WO2016050907A2 - Überspannungsschutzvorrichtung mit überwachungsfunktion - Google Patents

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WO2016050907A2
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overvoltage protection
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overvoltage
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Rainer Durth
Steffen PFÖRTNER
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Phoenix Contact Gmbh & Co.Kg
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    • H02H3/048—Checking overvoltage diverters

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection device with monitoring function.
  • Overvoltage protection devices use, for example, varistors or transient voltage suppressor diodes (TVS diodes).
  • TVS diodes transient voltage suppressor diodes
  • Varistors are used e.g. used in overvoltage protection to limit overvoltages.
  • the power range extends from small-signal measurement control loops to high-voltage applications. It is known that varistors are subject to aging, which is highly dependent on the installation conditions and the frequency and intensity of the stresses with surge pulses, which is why the aging behavior of varistors is not reliably predictable.
  • Transient voltage suppressor diodes are used to limit overvoltages, preferably in the field of measurement control and regulation technology (MSR), in information technology (IT), and generally in circuits of lower electrical power, ie typically in a range of fine protection referred to as. It is known that TVS diodes are damaged in different ways when overloaded (e.g., by high surge current amplitudes). In addition to the so-called alloying in the short circuit, there are also damages in which the diodes remain relatively high impedance, up to the case that the junction capacitance of the diode is changed relevant.
  • the energy (the flowing leakage current) may u.U. be insufficient to ensure a reliable separation.
  • the varistors are provided with solid packages in which the overloaded varistor can be shorted and destroyed without environmental impact. That it is waived a shutdown and the destruction accepted.
  • particularly pressure and temperature-resistant housing must be provided, which are on the one hand bulky and the other expensive.
  • the thermal separation mechanisms react to the energy conversion (temperature increase) that results from fault currents / leakage currents. Depending on the degree of damage, the leakage current can rise very quickly.
  • Varistors or a TVS diode expires faster than the thermal separator can (or can) react. In this case, there is a risk that the disconnecting device, the leakage current that can develop up to the short-circuit current of the network, no longer switch off. It can come to the complete, explosive destruction of the varistor or the TVS diode.
  • Systems that do not monitor the thermal aging of the active overvoltage protection elements, but merely limit the impact of the short-circuit current through the Abieiter by means of solid metallic housings, are comparatively large and generate strong effects on the network, up to the failure by triggering system fuses.
  • a disadvantage of the known monitoring method is also that not the actual damage of the varistors or diodes itself is detected, but only the result of damage detected or the consequences of total failure can be reduced.
  • the monitoring of the temperature thus makes use of a secondary, time-delayed effect, which only comes to light when damage has already significantly advanced and thus an immediate danger is given.
  • a forward-looking metrological detection of the damage of varistors and TVS diodes is very expensive because for a measurement, the component or the overvoltage protection component must usually be disconnected from the supply network, so that its electrical parameters can be measured and compared with specified limits , This is on the one hand complex, on the other hand usually connected with an interruption of the supply voltage of the device to be protected.
  • the invention is based on the object to provide an overvoltage protection device with monitoring function, which avoids a disadvantage or several disadvantages of the prior art.
  • 1 is a first schematic diagram of a device according to the invention according to a first embodiment
  • 2 is a second schematic circuit diagram of a device according to the invention according to a second embodiment
  • Fig. 3 shows the use of a multi-contact varistor in a circuit according to
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of FIG. 1
  • FIG. 4 shows the use of a further multi-contact varistor in a circuit according to FIG. 2, FIG.
  • FIG. 5 shows the use of a further multi-contact varistor in a circuit according to FIG. 2, FIG.
  • FIG. 6 shows the use of a further multi-contact varistor in a circuit according to FIG. 1, FIG.
  • Fig. 7 shows an arrangement with a spark gap and a circuit according to
  • FIG. 1 A first figure.
  • the figures show an overvoltage protection device with monitoring function 1.
  • the overvoltage protection device with monitoring function 1 has a parallel connection of two current branches A, B on.
  • the first branch A has a first overvoltage protection Üi and a second overvoltage protection device Ü 2 , which are connected in series.
  • Üi first overvoltage protection
  • Ü 2 second overvoltage protection device
  • the second current branch B has a third device E 3 and a fourth device E 4 , which are also connected in series.
  • the first overvoltage device Ui and the third device E 3 have a first common voltage potential Pi during operation, while the second overvoltage device U 2 and the fourth device E 4 have a second common voltage potential P 2 in operation.
