DE4124321A1 - Anordnung zur ableitung von ueberspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ableitung von Überspannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Hierzu kennt man aus DE-GM 90 00 102 einen steckbaren Über­ spannungsableiter für elektrische Anlagen, bei dem ein Paket von drei Varistoren parallel zueinander angeordnet sind. Im Falle der Überhitzung schmilzt eine Lotstelle, und ein unter Federwirkung stehender Bauteil wird in seiner Lage verän­ dert, wodurch der Anschluß der Varistoren an Spannung unter­ brochen wird. Damit werden nachteiligerweise sämtliche Varistoren abgeschaltet. Dies heißt, daß bei Ausfall nur eines der Varistoren und entsprechender Überhitzung auch alle anderen Varistoren außer Betrieb gesetzt werden, ob­ gleich diese noch funktionsfähig sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, die Sicherheit einer Anordnung zur Ableitung von Überspannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu verbessern, insbe­ sondere redundant auszubilden, so daß bei Ausfall eines der überspannungsbegrenzenden Elemente der Betrieb mit einem anderen überspannungsbegrenzenden Element weitergeführt werden kann, wobei zugleich eine einwandfreie Abschaltung eines defekten und überhitzten überspannungsbegrenzenden Elementes gewährleistet sein soll.

Die Lösung dieser Aufgabe wird zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspruches 1, in den Merkmalen des Kennzei­ chens des Anspruches 1 gesehen. Die bevorzugte und übliche Anordnung dieser überspannungsbegrenzenden Elemente ist zwischen einer Phase (z. B. L, N) und der Erdleitung (PE). Jedes dieser beiden überspannungsbegrenzenden Elemente kann aufgrund seiner Bemessung die im normalen Betrieb auftreten­ den Spannungen und sonstigen Belastungen aushalten. Wird es aufgrund einer Überspannung defekt und beginnt sich zu überhitzen, so setzt die zugehörige, z. B. thermische Ab­ schaltung ein und trennt dieses überspannungsbegrenzende Element von der jeweiligen Spannung. Ferner wird dabei das zweite überspannungsbegrenzende Element zugeschaltet. Wie oben erwähnt, ist auch dieses überspannungsbegrenzende Element so dimensioniert, daß es den Anforderungen des normalen Betriebes gewachsen ist. Man erzielt also mit nur zwei überspannungsbegrenzenden Elementen einen redundanten Betrieb, so daß bei Ausfall eines der überspannungsbegren­ zenden Elemente durch das andere überspannungsbegrenzende Element weiterhin für einen einwandfreien Überspannungs­ schutz gesorgt ist. Diese Vorteile sind bei dem eingangs erläuterten Stand der Technik nicht gegeben.

Die Merkmale des Anspruches 2 stellen eine bevorzugte Aus­ führungsform der Erfindung dar, weil hierdurch bei Ausfall eines der überspannungsbegrenzenden Elemente hörbar und/oder sichtbar wird, daß dieses überspannungsbegrenzende Element betriebsunfähig und daher auszuwechseln ist; bzw. daß das gesamte Gerät auszutauschen ist.

Die Ansprüche 3 und 4 stellen mögliche und vorteilhafte Schaltungen der Anordnung nach Anspruch 1 bzw. 1 und 2 dar, nämlich zum einen eine Parallelschaltung, und zum anderen eine Reihenschaltung (mit Überbrückung eines der überspan­ nungsbegrenzenden Elemente) dieser beiden überspannungsbe­ grenzenden Elemente.

Ausgehend von einem Oberbegriff, der dem eingangs erwähnten Oberbegriff des Anspruches 1 entspricht, stellen die Merkma­ le des Kennzeichens des Anspruches 5 eine weitere Lösungs­ möglichkeit der erfindungsgemäßen Aufgabenstellung dar. Abgesehen von dem Sonderfall, daß das zweite, größer bemes­ sene überspannungsbegrenzende Element einen Schaden oder Fehler aufweist, wird zunächst das erste, kleiner dimensio­ nierte überspannungsbegrenzende Element abgeschaltet werden, so daß dann das zweite, größer dimensionierte überspannungs­ begrenzende Element allein die Überspannungsbegrenzung übernimmt. Diese Anordnung hat noch den weiteren Vorteil, daß beim Ausfall eines der überspannungsbegrenzenden Elemen­ te keine Startstrombelastung für die Kontakte im Strompfad des anderen überspannungsbegrenzenden Elementes auftritt.

