EP2208208B1 - Überspannungsableiter mit einem gehäuse und mindestens einem ableitelement, insbesondere einem varistor - Google Patents
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- EP2208208B1 EP2208208B1 EP08846127A EP08846127A EP2208208B1 EP 2208208 B1 EP2208208 B1 EP 2208208B1 EP 08846127 A EP08846127 A EP 08846127A EP 08846127 A EP08846127 A EP 08846127A EP 2208208 B1 EP2208208 B1 EP 2208208B1
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- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
- H01C7/12—Overvoltage protection resistors
-
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- H01H37/00—Thermally-actuated switches
- H01H37/74—Switches in which only the opening movement or only the closing movement of a contact is effected by heating or cooling
- H01H37/76—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material
- H01H37/761—Contact member actuated by melting of fusible material, actuated due to burning of combustible material or due to explosion of explosive material with a fusible element forming part of the switched circuit
Definitions
- the invention relates to a surge arrester having a housing and at least one diverting element, in particular a varistor, as well as a separating device for separating the diverter element or elements from the network, the divider device comprising a separating point, in particular soldering point, which leads into the electrical connection path inside the diverter is involved, wherein via the solder joint, a movable conductor portion or a movable conductive bridge with the diverter on the one hand and the conductor portion or the bridge on the other hand connected to a first electrical outer terminal of the arrester, and comprising a biasing force generating means, such as a spring, wherein the related Force vector acts on the conductor section or the bridge in the separation direction, according to the preamble of patent claim 1.
- overvoltage arresters based on varistors are often used in power and data lines.
- these arresters have a limited discharge capacity and, in the case of overload, may be subject to destruction gradually but also abruptly.
- Surge arresters based on varistors generally have an internal disconnecting device in the low-voltage range.
- This internal separation device consists for example of a combination of a thermal separation device and a predetermined breaking point for high currents.
- This predetermined breaking point represents a defined reduction of the connection cross section of the varistor with a certain melting integral value.
- a separating device which is often realized by a solder joint between the varistor and a movable, under spring contact pressure, is shown in the schematic diagram Fig. 1 ,
- the disk-shaped varistor 1 shown there is in series with the separating device 2, as a switch symbolizes, switched.
- a biasing force F acts on the separating device. If the solder 5 melts at the connection point, then the electrical contact between the varistor connection 6 and the external connection 7 is removed via the separating strip 3.
- the geometric bottleneck with a defined melting integral value is symbolized by the reference numeral 4.
- the thermal separation device Upon gradual heating of the varistor, e.g. due to aging or a slight increase in voltage, the thermal separation device generally responds after several seconds. A solder which fixes the separating device melts, whereby the contacts under spring force undergo an opening process. The varistor has a high resistance in this case of error, whereby the current through the varistor is severely limited. As a rule, the separating device can easily interrupt these currents and thus safely disconnect the overloaded arrester from the mains, without a further separate overvoltage protection device responding or being required. The power supply of the consumer is therefore not interrupted or disturbed. All that needs to be done is to replace the defective surge arrester during maintenance.
- the thermal disconnecting device can, on the one hand, lead to a delayed disconnection or else the melting integral value of the constriction is reached, whereby it melts and separates the arrester from the mains.
- the shows EP 0 046 545 A1 , the DE 28 53 697 A1 or the EP 0 862 255 A1 or the EP 1 447 831 A1 the combination of a surge arrester with a mechanical switching device, which takes over the actual disconnection function.
- a surge arrester with a mechanical switching device, which takes over the actual disconnection function.
- the switching capacity of such a separation device is sufficiently high, the effort and space required is considerable.
- the coupling with the thermal tripping function is structurally difficult.
- the DD 239 488 or the US Pat. No. 6,430,019 B1 disclose the use of an insulating slider which is moved between the two connectors upon the response of the thermal separator.
- a disadvantage of this solution is that the movement of the slider can be hindered by the melting behavior and the residues of the solder of the thermal contact point, whereby the speed of the arc extension is undefined.
- the insulating slide can be coated by the liquid solder conductive and there is a risk that the arc cuts through the slide or causes its thermal destruction before a sufficient arc extension has been achieved.
- the basic idea of the invention is thus to reduce the residual current which may possibly flow by deliberately commutating this fault current into a separate erase path, this erase path of the separator being connected in parallel or connected in parallel in dependence on certain conditions.
- the fault current is prevented after the opening of the separation distance or commutated in the mentioned parallel branch and thus deleted.