  • a first measuring tap is provided between the first overvoltage protection device Üi and the second overvoltage protection device Ü 2
  • a second measuring tap M 2 is provided between the third device E 3 and the fourth device E 4 , wherein the voltage between the first measuring tap Mi and the second measuring tap M 2, a signal Si, S 2 is derived that provides a state statement with respect to the first overvoltage protection device Ui and the second overvoltage protection device U 2 .
  • the third means E 3 and the fourth means E 4 for example, a series circuit of complex resistors, such as capacitors, coils, resistors or combinations thereof, or, the third device E 3 and the fourth device E 4 are themselves implemented as third overvoltage protection device U 3 and fourth overvoltage protection device U 4 , as shown in FIGS. 2-5.
  • the description of one design must always assume the other design as being included.
  • Such an evaluation circuit can be constructed, for example, by means of an operational amplifier, wherein, for example, upon reaching a certain differential voltage, a switch-off is initiated and / or a local or remote signaling Si is provided.
  • Local signaling can be provided, for example, by an optical and / or acoustic signal and / or a local display, for example an e-paper display, for condition signaling or for signaling measured values.
  • Remote signaling may be provided, for example, by remote signaling via a signaling and / or automation bus, or generally by telecommunications.
  • the evaluation unit C can be used via different algorithms to exclude errors and to adjust the sensitivity.
  • Various switching and signaling thresholds can be easily generated, in particular with varistors, so that, for example, a detected low differential voltage can be taken as an indicator of incipient degradation of one of the overvoltage devices, so that e.g. at a regular revision a corresponding component is replaced.
  • the measurement can be carried out during operation, so that a shutdown or removal of the overvoltage protection devices is not necessary.
  • the derived signal S 2 is used as a switching signal for a turn-off device SW.
  • the shutdown device may be a contactor or other suitable switch or it may be an externally triggerable fuse, as also invented by the Applicant and which is the subject of other applications.
  • the first overvoltage protection device Üi and the second overvoltage protection device Ü 2 are each implemented as a subvaristor of a multicontactvaristor M-MOV and the first measurement pickup is in electrical contact with a (center) contact of the multicontactvaristor M-MOV.
  • the sectionvaristoren are shown as similar, this is not mandatory.
  • FIGS. 3 to 6 different measures of the multi-contact varistor M-MOV may be provided.
  • two similar taps for contacting the measuring taps are provided in the ceramic of a varistor, so that two (virtual) current branches A, B form.
  • An appropriate measure is shown for the case that are provided only in a current branches overvoltage protection devices, using the example of a single tap.
  • a first varistor ceramic is arranged on another varistor, wherein the Meßabgriffe Mi M 2 are arranged between the varistor ceramics, which are additionally isolated in the intermediate space, so as to the current flow in branches A and B to separate.
  • an overvoltage protection device 1 with a spark gap FS with one or more auxiliary electrodes H1, H2 is arranged.
  • the overvoltage protection device 1 and the spark gap FS are connected in parallel and the first measuring tap of the overvoltage protection device 1 is connected to a first auxiliary starting electrode Hi of the spark gap FS.
  • the impedance ratio (complex resistance ratio) of the first overvoltage protection device Üi to the second overvoltage protection device Ü 2 in normal operation may correspond to the impedance ratio (complex resistance ratio) of the third device E 3 to the fourth device E 4 .
  • particularly simple evaluation circuits can be provided. It may, as shown in Figures 1, 6 and 7 to the device E3 and E4, be advantageous that one or both devices E3 and E4 can be detuned, so that in normal operation, the impedance ratios are equal.
  • Such an adjustment can be made, for example, during manufacture or during commissioning. Alternatively or additionally, other measures, such as a matching network, may be used.
  • the impedance ratios are not identical in normal operation.
  • suitable threshold value switches or matching networks or also an (electronic) comparison with one or more previously determined / set values of the voltage between the first measuring tap and the second measuring tap M 2 can be used.
  • the system proposed here allows constant, very accurate monitoring of the overvoltage protection components. Even small changes can be detected and corresponding information and measures can be initiated by means of a downstream evaluation unit.
  • the measuring method can be used to perform an actual analysis, ie to provide technical data, on the other hand, direct mechanisms can be started from the measurement out, for example, lead to disconnect the arrester of power grid.
