-
Die Erfindung betrifft eine Abtrenn- und Umschaltvorrichtung für den Überspannungsschutz mit mindestens einem Ableitelement, insbesondere einem Varistor, weiterhin einer thermischen Abtrennstelle, die in den elektrischen Anschlusspfad des Ableitelements eingebunden ist, wobei die thermische Abtrennstelle ein bewegliches Leiterelement umfasst, welches unter einer mechanischen Vorspannung steht und sich im Abtrennfall von einer ersten Position in eine zweite Position bewegt, wobei mit Erreichen der zweiten Position eine elektrische Umschaltung bewirkt ist und eine vollständige elektrische Abtrennung des Ableitelements bezüglich des Anschlusspfads erst dann gegeben ist, wenn das bewegliche Leiterelement die zweite Position erreicht hat, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Abtrennvorrichtungen, auch mit Kurzschlussfunktion, wobei im aufgetrennten bzw. ausgelösten Schaltzustand der Abtrennvorrichtung der Strompfad über das defekte Ableitelement sich im Kurzschluss befindet derart, dass der Strom vom Ableitelement auf einen Bypass kommutiert, sind bekannt.
-
Ein so geschalteter niederohmiger Kurzschlusspfad kann z. B. dazu genutzt werden, ein vorgeschaltetes Schaltelement, z. B. eine Sicherung, welche auf den Kurzschlussstrom des betreffenden Netzes eingestellt ist, zu betätigen. Ebenso ist aber auch das Halten eines definierten Dauerkurzschlusses möglich, der bei bestimmten Anwendungen als sogenannter Fail-Safe-Zustand definiert ist.
-
Diesbezüglich soll auf die
EP 0 860 927 A1 verwiesen werden. In diesem Dokument ist eine elektromechanische Einrichtung beschrieben, die den Strom über einen Varistor überwacht und welche nach Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts den Kurzschluss im Bypass zum Varistorpfad über elektromechanische Kontakte schaltet.
-
Die
DE 37 34 214 C2 zeigt eine thermisch auslösbare Abtrennvorrichtung, deren schaltendes Element einen Wechselkontakt darstellt. Der Wechselkontakt schließt den Varistorkreis in bekannter Weise über eine Lotstelle. Wird das Schaltelement ausgelöst, wird ein weiterer Kontakt geschlossen, der entweder als interne oder externe Defektanzeige oder eben über eine entsprechende externe Verbindung als Kurzschluss verschaltet werden kann.
-
Die
DE 41 24 321 A1 zeigt die Möglichkeit einer zusätzlichen Sicherung für den Fall auf, dass auch der nach Ausfall eines ersten Varistors zugeschaltete redundante Varistor geschädigt ist. Diesbezüglich wird der redundante Varistor entweder durch Öffnen eines Schalters im Querstrompfad oder aber auch durch Öffnen des Schalters im Längsstrompfad von der Spannungsversorgung getrennt. Dabei erfolgt gleichzeitig eine Abtrennung des zu schützenden Systems vom Netz und ein Überspannungsschutz.
-
Insbesondere bei Photovoltaikanlagen ist aufgrund der Charakteristik der speisenden Quelle der dortige Betriebsstrom annähernd gleich dem Kurzschlussstrom. Ein klassisches Abtrennen bei Erwärmung eines Varistors mit Abtrennvorrichtung ist bei derartigen Gleichspannungsapplikationen nicht zielführend, da die Systemspannung von Photovoltaikanlagen bis zu 1000 V beträgt und die Unterbrechung von 1000 V-Gleichstromkreisen nur mit einem erheblichen konstruktiven oder apparativen Aufwand realisierbar ist.
-
Die
DE 10 2007 051 854 A1 zeigt eine Überspannungsableiteranordnung mit einem Gehäuse und mit mindestens einem Ableitelement, beispielsweise einem Varistor, wobei die dortige Lösung in der Lage sein soll, einen Kurzschlussstrom sicher zu führen, so dass sich neue Anwendungsbereiche ergeben.