- Ausgestaltend there is the possibility in the path of movement of the conductor section or the bridge, which are part of the separation device, to arrange a conductive element, the first end comes in triggered disconnector with the conductor portion or the bridge in contact, the second end with a second external electrical connection in Connection stands and the conductive element comprises a switching device or is designed as a switching device.
- This embodiment leads to a safe fail-safe behavior by achieving a targeted short circuit of the discharge element.
- the aforementioned embodiment ensures that at a predetermined time, the switching device opens, whereby the fault current is interrupted. After the shutdown process, the defective overvoltage protection device is disconnected from the circuit to be protected and the power supply is maintained. The canceled short circuit allows maintenance personnel to measure a voltage and replace the arrester without danger.
- the commutation branch provided parallel to the separating device can be permanently connected electrically in parallel to the separating device. But it is also ausgestaltend the possibility of parallel connection after reaching a defined To bring about voltage across the separating device or to trigger in dependence on a predetermined separation distance of the separating device.
- At least one voltage-switching or voltage-limiting element can be connected in series.
- a so-called target electrode which is connected to the commutation branch, is provided in the separation distance of the separating device arranged in series with the discharge element.
- an arc that arises over the separation section is led to the target electrode and thus enters the commutation branch and is deleted.
- the designed to achieve a targeted short circuit ausgestaltend conductive element can also be used later in the arrester to realize in addition to a separation and the aforementioned short-circuit fail-safe function.
- an insulating pad may be arranged between the conductive element and the conductor section or the bridge, or the conductive element has a detachable insulating cover at least at its first end.
- an element delimiting the path of movement of the conductor section or the bridge as a pin, bolt or similar arrangement.
- the conductive element may be formed as a fuse, but also have a power semiconductor or form a circuit with a power semiconductor, wherein the power semiconductor is transferred after passing a short-circuit current by means of an initial pulse in the open state.
- the conductive element is further ausgestaltend in cross-section dimensioned such that after passing a short-circuit current is carried out a separation of the conductive connection.
- the separating device 2 comprises a solder joint, not shown in detail, which is integrated in the electrical connection path AB of the arrester, wherein via the soldering a movable conductor portion or a movable conductive bridge (symbolized as a switch) with the diverter 1 on the one hand and the conductor section or the bridge on the other hand connected to a first external electrical connection of the arrester.
- a biasing force generating means symbolized by F, For example, a spring, present, wherein the relevant force vector acts on the conductor section or the bridge in the separation direction.
- a commutation branch or commutation path 8 is present, which comprises a series connection of a fuse 10 and a voltage-switching element 11.
- the Kommut istszweig 8 is the separator 2 constantly connected in parallel. In the case when the severing device 2 opens, the fault current commutates into the branch 8. This branch 8 carries the current until there is a sufficient separation distance and the arc is safely extinguished. Thereafter, the parallel branch is switched high impedance, e.g. by activating fuse 10, and the flowing current is finally erased.
- FIG. 2b shows a variant embodiment, according to which the connection of the Kommut istszweigs 8, for example, voltage-dependent, or else by a mechanical movement of a switch.
- the movable connecting element of the separating device 2 is passed or passed by a target electrode 12.
- the target electrode 12 is arranged so that the distance between the fixed terminal of the varistor and the target electrode 12 is sufficient under conventional cut-off conditions for safe separation of the varistor 1.
- the commutation branch 8 can be realized by a parallel connection of a fuse 10 of small size and low nominal current intensity.
- the fuse voltage-switching and voltage-limiting switching elements in series.
- the resulting fault current commutates to the fuse. This leads the fault current over a period of time which is sufficient for extinction and deionization of the switching path. After that, the fuse switches off the power.
- the switching voltage of the fuse 10 may in this case the dielectric strength of the actual switching path, i. the switching path of the separator, do not exceed.
- reversible fuses or PTC elements can be used. Also, the use of electronic components for shutdown and commutation is possible.
- a further separating device may be provided in the commutation path, which may be e.g. disconnects the PTC element when reaching a certain temperature, whereby the arrester is finally fully released from the network by a real separation distance.
- the varistor in the event of a fault, the varistor is short-circuited, there is a risk that in a permanent short circuit in the case of application of such a surge arrester in transformerless inverters in photovoltaic applications problems result, due to flowing back currents.
