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Die Erfindung geht aus von einem Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse, mit mindestens einem in dem Gehäuse angeordneten überspannungsbegrenzenden Bauelement und mit einer optische Zustandsanzeige zur Anzeige des Zustandes des Überspannungsschutzelements.
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Aus der
DE 20 2004 006 227 U1 ist ein Überspannungsschutzelement bekannt, bei dem die Überwachung des Zustands eines überspannungsbegrenzenden Bauelements, insbesondere eines Varistors, nach dem Prinzip eines Temperaturschalters erfolgt, so daß bei Überhitzung des Varistors eine zwischen dem Varistor und einem Trennelement vorgesehene Lötverbindung aufgetrennt wird, was zu einem elektrischen Abtrennen des Varistors führt. Außerdem wird beim Auftrennen der Lötverbindung ein Kunststoffelement durch die Rückstellkraft einer Feder aus einer ersten Position in eine zweite Position geschoben, in der das als federnde Metallzunge ausgebildete Trennelement durch das Kunststoffelement thermisch und elektrisch vom Varistor getrennt ist. Da das Kunststoffelement zwei nebeneinander angeordnete farbige Markierungen aufweist, fungiert es zusätzlich auch als optische Zustandsanzeige, wodurch der Zustand des Überspannungsschutzelements direkt vor Ort einfach abgelesen werden kann.
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Die
DE 10 2004 024 657 A1 offenbart ein Überspannungsschutzelement, bei dem zwei parallel zueinander geschaltete Varistoren gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind. Auch dieses bekannte Überspannungsschutzelement weist eine auf eine Lötverbindung basierende thermische Abtrennvorrichtung auf, die am Lebensende der Varistoren diese abtrennt und eine optische Zustandsanzeige betätigt. Hierzu ist ein Signalhebel vorgesehen, der durch zwei Schieber in zwei Schritten verschwenkt werden kann, wobei die beiden federbelasteten Schieber jeweils über eine Lötstelle in thermischen Kontakt mit den Varistoren verbunden sind. Beim Erreichen einer ersten Grenztemperatur kommt es zum Auftrennen der ersten Lötstelle, wodurch der Signalhebel um einen ersten Winkel verschwenkt wird, und beim Erreichen einer zweiten, höheren Grenztemperatur zum Auftrennen der zweiten Lötstelle, wodurch der Signalhebel um einen weiteren Winkel verschwenkt wird. Durch das zweistufige Verschwenken des Signalhebels wird ein mit dem Signalhebel verbundener Anzeigeschieber entsprechend um eine erst bzw. eine zweite Strecke verschoben, wodurch eine dreistufige bzw. dreifarbige optische Zustandsanzeige realisiert ist.
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Die bekannten Überspannungsschutzelemente sind häufig als ”Schutzstecker” ausgebildet, die zusammen mit einem Geräteunterteil ein Überspannungsschutzgerät bilden. Zur Installation eines derartigen Überspannungsschutzgeräts, welches beispielsweise die phasenführenden Leiter L1, L2, L3 sowie den Neutralleiter N und gegebenenfalls auch den Erdleiter PE schützen soll, sind bei den bekannten Überspannungsschutzgeräten am Geräteunterteil entsprechende Anschlußklemmen für die einzelnen Leiter vorgesehen. Zur einfachen mechanischen und elektrischen Kontaktierung des Geräteunterteils mit dem jeweiligen Überspannungsschutzelement sind bei dem Überspannungsschutzelement die Anschlußelemente als Steckerstifte ausgebildet, zu denen im Geräteunterteil korrespondierende, mit den Anschlußklemmen verbundene Steckerbuchsen angeordnet sind, so daß das Überspannungsschutzelement einfach auf das Geräteunterteil aufsteckbar ist. Als überspannungsbegrenzendes Bauelement werden dabei insbesondere Varistoren verwendet, wobei jedoch je nach Einsatzzweck des Überspannungsschutzelements auch gasgefüllte Überspannungsableiter, Funkenstrecken oder Dioden eingesetzt werden können.
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Die
DE 849 271 B offenbart einen Ansprechzähler für den Nachstrom bei Überspannungsableitern, bei dem mittels verschiedener magnetischer Sättigung einzelner Flusspfade Stromimpulse von verschiedenem Zeit- und Intensitätsverlauf getrennt erfassbar sind. Der Ansprechzähler hat die Aufgabe, nach erfolgter Ableitung der Überspannung jedes Auftreten eines nachfolgenden Netzstromes auf ein Zählwerk zu übertragen, wobei das Zählwerk laufend die Anzahl der in Verbindung mit Überspannungen auftretenden Nachströme zählt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs beschriebenes Überspannungsschutzelement zur Verfügung zu stellen, welches eine einfache Anzeige des Zustands des Überspannungsschutzelements ermöglicht.