  • the voltage signal between the first measuring tap of the current branch A and the second measuring tap M 2 of the current branch B can also be used directly for the actuation of actuators. This means that at the same time, out of the developing error, an actuator for disconnecting, short-circuiting or bridging SW can be controlled. This eliminates the time-critical detour via the detection of heating, so that much earlier can be responded to errors.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion (1), aufweisend eine Parallelschaltung von zwei Stromzweigen (A, B), wobei der erste Stromzweig (A) eine erste Überspannungsschutzeinrichtung (Ü1) und eine zweite Überspannungsschutzeinrichtung (Ü2) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei der zweite Stromzweig (B) eine dritte Einrichtung (E3) und eine vierte Einrichtung (E4) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei die erste Überspannungseinrichtung (Ü1) und die dritte Einrichtung (E3) in Betrieb ein erstes gemeinsames Spannungspotential (P1) aufweisen, und wobei die zweite Überspannungseinrichtung (Ü2) und die vierte Einrichtung (E4) in Betrieb ein zweites gemeinsames Spannungspotential (P2) aufweisen,, wobei zwischen der ersten Überspannungsschutzeinrichtung (Ü1) zur zweiten Überspannungsschutzeinrichtung (Ü2) ein erster Messabgriff (M1) vorgesehen ist und wobei zwischen der dritten Einrichtung (E3) zur vierten Einrichtung (E4) ein zweiter Messabgriff (M2) vorgesehen ist, wobei aus der Spannung zwischen dem ersten Messabgriff (M1) und dem zweiten Messabgriff (M2) ein Signal (S1, S2) abgeleitet wird, dass eine Zustandsaussage in Bezug auf die erste Überspannungsschutzeinrichtung (Ü1) und die zweite Überspannungsschutzeinrichtung (Ü2) bereitstellt.

Description

Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion
Phoenix Contact GmbH & Co KG, Blomberg
Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion.
Überspannungsschutzvorrichtung setzen beispielsweise Varistoren oder Transient Voltage Suppressordioden (TVS-Dioden) ein.
Varistoren werden z.B. im Überspannungsschutz zur Begrenzung von Überspannungen eingesetzt. Der Leistungsbereich erstreckt sich von Mess-Steuer-Regelkreisen mit Kleinsignalen bis hin zu Anwendungen im Hochspannungsbereich. Es ist bekannt dass Varistoren einer Alterung unterliegen, die stark abhängig von den Einbaubedingungen und der Häufigkeit und der Intensität der Belastungen mit Überspannungsimpulsen ist, weswegen das Alterungsverhalten von Varistoren nicht zuverlässig vorhersehbar ist.
Transient Voltage Suppressordioden (TVS-Dioden) werden zur Begrenzung von Überspannungen vorzugsweise im Bereich der Mess- Steuer- Regelungstechnik (MSR), in der Informationstechnik (IT), und generell in Kreisen geringerer elektrischer Leistung eingesetzt, also typischerweise in einem Bereich der als Feinschutz bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass TVS-Dioden bei Überlastung (z.B. durch hohe Stoßstromamplituden) auf unterschiedliche Weise geschädigt werden. Neben dem sogenannten Durchlegieren in den Kurzschluss, kommt es auch zu Schädigungen bei denen die Dioden relativ hochohmig bleiben, bis hin zu dem Fall, dass die Sperrschichtkapazität der Diode relevant verändert ist.
Um diesem Problem zu begegnen werden typischerweise bei Varistoren Abtrenneinrichtungen vorgesehen, die den jeweiligen Varistor trennt. Diese Abtrenneinrichtungen nutzen Wärme des Varistors, um den Varistor bei Erreichen einer vom Hersteller vorgegebenen Temperatur abzutrennen.
TVS Dioden werden hingegen nur selten überwacht oder gar durch Abtrennvorrichtungen im Fehlerfall vom elektrischen Kreis getrennt. Aus der DE 10 2010 038 066 und der DE 10 2010 036 909 sind bereits thermische Abtrenneinrichtungen zur Überwachung von TVS-Dioden bekannt. Diese Abtrenneinrichtungen basieren ebenfalls auf dem Prinzip der Bauteilerwärmung. Hierfür muss jedoch der bereits fließende „Leckstrom" eine gewisse Höhe haben um, die notwendige Bauteilerwärmung zu verursachen.
Gerade bei MSR- und IT- Anwendungen mit (sehr) energiearmen Systemen kann die Energie (der fließende Leckstrom) u.U. nicht ausreichen sein, um eine zuverlässige Abtrennung zu gewährleisten.