- the replacement of a short-circuited surge arrester can cause an arc hazard, since in the aforementioned photovoltaic applications, a current flow from the generator takes place.
- a switching device is present in the short circuit branch.
- the actual thermal separation device is actuated and moves the separation contact to the conductive element, with the result of reaching a short-circuit state.
- the resulting arc is guided by the contact elements and extinguishes automatically on reaching the short-circuit contact.
- the switching device provided in the short-circuit path then opens and interrupts the fault current.
- a switching device mechanical switching devices, fuses, but also power semiconductors can be used.
- spark gaps as a switching device is conceivable. After the shutdown of the switching device, which is located in the short circuit path, the defective surge arrester arrangement is separated from the actual circuit and it remains the supply.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, insbesondere einem Varistor, sowie einer Abtrennvorrichtung, um das oder die Ableitelemente vom Netz zu trennen, wobei die Abtrennvorrichtung eine Trenn-, insbesondere Lötstelle umfasst, welche in den elektrischen Anschlusspfad innerhalb des Ableiters eingebunden ist, wobei über die Lötstelle ein beweglicher Leiterabschnitt oder eine bewegliche leitende Brücke mit dem Ableitelement einerseits und der Leiterabschnitt oder die Brücke andererseits mit einem ersten elektrischen Außenanschluss des Ableiters verbunden ist, sowie umfassend ein Vorspannkraft erzeugendes Mittel, beispielsweise eine Feder, wobei der diesbezügliche Kraftvektor auf den Leiterabschnitt oder die Brücke in Abtrennrichtung wirkt, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Zum Schutz überspannungsempfindlicher Geräte werden in Netz- und Datenleitungen häufig mehr oder weniger kompakte Überspannungsableiter auf der Basis von Varistoren eingesetzt. Diese Ableiter besitzen im Regelfall ein begrenztes Ableitvermögen und können bei Überlast allmählich, aber auch schlagartig einer Zerstörung unterliegen.
- Überspannungsableiter auf der Basis von Varistoren besitzen im Niederspannungsbereich im Regelfall eine interne Abtrennvorrichtung.
- Diese interne Abtrennvorrichtung besteht beispielsweise aus einer Kombination aus einer thermischen Abtrennvorrichtung und einer Sollbruchstelle für hohe Ströme. Diese Sollbruchstelle stellt eine definierte Reduzierung des Anschlussquerschnitts des Varistors mit einem bestimmten Schmelzintegralwert dar.
- Bei hohen abzuleitenden Impulsströmen schmilzt diese Engstelle. Es wird dann das bewegliche Anschlussstück getrennt und infolge einer Federvorspannung wird der Varistor netzfrei. Zum Stand der Technik sei hier auf die
DE 42 41 311 A1 , dieDE 38 05 889 oder dieDE 9305796 U verwiesen. - Die prinzipielle Ausbildung einer Abtrennvorrichtung, die häufig von einer Lötverbindung zwischen dem Varistor und einem beweglichen, unter Federvorspannung stehenden Anpressdruck realisiert wird, zeigt die Prinzipskizze nach
Fig. 1 . Der dort gezeigte scheibenförmige Varistor 1 ist in Reihe mit der Abtrennvorrichtung 2, als Schalter symbolisiert, geschaltet. Eine Vorspannkraft F wirkt auf die Abtrennvorrichtung. Schmilzt das Lot 5 an der Verbindungsstelle, dann wird der elektrische Kontakt zwischen dem Varistoranschluss 6 und dem Außenanschluss 7 über den Abtrennstreifen 3 aufgehoben. Die geometrische Engstelle mit definiertem Schmelzintegralwert ist durch das Bezugszeichen 4 symbolisiert. - Grundsätzlich können Fehler, die bei Überspannungsableitern mit Varistoren auftreten, wie folgt beschrieben werden.
- Bei einer allmählichen Erwärmung des Varistors, z.B. durch Alterung oder eine geringe Spannungsüberhöhung, spricht im Allgemeinen die thermische Abtrennvorrichtung nach mehreren Sekunden an. Ein die Abtrennvorrichtung fixierendes Lot schmilzt, wodurch die unter Federkraft stehenden Kontakte einem Öffnungsvorgang unterliegen. Der Varistor besitzt bei diesem Fehlerfall noch einen hohen Widerstand, wodurch der Strom durch den Varistor stark begrenzt wird. Die Abtrennvorrichtung kann im Regelfall diese Ströme problemlos unterbrechen und somit den überlasteten Ableiter sicher vom Netz trennen, ohne dass eine weitere separate Überspannungsschutzeinrichtung anspricht oder erforderlich ist. Die Netzversorgung des Verbrauchers wird demnach nicht unterbrochen oder gestört. Es muss lediglich der defekte Überspannungsableiter bei einer Wartung ausgetauscht werden.