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Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsschutzelement dadurch gelöst, daß eine Spule in Reihe zu dem überspannungsbegrenzenden Bauelement oder in einem gemeinsamen Strompfad mehrerer überspannungsbegrenzender Bauelemente angeordnet ist, wobei ein durch die Spule fließender Strom I ein magnetisches Feld erzeugt, wobei nur dann ein Strom I durch die Spule fließt, wenn eine Überspannung ansteht, und daß die optische Zustandsanzeige derart angeordnet ist, daß ihre Position aufgrund einer durch das magnetische Feld erzeugten Kraft in Abhängigkeit von der Amplitude des Stromes I verändert wird. Im Unterschied zum Stand der Technik ist bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement die Anzeige des Zustands nicht an das Auftrennen einer Lötverbindung gekoppelt und somit unabhängig vom realisierten Abtrennmechanismus. Statt dessen wird die Tatsache ausgenutzt, daß ein durch einen Leiter fließender Strom ein magnetisches Feld hervorruft, welches seinerseits eine Kraft erzeugt, die zur Auslenkung der optischen Zustandsanzeige genutzt wird. Durch die Anordnung der Spule in Reihe zu dem überspannungsbegrenzenden Bauelement oder in einem gemeinsamen Strompfad, beispielsweise einem mit einem Erdanschluß verbundenen Strompfad, mehrerer überspannungsbegrenzender Bauelemente ist sichergestellt, daß nur dann ein Strom durch die Spule fließt und damit ein magnetisches Feld erzeugt wird, wenn eine Überspannung ansteht.
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Bei einer ersten bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements ist ein Ende der Spule innerhalb des Gehäuses fixiert, während das frei bewegliche Ende der Spule mit der optischen Zustandsanzeige mechanisch verbunden ist. In Abhängigkeit von der Flexibilität des Materials der Spule führt bei einer derartigen Anordnung der Spule ein durch die Spule fließender Strom I dazu, daß sich die Spule zusammenzieht. Ursache hierfür ist der physikalische Effekt, daß zwischen zwei stromdurchflossenen Leitern eine Anziehungskraft wirkt, wenn der Strom durch die beiden Leiter gleichgerichtet ist. Bei der zuvor beschriebenen Anordnung der Spule, bei der ein Ende mechanisch fixiert ist, ist die Strecke, um die sich die Spule zusammenzieht, proportional zum Strom I, der durch die Spule fließt. Dadurch, daß das frei bewegliche Ende der Spule mit der optischen Zustandsanzeige mechanisch fest verbunden ist, führt ein Zusammenziehen der Spule zu einer entsprechenden Veränderung der Position der Zustandsanzeige. Die Positionsveränderung der Zustandsanzeige ist somit ebenfalls proportional zum Strom I.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements ist die Spule so ausgebildet oder angeordnet, daß sie nach einer Auslenkung aufgrund eines durch die Spule fließenden Stromes I nicht allein durch ihrer Federkraft in dem Zustand vor der Auslenkung zurückfedert. Dadurch wird erreicht, daß bei einem nur kurzfristig anstehenden Stromimpuls dieser nicht nur kurzfristig durch eine entsprechende Veränderung der Position der Zustandsanzeige angezeigt wird, sondern daß die Zustandsanzeige auch nach dem Stromimpuls noch in ihrer neuen Position verbleibt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Spule aus einem nicht federnden Material besteht. Hierbei muß jedoch gewährleistet sein, daß die Spule trotzdem ausreichend flexible ist, damit ein durch die Spule fließender Strom I zur gewünschten Verkürzung der Spulenlänge und damit zur gewollten Positionsveränderung der Zustandsanzeige führt. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Verrastung vorgesehen sein, die ein Zurückfedern der Spule in den nicht ausgelenkten Zustand verhindert.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der ersten Variante des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements ist vorgesehen, daß die Spule so angeordnet ist, daß sie nach einer Auslenkung, insbesondere nach ihrer maximalen Auslenkung, mechanisch in den nicht ausgelenkten Zustand zurücksetzbar ist. Die Auslenkung, die die optische Zustandsanzeige aufgrund eines durch die Spule fließenden Stromimpulses erfährt, hängt von der Amplitude des Stromimpulses ab. Somit können sowohl ein Stromimpuls mit einer großen Amplitude als auch eine Mehrzahl von Stromimpulsen mit niedriger Amplitude zu einer maximalen Auslenkung der Zustandsanzeige führen. Hat die Zustandsanzeige ihre maximale Auslenkung erreicht, so bedeutet dies, daß das überspannungsbegrenzende Bauelement, dessen Zustand durch die optische Zustandsanzeige angezeigt wird, nicht mehr funktionstüchtig ist und daher ausgetauscht werden muß.