Bei der Anordnung nach Anspruch 5 empfiehlt sich ebenfalls eine optische und/oder akustische Anzeige gemäß Anspruch 6.

Die Merkmale des Anspruches 7 sind zwar für sich bekannt, jedoch in Verbindung mit den Merkmalen eines oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche von Vorteil und in der Bauweise sowie im Betrieb sehr robust.

Schaltungsmäßig kann die Erfindung überall da eingesetzt werden, wo ein Überspannungsableiter mit redundantem Betrieb notwendig ist, zumindest sich empfiehlt. Die räumliche Unterbringung wird den jeweiligen Verhältnissen anzupassen sein. Hierzu empfiehlt sich eine mechanisch geschützte Anordnung gemäß Anspruch 9.

Gemäß Anspruch 8 kann das als Ersatz dienende überspannungs­ begrenzende Element auch nur sogenannte Notlaufeigenschaften haben, d. h. es muß nicht für einen Dauerbetrieb konzipiert sein.

Im Sinne der Aufgabenstellung einer Verbesserung der Sicher­ heit einer solchen Anordnung sind die Merkmale des Anspru­ ches 10 und die dem nachgeordneten Ansprüche vorgesehen. Dies ist eine sogenannte "fail-safe"-Schaltung ("Fehler-Ab­ sicherungs"-Schaltung) , und zwar in verschiedenen Varianten und zugehöriger Ausgestaltung. Wenn gemäß Anspruch 10 das zweite überspannungsbegrenzende Element abgeschaltet wird, werden gleichzeitig die Anordnung zur Ableitung der Über­ spannung und das zu schützende System sowohl kurzgeschlossen als auch von der Spannung abgeschaltet. Durch wahlweise einsetzbare Brücken können je nach "fail-safe"-Anforderung das Kurzschließen und Abschalten von der Spannung einzeln oder auch insgesamt unwirksam gemacht werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nach­ stehenden Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung zu entnehmen. In der im wesentlichen schematisch und für das Verständnis der Erfindung unwesentliche Bauteile weglassen­ den Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Schaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 die Schaltung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 die Schaltung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 ein Diagramm der Stromverläufe zum Ausführungs­ beispiel der Fig. 3,

Fig. 5 ein Schaltungsschema mit mehreren Möglichkeiten einer sogenannten "fail-safe"-Schaltung.

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen sind als bevorzug­ te Ausführungen der überspannungsbegrenzenden Elemente Varistoren gewählt, ohne daß aber die Erfindung hierauf beschränkt sein soll. Dabei zeigt Fig. 1 zwischen einer Phase 1 (L) und der Erde 2 eine Parallelschaltung von zwei Varistoren V1 und V2. Ferner ist eine thermische Abschaltung (Thermosicherung) 3 vorgesehen, die in der normalen Be­ triebsstellung den ersten Varistor V1 an die Spannung 1 (L) legt. Die Erfindung ist ferner nicht auf eine thermische Abschaltung begrenzt. Dies könnte auch eine andere Form der Abschaltung sein, z. B. die Überwachung eines Leckstromes der überspannungsbegrenzenden Elemente und Abschaltung, falls der Leckstrom einen definierten Wert übersteigen sollte. Die Abschaltungen wirken wie nachstehend beschrieben. Wird im vorliegenden Beispiel dieser Varistor überhitzt, so schaltet die genannte thermische Abschaltung in die Position 3′. Dies kann unter Wirkung einer Zugfeder 4 geschehen, welche in der erstgenannten Stellung 3 dieser thermischen Abschaltung entsprechend gespannt ist. Die thermische Abschaltung kann auch eine Thermosicherung mit Wärmekontakt zum Varistor sein (in der Zeichnung nicht dargestellt). In der Position 3′ ist der erste Varistor V1 abgeschaltet, kann sich also nicht weiter überhitzen, und der zweite Varistor V2 ist zugeschal­ tet und übernimmt den Überspannungsschutz. Eine optische und/oder akustische Anzeige 6 wird bei der Position 3′ der thermischen Abschaltung, d. h. bei Inbetriebnahme des zweiten Varistors V2, zugeschaltet und zeigt somit an, daß der erste Varistor V1 ausgewechselt werden muß.