-
Diesbezüglich werden an sich bekannte Abtrennvorrichtungen für Überspannungsableiter mit einer zusätzlichen Verbindung ausgerüstet, die die vorhandene Abtrennfunktion um eine Kurzschlussfunktion, die zeitlich begrenzt den Fehlerstrom führt, erweitert. Konkret wird vorgeschlagen, die zusätzliche Verbindung verschiedenartig auszugestalten, so dass auch nach Bedarf ein Aktivieren von außen am entsprechend realisierten Überspannungsableiter möglich wird.
-
Diesbezüglich ist ein Bewegungsweg des federvorgespannten Leiters oder einer federvorgespannten Brücke des Abtrennelements mindestens ein leitfähiges Element angeordnet, dessen erstes Ende bei ausgelöster Abtrennvorrichtung mit dem Leiterabschnitt oder der Brücke in Kontakt gelangt. Das zweite Ende des leitfähigen Elements ist mit einem zweiten elektrischen Außenanschluss in Verbindung stehend. Das leitfähige Element kann nachträglich in den Ableiter einsetzbar sein, um neben einer Abtrennfunktion auch eine Kurzschluss- bzw. Fail-Safe-Funktion zu realisieren.
-
Gemäß der
DE 10 2007 051 854 A1 kann das dortige leitfähige Element auch als Schalteinrichtung ausgebildet werden. Der durch die Schalteinrichtung im Kurzschlussfall gebildete Bypass ist nicht auf Dauerstromtragfähigkeit ausgelegt. Nachdem über eine gewisse Zeit der Fehlerstrom geflossen ist, erfolgt eine Abschaltung des Bypasses. Diesbezüglich kann das leitfähige Element als Sicherung ausgebildet sein. Nach der
DE 10 2007 051 854 A1 bewegt sich im Fall einer Überlastung des Überspannungsableiters der Anschluss der thermischen Abtrennvorrichtung zum Anschlusspunkt für das Kurzschlusselement im Bypass. In diesem Fall ist das Kurzschlusselement geschlossen. Der bei der Öffnung der thermischen Abtrennvorrichtung entstehende Lichtbogen soll von den Kontaktelementen geführt werden und selbständig verlöschen, und zwar bei Erreichen des Kurzschlusskontakts. Unmittelbar nach Erreichen des Kurzschlusskontakts verlischt dann der Bogen und es fließt Strom über den Bypass, z. B. ausgebildet als Sicherung.
-
Es hat sich jedoch gezeigt, dass bei der Umschaltung ein undefinierter Übergangsbereich vorliegt, bei dem das bewegliche Teil der Abtrennvorrichtung bereits den Überspannungsableiter verlassen hat, jedoch noch nicht mit dem Schaltelement, z. B. einer Sicherung, in Kontakt gelangt ist. In diesem Übergangsbereich brennt ein Lichtbogen, der für den Betrieb einer entsprechenden Vorrichtung einen erheblichen Nachteil darstellen kann.
-
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Abtrenn- und Umschaltvorrichtung für den Überspannungsschutz anzugeben, diese umfassend mindestens einen Ableiter, insbesondere einen Varistor, sowie eine thermische Abtrennstelle, die in den elektrischen Anschlusspfad des Ableiters eingebunden ist. Die anzugebende Abtrenn- und Umschaltvorrichtung soll sicherstellen, dass auch während des Abtrenn- und Umschaltvorgangs im Zuge der mechanischen Bewegung des entsprechenden Leiterelements keine unerwünschten Lichtbögen auftreten und damit die Betriebssicherheit einer diesbezüglich ausgerüsteten Vorrichtung erhöht ist.
-
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.