In anderen Lösungen (z.B. Raycap) werden die Varistoren mit massiven Gehäusen versehen, in denen der überlastete Varistor ohne Folgen für die Umgebung in den Kurzschluss gehen und zerstört werden kann. D.h. es wird auf eine Abschaltung verzichtet und die Zerstörung in Kauf genommen. Dabei müssen besonders druck- und temperaturfeste Gehäuse bereitgestellt werden, die zum einen großvolumig und zum anderen teuer sind. Die thermische Abtrennmechanismen reagieren auf den Energieumsatz (Temperaturerhöhung) der aus Fehlerströmen / Leckströmen entsteht. Je nach Schädigungsgrad kann der Leckstrom sehr schnell ansteigen.
Wie schnell jedoch die thermischen Abtrenneinrichtungen ansprechen hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Kritisch ist in aller Regel die thermische Masse, die jede mechanische Abtrenneinrichtungen aufweist. Die Mechanik muss i. d. R. relativ massiv ausgeführt sein, da sie geeignet sein muss die angestrebten Stoßströme zu tragen, und wiederum für den Auslösefall ausreichend mechanische Energie gespeichert haben muss, um die Trennkontakte sicher zu bewegen. Erschwerend kommt dabei hinzu, dass der kritische Bereich eines Varistors, an dem sich die unzulässige Erwärmung bildet (sogenannter Hotspot) u. U. weiter entfernt von der thermischen Abtrenneinrichtungen liegt, so dass der Wärmeübergang zur Abtrennstelle schlecht ist.
Somit kann es zu einem stark verzögerten Reagieren der thermischen Abtrenneinrichtungen kommen. Damit besteht die Gefahr, dass die Schädigung des
Varistors bzw. einer TVS Diode schneller abläuft, als die thermische Abtrenneinrichtung reagieren kann (oder können). In diesem Fall besteht die Gefahr, dass die Abtrenneinrichtung den Leckstrom, der sich bis zum Kurzschlussstrom des Netzes entwickeln kann, nicht mehr abschalten. Es kann zur vollständigen, explosionsartigen Zerstörung des Varistors bzw. der TVS Diode kommen. Systeme, die die thermische Alterung der aktiven Überspannungsschutzelemente nicht überwachen, sondern lediglich die Auswirkung des Kurzschlussstromes durch den Abieiter mittels massiver metallische Gehäuse begrenzen, sind vergleichsweise groß und erzeugen starke Rückwirkungen auf das Netz, bis hin zum Ausfall durch Auslösen von Anlagensicherungen.
Nachteilig an den bekannten Überwachungsverfahren ist zudem, dass nicht die aktuelle Schädigung der Varistoren oder Dioden selbst erkannt wird, sondern lediglich die Folge einer Schädigung detektiert bzw. die Folgen des Totalversagens gemindert werden. Die Überwachung der Temperatur bedient sich somit also eines sekundären, zeitverzögerten Effektes, der erst dann zu Tage tritt, wenn eine Schädigung bereits wesentlich fortgeschritten ist und somit eine unmittelbare Gefahr gegeben ist.
Eine vorausschauende messtechnische Erkennung der Schädigung von Varistoren und TVS Dioden ist mit hohem Aufwand verbunden, denn für eine Messung muss das Bauteil, bzw. die Überspannungsschutzkomponente in der Regel vom Versorgungsnetz getrennt werden, so dass seine elektrischen Parameter gemessen und mit festgelegten Grenzwerten verglichen werden können. Dies ist zum einen aufwändig, zum anderen in aller Regel auch mit einer Unterbrechung der Versorgungsspannung der zu schützenden Einrichtung verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion zur Verfügung zu stellen, die einen Nachteil oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Prinzip-Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 ein zweites Prinzip-Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 die Verwendung eines Multi-Kontaktvaristors in einer Schaltung gemäß
Figur 2,
Fig. 4 die Verwendung eines weiteren Multi-Kontaktvaristors in einer Schaltung gemäß Figur 2,
Fig. 5 die Verwendung eines weiteren Multi-Kontaktvaristors in einer Schaltung gemäß Figur 2,
Fig. 6 die Verwendung eines weiteren Multi-Kontaktvaristors in einer Schaltung gemäß Figur 1 ,
Fig. 7 eine Anordnung mit einer Funkenstrecke und einer Schaltung gemäß
Figur 1 .
Die Figuren zeigen eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion 1 .