Eine im Prinzip ähnliche, jedoch eine Reihenschaltung der beiden Varistoren V1 und V2 beinhaltende Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Hierbei sind für gleiche Teile dieselben Bezugsziffern wie im Beispiel der Fig. 1 vorgesehen. Die thermische Abschaltung befindet sich in der Lage 3. Der erste Varistor V1 liegt an der Spannung zwischen 1 (L) und 2. Bei seinem Ausfall und Überhitzung reagiert die thermi­ sche Abschaltung und kommt in die Lage 3′. Damit wird der erste Varistor V1 abgeschaltet, da er dann von der Leitung 3′-2 überbrückt ist, und der zweite Varistor V2 übernimmt den Überspannungsschutz. Die Anzeige 6 hat die gleiche Funktion wie im Beispiel der Fig. 1.

In beiden vorgenannten Ausführungsbeispielen ist also die thermische Abschaltung sowohl Thermosicherung mit Abtrenn­ funktion, als auch gleichzeitig Wechselkontakt für den Übergang von der Zuschaltung des ersten Varistors V1 auf die des zweiten Varistors V2.

Im Beispiel der Fig. 3 sind ebenfalls zwei Varistoren vorge­ sehen, wobei der erste Varistor V1′ für eine kleinere maxi­ male Betriebsspannung ausgelegt ist als der zweite Varistor V2′. In diesem Beispiel ist jedem der beiden vorgenannten Varistoren eine thermische Abschaltung 7, 8 zugeordnet, deren jeweilige Abschaltposition mit 7′ bzw. 8′ gekennzeich­ net ist. Bei Inbetriebnahme der Anordnung sind die Schalter der thermischen Abschaltungen 7, 8 geschlossen, d. h. beide Varistoren V1′ und V2′ liegen an der Spannung zwischen 1 (L) und 2 (PE) . Da der Varistor V2′ eine höhere Betriebsspannung hat als der Varistor V1′, zieht bei der gleichen angelegten Spannung U der Varistor V1′ einen höheren Strom i1 als den Strom i2, der über den Varistor V2′ geht. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß es sich bei den vorgenannten Strömen i1 und i2 nicht um ständig fließende Betriebsströme, sondern um Stoßströme handelt, die nur über einen kurzen Zeitraum wirken. Es wird also - abgesehen vom eingangs erwähnten Sonderfall eines Fehlers beim zweiten Varistor V2′ - im Falle einer Überspannung zunächst der erste Varistor V1′ überlastet werden, sich aufheizen und zum Abschalten der thermischen Auslösung 7 führen. Damit ist der erste Varistor V1′ abgeschaltet und die zugehörige Anzeige 6 zugeschaltet, während der zweite Varistor V2′ nach wie vor an Spannung liegt und für den Überspannungsschutz zur Verfügung steht. Die Anzeige von 6 sagt aber der Bedienungsperson, daß der erste Varistor V1′ auszuwechseln ist. Sollte aus irgendeinem Grund auch der zweite Varistor V2′ ausfallen, so schaltet seine thermische Abschaltung in die Position 8′, trennt ihn somit von der Spannung L und schaltet die zugehörige Anzeige 6 ein. Sollten in einem Extremfall beide Varistoren V1′ und V2′ ausgefallen sein, so sind dann beide Anzeigen 6 einge­ schaltet.