- Wird hingegen der Ableiter durch eine hohe Impulsspannung überlastet, jedoch nicht zerstört oder überschlagen, kann einerseits die thermische Abtrennvorrichtung wie erläutert zu einer verzögerten Abtrennung führen oder aber der Schmelzintegralwert der Engstelle wird erreicht, wodurch diese aufschmilzt und den Ableiter vom Netz trennt.
- Wird der Ableiter durch eine erhöhte netzfrequente Spannung oder einen Stoßstrom innerhalb kürzester Zeit zerstört oder überschlagen, können Fehlerströme auftreten, welche je nach Impedanz der Fehlstelle, der treibenden Spannung und dem prospektiven Kurzschlussstrom des Netzes im Bereich von einigen Kiloampere liegen. Diese Ströme erreichen häufig Werte, die oberhalb des Schaltvermögens üblicher Abtrennvorrichtungen liegen. Spricht bei diesen Belastungen die Abtrennvorrichtung vor anderen Überstromschutzeinrichtungen an, kann der Überspannungsableiter geschädigt werden und das Ansprechen der Überstromschutzeinrichtungen nur verzögert mit allen nachteiligen Folgen gegeben sein.
- Der letztgenannte Fehlerfall ist demnach bezüglich der sicheren Abschaltung des Überspannungsableiters problematisch. Soll der Ableiter auch diesen Fehlerfall selbständig beherrschen oder kann das Ansprechen der internen Abtrennvorrichtung des Ableiters vor dem Ansprechen der externen Überstromschutzeinrichtung nicht verhindert werden, so muss die Abtrennvorrichtung ein höheres Schaltvermögen besitzen.
- Zum Erreichen eines derartigen höheren Schaltvermögens sind verschiedene Lösungen des Standes der Technik bekannt.
- Beispielsweise zeigt die
EP 0 046 545 A1 , dieDE 28 53 697 A1 oder dieEP 0 862 255 A1 bzw. dieEP 1 447 831 A1 die Kombination eines Überspannungsableiters mit einem mechanischen Schaltgerät, welches die eigentliche Abtrennfunktion übernimmt. Das Schaltvermögen einer solchen Abtrennvorrichtung ist zwar hinreichend hoch, jedoch ist der Aufwand und der notwenige Platzbedarf erheblich. Auch ist die Kopplung mit der thermischen Auslösefunktion konstruktiv schwierig. - Die
DD 239 488 US 6,430,019 B1 offenbaren den Einsatz eines isolierenden Schiebers, welcher nach dem Ansprechen der thermischen Abtrennvorrichtung zwischen die beiden Anschlussstücke bewegt wird. - Nachteilig bei dieser Lösung ist es, dass die Bewegung des Schiebers durch das Schmelzverhalten und die Rückstände des Lotes der thermischen Kontaktstelle behindert werden kann, wodurch die Geschwindigkeit der Lichtbogenverlängerung undefiniert ist.
- Weiterhin kann der isolierende Schieber durch das flüssige Lot leitfähig beschichtet werden und es besteht die Gefahr, dass der Lichtbogen den Schieber durchtrennt bzw. dessen thermische Zerstörung bewirkt, bevor eine ausreichende Lichtbogenverlängerung erreicht wurde.
- Hier erwähnt sei noch die aus der
EP 0 905 839 A1 bzw. derWO 2004/064213 A1 bekannte Nutzung der Doppelunterbrechung mit Klemmkontakten bzw. Lötkontakten. Der Hubweg einer derartigen Doppelunterbrechung ist jedoch begrenzt. Die Ausführungsformen bekannter Doppelunterbrechungen erlauben zudem keine besonders hohen Lichtbogenspannungen, da in diesen Anordnungen die Gefahr des direkten Kurzschlusses oder der Bildung eines einzelnen Lichtbogens besteht. Dies deshalb, da die Hauptkontakte nicht voneinander abgeschottet sind und eine direkte Beeinflussung des Lichtbogenplasmas vorliegt. Die Überspannungsableiter dieses Standes der Technik besitzen zudem keine Engstelle. Bei erhöhten Fehlerströmen ist jedoch gerade das Ansprechen der Engstelle wahrscheinlicher als das Öffnen der thermischen Trennstelle. - Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten Überspannungsableiter mit einem Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, insbesondere einem Varistor, sowie einer Abtrennvorrichtung anzugeben, welcher sicherstellt, dass bei der Überlastung gegebene Fehlerströme sicher beherrscht werden, ohne dass eine Schädigung der Varistoren eintritt, und zwar in dem Fall, wenn an sich das Schaltvermögen der integrierten Abtrennvorrichtung überfordert wird.
- Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
- Der Grundgedanke der Erfindung besteht demgemäß darin, den Fehlerstrom, der möglicherweise fließen kann, dadurch zu reduzieren, dass eine gezielte Kommutierung dieses Fehlerstroms in einen separaten Löschpfad erfolgt, wobei dieser Löschpfad der Abtrennvorrichtung parallel geschaltet ist oder in Abhängigkeit bestimmter Bedingungen parallel geschaltet wird.
- Es wird also der Fehlerstrom nach dem Öffnen der Trennstrecke unterbunden bzw. in den erwähnten Parallelzweig kommutiert und damit gelöscht.
- Ausgestaltend besteht die Möglichkeit, im Bewegungsweg des Leiterabschnitts oder der Brücke, die Bestandteil der Abtrennvorrichtung sind, ein leitfähiges Element anzuordnen, dessen erstes Ende bei ausgelöster Abtrennvorrichtung mit dem Leiterabschnitt oder der Brücke in Kontakt gelangt, wobei dessen zweites Ende mit einem zweiten elektrischen Außenanschluss in Verbindung steht und das leitfähige Element eine Schalteinrichtung umfasst oder als Schalteinrichtung ausgebildet ist. Diese Ausführungsvariante führt zu einem sicheren Fail-Safe-Verhalten durch Erreichen eines gezielten Kurzschlusses des Ableitelements. Weiterhin stellt die vorerwähnte Ausführungsform sicher, dass bei einer vorgegebenen Zeit sich die Schalteinrichtung öffnet, womit der Fehlerstrom unterbrochen wird. Nach dem Abschaltvorgang ist das defekte Überspannungsschutzgerät vom zu sichernden Stromkreis getrennt und es bleibt die Spannungsversorgung aufrecht erhalten. Durch den aufgehobenen Kurzschluss kann das Wartungspersonal eine Spannung messen und ohne Gefährdung den Ableiter austauschen.
- Der parallel zur Abtrennvorrichtung vorgesehene Kommutierungszweig kann permanent der Abtrennvorrichtung elektrisch parallel geschaltet werden. Es besteht aber auch ausgestaltend die Möglichkeit, die Parallelschaltung nach Erreichen einer definierten Spannung über der Abtrennvorrichtung herbeizuführen oder in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Trennabstand der Abtrennvorrichtung auszulösen.
- Im Kommutierungszweig sind ausgestaltend eine Sicherung oder ein PTC-Element angeordnet.
- Zur Sicherung kann mindestens ein spannungsschaltendes oder spannungsbegrenzendes Element in Serie geschaltet werden.
- Es besteht weiterhin die Möglichkeit, im Kommutierungszweig eine weitere, zweite thermische Abtrennvorrichtung anzuordnen.
- Mittels der zweiten Abtrennvorrichtung im Kommutierungszweig kann sichergestellt werden, dass im Störungsfall eine vollständige Netztrennung realisierbar ist.
- Erfindungsgemäß ist im Trennabstand der mit dem Ableitelement in Serie angeordneten Abtrennvorrichtung eine sogenannte Fangelektrode vorzusehen, welche mit dem Kommutierungszweig verbunden ist. Im Überlastfall wird ein über der Trennstrecke entstehender Lichtbogen zur Fangelektrode geführt und gelangt damit in den Kommutierungszweig und wird gelöscht.
- Das für das Erreichen eines gezielten Kurzschlusses ausgestaltend vorgesehene leitfähige Element kann auch nachträglich in den Ableiter eingesetzt werden, um neben einer Abtrenn- auch die erwähnte Kurzschluss-Fail-Safe-Funktion zu realisieren.
- Zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements im Sinne eines im Abtrennfall wirkenden Kurzschließers ist ein Isolierplättchen zwischen dem leitfähigen Element und dem Leiterabschnitt oder der Brücke anordenbar oder es weist das leitfähige Element mindestens auf seinem ersten Ende einen lösbaren Isolierüberzug auf.
