5 kA (8/20), also mit einer relativ kurzen Impulsdauer, oder aber um beispielsweise einen Stoßstrom von 2,5 kA (10/350) und damit um einen Stoßstrom von zwar kleinerem Scheitelwert, aber längerer Impulsdauer handelt. Es kommt jeweils nur auf die eintretende energetische Belastung des PTC-Widerstandes und die hieraus resultierende Erwärmung dieses Widerstandes an. Da der gleiche Strom auch den Varistor durchfließt und ihn energetisch belastet, hat ein Ansteigen (oder Verringern) dieses Stromes gleichermaßen im PTC-Widerstand und im Varistor eine analoge Erhöhung (Reduzierung) der energetischen Belastung zur Folge. Dies ermög-

licht bei entsprechender Wahl der Daten der Funkenstrecke, des PTC-Widerstandes und des Varistors die Zündung der Funkenstrecke und damit die energetische Entlastung des Varistors. Die Kombination von PTC-Widerstand und Varistor ist auch nach mehreren Belastungen wirksam, da eine solche Anordnung ihre U/I-Kennlinie nur in sehr geringem Maß ändert. Die zu dieser Schaltung aus Funkenstrecke, PTCWiderstand und Varistor erläuterten Funktionen und Vorteile der Begrenzung der dem Varistor maximal zuzuführenden Energie IQ finden bei dynamischen Strombelastungen (Impulsbelastungen) statt, wie sie bei Stoßströmen mit einem sich über die Zeit schnell ändernden Strom vorliegen.

Mit der Erfindung soll ferner aber auch schädlichen energe-Jg tischen Belastungen des Varistors entgegengetreten werden, die im statischen Bereich auftreten, wobei insbesondere an einen ständig über den Varistor fließenden netzfrequenten Ableitstrom gedacht ist, der aufgrund irgendeines Schadens oder Fehlers des Varistors an diesem entsteht. Man spricht 2Q in dem Zusammenhang auch von einem Vorschadigungsbereich, in dem der Varistor zwar nicht völlig zerstört ist, aber eine Schädigung aufweist, welche das Fließen der erläuterten netzfrequenten Ableitströme ermöglicht.

_c Zur Lösung dieser weiteren Aufgabenstellung dienen zunächst die Merkmale des Anspruches 2. Die Wärmekopplung der in Reihe geschalteten Bauelemente PTC-Widerstand und Varistor ergibt am PCT-Widerstand eine zusätzliche Erwärmung, die sich zu der Erwärmung aufgrund des fließenden Stromes ad-

_ diert. Die zusätzliche Erwärmung des PTC-Widerstandes be-30

wirkt eine entsprechende, zusätzliche Erhöhung seines Eigenwiderstandes und des Spannungsabfalles.

Der vorgenannte Schutz des Varistors bei statischen Stromverhältnissen (netzfrequenter Dauerstrom) ist nach der 35

Erfindung bevorzugt zusammen mit der Zündung der Funkenstrecke der Schaltanordnung vorgesehen, die aufgrund der dynami-

sehen Stoßstromvorgänge durch Erreichen eines Gesamtspannungsabfalles an der Reihenschaltung von PTC-Widerstand und Varistor in Höhe der Zündspannung der Funkenstrecke eintritt (siehe Erläuterungen zum Anspruch 1). Hierbei können auch die Merkmale des Anspruches 3 und der hierauf bezogenen Unteransprüche verwirklicht sein.

Die It. Anspruch 2 vorgesehene Wärmekopplung und die erläuterte Reduzierung des durch den PTC-Widerstand und den

IQ Varistor fließenden Stromes auf einen den Varistor nicht mehr schädigenden Wert kann aber gemäß der Erfindung auch für sich, d.h. ohne parallel geschaltete Funkenstrecke mit Erfolg eingesetzt werden, um nämlich bei einer Reihenschaltung eines Varistors mit einem PTC-Widerstand und ferner

^g einer Wärmekopplung dieser beiden Bauelemente die vorgenannte Stromreduzierung im Varistor zu erreichen. Die führt auch in diesem Fall durch die Begrenzung des Stromes zu einer wesentlichen Reduzierung der Varistortemperatur und kann dessen "Selbstheilung" bewirken, d.h. die erläuterte Vor-

