DE3606287A1 - Ueberspannungsschutzanordnung - Google Patents
UeberspannungsschutzanordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzanordnung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Zum Schutz überspannungsempfindlicher Geräte werden sowohl
auf der Netz- wie auch an gegebenenfalls vorhandenen Daten
leitungen vermehrt Varistoren, insbesondere Zinkoxidvari
storen (VDR=Voltage Dependent Resistors) eingesetzt, die
als einzelne Bauteile beschafft und gegebenenfalls direkt
an Klemmstellen oder auch auf Leiterplatten im jeweiligen
Gerät eingesetzt werden können. Zur Anwendung kommen meist
solche Typen von Varistoren, die zwar ein geringes, für
die häufig auftretenden transienten Überspannungen (in der
Regel im µs-Bereich) jedoch meist ein ausreichendes Stoß
stromableitvermögen aufweisen.
Das Auftreten von transienten Überspannungen in kurzer
zeitlicher Folge oder energiereiche Transienten bzw.
Transienten als Folge von fernen Blitzeinschlägen können
zur allmählichen bzw. sofortigen Zerstörung des Bauelemen
tes führen. Die Folge davon ist, daß das Bauelement ent
weder bleibend seine I-U-Kennlinie (spannungsbegrenzende
Eigenschaft) ändert und durch den erhöhten Leistungsumsatz
unzulässig erwärmt wird, oder sogar sofort explodiert, d.
h., daß die strukturelle Sperrschicht punktförmig "durch
schlagen" wird und einen niederohmigen Kurzschluß bildet.
In manchen Fällen wird zwar durch vorgeschaltete Überstrom
auslöser bzw. -begrenzer eine gewisse Absicherung geschaf
fen. Diese Absicherung ist aber nur teilweise, da die am
Einbauort des Varistors auftretende Energie von vorne
herein nicht abschätzbar und somit keine vollständige Ko
ordinationsmöglichkeit ist. Es können also immer wieder
Überbelastungen auftreten, die dann allmählich zu der er
läuterten Zerstörung führen. Solche Überschreitungen
einer gewissen, einkalkulierbaren Grundbelastung, können
von der zu schützenden Anlage selber herkommen (z. B.
Überspannungen durch Schaltvorgänge) oder von Blitzein
schlägen. Dabei sind die Auswirkungen einer Zerstörung
nicht nur von der Energieabsorbtion bei Stoßstrombelastung,
sondern auch von bestimmten Netzparametern abhängig; dies
sind u. a. Höhe des Kurzschlußstromes, Größe und Art der
Vorsicherung und Größe des Abschlußwiderstandes. Dies be
deutet aber, daß die letztlich im praktischen Einsatzfall
im Varistor umgesetzte Energie im voraus nicht exakt zu
bestimmen ist.
Es besteht daher die Aufgabe, eine Überspannungsschutz
anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 so aus
zubilden, daß schädliche thermische Auswirkungen infolge
Varistorzerstörung, insbesondere Brand, an und durch
eine solche Überspannungsschutzanordnung vermieden, zu
mindest in einem Belastungsbereich vermieden sind, der
über die normale, vom Hersteller angegebene Belastungs
grenze des Varistors hinausgeht.
Die Lösung dieser Aufgabe wird zunächst, ausgehend vom
Oberbegriff des Anspruches 1, in den Merkmalen des Kenn
zeichens des Anspruches 1 gesehen. Hiermit ist ein Schutz
gegen die Folgen einer unzulässigen Erwärmung und ins
besondere auch einer kurzzeitigen Erwärmung aufgrund
eines relativ hohen, meist durch Blitzeinschlag verur
sachten Stromes über den Varistor gegeben. Die thermi
sche Widerstandskraft eines solchen Blocks aus wärme
isolierendem Material ist recht erheblich. Da zu diesem
Block bzw. zu dieser Einheit auch der Überstromauslöser
bzw. -begrenzer gehört, werden zu hohe, schädliche Ströme
abgeschaltet. Dies trägt im Zusammenwirken mit der An
ordnung dieser Bauteile in einem thermisch isolierenden
und thermisch widerstandsfähigen Block zur Lösung der
gestellten Aufgabe bei. Dabei wird der weitere Vorteil
erreicht, daß die elektrischen Bauelemente, Varistor
einerseits und Überstromauslöser bzw. -begrenzer anderer
seits in einer gemeinsamen Einheit vorgesehen sind und da
bei elektrisch aufeinander abgestimmt sein können. Beide
sind brandsicher untergebracht (in einem Extremfall könnte
auch der Überstromauslöser bzw. -begrenzer eine Brandquelle
sein). Außerdem wird die mögliche Montagegefahr vermieden,
daß bei räumlich und in der Montage voneinander unabhängi
gem Varistor einerseits und Überstromauslöser bzw.