- Ebenso besteht die Möglichkeit zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements im Sinne eines im Abtrennfall wirkenden Kurzschließers, den relativen Abstand zwischen dem leitfähigen Element und dem Leiterabschnitt oder der Brücke einstellbar zu gestalten.
- Zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements ist es auch möglich, ein den Bewegungsweg des Leiterabschnitts oder der Brücke begrenzendes Element als Stift, Bolzen oder dergleichen Anordnung einzusetzen.
- Das leitfähige Element kann als Sicherung ausgebildet werden, aber auch einen Leistungshalbleiter aufweisen oder mit einem Leistungshalbleiter einen Stromkreis bilden, wobei der Leistungshalbleiter nach Führen eines Kurzschlussstroms mit Hilfe eines Initialimpulses in den geöffneten Zustand überführt wird.
- Das leitfähige Element ist weiterhin ausgestaltend im Querschnitt derart dimensionierbar, dass nach dem Führen eines Kurzschlussstroms ein Auftrennen der leitfähigen Verbindung erfolgt.
- Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
- Hierbei zeigen:
- Fig. 1
- ein Prinzipschaltbild einer Reihenschaltung eines Varistors mit Abtrennvor- richtung sowie eine mögliche konstruktive Anordnung dieser Reihenschal- tung gemäß Stand der Technik;
- Fig. 2a
- ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung mit einem permanent der Abtrennvorrichtung parallel geschalteten Kommutierungszweig;
- Fig. 2b
- eine Anordnung ähnlich derjenigen nach
Fig. 2a , jedoch mit der Möglichkeit, den Kommutierungszweig separat zuzuschalten, und - Fig. 3
- eine Ausführungsform des Kommutierungszweigs mit einer Fangelektrode, d.h. nicht ständiger Parallelschaltung bezogen auf die Abtrennvorrichtung.
- Bei den Darstellungen nach den
Fig. 2a, 2b und3 wird zunächst von einer Reihenschaltung eines Ableitelements, insbesondere eines Varistors 1 mit einer Abtrennvorrichtung 2 ausgegangen. - Die Abtrennvorrichtung 2 umfasst eine nicht im Detail gezeigte Lötstelle, die in den elektrischen Anschlusspfad A-B des Ableiters eingebunden ist, wobei über die Lötstelle ein beweglicher Leiterabschnitt oder eine bewegliche leitende Brücke (als Schalter symbolisiert) mit dem Ableitelement 1 einerseits und der Leiterabschnitt oder die Brücke andererseits mit einem ersten elektrischen Außenanschluss des Ableiters verbunden ist. Weiterhin ist ein Vorspannkraft erzeugendes Mittel, symbolisiert mit F, beispielsweise eine Feder, vorhanden, wobei der diesbezügliche Kraftvektor auf den Leiterabschnitt oder die Brücke in Abtrennrichtung wirkt.
- Gemäß
Fig. 2a ist ein Kommutierungszweig oder Kommutierungspfad 8 vorhanden, der eine Serienschaltung einer Sicherung 10 und eines spannungsschaltenden Elements 11 umfasst. - Der Kommutierungszweig 8 ist der Abtrennvorrichtung 2 ständig parallel geschaltet. In dem Fall, wenn sich die Abtrennvorrichtung 2 öffnet, kommutiert der Fehlerstrom in den Zweig 8. Dieser Zweig 8 führt den Strom so lange, bis ein ausreichender Trennstreckenabstand vorhanden ist und der Lichtbogen sicher gelöscht wird. Danach wird der Parallelzweig hochohmig geschaltet, z.B. durch Aktivierung der Sicherung 10, und der fließende Strom endgültig gelöscht.
- Die Darstellung nach
Fig. 2b zeigt eine Ausführungsvariante, wonach die Zuschaltung des Kommutierungszweigs 8 z.B. spannungsabhängig erfolgt oder aber auch durch eine mechanische Bewegung eines Schalters 9. - Bei den Lösungen gemäß den
Fig. 2a und 2b wird der Kommutierungszweig 8 bei allen Belastungen, welche zum Öffnen der Abtrennvorrichtung führen, aktiviert. Falls dies unerwünscht ist bzw. dann, wenn der Kommutierungszweig 8 nur im Überlastfall der Abtrennvorrichtung 2 aktiviert werden soll, kann dies nach der Ausführungsform gemäßFig. 3 realisiert werden. - Gemäß der Darstellung nach
Fig. 3 wird das bewegliche Anschlusselement der Abtrennvorrichtung 2 an einer Fangelektrode 12 vorbei- oder hindurchgeführt. - Die Fangelektrode 12 ist so angeordnet, dass die Entfernung zwischen dem festen Anschluss des Varistors und der Fangelektrode 12 unter üblichen Abschaltbedingungen für eine sichere Abtrennung des Varistors 1 ausreichend ist.