Die Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion 1 weist eine Parallelschaltung von zwei Stromzweigen A, B auf. Der erste Stromzweig A weist eine erste Überspannungsschutzeinrichtung Üi und eine zweite Überspannungsschutzeinrichtung Ü2 auf, die in Reihe geschaltet sind. Obwohl in den Figuren in denen in aller Regel Varistoren als Überspannungsschutzeinrichtung dargestellt sind, ist dies nicht limitierend sondern lediglich als ein Beispiel für Überspannungsschutzeinrichtungen allgemeiner Art zu sehen.
Weiterhin weist der zweite Stromzweig B eine dritte Einrichtung E3 und eine vierte Einrichtung E4 auf, die ebenfalls in Reihe geschaltet sind.
Die erste Überspannungseinrichtung Üi und die dritte Einrichtung E3 weisen in Betrieb ein erstes gemeinsames Spannungspotential Pi auf, während die zweite Überspannungseinrichtung Ü2 und die vierte Einrichtung E4 in Betrieb ein zweites gemeinsames Spannungspotential P2 aufweisen. Zwischen der ersten Überspannungsschutzeinrichtung Üi zur zweiten Überspannungsschutzeinrichtung Ü2 ein erster Messabgriff vorgesehen ist und wobei zwischen der dritten Einrichtung E3 zur vierten Einrichtung E4 ein zweiter Messabgriff M2 vorgesehen ist, wobei aus der Spannung zwischen dem ersten Messabgriff Mi und dem zweiten Messabgriff M2 ein Signal Si , S2 abgeleitet wird, dass eine Zustandsaussage in Bezug auf die erste Überspannungsschutzeinrichtung Üi und die zweite Überspannungsschutzeinrichtung Ü2 bereitstellt. Dabei kann wie in Figur 1 und in Figur 6 und Figur 7 gezeigt, die dritte Einrichtung E3 und die vierte Einrichtung E4 beispielsweise eine Serienschaltung von komplexen Widerständen, beispielsweise Kondensatoren, Spulen, Widerständen oder Kombination hiervon sein, oder aber, die dritte Einrichtung E3 und die vierte Einrichtung E4 sind selbst als dritte Überspannungsschutzeinrichtung Ü3 und vierte Überspannungsschutzeinrichtung Ü4 ausgeführt, wie in den Figuren 2-5 gezeigt. Soweit nachfolgend nicht explizit angegeben ist, dass eine bestimmte Bauform ausschließlich zur Verwendung kommen muss, sind mit der Beschreibung der einen Bauform auch immer die andere Bauform als mitumfasst anzunehmen.
Mit den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen ist es nunmehr möglich auf einfache Weise den Zustand der Überspannungsschutzeinrichtungen zeitlich unmittelbar zu erkennen. Tritt nämlich eine Schädigung einer der Überspannungsschutzeinrichtungen auf, so wirkt sich dies unmittelbar auf die Impedanz aus. Auf Grund der Anordnung in einer der Wheatstoneschen Messbrücke ähnlichen Anordnung tritt nun auf Grund der geänderten Impedanzverhältnisse eine Spannung zwischen den Messabgriffen Mi und M2 auf. D.h. es wird die Spannung zwischen dem ersten Messabgriff Mi des Stromzweigs A und dem zweiten Messabgriff M2 des Stromzweigs B verglichen. Ändert sich eines der Bauteile ist dieses sehr einfach über die Spannungsänderung zwischen dem ersten Messabgriff Mi des Stromzweigs A und dem zweiten Messabgriff M2 des Stromzweigs B nachweisbar. Dabei kann unter Umständen aus dem (Vorzeichen des) Signal auf den entsprechenden Stromzweig A oder B geschlossen werden, in dem der Fehler auftritt. Da diese Änderung sehr früh registriert werden kann, können entsprechende Maßnahmen sehr frühzeitig eingeleitet werden.