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Je nach Ausgestaltung und Anordnung des überspannungsbegrenzenden Bauelements ist es möglich, daß nicht das Überspannungsschutzelement insgesamt sondern lediglich das defekte überspannungsbegrenzende Bauelement ausgetauscht werden muß. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Überspannungsschutzelement mehrere überspannungsbegrenzende Bauelemente aufweist. In diesem Fall kann bei der bevorzugten Ausgestaltung des Überspannungsschutzelement die optische Zustandsanzeige dadurch zurückgesetzt werden, daß die Spule mechanisch, beispielsweise mittels eines Betätigungswerkzeugs, wieder in den nicht ausgelenkten Zustand zurückgesetzt wird. Das Überspannungsschutzelement weist somit eine Art ”Reset”-Funktion auf.
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Bei einer zweiten, alternativen Variante des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements ist innerhalb der Spule ein magnetischer Kern angeordnet, dessen eines Ende mit der optischen Zustandsanzeige mechanisch verbunden ist. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements wird der physikalische Effekt ausgenutzt, daß auf einen innerhalb einer stromdurchflossenen Spule angeordneten magnetischen Kern aufgrund des magnetischen Feldes innerhalb der Spule eine Kraft wirkt, die parallel zur Längsachse – und damit entlang der Feldlinien des magnetischen Feldes – gerichtet ist. Dadurch, daß ein Ende des Kerns mit der optischen Zustandsanzeige mechanisch verbunden ist, führt eine Positionsveränderung des Kerns automatisch zu einer Positionsveränderung der optischen Zustandsanzeige, wobei die Größe der Auslenkung von der Amplitude des durch die Spule fließenden Stromimpulses abhängt.
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Um ein Zurückwandern des magnetischen Kerns nach Ende des Stromflusses durch die Spule zu verhindern, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß der Kern so angeordnet ist, daß er nach einer Auslenkung nicht wieder von alleine in die Position vor der Auslenkung zurückgelangt. Dies kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung durch die Ausbildung einer Verrastung erfolgen, wobei die Verrastung ein mit dem Kern verbundenes Rastelement und ein im Gehäuse angeordnetes korrespondierendes Gegenrastelement aufweist. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Rastelement und das Gegenrastelement so ausgebildet sind, daß der Kern in mehreren unterschiedlichen Positionen verrastbar ist, so daß mehrere nacheinander durch die Spule fließende Stromimpulse mit geringer Amplitude zu einer schrittweisen Veränderung der Position der optischen Zustandsanzeige führen. Hierzu kann das am Kern befestigte Rastelement mehrere in Längsrichtung des Kerns angeordnete Rastnasen aufweisen, die jeweils mit dem Gegenrastelement verrasten können.
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Ebenso wie bei der ersten Variante ist auch bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements vorteilhafterweise vorgesehen, daß der Kern nach einer Auslenkung, insbesondere nach seiner maximalen Auslenkung, mechanisch in den nicht ausgelenkten Zustand zurückgesetzt werden kann. Bei einer entsprechenden Verrastung ist dann beispielsweise vorgesehen, daß die Verrastung gelöst werden kann. Hierzu kann ein als Rasthaken ausgebildetes Gegenrastelement über ein Federelement im Gehäuse angeordnet sein, so daß die Verrastung zwischen dem Rasthaken und dem mit dem Kern verbundenen korrespondierenden Rastelement dadurch gelöst werden kann, daß der Rasthaken entgegen der Federkraft des Federelements zurückgezogen und anschließend der Kern in seine Ursprungsstellung zurückgeschoben wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements, das sowohl bei der ersten Variante als auch bei der zweiten Variante vorteilhafterweise realisiert ist, weist die Zustandsanzeige mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichen Markierungen, insbesondere zwei Bereiche mit unterschiedlichen Farben, beispielsweise grün und rot, auf. Hierdurch kann der jeweilige Zustand eines überwachten überspannungsbegrenzenden Bauelements für den Betrachter schnell und eindeutig erkennt werden.
