DE102015008136B4

DE102015008136B4 - Schalteinrichtung für Überspannungsschutzgeräte

Info

Publication number: DE102015008136B4
Application number: DE102015008136.5A
Authority: DE
Inventors: Georg Wittmann; Edmund Zäuner; Christian Lang; Helmut Hirschmann
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2021-08-26
Anticipated expiration: 2035-06-25
Also published as: EP3189536A1; ES2826605T3; WO2016034392A1; DE102015008136A1; EP3189536B1; CN106796859A; SI3189536T1

Abstract

Schalteinrichtung für Überspannungsschutzgeräte, bestehend aus mechanisch vorgespannten, stoßstromfähigen ersten Schaltelementen (S2), welche mit dem oder den Ableitern (ÜS1; ÜS2) des Überspannungsschutzgeräts eine Reihenschaltung eines Stoßstrompfads bilden, sowie einen an der Reihenschaltung angeschlossenen Fehlerstrompfad, wobei im Fehlerstrompfad zweite Schaltelemente (S1) angeordnet und derart mit den ersten Schaltelementen (S2) mechanisch gekoppelt sind, dass bei andauernden unzulässigen Belastungen der Ableiter (ÜS1; ÜS2) im Stoßstrompfad ein Auslösen des oder der ersten Schaltelemente (S2) mit der Folge einer galvanischen Trennung des Stoßstrompfads vom jeweiligen Netz erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoßstrompfad den Hauptstromkreis und der Fehlerstrompfad einen Abbildungsstromkreis mit Eigenabschaltvermögen darstellt, wobei im Abbildungsstromkreis den zweiten Schaltelementen (S1) eine Impedanz (Z1) in Reihe geschalten ist und diese Reihenschaltung einem Gasableiter (ÜS1), der im Hauptstromkreis liegt, parallel geschalten ist, derart, dass bei netzfrequentem Leckstrom im Abbildungsstromkreis bei Impulsbelastung der Spannungsabfall über die Reihenschaltung eine Zündung des Gasableiters (ÜS1) bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalteinrichtung für Überspannungsschutzgeräte, bestehend aus mechanisch vorgespannten, stoßstromfähigen ersten Schaltelementen, welche mit dem oder den Ableitern des Überspannungsschutzgeräts eine Reihenschaltung eines Stoßstrompfads bilden, sowie einen an der Reihenschaltung angeschlossenen Fehlerstrompfad, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, wie aus der DE 10 2013 202 796 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2009 022 069 A1 ist ein Überspannungsableiter vorbekannt, der in einem Gehäuse mindestens ein Ableitelement, insbesondere ausgebildet als Varistor, aufweist. Die vorbekannte Lösung umfasst darüber hinaus eine thermische Abschaltvorrichtung, ausgebildet als Sicherung. Die Sicherung weist ein bewegliches Bauteil auf, welches von einem Kennmelder-Draht fixiert und nach Schmelzen bzw. Zerstören dieses Drahtes freigegeben wird. Der bewegliche Bolzen ist also in der Lage, mit dem Schmelzen des Kennmelder-Drahts eine Bewegung auszuführen. Infolge der Bewegung des Bolzens vom Sicherungskörper weg nach oben wird ein Führungsteil freigegeben und es kann ein dort vorhandener Schieber eine entsprechende Bewegung unter Einwirkung einer Federvorspannkraft ausführen. Die ausgeführte Bewegung wird für eine optische Schadensanzeige genutzt.
Thermisch gekoppelte Abtrennvorrichtungen für Überspannungsschutzgeräte sind auch aus der DE 10 2006 036 598 A1 vorbekannt. Dort wird eine Schaltzunge und eine zugehörige Lotstelle mit einer Vorspann-, Auslöse- und Schaltkraft beaufschlagt. Durch die notwendige thermische Kopplung und die Zeitverzögerung der notwendigen Wärmeübertragung ist eine gewünschte schnelle Betätigung im Störungsfall problematisch.