Zur Zustandskontrolle kann alternativ oder zusätzlich eine temporäre (auch periodisch wiederkehrende Messung z.B. in Kraftwerken) erfolgen oder auch eine dauerhafte
Messung. Beide Messungen können während des Betriebes, bei anliegender Netzspannung auf einfachstem Weg realisiert werden. In allgemeinster Form kann dabei angenommen werden, dass bei einer Spannungsmessung ungleich Null ein Defekt einer der Überspannungsschutzeinrichtungen vorliegt. Aus den Messungen heraus können bei entsprechender Auswertung und Weiterverarbeitungen Störmeldesignal und Schaltbefehle (Ausschalten oder Trennen etc.) generiert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann nun z.B. wie in den Figuren 1 bis 6 gezeigt, eine Auswerteschaltung C bereitgestellt werden, wobei die Auswerteschaltung C eine Differenzspannung zwischen dem ersten Messabgriff Mi und dem zweiten Messabgriff M2 auswertet. Eine solche Auswerteschaltung kann z.B. mittels eines Operationsverstärkers aufgebaut werden, wobei z.B. bei Erreichen einer bestimmten Differenzspannung ein Abschalten eingeleitet wird und/oder eine lokale oder ferne Signalisierung Si bereitgestellt wird. Eine lokale Signalisierung kann beispielsweise durch ein optisches und/oder akustisches Signal und/oder ein lokales Display, z.B. ein E-Paper Display, zur Zustandssignalisierung bzw. zur Signalisierung von Messwerten bereitgestellt werden. Eine entfernte Signalisierung kann beispielsweise durch eine Fernmeldung über eine Signalisierung und/oder Automatisierungsbus oder allgemein mittels Telekommunikation bereitgestellt werden.
Dabei kann die Auswerteeinheit C über unterschiedliche Algorithmen zum Ausschluss von Fehlern und zur Einstellbarkeit der Empfindlichkeit genutzt werden. Verschiedene Schalt- und Meldeschwellen sind insbesondere bei Varistoren problemlos generierbar, sodass z.B. eine erkannte niedrige Differenzspannung als Indikator einer beginnenden Degradation eines der Überspannungseinrichtungen genommen werden kann, sodass z.B. bei einer turnusgemäßen Revision ein entsprechendes Bauteil ersetz wird.
Von besonderem Vorteil ist, dass die Messung im laufenden Betrieb erfolgen kann, sodass eine Abschaltung oder ein Herausnehmen der Überspannungsschutzeinrichtungen nicht nötig ist. Weiterhin kann in Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass das abgeleitete Signal S2 als Schaltsignal für eine Abschalteinrichtung SW verwendet wird.
Beispielsweise kann die Abschalteinrichtung ein Schütz oder sonst wie geeigneter Schalter sein oder aber es handelt sich um eine extern triggerbare Schmelzsicherung, wie sie ebenfalls von der Anmelderin erfunden wurden und die Gegenstand von anderen Anmeldungen ist.
Obwohl in der Einleitung auf Varistoren und Transient Voltage Suppressordioden abgestellt wurden, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern im Prinzip können die Wirkprinzipien auch für andere geeignete Überspannungsschutzeinrichtung Üi , Ü2 Verwendung finden. Gleiches gilt in Bezug auf die dritte Einrichtung E3 und die vierte Einrichtung E4 in ihrer Ausformung als Überspannungsschutzeinrichtungen Ü3, Ü4. In einer besonders kompakten Ausführungsform finden Multikontaktvaristoren M-MOV Verwendung, wie nun nachfolgend auf verschieden Ausführungsformen in Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 6 beschrieben werden wird.
Beispielsweise ist in diesen die erste Überspannungsschutzeinrichtung Üi und die zweite Überspannungsschutzeinrichtung Ü2 je als Teilvaristor eines Multikontaktvaristors M-MOV ausgeführt und der erste Messabgriff ist in elektrischem Kontakt mit einem (Mittel-)Kontakt des Multikontaktvaristors M-MOV. Obwohl die Teilvaristoren als gleichartig dargestellt sind, ist dies nicht zwingend notwendig.
Beispielsweise kann wie in Figur 3 bis 6 durch unterschiedliche Maßnahmen der Multikontaktvaristors M-MOV bereitgestellt sein. Beispielsweise wird in der Figur 3 in die Keramik eines Varistors zwei gleichartige Abgriffe zur Kontaktierung der Messabgriffe bereitgestellt, sodass sich zwei (virtuelle) Stromzweige A, B ausbilden. Ein hierzu entsprechende Maßnahme wird für den Fall, das nur in einem Stromzweige Überspannungsschutzeinrichtungen vorgesehen sind, am Beispiel eines einzigen Abgriffs gezeigt.
Zur besseren Trennung der Messabgriffe im Multikontaktvaristor M-MOV kann vorgesehen sein, dass z.B. eine erste Varistorkeramik auf einer weiteren Varistorkeramik angeordnet wird, wobei zwischen den Varistorkeramiken die Messabgriffe Mi M2 angeordnet sind, wobei diese zusätzlich im Zwischenraum isoliert sind, um so den Stromfluss in den Zweigen A und B zu trennen.