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Darüber hinaus ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß im Gehäuse, insbesondere im Gehäusedeckel bzw. an der Gehäuseoberseite, ein Sichtfenster für die Zustandsanzeige ausgebildet ist. Durch die Anordnung der Zustandsanzeige unterhalb des Sichtfensters und damit innerhalb des Gehäuses kann die Zustandsanzeige zuverlässig vor Beschädigungen geschützt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Überspannungsschutzelement neben der optischen Zustandsanzeige auch eine thermische Abtrennvorrichtung und vorteilhafterweise auch einen Fernmeldekontakt zur Fernmeldung des Zustands des Überspannungsschutzelements auf. Die thermische Abtrennvorrichtung kann dabei – wie für sich aus dem Stand der Technik bekannt – ein elektrisch leitendes Trennelement aufweisen, daß im Normalzustand des Überspannungsschutzelements mit seinem ersten Ende mit einem ersten Anschlußelement des Überspannungsschutzelements und mit seinem zweiten Ende über eine Lötstelle mit dem überspannungsbegrenzenden Bauelement elektrisch leitend verbunden ist. Bei einer Erwärmung des überspannungsbegrenzenden Bauelements kommt es dann zu einem Auftrennen der Lötverbindung, so daß das überspannungsbegrenzende Bauelement elektrisch abgetrennt wird.
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Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung zweier bevorzugte Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
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2 eine Prinzipsskizze einer ersten Ausführungsvariante des Betätigungsmechanismus der optischen Zustandsanzeige des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
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3 eine Prinzipsskizze einer zweiten Ausführungsvariante des Betätigungsmechanismus der optischen Zustandsanzeige des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements und
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4 eine vergrößerte Darstellung der optischen Zustandsanzeige.
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Die Figuren zeigen ein insgesamt nur in 1 dargestelltes Überspannungsschutzelement 1 mit einem Gehäuse 2, wobei in dem Gehäuse 2 mindestens ein überspannungsbegrenzendes Bauelement, beispielsweise ein Varistor, ein Gasableiter oder eine Diode angeordnet ist. Das in 1 dargestellte Überspannungsschutzelement 1 ist als ”Schutzstecker” ausgebildet und weist zwei als Steckerstifte ausgebildete Anschlußelemente 3, 4 auf, die in korrespondierende Steckerbuchsen in einem Geräteunterteil einsteckbar sind.
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Die 2 und 3 zeigen jeweils nur schematisch zwei verschiedene Ausführungsvarianten des Betätigungsmechanismus der optischen Zustandsanzeige 5, die den Zustand des Überspannungsschutzelements 1 bzw. des in dem Gehäuse 2 angeordneten überspannungsbegrenzenden Bauelements anzeigt.
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Bei der Variante gemäß 2 ist eine Spule 6 derart in Reihe zu einem überspannungsbegrenzenden Bauelement angeordnet, daß das eine Ende 7 der Spule 6 fixiert ist, während das frei bewegliche Ende 8 der Spule 6 mechanisch mit der optischen Zustandsanzeige 5 verbunden ist. Ein durch die Spule 6 fließender Strom I führt dann dazu, daß sich die Spule 6 zusammenzieht, so daß aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen der optischen Zustandsanzeige 5 und dem freien Ende 8 der Spule 6 die Position der optischen Zustandsanzeige 5 verändert wird. Dabei ist die Strecke, um die sich die Spule 6 zusammenzieht, und damit auch die Auslenkung der Zustandsanzeige 5 proportional zur Amplitude des durch die Spule 6 fließenden Stromes I.
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Während in 2a ein Zustand dargestellt ist, in dem kein Strom durch die Spule 6 fließt, so daß sich die optische Zustandsanzeige 5 in ihrer Ausgangsposition befindet, zeigt 2b einen Zustand, bei dem ein Strom I durch die Spule 6 fließt. Bei einem Vergleich der 2a und 2b ist erkennbar, daß sich im in 2b dargestellten Zustand die Spule 6 aufgrund der Kraft F etwas zusammengezogen hat, so daß sich auch die Position der optischen Zustandsanzeige 5 entsprechend verändert hat.
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Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die optische Zustandsanzeige 5, die zwei unterschiedliche farbige Bereiche 5a und 5b aufweist, unter einem im Gehäusedeckel 13 ausgebildeten Sichtfenster 14 angeordnet. Im nicht ausgelenkten Zustand der Spule 6 (2a) ist dann durch das Sichtfenster 14 nur der Bereich 5a und im ausgelenkten Zustand der Spule 6 (2b) der Bereich 5b sichtbar. Der Bereich 5a kann dabei beispielsweise grün und der Bereich 5b rot sein, so daß durch einen kurzen Blick auf das Sichtfenster 14 anhand der sichtbaren Farbe – grün oder rot – sofort der Zustand des Überspannungsschutzelement 1 erkennbar ist.