Im Normalbetrieb besteht der Vorteil, daß eine größere Strombelastung möglich ist, nämlich i1+i2 (siehe hierzu das Strom-Spannungsdiagramm gemäß Fig. 4). Hinzu kommt der oben bereits erwähnte Wegfall einer Startstrombelastung über Schaltkontakte.

Der jeweils nach Ausfall abgeschaltete Varistor ist nach dem erfolgten Umschalten spannungslos und kann dann ausgewechselt werden. Anschließend kann der Schalter, der auf den zweiten Varistor geschaltet war, wieder in die Ausgangslage zurückgestellt werden, in welcher der neu eingesetzte Vari­ stor die Funktion des überspannungsbegrenzenden Elementes übernimmt. Die vorstehenden Ausführungen zeigen besonders, daß es möglich ist, den zweiten Varistor lediglich so dimen­ sionieren zu müssen, daß er Notlaufeigenschaften hat. Es versteht sich, daß die jeweiligen Umschaltungen so stark dimensioniert werden müssen, daß sie einen Defektstrom führen und auch abschalten können.

Es besteht die Möglichkeit der Unterbringung der beiden Varistoren V1, V2, bzw. V1′, V2′, einschließlich ihrer zugehörigen thermischen Abschaltmittel, in einem gemeinsamen Gehäuse.

Fig. 5 zeigt die Möglichkeiten einer "fail-safe" ("Fehler- Absicheruns")-Anordnung. Es sind wieder zwei Varistoren V1 und V2 vorgesehen. Dabei ist V1 der zunächst tätige Varistor und V2 der redundante Varistor. Wird V1 beschädigt, so schaltet der Schalter 9 durch thermische oder andere Auslö­ sung ab, und der Schalter 10 schließt den Varistor V2 ans Netz L-N. Die Varistoren V1, V2 können mit akustischen und/oder optischen Anzeigen 11, 12 versehen sein, wobei die Anzeigen 11 im übrigen auch noch auf eine Fernanzeige 13 geschaltet sein können. Die "fail-safe"-Schaltung, die nach­ stehend erläutert wird, soll eine zusätzliche Sicherung für den Fall geben, daß auch der nach Ausfall des ersten Vari­ stors V1 zugeschaltete, redundante Varistor V2 ausfällt, z. B. an einem Wochenende oder in sonstigen Zeiten, in denen keine ständige Kontrolle durch eine Betriebsperson vorliegt. In einem solchen Fall kann der redundante Varistor V2 entwe­ der durch Öffnen des Schalters 14 in seinem Querstrompfad L-PE oder auch durch Öffnen des Schalters 15 im Längsstrom­ pfad der Phase L von Spannung getrennt werden, wobei gleich­ zeitig das zu schützende System vom Netz abgetrennt und vor schädlichen Überspannungen geschützt wird. Weiterhin ist es auch möglich, durch Schließen eines Schalters 16 den Quer­ strompfad L-PE kurzzuschließen, so daß das geschützte System kurzgeschlossen ist, wodurch das zu schützende System vor schädlichen Überspannungen geschützt ist. Das Öffnen des Schalters 15 und das Schließen des Schalters 16 und gleich­ zeitiges Öffnen des Schalters 14 kann durch eine gemeinsame Betätigung 17 synchron erfolgen. Falls ein Abschalten und/oder Kurzschließen des zu schützenden Systems nicht erwünscht ist, kann die Funktion des Schalters 15 durch das Einsetzen einer Überbrückung 18 und die Funktion des Schal­ ters 16 durch das Entfernen einer Überbrückung 19 aufgehoben werden. Im letzten Fall kann eine optische oder akustische Anzeige 20 (auch als Fernanzeige 13) aktiviert werden. Die Anzeigen 11, 12, 20 können verschiedenfarbig sein, z. B. 11 grün, 12 orange und 20 rot.