Weiterhin kann auch wie in Figur 5 gezeigt eine vollständige Trennung der Keramiken vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Anordnung, welche in Figur 7 gezeigt ist, ist eine Überspannungsschutzvorrichtung 1 mit einer Funkenstrecke FS mit einer oder mehreren Hilfselektroden H1 , H2 angeordnet. Die Überspannungsschutzvorrichtung 1 und die Funkenstrecke FS sind dabei parallel geschaltet und der erste Messabgriff der Überspannungsschutzvorrichtung 1 ist mit einer ersten Zündhilfselektrode Hi der Funkenstrecke FS verbunden. Ein Beispiel, auf einfache Weise eine Varistorbrücke so zu überwachen, dass bei relevanter Schädigung eines Varistors die Vorrichtung 1 vor Zerstörung geschützt wird, ist die Zündung der parallelen Funkenstrecke FS, die für einen Kurzschluss sorgt, so dass eine vorgeschaltete Sicherung (nicht dargestellt) anspricht und das gesamte Überspannungsschutzgerät von der Betriebsspannung trennt. Dabei kann zu Zündung der Funkenstrecken FS beispielsweise eine von der Anmelderin angemeldete resisitiv unterstützte Zündung genutzt werden.
In den Überspannungsschutzvorrichtungen mit Überwachungsfunktion der Erfindung kann z.B. das Impedanzverhältnis (komplexes Widerstandverhältnis) der ersten Überspannungsschutzeinrichtung Üi zur zweiten Überspannungsschutzeinrichtung Ü2 im Normbetrieb dem Impedanzverhältnis (komplexes Widerstandverhältnis) der dritten Einrichtung E3 zur vierten Einrichtung E4 entsprechen. Hierdurch können besonders einfache Auswerteschaltungen bereitgestellt werden. Dabei kann es, wie in Figur 1 , 6 und 7 an den Einrichtung E3 und E4 dargestellt, von Vorteil sein, dass einer oder beide Einrichtungen E3 und E4 verstimmt werden kann, sodass im Normbetrieb die Impedanzverhältnisse gleich sind. Eine derartige Einstellung kann z.B. bei der Fertigung oder bei der Inbetriebnahme vorgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Maßnahmen, wie z.B. ein Anpassungsnetzwerk, verwendet werden.
Alternativ hierzu kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Impedanzverhältnisse im Normbetrieb nicht identisch sind. Auch hier kann durch eine geeignete Beschaltung erreicht werden, dass z.B. nur Abweichungen gegenüber einem (gemessenen oder zuvor eingestellten) Normwert als Fehlfunktion erkannt werden. Hierzu können beispielsweise geeignete Schwellwertschalter oder Anpassungsnetzwerke oder auch ein (elektronsicher) Vergleich mit einem oder mehreren zuvor ermittelten/eingestellten Werten der Spannung zwischen dem ersten Messabgriff und dem zweiten Messabgriff M2 verwendet werden. Obwohl die vorstehenden Elemente der Erfindung als Einzelelemente beschrieben wurden versteht es sich von selbst, dass diese auch Bestandteil einer verkaufsfähigen Vorrichtung sein können, die z.B. in einem Gehäuse vereinigt sind.
Das hier vorgeschlagene System ermöglicht eine ständige sehr genaue Überwachung der Überspannungsschutzkomponenten. Es können bereits geringe Veränderungen detektiert werden und anhand einer nachgeschalteten Auswerteeinheit entsprechende Informationen und Maßnahmen eingeleitet werden. Zum einen kann die Messmethode genutzt werden, um eine tatsächliche Analyse durchzuführen, also technische Daten zu liefern, zum anderen können direkte Mechanismen aus der Messung heraus in Gang gesetzt werden, die z.B. zum Abtrennen des Ableiters von Stromversorgungsnetz führen.
Durch ständige oder zyklische Auswertung der gewonnenen Daten kann eine Prognose für die weitere Entwicklung des Ableiters getroffen werden. Insbesondere für Anlagen deren Zugänglichkeit nicht immer gegeben ist, und deren Revision mit besonderem Aufwand verbunden ist (z.B. Windkraft offshore) ist eine solche Überwachung von besonderer Bedeutung (Smart SPD).