2Q Schädigung des Varistors wird nicht weiter verstärkt. Hierzu kann gemäß dem Anspruch 1 als selbständiger Anspruch nebengeordneter Anspruch 4 der sich dann einstellende, verkleinerte Strom in der Reihenschaltung aus PTC-Widerstand und Varistor so gering werden, daß er keinen Spannungsabfall für

&ldquor;f. das Zünden der Funkenstrecke herbeiführt und zugleich den netzfrequenten Dauerstrom im Varistor auf einen diesen nicht mehr gefährdenden Wert reduziert. Dieser netzfrequente Ableit- oder Dauerstrom im Varistor hat ein Heißleiterverhalten des Varistors zur Folge. Hierunter versteht man eine Verringerung des Widerstandes bei erhöhter Temperatur, d.h. U

einen NTC-Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten. Dies wird teilweise durch das gegensinnige Verhalten des PTC-Widerstandes kompensiert. Eine bisher vielfach übliche Schmelzlotüberwachung der Erwärmung des Varistors ist nicht erforderlich.

Die weiteren Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausfüh-

-&dgr;-rungen der Wärmekopplung und ferner gemäß Anspruch 8 eine Anordnung nach der Erfindung mit einer Kontrollschaltung.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen bzw. Diagrammen von Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: eine prinzipielle Schaltung einer ersten IQ Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 2: die zu Fig. 1 gehörenden Strom/Spannungskennlinien ,

je Fig. 3: eine wahlweise in der Schaltung nach Fig. 1

oder aber für sich einsetzbare Ausgestaltung einer Baueinheit aus Varistor und PTC-Widerstand ,

&ldquor;&lgr; Fig. 4: eine Ergänzung der Schaltung It. Fig. 1 mit

einer Anzeigemöglichkeit eines Fehlerfalles.

Fig. 1 zeigt schematisch die Parallelschaltung einer bevorzugt blitzstromtragfähigen und folgestromlöschfähigen Fun-₂c kenstrecke 1 mit einer Reihenschaltung, bestehend aus einem PTC-Widerstand 2 und einem Varistor 3. Die vorgenannte Parallelschaltung befindet sich zwischen einer Phase L und einer Erdleitung. Der PTC-Widerstand und der Varistor sind in ihren Kenndaten so bemessen, daß im Stoßstromfall (dyna-

_&Lgr; mische Impulsbelastung) der an ihnen insgesamt entstehende 30

Spannungsabfall Ug gleich oder etwas größer als die Zündspannung Ug, z.B. 3 kV der Funkenstrecke 1 ist. Dabei hat, wie erläutert, ein Anwachsen des in der Reihenschaltung aus PTC-Widerstand 2 und Varistor 3 fließenden Stromes i eine

entsprechende Erwärmung des PTC-Widerstandes und damit ein 35

Anwachsen seines Widerstandswertes zur Folge, was wiederum eine Erhöhung des Spannungsabfalles U₂ am PTC-Widerstand und

-&egr;&igr; damit ein Anwachsen des Gesamtspannungsabfalles Up zur Folge hat. Die Kenndaten des PTC-Widerstandes 2, des Varistors 3 und der Funkenstrecke 1 sind entsprechend der vorgenannten Lehre der Erfindung aufeinander abgestimmt.

Die zugehörigen Kennlinien zeigt Fig. 2. Dabei ist die Spannung U zwischen der Phase L und der Erde an der Ordinate und der in der Reihenschaltung aus PTC-Widerstand und Varistor fließenden Stoßstrom i an der Abszisse abgetragen. An der Ordinate ist mit LL· der Spannungsabfall an dieser Reihenschaltung eingezeichnet, welcher der Zündspannung der Funkenstrecke 1 entspricht, d.h. bei dessen Erreichen die Funkenstrecke zündet, womit das Entstehen eines den Varistor zerstörenden Stoßstromes i¹. bzw. i'₂ verhindert wird.