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Bei dem in 3 dargestellten Betätigungsmechanismus der optischen Zustandsanzeige 5 ist innerhalb der Spule 6 ein magnetischer Kern 9 angeordnet, dessen eines Ende 10 mit der optischen Zustandsanzeige 5 mechanisch verbunden ist. Fließt bei dieser Ausführungsvariante ein Strom I durch die Spule 6, so wird auch hierbei ein magnetisches Feld erzeugt, das eine Kraft F auf den magnetischen Kern 9 ausübt, die parallel zu den Feldlinien des magnetischen Feldes und damit auch parallel zur Längsachse der Spule 6 gerichtet ist. Der magnetische Kern 9 wird somit aufgrund der Kraft F durch die Spule 6 geschoben, wobei auch hier aufgrund der Anbindung der optischen Zustandsanzeige 5 an den Kern 9 eine Positionsänderung des Kerns 9 zu einer entsprechenden Positionsänderung der optischen Zustandsanzeige 5 führt.
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Um nach dem Ende des Stromflusses durch die Spule 6 ein Zurückwandern des magnetischen Kerns 9 zu verhindern, ist eine Verrastung vorgesehen, die aus einem am magnetischen Kern 9 angeordneten Rastelement 11, welches mehrere Rastnasen aufweist, und einem als Rasthaken 12 ausgebildeten korrespondierenden Gegenrastelement besteht. Der Rasthaken 12 ist dabei über ein Federelement 15 mit dem Gehäuse 2 verbunden, so daß der magnetische Kern 9 durch ein Zurückziehen des Rasthakens 12 entgegen der Kraft des Federelements 15 in den nicht ausgelenkten Zustand zurückgesetzt werden kann. Dadurch, daß das Rastelement 11 mehrere Rastnasen aufweist, kann der magnetische Kern 9 in verschiedenen Positionen verrasten. Mehrere nacheinander durch die Spule 6 fließende Stromimpulse mit geringer Amplitude führen dann zu einer schrittweisen Veränderung der Position der optischen Zustandsanzeige 5, so daß auch eine langsame Verschlechterung des Zustands des Überspannungsschutzelement 1 anhand der Position der Zustandsanzeige 5 erkennbar ist.
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Aus den 2 und 3 ist darüber hinaus noch ersichtlich, daß das Überspannungsschutzelement 1 neben der optischen Zustandsanzeige 5 noch einen Fernmeldekontakt 16 zur Fernmeldung des Zustands des Überspannungsschutzelements 1 aufweist. Der Fernmeldekontakt 16 ist dabei derart mit der optischen Zustandsanzeige 5 verbunden, daß bei Erreichen der Endposition der Zustandsanzeige 5 der Fernmeldekontakt 16 geschlossen ist und somit eine Fernmeldung erfolgt. Bei der in 1 dargestellten Ausführung des Überspannungsschutzelements 1 als ”Schutzstecker” ist an der Unterseite des Gehäuses 2 ein federbelasteter Auslösestift 17 angeordnet, dessen freies Ende durch den Gehäuseboden hindurchragt. Der Auslösestift 17 dient dabei zur Betätigung eines Fernmeldekontakts 16, welcher in dem nicht dargestellten Geräteunterteil angeordnet ist. Außerdem ist an der Unterseite des Gehäuses 2 des Überspannungsschutzelements 1 noch ein Kodierelement 18 ausgebildet, das mit einem korrespondierenden Gegenkodierelement im Geräteunterteil zusammenwirkt.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine bevorzugte Ausgestaltung der optischen Zustandsanzeige 5, wobei in 4 auch das Sichtfenster 14 dargestellt ist. Sowohl die optische Zustandsanzeige 5 als auch das Sichtfenster 14 sind rechteckig ausgebildet, wobei die Länge LZ der Zustandsanzeige 5 wesentlich größer als die Länge LS des Sichtfensters 14; durch das Sichtfenster 14 ist somit immer nur ein kleiner Bereich der Zustandsanzeige 5 sichtbar. Außerdem weist die optische Zustandsanzeige 5 zwei unterschiedlich farbige Bereiche 5a und 5b auf, die jeweils dreieckig ausgebildet sind. Je nach Position der optischen Zustandsanzeige 5 ist somit durch das Sichtfenster 14 ein unterschiedlich großer Anteil der beiden Bereiche 5a und 5b sichtbar. Ist der Bereich 5a grün und der Bereich 5b rot markiert, so ist auf diese Art und Weise durch das Sichtfenster 14 leicht erkennbar, in welchem Zustand sich das Überspannungsschutzelement 1 befindet.