-
Es wird demnach von einer Abtrenn- und Umschaltvorrichtung für den Überspannungsschutz ausgegangen, welche mindestens ein Ableitelement aufweist. Weiterhin ist mindestens eine thermische Abtrennstelle vorhanden, die in den elektrischen Anschlusspfad des jeweiligen Ableitelements eingebunden ist. Die mindestens eine thermische Abtrennstelle enthält mindestens ein bewegliches Leiterelement, welches unter einer mechanischen Vorspannung steht. Diese mechanische Vorspannung kann durch ein zusätzliches Federelement erzeugt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das bewegliche Leiterelement selbst elastische, d. h. federnde Eigenschaften aufweist. Im Abtrennfall bewegt sich das Leiterelement von einer ersten Position in eine zweite Position, wobei mit Erreichen der zweiten Position die gewünschte elektrische Umschaltung bewirkt ist. In der ersten Position hingegen ist das entsprechende Ableitelement in den Anschlusspfad eingebunden, d. h. angeschlossen.
-
Eine vollständige elektrische Abtrennung des jeweiligen Ableitelements bezüglich des Anschlusspfads ist erst dann gegeben, wenn das bewegliche Leiterelement die zweite Position, d. h. die sogenannte Umschaltposition erreicht hat.
-
Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass während des Bewegungswegs des Leiterelements kein unerwünschter Lichtbogen auftritt.
-
Erfindungsgemäß ist die thermische Abtrennstelle durch das bewegliche Leiterelement und ein festes Kontaktelement gebildet. Das bewegliche Leiterelement ist am festen Kontaktelement durch ein thermisch auslösbares Mittel fixiert. Dieses thermisch auslösbare Mittel kann z. B. ein Lot oder ein thermisch sensitiver Kleber sein.
-
Weiterhin weist das Kontaktelement eine Nut oder eine Öffnung, z. B. in Form eines Schlitzes auf, in welche ein fingerartiger Fortsatz des beweglichen Leiterelements eintaucht derart, dass ein Außerkontaktkommen zwischen Nut oder Öffnung und fingerartigem Fortsatz erst mit Erreichen der zweiten Position des beweglichen Leiterelements gegeben ist. Über den erforderlichen Bewegungsweg des Leiterelements hält also der fingerartige Fortsatz noch Kontakt zum festen Kontaktelement und löst sich von diesem erst, nachdem der Umschaltpunkt gegeben ist.
-
Die Längsausdehnung des fingerartigen Fortsatzes ist dabei auf den Abstand zwischen dem festen Kontaktelement und einem diesbezüglichen Umschaltkontakt abgestimmt.
-
Das mindestens eine Ableitelement kann ein Varistor sein.
-
Obwohl vorstehend erläutert ist, dass das Kontaktelement eine Nut oder eine Öffnung aufweist und das bewegliche Leiterelement einen fingerartigen Fortsatz aufweist, kann diesbezüglich auch eine kinematische Umkehr gegeben sein, indem z. B. am festen Kontaktelement ein Finger vorgesehen ist, der in eine schlitzförmige Öffnung oder eine Nut des beweglichen Leiterelements eintaucht.
-
Der vorerwähnte Umschaltkontakt kann als sogenannter Wischer oder schleifender Kontakt ausgebildet sein und diesbezüglich eine Kontaktfläche aufweisen, welche sich über einen Teilbewegungsweg des beweglichen Leiterelements erstreckt.
-
Das bewegliche Leiterelement ist ausgestaltend mit einer Umschaltkontaktfläche versehen, welche beim Umschaltvorgang in Wirkverbindung mit der Kontaktfläche des Umschaltkontakts tritt.
-
Bei einer alternativen Ausführungsvariante erstreckt sich vom beweglichen Leiterelement in Richtung der zweiten Position eine federnde, nachgiebige Kontaktfahne, welche im Abtrennvorgang die zweite Position vor dem eigentlichen beweglichen Leiterelement erreicht.
-
Die Kontaktfahne kann hier als integraler Bestandteil des beweglichen Leiterelements, z. B. ausgebildet als gebogene Stanzzunge, ausgeführt werden.
-
Insbesondere bevorzugt ist das bewegliche Leiterelement als ein metallisches Stanz-Biegeteil ausführbar und kann so alle Funktionen in einfacher und kostengünstiger Weise übernehmen.