Die sinngemäß gleiche Schaltung kann auch für den Fall vorgesehen werden, daß bei Fehlen eines Varistors V2, son­ dern für den Varistor V1 eine "fail-safe"-Schaltung ge­ wünscht wird (in der Zeichnung nicht dargestellt) Wie eingangs bereits erwähnt, ist die Erfindung nicht auf den Einsatz von Varistoren zur Überspannungsableitung be­ schränkt. Dies könnten die erläuterten anderen spannungsbe­ grenzenden Elemente sein, zu denen auch Löschfunkenstrecken gehören.

Alle dargestellten und beschriebenen Merkmale, sowie ihre Kombinationen untereinander, sind erfindungswesentlich.

Claims (11)

1. Anordnung zur Ableitung von Überspannungen, wobei mehre­ re überspannungsbegrenzende Elemente, z . B. Varistoren oder Dioden, und z. B. durch Überhitzung oder Feststel­ lung des Leckstromes auslösbare Abschaltmittel vorgese­ hen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei überspannungsbegrenzende Elemente (V1, V2) vorgesehen sind, von denen jeder für sich ausreichend dimensioniert ist, um an der betreffenden Einsatzstelle den Überspan­ nungsschutz zu gewährleisten, daß eine thermische Ab­ schaltung (Thermosicherung) und Leckstrom (3) vorgesehen ist, die im Strompfad des einen, ersten überspannungsbe­ grenzenden Elementes (V1) liegt, bei dessen Überhitzung abschaltet und das zweite überspannungsbegrenzende Element (V2) zuschaltet (3′).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Abschaltung (3, 3′) in der Position (3′), die sie nach ihrem Auslösen einnimmt, eine optische und/oder akustische Anzeige (6) betätigt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden überspannungsbegrenzenden Elemente (V1, V2) einander parallel geschaltet sind und die thermische Abschaltung (3) in der gemeinsamen Zuleitung der Phase (1) zu den beiden Parallelzweigen dieser Schaltung liegt.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden überspannungsbegrenzenden Elemente (V1, V2) in Reihe geschaltet sind, daß die thermische Abschaltung (3) zunächst unter Umgehung des zweiten überspannungsbegrenzenden Elementes (V2) das erste überspannungsbegrenzende Element (V1) zuschaltet und daß nach Auslösen dieser Thermosicherung (3) unter Abschal­ tung des ersten überspannungsbegrenzenden Elementes das zweite überspannungsbegrenzende Element zugeschaltet wird.

5. Anordnung zur Abschaltung von Überspannungen, wobei mehrere überspannungsbegrenzende Elemente und durch Überhitzung auslösende Abschaltmittel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in ihrer maximalen Betriebsspannung unterschiedliche überspannungsbegren­ zende Elemente (V1′, V2′) einander parallel geschaltet sind, und daß jedes dieser überspannungsbegrenzenden Elemente eine thermische Abschaltung (7, 8) aufweist, die bei Überlast auslöst und das betreffende überspan­ nungsbegrenzende Element von der Spannung trennt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Abschaltungen (7, 8) in der Position (7′, 8′), die sie nach ihrem Auslösen einnehmen, eine optische und/oder akustische Anzeige (6) betätigen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Abschaltung gegen Wirkung einer Feder durch Aufschmelzen einer Lotstelle erfolgt, wobei die Feder die Umschaltung in eine andere Schaltposition (3′, 7′, 8′) bewirkt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das als Ersatz vorgesehene überspan­ nungsbegrenzende Element nur sogenannte Notlaufeigen­ schaften besitzt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die überspannungsbegrenzenden Ele­ mente (V1, V2; V1′, V2′) mit ihren thermischen Abschal­ tungen sich in einem gemeinsamen Gehäuse befinden.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeich­ net durch eine sogenannte "fail-safe"- ("Schutz-Absiche­ rungs"-)Schaltung, die im Falle einer Schädigung oder des Ausfalles eines, bevorzugt beider überspannungsbe­ grenzender Elemente diese und/oder das zu schützende System kurzschließt und/oder abschaltet und dadurch entsprechend auf das zu schützende System einwirkt.

11. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch wahlweise einsetzbare Überbrückungen (18, 19) von Schal­ tern oder Anzeigen.