Weiterhin kann das Spannungssignal zwischen dem ersten Messabgriff des Stromzweigs A und dem zweiten Messabgriff M2 des Stromzweigs B auch direkt zur Betätigung von Aktoren verwendet werden. Das bedeutet, dass zeitgleich, aus dem sich ausbildenden Fehler heraus, ein Aktor zum Abtrennen, Kurzschließen oder Überbrücken SW angesteuert werden kann. Damit entfällt der zeitkritisch Umweg über die Detektierung einer Erwärmung, so dass viel früher auf Fehler reagiert werden kann.
Dadurch können auch „schnell" fortschreitende Schädigung die zum Fließen des Kurzschlussstromes und der einhergehenden Explosion des Ableiters führen könnten, so früh abgefangen werden, dass vergleichsweise einfache Schalteinrichtungen noch ausreichend sind, den Fehler abzuschalten.
Bezugszeichenliste
Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion 1
Stromzweig A, B 5 Überspannungsschutzeinrichtung Üi , Ü2,Ü3, Ü4
Einrichtung E3, E4
Spannungspotential Pi, P2
Messabgriff M, , M2
Signal Si , S2 i o Auswerteschaltung C
Abschalteinrichtung SW
Multikontaktvaristors M-MOV
Funkenstrecke FS
Zündhilfselektrode H2

Claims

Patentansprüche
1 . Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion (1 ), aufweisend eine Parallelschaltung von zwei Stromzweigen (A, B), wobei der erste Stromzweig (A) eine erste Überspannungsschutzeinrichtung (Üi) und eine zweite Überspannungsschutzeinrichtung (Ü2) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei der zweite Stromzweig (B) eine dritte Einrichtung (E3) und eine vierte Einrichtung (E4) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei die erste Überspannungseinrichtung (Üi) und die dritte Einrichtung (E3) in Betrieb ein erstes gemeinsames Spannungspotential (Pi) aufweisen, und wobei die zweite Überspannungseinrichtung (Ü2) und die vierte Einrichtung (E4) in Betrieb ein zweites gemeinsames Spannungspotential (P2) aufweisen, , wobei zwischen der ersten Überspannungsschutzeinrichtung (Üi) zur zweiten Überspannungsschutzeinrichtung (Ü2) ein erster Messabgriff (M^ vorgesehen ist und wobei zwischen der dritten Einrichtung (E3) zur vierten Einrichtung (E4) ein zweiter Messabgriff (M2) vorgesehen ist, wobei aus der Spannung zwischen dem ersten Messabgriff (M^ und dem zweiten Messabgriff (M2) ein Signal (S S2) abgeleitet wird, dass eine Zustandsaussage in Bezug auf die erste Überspannungsschutzeinrichtung (Üi) und die zweite Überspannungsschutzeinrichtung (Ü2) bereitstellt.
2. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Auswerteschaltung (C) bereitgestellt wird, wobei die Auswerteschaltung (C) eine Differenzspannung zwischen dem ersten Messabgriff (Mi) und dem zweiten Messabgriff (M2) auswertet.
3. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung im laufenden Betrieb erfolgt.
4. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeleitete Signal (S2) als Schaltsignal für eine Abschalteinrichtung (SW) verwendet wird.
5. Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Überspannungsschutzeinrichtung (Üi) und die zweite Uberspannungsschutzeinrichtung (U2) ausgewählt aus der Gruppe aufweisend Varistoren und Transient Voltage Suppressordioden sind.
Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Einrichtung (E3) und die vierte Einrichtung (E4) Überspannungsschutzeinrichtungen sind.
Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Überspannungsschutzeinrichtung (Üi) und die zweite
Überspannungsschutzeinrichtung (Ü2) Teilvaristoren eines Multikontaktvaristors (M-MOV) sind und dass der erste Messabgriff (M^ ein Kontakt des Multikontaktvaristors (M-MOV) ist.
Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanzverhältnis der ersten Überspannungsschutzeinrichtung (Üi) zur zweiten
Überspannungsschutzeinrichtung (Ü2) im Normbetrieb dem Impedanzverhältnis der dritten Einrichtung (E3) zur vierten Einrichtung (E4) entspricht
Anordnung einer Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Funkenstrecke (FS) mit Hilfselektroden (H1 , H2), wobei die Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) und die Funkenstrecke (FS) parallel geschaltet sind und wobei der erste Messabgriff (Mi) der Überspannungsschutzvorrichtung (1 ) mit einer ersten Zündhilfselektrode (Hi) der Funkenstrecke (FS) verbunden ist.
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