-begrenzer andererseits der Überstrombegrenzer vergessen
oder nicht richtig dimensioniert oder nicht richtig montiert
oder nicht eingeschaltet wird, d.h. die Kombination
Varistor mit Überstromauslöser bzw. -begrenzer nicht
funktionsfähig vorhanden ist. Auch besteht die Fehler
möglichkeit des Einbaues eines nicht richtig dimensio
nierten Varistors. Diese Fehler bzw. Nachteile sind mit
der Erfindung ausgeschlossen, da beide Bauelemente ab
Fabrik in einer Einheit zusammengefaßt sind und zwar
unter zweckmäßiger Koordination der Belastungskennlinie
des Varistors zur Abschaltkennlinie des Überstromaus
lösers bzw. -begrenzers. Der Einbau ist auch auf engstem
Raum möglich, ohne benachbarte Bauteile zu gefährden.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch
2 bezieht auch eine Entladungsstrecke in diesen Block bzw.
Einheit ein. Hiermit erreicht man, wie nachstehend noch im
einzelnen aufgeführt, das Verhindern einer Spannungsver
schleppung auf andere Systeme (z.B. Erdschluß), um eine
Personengefährdung zu vermeiden.
Die Merkmale des Anspruches 4 verstärken die thermische
Isolierwirkung und Widerstandskraft des Blocks bzw. Einheit
und tragen damit zusätzlich zu einer Betriebssicherheit
auch über eine mögliche Zerstörung des Varistors hinaus
mit bei, wobei diese Betriebssicherheit auch bei schwie
rigen Einbaubedingungen eingehalten wird.
Die Merkmale des Anspruches 7 stellen ebenfalls eine be
vorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, indem in
vorteilhafter Weise ein solches Modul zusammen mit ande
ren Modulen in einfachster Weise in dem zu schützenden
Gerät untergebracht werden kann. Dies erfolgt in der
Regel durch einfaches Einstecken bzw. Herausziehen,
wobei die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 hierzu von Vor
teil sind. Als zu schützende Geräte kommen vom Prinzip
her alle Geräte in Betracht, die vom Netz her versorgt
oder an solchen betrieben werden. Insbesondere ist ge
dacht an: Fernsehgeräte, EDV-Geräte und -anlagen, elektro
nische Geräte, elektronische Baugruppen.
Soweit nicht das zu schützende Gerät selber eine Anzeige
des defekten Zustandes des Varistors ergibt, sind mit
Vorteil die Merkmale des Anspruches 8 einsetzbar. Auch
hierfür wird relativ wenig Platz benötigt.
Die Merkmale des Anspruches 10 stellen eine vorteilhafte
Schaltung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
nämlich einer Einheit aus Varistor, Überstromauslöser bzw.
-begrenzer und Entladungsstrecke dar.
Die Merkmale des Anspruches 14 begünstigen die Montage
bzw. Demontage der Einheit und insbesondere der Einheit
in Form eines Moduls.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den wei
teren Unteransprüchen, sowie der nachstehenden Beschrei
bung und der zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäßen
Ausführungsmöglichkeiten zu entnehmen. In der Zeichnung
zeigt:
Fig. 1: eine perspektivische Ansicht
eines Blockes, Einheit oder
Modul nach der Erfindung,
Fig. 2: die Ausführung einer elektri
schen Schaltung der Bauelemente
des Blockes oder dergleichen,
Fig. 3 und 4: schematisch zwei Schaltmöglich
keiten eines solchen Blockes
oder dergleichen mit zu schützen
dem Gerät und gegebenenfalls
Defektanzeige.