Eine Kombination von elektrischen Schalteinrichtungen mit mechanischen Elementen zur Erhöhung des Eigenlöschvermögens zeigte die Überspannungsschutzanordnung nach DE 10 2011 018 556 A1 .
Es verbleibt demnach festzuhalten, dass Überspannungsschutzgeräte auf Varistorbasis üblicherweise mittels thermischer Abtrennung einer Lotstelle vor Überlastung geschützt werden. Derartige Lösungsansätze weisen den Nachteil auf, dass die Abschaltung relativ träge, d.h. erst mit dem Erreichen der Schmelztemperatur des Lotes erfolgt. Ein Schutz des Überspannungselements, insbesondere des eingesetzten Varistors, ist nur in einem Strombereich von kleinen Leckströmen mit einigen Miiliampere bis zu wenigen Ampere gegeben. Energiereiche Stoßstromimpulse oder größere netzfrequente Überlastströme (TOV) können hingegen zu einem unzulässigen Ausfall im Sinne einer Explosion und Zerstörung des Überspannungsschutzgeräts führen.
Die ebenfalls bekannt gewordene Verwendung einer integrierten Sicherung führt zwar zur Abschaltung bei auftretenden großen Kurzschlussströmen; Fehlerströme, die unterhalb des Sicherungsnennwerts liegen, können dennoch zu einem unzulässigen Ausfall des entsprechenden Ableiters führen.
Bekannte Maßnahmen, wie z.B. die Kapselung von Varistoren mit Umschaltung auf eine Sicherung oder eine Druckkontaktierung verbessern zwar die Abschalteigenschaften, es verbleiben aber Ausfalllücken in dem Strombereich bestehen, der für die thermische Abtrennvorrichtung zu groß, jedoch für die Abschaltung der eigentlichen Vorrichtung noch zu gering ist.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Abschalteinrichtung für Überspannungsschutzgeräte anzugeben, die ein Schaltvermögen in einem erhöhten Strombereich von wenigen Ampere bis zur maximalen Schaltleistung der Schaltorgane im Stoßstrompfad aufweist. Damit soll ein breitbandiges Gesamtschaltvermögen über den kompletten Strombereich vom Leckstrom hin bis zur maximalen Schaltleistung erreichbar werden. Darüber hinaus geht es mit der zu entwickelnden Schalteinrichtung darum, schnelle Auslösekriterien zu detektieren und auf diese Weise das eigentliche Überspannungsschutzgerät bei Überlast gefahrlos vom speisenden elektrischen Netz zu trennen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Lehre der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Es wird demnach von einer Schalteinrichtung für Überspannungsschutzgeräte ausgegangen, welche aus mechanisch vorgespannten, stoßstromfähigen ersten Schaltelementen besteht. Diese ersten Schaltelemente bilden mit dem oder den Ableitern, z.B. einem Gasableiter und/oder einem Varistor des Überspannungsschutzgeräts eine Reihenschaltung innerhalb eines Stoßstrom- oder Hauptstrompfads. Weiterhin ist an der vorerwähnten Reihenschaltung ein Fehlerstrompfad angeschlossen.
Erfindungsgemäß sind im Fehlerstrompfad zweite Schaltelemente angeordnet, die derart mit den ersten Schaltelementen mechanisch gekoppelt sind, dass bei andauernden unzulässigen Belastungen der Ableiter im Stoßstrompfad ein Auslösen des oder der ersten Schaltelemente mit der Folge einer galvanischen Trennung des Stoßstrompfads vom jeweiligen Netz erfolgt.
Die ersten Schaltelemente können als stoßstromfeste Kontaktanordnungen ausgebildet sein, die mit Hilfe eines Trennschiebers in eine geöffnete Position, d.h. in einen Abtrennzustand überführbar sind und in diesem Zustand gehalten werden können. Derartige stoßstromfähige Schaltelemente gehören zum bekannten Stand der Technik und sind daher dem Fachmann hinsichtlich Aufbau und Wirkungsweise bekannt.
Die zweiten Schaltelemente weisen gemäß einer Weiterbildung der Erfindung mindestens ein Steuer- oder Betätigungselement auf, welches mit einem ersten hebelartigen Koppelelement in Wirkverbindung steht.