- Kann im Überlastfall hingegen ein entstehender Lichtbogen nicht sicher gelöscht werden, kommutiert der Strom zur Fangelektrode 12, während sich das bewegliche Element der Abtrennvorrichtung 1 weiterbewegt. Hierdurch wird zwischen dem festen Anschluss des Varistors 1 und dem beweglichen Element der Abtrennvorrichtung 2 eine Trennstrecke geschaffen, welche nur teilweise durch den Lichtbogen gebrückt wird. Nach Abschaltung des Fehlerstroms im Kommutierungszweig 8 verlischt der Lichtbogen dann vollständig.
- Bei der Ausführungsform nach
Fig. 3 liegt im Ableiter ein frei brennender Lichtbogen vor, welcher durch den Ableiter, den festen Anschluss des Varistors und die Fangelektrode 12 thermisch und dynamisch zumindest zeitweise beherrscht werden muss. - Wie bereits dargelegt, kann im einfachsten Fall der Kommutierungszweig 8 durch eine Parallelschaltung einer Sicherung 10 kleiner Baugröße und geringer Nennstromstärke realisiert werden.
- In Kombination dazu besteht die Möglichkeit, der Sicherung spannungsschaltende und spannungsbegrenzende Schaltelemente in Reihe zu schalten. Der entstehende Fehlerstrom kommutiert auf die Sicherung. Diese führt den Fehlerstrom über eine Zeitdauer, welche zum Verlöschen und zur Deionisation der Schaltstrecke ausreicht. Danach schaltet die Sicherung den Strom ab. Die Schaltspannung der Sicherung 10 darf hierbei die Spannungsfestigkeit der eigentlichen Schaltstrecke, d.h. der Schaltstrecke der Abtrennvorrichtung, nicht überschreiten.
- Alternativ zu einer irreversibel arbeitenden Sicherung können reversible Sicherungen oder PTC-Elemente Verwendung finden. Auch ist der Einsatz von elektronischen Bauelementen zur Abschaltung und Kommutierung möglich.
- Bei diesen Varianten der Erfindung kann im Kommutierungspfad eine weitere Abtrennvorrichtung vorgesehen sein, welche z.B. das PTC-Element bei Erreichen einer bestimmten Temperatur abtrennt, wodurch der Ableiter letztendlich durch eine reale Trennstrecke vollständig vom Netz freigeschaltet ist.
- Wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung im Fehlerfall der Varistor kurzgeschlossen wird, besteht die Gefahr, dass bei einem dauerhaften Kurzschluss im Fall der Anwendung eines solchen Überspannungsableiters bei trafolosen Wechselrichtern in photovoltaischen Anwendungen Probleme resultieren, und zwar bedingt durch fließende Rückströme. Außerdem kann das Auswechseln eines kurzgeschlossenen Überspannungsableiters eine Lichtbogengefährdung bewirken, da bei den erwähnten photovoltaischen Anwendungen ein Stromfluss vom Generator aus erfolgt.
- Zur Vermeidung dieser Nachteile ist im Kurzschlusszweig eine Schalteinrichtung vorhanden. Im Fall einer Überlastung des Varistors wird die eigentliche thermische Abtrennvorrichtung betätigt und es bewegt sich der Abtrennkontakt zum leitfähigen Element mit der Folge des Erreichens eines Kurzschlusszustands. Der entstehende Lichtbogen wird von den Kontaktelementen geführt und verlischt selbständig bei Erreichen des Kurzschlusskontakts. Nach einer vorgegebenen Zeit öffnet sich dann die im Kurzschlusspfad vorgesehene Schalteinrichtung und unterbricht den Fehlerstrom. Als Schalteinrichtung können mechanische Schaltgeräte, Sicherungen, aber auch Leistungshalbleiter eingesetzt werden. Auch ist der Einsatz von Funkenstrecken als Schalteinrichtung denkbar. Nach dem Abschaltvorgang der Schalteinrichtung, die sich im Kurzschlusspfad befindet, ist die defekte Überspannungsableiteranordnung aus dem eigentlichen Stromkreis herausgetrennt und es bleibt die Versorgung erhalten.