Im Diagramm der Fig. 2 betrifft die Kurve 4 die Spannungs/

Stromkennlinie für eine Stoßstrom-Impulsform 8/20 für den Fall, daß nur der Varistor 3 vorgesehen ist. Mit 5 ist der Stoßstrom i'₂ angegeben, der zu einer Zerstörung des Vari-2Q stors im Falle einer Stoßstrom-Impulsform 8/20 führt.

Die Kennlinie 6 entsteht dagegen bei einer erfindungsgemäßen Reihenschaltung des Varistors 3 mit einem PTC-Widerstand. Dies hat bei einem Stoßstrom i« < i* (Stoßstrom-Impulsform 2g 8/20) bereits einen Spannungsabfall in Höhe der Spannung U₃ zur Folge, d.h. die Zündung der Funkenstrecke bei einem Stoßstrom i«, der noch nicht zu einer energetischen Überbelastung und damit Zerstörung des Varistors führt.

_g0 Ferner zeigt Fig. 2 in der senkrechten gestrichelten Linie den Strom i',, der im Falle einer Stroßstrom-Impulsform 10/350 zur energetischen Zerstörung des Varistors führen würde. Die Kennlinie 8 wird erreicht, wenn bei der vorgenannten Stoßstrom-Impulsform die erfindungsgemäße Reihenschaltung des Varistors mit dem PTC-Widerstand vorgesehen

ist. Dann wird die Spannung U₅ bereits bei einem Strom i. < i' erreicht und bewirkt die Zündung der Funkenstrecke,

bevor der Strom i den Wert i' und damit die Zerstörungsgrenze des Varistors erreicht hat.

Durch den PTC-Widerstand entstehen also Kennlinien 6, 8, die von den ursprünglichen Kennlinien (z.B. Kennlinie 4) ohne PTC-Widerstand durch einen energetisch angepaßten, zusätzlichen Spannungsabfall abweichen. Es ist wichtig, daß dabei sowohl im Fall eines lang anhaltenden Stromstoßimpuls mit kleinem Scheitelwert (z.B. 2,5 kA (10/350)) ohne Gefährdung des Varistors eine Zündung der Funkenstrecke erfolgt (Kennlinie 8), als auch bei einem vergleichsweise kurzen Stromstoßimpuls mit hohem Scheitelwert (z.B. 10 kA (8/20)) gemäß Kennlinie 6. Die zum Stand der Technik erläuterten Nachteile sind also vermieden. Dies ergibt sich auch daraus, daß mit

!5 dem Varistor 3 ein PTC-Widerstand 2 in Reihe geschaltet ist, dessen Spannungsabfall von der Temperatur dieses Widerstandes, d.h. von dessen energetischen Belastung durch den fließenden Strom' abhängt, wobei derselbe Strom ursächlich für die zu vermeidende energetische Belastung am Varistor ^ist-

Zusätzlich zu der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 oder auch unabhängig davon kann gemäß der Erfindung eine Wärmekopplung zwischen dem Varistor 3 und dem PTC-Widerstand 2 vorgesehen ₂c sein. Hierzu ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel in Fig. 3 dargestellt. Diese Sandwich-Bauweise ermöglicht eine intensive Wärmeübertragung vom Varistor auf den PTC-Widerstand. Dabei kann zwischen diesen beiden Bauteilen ein mittleres Kontaktblech 9 mit Anschluß b oder stattdessen

_ eine Verlötung von bereits vorhandenen Kontaktflächen der 30

Bauteile 2, 3 vorgesehen sein. Diese Verlötung ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Ferner sind äußere Kontaktbleche 10, 11 für Anschlüsse a, c vorgesehen. Es empfiehlt sich, daß die Bauteile 2, 3 die gleichen Umrisse haben, z.B.

einen kreisrunden Umriß mit jeweils gleichem Durchmesser d. 35

Die Schaltung nach Fig. 4 zeigt in der linken Hälfte die

Schaltung der Fig. 1, wobei der Gesamtspannungsabfall IL zwischen den Punkten a und c entsteht. Siehe zu den Ziffern a, b und c auch die entsprechend gekennzeichneten Anschlußpunkte in Fig. 3. Ferner ist eine weitere Reihenschaltung eines Widerstandes 12 und einer Anzeige 13 vorgesehen, wobei der Widerstand 12 dem Varistor 3 und die Anzeige 13 dem PTC-Widerstand 2 parallel geschaltet ist. Im Falle einer Vorschädigung des Varistors 3 entsteht am PTC-Widerstand ein hoher Spannungsabfall U« Hiervon wird die Anzeige betätigt, die z.B. ein Lichtsignal oder ein akustisches Signal gibt. Damit ist die Schädigung des Varistors angezeigt, so daß er unter Umständen ausgewechselt werden soll.