-
Gemäß der zweiten Ausführungsvariante der Erfindung weist der Umschaltkontakt eine Kontaktfläche auf, welche einen Anschlag primär für die Kontaktfahne und sekundär für ein diesbezügliches freies Ende des beweglichen Leiterelements bildet.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die elektrische Umschaltung auf eine Sicherung.
-
Dabei steht ein erster Sicherungspol mit einem Anschluss des Ableitelements in Verbindung und es ist ein zweiter Sicherungspol mit dem Umschaltkontakt in Verbindung stehend oder als Bestandteil dieses Kontakts ausgeführt.
-
Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich auch insbesondere für die Anwendung beim Überspannungsschutz im Bereich von photovoltaischen Anlagen.
-
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
-
Hierbei zeigen:
-
1a bis c eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem schleifenden Umschaltkontakt und
-
2a bis c eine zweite Ausführungsform der Erfindungslehre mit einer federnden Kontaktfahne, ausgebildet als vorgebogene Stanzzunge.
-
Obwohl bei den nachstehenden Ausführungsbeispielen von einem Ableitelement in Form eines Metalloxidvaristors ausgegangen wird, ist die Erfindungsidee ohne Weiteres auch übertragbar auf Abtrenn- und Umschaltvorrichtungen, die Überspannungsableiter anderer Bauart einsetzen oder verwenden, sofern diesbezüglich eine thermische Überwachung des Betriebszustands maßgeblich ist.
-
Gemäß den Darstellungen nach 1a bis 1c wird von einer Abtrenn- und Umschaltvorrichtung für einen Überspannungsableiter ausgegangen, wobei ein Ableitelement 1, z. B. ausgebildet als Varistor MOV, innerhalb eines Gehäuses eines Überspannungsschutz-Steckteils 2 angeordnet ist.
-
In den elektrischen Anschlusspfad 3 des Varistors 1 ist eine thermische Abtrennstelle 4 (ATV) eingebunden.
-
Die thermische Abtrennstelle 4 umfasst ein bewegliches Leiterelement 5, welches unter mechanischer Vorspannung steht bzw. gemäß den figürlichen Darstellungen des Ausführungsbeispiels selbst federnde Eigenschaften besitzt.
-
Im Abtrennfall bewegt sich das Leiterelement 5 von einer ersten Position (1a bzw. 2a) in eine zweite Position (1c bzw. 2c), wobei die zweite Position eine elektrische Umschaltung bewirkt.
-
Mit Erreichen der zweiten Position, d. h. der Endstellung gemäß 1c bzw. 2c ist der Varistor 1 vom Anschlusspfad 3 getrennt, d. h. ein entsprechender Kontakt 6 des Varistors 1 steht nicht mehr in Verbindung mit dem beweglichen Leiterelement 5 hin zum Anschlusspfad 3.
-
Aus dem Verlauf der Darstellungen gemäß den 1a bis 1c und 2a bis 2c wird ersichtlich, dass die elektrische Abtrennung des Varistors bezüglich des Anschlusspfads 3 erst dann gegeben ist, wenn das bewegliche Leiterelement 5 die zweite (jeweils linksseitige) Position erreicht hat.
-
Die eigentliche thermische Abtrennstelle 4 ist, wie bereits geschildert, durch das bewegliche Leiterelement 5 und ein festes Kontaktelement 6 gebildet, das z. B. gleichzeitig ein entsprechender Anschlusskontakt des Varistor 1 sein kann.
-
Das bewegliche Leiterelement 5 ist am festen Kontaktelement 6 durch ein figürlich nicht dargestelltes thermisch auslösbares Mittel, z. B. ein Lot fixiert.
-
Das Kontaktelement 6 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1a bis 1c eine Nut 7 auf bzw. eine diesbezügliche schlitzförmige Öffnung, in welche ein fingerartiger Fortsatz 8 des beweglichen Leiterelements 5 eintaucht, derart, dass ein Außerkontaktkommen zwischen Öffnung 7 und fingerartigem Fortsatz 8 erst mit dem Erreichen der zweiten Position des beweglichen Leiterelements 5 gegeben ist.