-
- 1
- Ableitelement / Varistor
- 2
- Abtrennvorrichtung
- 3
- beweglicher Leiterabschnitt oder bewegliche leitende Brücke
- 4
- geometrische Engstelle
- 5
- Lotstelle
- 6, 7
- Varistoranschlüsse
- 8
- Kommutierungszweig
- 9
- Schalter
- 10
- Sicherung
- 11
- spannungsschaltendes Element
- 12
- Fangelektrode
Claims (10)
- Überspannungsableiter mit einem Gehäuse und mindestens einem Ableitelement, insbesondere einem Varistor (1), sowie einer Abtrennvorrichtung (2), um das oder die Ableitelemente (1) vom Netz zu trennen, wobei die Abtrennvorrichtung (2) eine Trenn-, insbesondere Lötstelle umfasst, welche in den elektrischen Anschlusspfad (A, B) innerhalb des Ableiters eingebunden ist, wobei über die Lötstelle ein beweglicher Leiterabschnitt oder eine bewegliche leitende Brücke (3) mit dem Ableitelement (1) einerseits und der Leiterabschnitt oder die Brücke (3) andererseits mit einem ersten elektrischen Außenanschluss des Ableiters verbunden ist, sowie umfassend ein Vorspannkraft erzeugendes Mittel, beispielsweise eine Feder, wobei der diesbezügliche Kraftvektor (F) auf den Leiterabschnitt oder die Brücke (3) in Abtrennrichtung wirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
parallel zur Abtrennvorrichtung (1) ein Kommutierungszweig (8) vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Trennabstand der Abtrennvorrichtung (2) elektrisch parallel geschaltet ist, wobei im Trennabstand der mit dem Ableitelement (1) in Serie angeordneten Abtrennvorrichtung (2) eine Fangelektrode (12) vorgesehen ist, welche mit dem Kommutierungszweig (8) verbunden ist, wobei im Überlastfall ein über der Trennstrecke entstehender Lichtbogen zur Fangelektrode (12) und damit in den Kommutierungszweig (8) gelangt und gelöscht wird. - Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Kommutierungszweig (8) eine Sicherung (10) befindlich ist. - Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
im Bewegungsweg des Leiterabschnitts oder der Brücke (3) ein leitfähiges Element angeordnet ist, dessen erstes Ende bei ausgelöster Abtrennvorrichtung mit dem Leiterabschnitt oder der Brücke (3) in Kontakt gelangt, wobei dessen zweites Ende mit einem zweiten elektrischen Außenanschluss in Verbindung steht und das leitfähige Element eine Schalteinrichtung umfasst oder als Schalteinrichtung ausgebildet ist. - Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Element nachträglich in den Ableiter einsetzbar ist, um neben einer Abtrenn- auch eine Kurzschluss-Fail-Safe-Funktion zu realisieren. - Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements im Sinne eines im Abtrennfall wirkenden Kurzschließers ein Isolierplättchen zwischen dem leitfähigen Element und dem Leiterabschnitt oder der Brücke (3) anordenbar ist oder das leitfähige Element mindestens auf seinem ersten Ende einen lösbaren Isolierüberzug aufweist. - Überspannungsableiter nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements im Sinne eines im Abtrennfall wirkenden Kurzschließers der relative Abstand zwischen dem leitfähigen Element und dem Leiterabschnitt oder der Brücke einstellbar ist. - Überspannungsableiter nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zum wahlweisen Aktivieren des leitfähigen Elements im Sinne eines im Abtrennfall wirkenden Kurzschließers ein den Bewegungsweg des Leiterabschnitts oder der Brücke begrenzendes Element als Stift, Bolzen oder dergleichen Anordnung einsetzbar ist. - Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Element als Sicherung ausgebildet ist. - Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Element einen Leistungshalbleiter aufweist oder mit einem Leistungshalbleiter einen Stromkreis bildet, wobei der Leistungshalbleiter nach Führen eines Kurzschlussstroms mit Hilfe eines Initialimpulses in den geöffneten Zustand überführt wird. - Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Element im Querschnitt derart dimensioniert ist, dass nach einem Führen eines Kurzschlussstroms ein Auftrennen der leitfähigen Verbindung erfolgt.
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