Das erste hebelartige Koppelelement weist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung eine Sperrklinke auf, um ein zweites hebelartiges Koppelelement oder eine entsprechende Koppelstange zu entriegeln.
Das zweite hebelartige Koppelelement bzw. die erwähnte Koppelstange gibt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beim Auslösen eine Sperrung frei, welche ansonsten die mechanisch vorgespannten, stoßstromfähigen ersten Schaltelemente in einem Schließzustand hält, indem z.B. ein Trennschieber, der unter Federvorspannung steht, blockiert ist.
Durch die Ausbildung der hebelartigen Koppelelemente in Verbindung mit der Sperrung kann eine relativ geringe Kraft des Steuer- oder Betätigungselements so übersetzt werden, dass ausreichend Betätigungsenergie zur Verfügung steht, um die mechanisch vorgespannten, stoßstromfähigen ersten Schaltelemente unmittelbar oder mittelbar in den Abtrennzustand, d.h. in den geöffneten Zustand zu überführen.
Das oder die zweiten Schaltelemente sind gemäß einer Weiterbildung der Erfindung als sogenannte Kennmelder-Sicherung ausgeführt.
Diese Kennmelder-Sicherung besitzt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung einen Bolzen, welcher mit dem Schmelzen des Kennmelder-Drahts freigegeben wird, wobei der Bolzen das Steuer- oder Betätigungselement bildet.
Die Anordnung der Schalteinrichtung, umfassend die Hauptbaugruppen erste Schaltelemente, zweite Schaltelemente sowie die mechanischen Koppelteile, kann in einem separaten Gehäuse angeordnet werden, das Bestandteil eines Überspannungsschutzgeräts ist oder zur Nachrüstung entsprechender Geräte Verwendung findet. Insofern sind an der diesbezüglich entstandenen Baugruppe nur die entsprechenden Außenanschlüsse für den Fehlerstrompfad und den Stoßstrompfad vorhanden.
Alternativ kann die vorgestellte Schalteinrichtung aber auch in klassische Überspannungsschutzgeräte zur Ertüchtigung dieser im Sinne der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung integriert werden.
Gemäß der Erfindungslehre stellt der Stoßstrompfad den Hauptstromkreis und der Fehlerstrompfad einen Abbildungsstromkreis mit Eigenschaltvermögen dar, wobei im Abbildungsstromkreis den zweiten Schaltelementen eine Impedanz in Reihe geschalten ist und diese Reihenschaltung einem Gasableiter, der im Hauptstromkreis liegt, parallel geschalten ist, derart, dass bei netzfrequentem Leckstrom im Abbildungsstromkreis bei Impulsbelastung der Spannungsabfall über die Reihenschaltung eine Zündung des Gasableiters bewirkt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist im Stoßstrompfad eine thermisch gesteuerte Abtrennvorrichtung befindlich. Diese thermisch gesteuerte Abtrennvorrichtung kann in bevorzugter Weise den Zustand eines im Stoßstrompfad befindlichen Varistors als Ableiter überwachen.
Die vorgeschlagene Lösung umfasst zusammenfassend einen Stoßstrompfad und einen diesem parallelen, nicht Stroßstrom-durchflossenen Fehlerstrompfad. Insofern bildet die Einrichtung eine Reihenschaltung von zwei Schaltelemente umfassende Funktionseinheiten, wobei die Funktionseinheit im Fehlerstrompfad eine Möglichkeit der Stromerkennung aufweist beispielsweise über das Schmelzintegral I²t einer Sicherung, über eine Magnetspule oder ähnliche Einrichtung, weiterhin ein Eigenabschaltvermögen besitzt sowie ein Steuer- oder Betätigungselement umfasst.