Gemäß Fig. 1 besteht der Block, Einheit oder gegebenen
falls Modul aus einer thermoisolierenden Masse 1, z. B.
eine Gießmasse, wie ein Gießharz, einer z. B. aus Kunst
stoff bestehenden Umhüllung 2 und den nachstehend noch
näher zu erläuternden elektrischen Bauelementen selber,
die von der Masse 1 umgeben sind. Die Umhüllung 2 ist
als Behälter ausgebildet, dessen in Fig. 1 oben gelegene
Seite offen ist. Hierin werden in der Fabrikation zum
einen die elektrischen Bauelemente eingeführt und zum
anderen die Masse 1 eingebracht (eingegossen). Die elek
trischen Anschlußkontakte 3 sind aus dem Block herausge
führt und zwar in dieser Ausführungsform der Erfindung
an deren offenen, nicht von der Umhüllung 2 bedeckten
Oberfläche der Masse 1. Damit kann diese Einheit in
Klemmstellen, Leiterplatten oder dergleichen eines Ge
rätes usw. in einfachster Weise eingesteckt bzw. wieder
herausgezogen werden. Dies ist insbesondere dann von
Vorteil, wenn in einem solchen Gerät oder dergleichen
eine Reihe von Modulen bestimmter äußerer Abmessungen
nebeneinander angeordnet werden könnte.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zeigt wiederum die
Einheit oder dergleichen 1 bzw. 1, 2 mit zwei Überstrom
begrenzern 4, zwei Varistoren 5 und einer Entladungs
strecke 6. Dabei können die Überstromauslöser oder -be
grenzer z. B. ein Schmelzdraht, eine Lotstelle oder eine
Sicherung sein. Als Varistoren empfehlen sich bevorzugt
Zinkoxidvaristoren. Die Entladungsstrecke kann eine
Funkenstrecke, insbesondere Luft-Funkenstrecke oder ein
Gasentladungs-Ableiter sein, die in der bevorzugten Aus
führungsform der Erfindung höher belastbar als die Vari
storen ist. Alle elektrischen Bauelemente 4, 5 und 6 be
finden sich elektrisch und thermisch isoliert und damit
gegen Verursachung einer Brandgefahr geschützt in der
Masse 1. Varistor 5, Entladungsstrecke 6 und Überstrom
auslöser bzw. -begrenzer 4 können dabei gemeinsam auf
einer Platine angeordnet sein. Die in Fig. 1 allgemein
mit 3 bezifferten Kontaktstifte stellen in Fig. 2 im
einzelnen folgendes dar: 7, 8 die Netzaußenleiter und 9
die Netzerde. Auf der anderen Seite sind 10, 11 die Phasen
anschlüsse für das zu schützende Gerät und 12 die zuge
hörige Erde. Insbesondere Fig. 2 zeigt, daß das gesamte
"elektrische Innenleben" einer solchen Überspannungs
schutzanordnung thermisch isoliert ist, wodurch eine Ex
plosion oder eine unzulässig hohe thermische Belastung
der Umgebung verhindert wird.
Fig. 2 zeigt ferner die bevorzugt verwendete sogenannte
"Y-Schaltung". Hierbei ist die Entladungsstrecke 6 zwi
schen der Erdleitung 9-12 und der Verbindungsleitung
13 zwischen den beiden Varistoren 5 geschaltet. Würde
in diesem Leitungszug keine Entladungsstrecke vorhanden
sein, so würde ein Kurzschluß in einem oder in beiden der
Varistoren einen entsprechenden Erdschlußstrom zur Folge
haben. Da die Höhe eines solchen Erdschlußstromes im we
sentlichen vom Erdwiderstand bestimmt wird, der aber
nicht von vorneherein in allen Einsatzfällen vorhersag
bar ist, wäre auch die Größe des Erdschlußstroms nicht
vorherbestimmbar. Dagegen verhindert die Entladungs
strecke in der genannten Y-Schaltung das Abfließen eines
Erdschlußstromes über den defekten Varistor. Vielmehr
würde im Fall des Kurzschlusses einer oder beider der
Varistoren der Kurzschlußstrom nur durch diese und durch
das Netz fließen und dabei durch die zwischen Netz und
Varistoren geschaltete Überstromauslöser bzw. -begrenzer
abgeschaltet oder begrenzt werden. Es ist also im Defekt
fall eines oder beider Varistoren keine Spannungsver
schleppung zur Erdleitung hin zu befürchten.
Im Fall einer dreiphasigen Anordnung würde man drei Vari
storen vorsehen und im Stern schalten und den gemeinsamen
Sternpunkt dann über eine Entladungsstrecke mit Erde ver
binden.