-
Die Längsausdehnung des fingerartigen Fortsatzes 8 ist auf den Abstand zwischen dem festen Kontaktelement 6 und dem Umschaltkontakt 9 abgestimmt.
-
Der Umschaltkontakt 9 kann als Wischer oder schleifender Kontakt, wie in den 1a bis 1c dargestellt, ausgeführt werden.
-
Diesbezüglich weist der Umschaltkontakt 9 eine unterseitige Kontaktfläche auf, welche sich über einen Teilbewegungsweg des beweglichen Leiterelements und eines dort vorhandenen Gegenkontakts 11 erstreckt.
-
Diese Gegenkontaktfläche 11 kann auch als Umschaltkontaktfläche bezeichnet werden, welche beim Umschaltvorgang in Wirkverbindung mit der Kontaktfläche 10 des Umschaltkontakts 9 tritt.
-
Im Zuge des Auslösens der thermischen Abtrennvorrichtung 4 und der Bewegung des Leiterelements 5 von der geschlossenen in die Abtrenn- und dann Umschaltposition wird ein Stromkreis zu einer Sicherung 12 geschlossen, so dass sich ein diesbezüglich neuer Pfad über die Elemente 3 und 12 ausbildet.
-
Die Sicherung 12 kann, wie in den Figuren gezeigt, in das Überspannungsschutz-Steckteil 2 integriert werden.
-
Bei der Ausführungsform gemäß 2a bis 2c sind im Wesentlichen die gleichen funktionalen Elemente enthalten, wie mit Bezugnahme auf die 1a bis 1c erläutert, so dass diesbezüglich auf die voranstehenden Schilderungen verwiesen werden kann.
-
In einer Alternative erstreckt sich, wie in den 2a bis 2c dargestellt, vom beweglichen Leiterelement 5 in Richtung der zweiten (linksseitigen) Position eine federnde nachgiebige Kontaktfahne 13, welche im Abtrennvorgang die zweite Position (linksseitig) vor dem eigentlichen beweglichen Leiterelement 5 erreicht.
-
Die Kontaktfahne 13 kann als integraler Bestandteil des beweglichen Leiterelements, insbesondere als vorgebogene Stanzzunge ausgeführt werden.
-
Der Umschaltkontakt weist beim Ausführungsbeispiel nach den 2a bis 2c eine Kontaktfläche auf, die als Anschlag 14 für ein entsprechendes Ende der Kontaktfahne 13 und sekundär für ein diesbezügliches freies Ende 15 des beweglichen Leiterelements 5 dient.
-
Auch bei dem Ausführungsbeispiel nach den 2a bis 2c erfolgt die Umschaltung auf die gezeigte Sicherung 12 unter Abtrennen des Varistors 1.
-
Ein erster Sicherungspol 16 steht mit einem Anschluss 17 des Ableitelements bzw. Varistors 1 in Verbindung, wobei ein zweiter Sicherungspol 18 mit dem Umschaltkontakt 9 in Verbindung steht oder ein Bestandteil dieses Kontakts darstellt.
-
Wie insbesondere aus der 2a und 2b nachvollziehbar ist, kann das dortige bewegliche Leiterelement 5 mit Kontaktfahne 13 in sehr einfacher Weise als Stanz-Biegeteil ausgeführt werden, wobei über einen entsprechenden Stanzschnitt der Bereich der Kontaktfahne 13 separierbar ist und vorgebogen werden kann, so dass sich der in der 2a erkennbare Abwinklungsabstand zwischen der Stanzzunge 13 und dem Leiterelement 5 einstellt, welches über ein Lot am Kontakt 6 fixiert ist.
-
Die beiden Übergangspositionen nach den 1b und 2b lassen erkennen, dass in dieser Position sowohl der Varistor 1 noch im Anschlusspfad 3 eingebunden ist, als auch eine Kontaktierung der dort gezeigten Sicherung 12 gegeben ist.