Die im Stoßstrompfad liegende Funktionseinheit besitzt ein entsprechendes Eigenschaltvermögen, bewirkt eine sichere Trennungsfunktion und wird von der Funktionseinheit im Fehlerstrompfad indirekt, d.h. mechanisch gekoppelt betätigt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Figuren sowie eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung;
2 eine beispielhafte Ausführungsform einer konstruktiven Lösung der Schalteinrichtung gemäß der Erfindung im nicht ausgelösten Zustand und
3 eine Darstellung ähnlich derjenigen nach 2, jedoch im ausgelösten, d.h. im Abtrennzustand der ersten Schaltelemente.

Die Schalteinrichtung für Überspannungsschutzgeräte nach 1 verfügt über die Anschlüsse A1 und A2, welche mit dem zu schützenden Netz in Verbindung gebracht werden. Weiterhin umfasst die Einrichtung im Stoßstrompfad die Funktionseinheit S2, welche die ersten Schaltelemente darstellt. Weiterhin ist ein Überspannungsschutzelement, d.h. ein Ableiter ÜS1, vorzugsweise ausgeführt als Gasableiter, und ein Überspannungsschutzelement ÜS2, vorzugsweise ausgeführt als Varistor, vorhanden.
Im Fehlerstrompfad befindet sich die Funktionseinheit S1, d.h. die entsprechenden zweiten Schaltelemente, die Impedanz Z1 und das Überspannungsschutzelement ÜS2.
Im Ausgangszustand fließt der netzfrequente Leckstrom im Fehlerstrompfad. Führt der Spannungsabfall über der Funktionseinheit S1 und der Impedanz Z1 bei Impulsbelastung zum Ansprechen des Gasableiters ÜS1, kommutiert der Strom in den Stoßstrompfad,
Die Impedanz Z1 bewirkt bei Impulsbelastung den nötigen Spannungsabfall zur Zündung des Überspannungsschutzelements, d.h. des Gasableiters ÜS1.
Erfindungsgemäß ist die Funktionseinheit S1 als Sicherung mit Kennmelder ausgeführt. Beim Auslösen der Sicherung gibt der Kennmelder-Stößel oder -bolzen eine mechanische Entriegelung frei, welche die Funktionseinheit S2 betätigt. Dies ist mit der gestrichelten Linie angedeutet.
Die Funktionseinheit S2 stellt dann die galvanische Trennung des überlasteten Ableiters vom speisenden Netz nach dem Auslösevorgang sicher. Die Funktionseinheit S2 kann zusätzlich mit einer thermischen Abtrennvorrichtung ATV kombiniert werden.
Die Ausführung der vorerwähnten mechanischen Entriegelung kann gemäß der Darstellung nach den 2 und 3 realisiert werden.
Als Funktionseinheit S1 ist innerhalb eines Teilgehäuses 1 die erwähnte Kennmelder-Sicherung mit Betätigungsbolzen 2 befindlich.
Im nicht ausgelösten Zustand gemäß 2 sind die Schaltelemente S2, welche stoßstromfest ausgeführt werden, elektrisch verbunden, d.h. die Schalteinrichtung ist geschlossen. Die ersten Schaltelemente S2 nebst Schieber 3 sind in einem zweiten Teilgehäuse 4 angeordnet.
Die Bewegung des Schiebers 3 wird von einer drehbaren Sperrung 5 blockiert. Die Sperrung 5 liegt an einem zweiten hebelartigen Koppelement 6 an, das von einer Sperrklinke 7 eines ersten hebelartigen Koppelelements 8 gehalten ist.
Das der Sperrklinke 7 gegenüberliegende Ende des ersten hebelartigen Koppelelements 8, mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet, liegt am Bolzen 2 des Kennmelders an.
Wenn, wie in 3 ersichtlich, der Bolzen 2 einer Bewegung in Pfeilrichtung unterliegt, wird das erste hebelartige Koppelelement 8 in Pfeilrichtung um die Achse 10 verschwenkt, so dass sich gemäß der Darstellung nach 3 die Sperrklinke 7 nach oben bewegt und das zweite hebelartige Koppelelement 6 frei wird.