Alle dargestellten Merkmale und ihre Kombinationen miteinan-

,_ der sind erfindungswesentlich, &igr; &ogr;

- Schutzansprüche -

Claims

Anordnung mit Überspannungsschutzmitteln für den Überspannungsschutz in Niederspannungsanlagen mit einer blitzstromtragfähigen und folgestromlöschfähigen Funkenstrecke und einem der Funkenstrecke parallel geschalteten, einen Varistor aufweisenden Leitungszweig, in dem ein mit dem Varistor in Reihe geschalteter Widerstand vorgesehen ist, wobei der an diesem Widerstand und dem Varistor insgesamt bei Überschreiten eines bestimmten Stoßstromes entstehende Gesamtpannungsabfall die Ansprechspannung (Zündspannung) der Funkenstrecke erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand ein PTC-Widerstand (2) ist, und daß die Daten dieses PTC-Widerstandes so auf die Daten des Varistors (3) und der Funkenstrecke (1) abgestimmt sind, daß der Gesamtspannungsabfall (Up) den Wert der Ansprechspannung (IL·) der Funkenstrecke erreicht, bevor durch den Stoßstrom eine energetische Überbelastung des Varistors eintritt.
2. Anordnung insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmekopplung zwischen Varistor (3) und PTC-Widerstand (2) vorgesehen ist.
-&Igr;&Ogr;&Igr; 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Bemessung der elektrischen Daten des Varistor (3) und des PTC-Widerstandes (2) derart, daß im Fehlerfall des Varistors eine solche Erhöhung des Widerstandswertes des PTC-Widerstandes (2) eintritt, daß der in der Reihenschaltung fließende Strom (i) sich auf einen netzfrequenten Dauerstrom mit einem den Varistor (3) nicht gefährdenden Wert reduziert.
4. Anordnung mit Überspannungsschutzmitteln, wobei ein Varistor und ein Widerstand in Reihe geschaltet sind, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung eines Varistors (3) mit einem PTC-Widerstand (2) und ferner eine räumliche Zuordnung dieser beiden Bauelemente zueinander derart, daß eine Wärmekopplung zwischen dem Varistor (3) und dem PTC-Widerstand (2) besteht und durch eine Bemessung der elektrischen Daten dieser beiden Bauelemente derart, daß im Fehlerfall des Varistors eine derartige Erhöhung des Widerstandswertes des PTC-Widerstandes eintritt, daß der in der Reihenschaltung fließende Strom (i) sich auf einen netzfrequenten Dauerstrom mit einem den Varistor nicht gefährdenden Wert reduziert und daß der Gesamtspannungsabfall am PTC-Widerstand und Varistor unterhalb der Ansprechspannung der Funkenstrecke bleibt.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Widerstand (2) und der Varistor (3) eine bauliche Einheit sind.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der PTC-Widerstand (2) und der Varistor (3) scheibenförmig ausgebildet sind und die gleichen Umrisse aufweisen.
7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Sandwich-Bauweise dieser Baueinheit aus Varistor (3) und PTC-Widerstand (2).
8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Lötflächen oder Kontaktbleche an den Außenseiten der Baueinheit und zwischen den beiden Bauelementen (2, 3).
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung aus PTC-Widerstand (2) und Varistor (3) eine Reihenschaltung aus einem Vorwiderstand (12) und einer Anzeige (13) parallel geschaltet ist, wobei die Anzeige (13) so bemessen ist, daß sie bei einem erhöhten Spannungsabfall (U₂) am PTC-Widerstand anzeigt.