Das Schemabild der Fig. 3 zeigt Block, Einheit bzw. Modul
1 (2) mit den erläuterten Kontakten bzw. Anschlüssen 7-12
und dem ebenfalls schematisch dargestellten Gerät 13.
Falls einer oder beide der Varistoren defekt wird, stellt
in diesem Beispiel das Gerät selber die Anzeige für die
sen Defekt dar, da es im Defektfall spannungs- bzw. strom
los wird.
Im Ausführungsbeispiel der Schema-Darstellung der Fig. 4
sind die gleichen Bezugsziffern verwendet wie in Fig. 3,
wobei die vom Netz herkommenden Leitungen mit 7′, 8′, 9′
beziffert sind. Block Einheit oder Modul 1 (2) befindet
sich zwischen den beiden Phasen 7′ 8′ und hat damit eben
falls die Schutzwirkung. Falls es ausfällt, ist zur Defekt-
Anzeige über die Anschlüsse 14, 15 eine Leuchtanzeige 16
vorgesehen.
Fig. 3 stellt also die Reihen- bzw. Serienschaltung der
Einheit oder dergleichen 1 (2) und Fig. 4 die Parallel
schaltung mit externer Meldeanzeige dar.
Claims (14)
1. Anordnung zum Schutz von elektrischen Geräten, Bau
gruppen oder dergleichen gegen Überspannungen, be
stehend zumindest aus einem Varistor und einem
Überstromauslöser bzw. -begrenzer, dadurch gekenn
zeichnet, daß zumindest ein Varistor (5) und zu
mindest ein Überstromauslöser bzw. -begrenzer (4)
zusammen in einem Block (1) aus thermisch-isolie
rendem Material untergebracht und von diesem
umschlossen sind, wobei elektrische Anschlußkon
takte (3) des Varistors und des Überstromauslösers
bzw. -begrenzers aus dem Material des Blockes (1)
herausgeführt sind.
2. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 1, da
durch gekennzeichnet, daß ferner eine Entladungs
strecke (6) sich in dem Block (1) befindet und von
dessen Material umgeben ist.
3. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß als thermisch isolieren
des Material (1) eine Gießmasse, z.B. ein Gießharz,
dient, mit der die elektrischen Bauelemente (4, 5, 6)
elektrisch und thermisch isoliert umgossen sind.
4. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Umhüllung (2) des
thermisch isolierenden Materials (1), z. B. eine
aus Kunststoff bestehende Umhüllung.
5. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Umhüllung (2) als ein an
einer Seitenfläche offener Behälter ausgebildet ist.
6. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die elektrischen Kontakte (3) an
der offenen Seitenfläche des Behälters (2) aus dem
thermisch isolierenden Material (1) herausgeführt
sind.
7. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung
als Modul passend zu anderen Modulen eines bestimmten
Gerätes, einer Baugruppe oder dergleichen ausgebildet
ist.
8. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Block, der
Einheit oder dem Modul eine Anzeige (16) für einen de
fekten Zustand des Varistors (5) parallel geschaltet
ist.
9. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 8 wobei Netzaußenleiter und eine Netzerde vor
gesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Über
stromauslöser bzw. -begrenzer sich zwischen Netzaußen
leitereingang (7) bzw. (8) und Varistor (5) befindet.
10. Überspannungsschutzanordnung nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Varistoren (5) zwischen beide
Netzaußenleiter geschaltet sind und die Entladungsstrek
ke (6) zwischen Netzerde (9, 12) und die Verbindungs
leitung (13) beider Varistoren geschaltet ist (soge
nannte Y-Schaltung).
11. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Varistor (5) und
Überstromauslöser bzw. -begrenzer (4) und bevorzugt
auch die Entladungsstrecke (6) elektrisch aufeinander
abgestimmt sind.
12. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungs
strecke (6) strommäßig höher belastbar ist als der
Varistor (5).
13. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Varistor (5),
Entladungsstrecke (6) und Überstromauslöser bzw.
-begrenzer (4) gemeinsam auf einer Platine angeordnet
5 sind.
14. Überspannungsschutzanordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkon
takte (3) derart ausgebildet und positioniert sind,
daß der Block, die Einheit oder das Modul auf Klemm
stellen oder direkt auf Leiterplatten des zu schützen
den Gerätes steckbar bzw. montierbar sind.
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