Eine Vorspannfeder 11 beschleunigt diesbezüglich das in Pfeilrichtung gemäß 2 und 3 nach links ausgeführte Verschwenken des zweiten hebelartigen Koppelelements 6 mit der Folge einer Drehbewegung der Sperrung 5 in Pfeilrichtung. Hierdurch wiederum kann der Schieber 3 unter Kraft einer weiteren Feder 12 sich in Pfeilrichtung gemäß der Darstellung nach den 2 und 3 nach unten bewegen, wodurch die ersten Schaltelemente S2 in den Abtrennzustand überführbar sind.
Die beispielhaft in den 2 und 3 gezeigte konstruktive Lösung macht deutlich, dass die ersten Schaltelemente S2 hinsichtlich ihrer erforderlichen Stoßstromtragfähigkeit optimal ausgelegt werden können. Die vom zweiten Schaltelement S1 herrührende Betätigungskraft über den Bolzen 2 muss lediglich ausreichend sein, um das erste hebelartige Koppelelement 8 nebst Sperrklinke 7 aus seiner Sperrposition in eine Freigabeposition zu bewegen.
Die eingesetzte Kennmelder-Sicherung ist nicht hauptstromführend und quasi lediglich mechanisch mit einem Leistungsschalter, der im Hauptstromkreis liegt, gekoppelt und in der Lage, den Leistungsschalter auszulösen. Insofern ist der Fehlerstrompfad als ein Stromkreis ausgelegt, der die Stromzustände im Hauptstromkreis abbildet.

Claims

Schalteinrichtung für Überspannungsschutzgeräte, bestehend aus mechanisch vorgespannten, stoßstromfähigen ersten Schaltelementen (S2), welche mit dem oder den Ableitern (ÜS1; ÜS2) des Überspannungsschutzgeräts eine Reihenschaltung eines Stoßstrompfads bilden, sowie einen an der Reihenschaltung angeschlossenen Fehlerstrompfad, wobei im Fehlerstrompfad zweite Schaltelemente (S1) angeordnet und derart mit den ersten Schaltelementen (S2) mechanisch gekoppelt sind, dass bei andauernden unzulässigen Belastungen der Ableiter (ÜS1; ÜS2) im Stoßstrompfad ein Auslösen des oder der ersten Schaltelemente (S2) mit der Folge einer galvanischen Trennung des Stoßstrompfads vom jeweiligen Netz erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoßstrompfad den Hauptstromkreis und der Fehlerstrompfad einen Abbildungsstromkreis mit Eigenabschaltvermögen darstellt, wobei im Abbildungsstromkreis den zweiten Schaltelementen (S1) eine Impedanz (Z1) in Reihe geschalten ist und diese Reihenschaltung einem Gasableiter (ÜS1), der im Hauptstromkreis liegt, parallel geschalten ist, derart, dass bei netzfrequentem Leckstrom im Abbildungsstromkreis bei Impulsbelastung der Spannungsabfall über die Reihenschaltung eine Zündung des Gasableiters (ÜS1) bewirkt.
Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Schaltelemente (S1) ein Steuer- oder Betätigungselement (2) aufweisen, welches mit einem ersten hebelartigen Koppelelement (8) in Wirkverbindung steht.
Schalteinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste hebelartige Koppelelement (8) eine Sperrklinke (7) aufweist, um ein zweites hebelartiges Koppelelement (6) zu entriegeln.
Schalteinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite hebelartige Koppelelement (6) beim Auslösen eine Sperrung (5) freigibt, welche ansonsten die mechanisch vorgespannten, stoßstromfähigen ersten Schaltelemente (S2) in einem Schließzustand hält.
Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Schaltelemente (S1) als Kennmelder-Sicherung ausgeführt sind.
Schalteinrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennmelder-Sicherung einen Bolzen (2) besitzt, welcher mit dem Schmelzen des Kennmelder-Drahts freigegeben wird, wobei der Bolzen (2) das Steuer- oder Betätigungselement (2) bildet.
Schalteinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Stoßstrompfad eine thermisch gesteuerte Abtrennvorrichtung (ATV) befindlich ist.
Schalteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gesteuerte Abtrennvorrichtung (ATV) den Zustand eines im Stoßstrompfad befindlichen Varistors (ÜS2) überwacht.