DE102009048045B4

DE102009048045B4 - Überspannungsschutzelement

Info

Publication number: DE102009048045B4
Application number: DE102009048045A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Durth; Christian Dipl.-Ing. Depping
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-10-03
Also published as: CN102576980A; EP2483976B1; US20120268850A1; RU2497250C1; WO2011039342A1; EP2483976A1; CN102576980B; DE102009048045A1

Abstract

Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse (1), mindestens zwei in das Gehäuse (1) hineinführenden elektrischen Leitern (2) zum elektrischen Anschließen des Überspannungsschutzelements, einem Thermoschalter (14), einer Funkenstrecke (15) und einem Zündelement (16), wobei
in dem Gehäuse (1) ein Überspannungsableiter (3) zum Begrenzen einer Überspannung der elektrischen Leiter (2) und ein drucksensitiver Schalter (4) zum Kurzschließen der elektrischen Leiter (2) angeordnet sind,
der Thermoschalter (14) mit dem Überspannungsableiter (3) thermisch verbunden ist,
der Thermoschalter (14) derart ausgestaltet ist, dass durch ein Schalten des Thermoschalters (14) die Funkenstrecke (15) durch das Zündelement (16) zündbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse und mindestens zwei in das Gehäuse hineinführenden elektrischen Leitern zum elektrischen Anschließen des Überspannungsschutzelements.
Elektrische Stromkreise und Anlagen arbeiten mit einer für sie spezifizierten Spannung, der sogenannten Nennspannung, störungsfrei, es sei denn, dass Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb einer oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch transiente Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische oder elektronische Stromkreise, insbesondere elektronische Mess-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise in den verschiedensten Einsatzbereichen gegen transiente Überspannungen zu schützen, wurden Überspannungsschutzelemente entwickelt, wie aus dem Stand der Technik seit einigen Dekaden bekannt.
Grundlage einer jeder Industrieanlage sind die Leitungen bzw. Leiter der Mess-, Steuer- und Regeltechnik. Der reibungslose Betrieb dieser Leitungen setzt ein hohes Maß an Verfügbarkeit der übertragenen Signale voraus. Die Schutzschaltungen entsprechender Überspannungsschutzelemente müssen dabei auf die verschiedenen Signal- und Messprinzipien angepasst werden. Als Überspannungsableiter kommen dabei insbesondere Varistoren, Supressor-Dioden und gasgefüllte Überspannungsableiter oder Funkenstrecken sowie Kombinationen der vorgenannten Bauelemente zum Einsatz. Die einzelnen Überspannungsableiter können dabei unter anderem nach der Höhe des Ableitvermögens bzw. dem Schutzpegel unterschieden werden. Während Varistoren in der Regel als Mittelschutzstufe eingesetzt werden, dienen gasgefüllte Überspannungsableiter und Funkenstrecken in der Regel als Grobschutz. Darüber hinaus können die einzelnen Überspannungsableiter in spannungsbegrenzende Elemente, beispielsweise Varistoren, einerseits und spannungsschaltende Elemente, beispielsweise gasgefüllte Überspannungsableiter und Funkenstrecken, andererseits unterteilt werden. Nachfolgend werden als Überspannungsableiter insbesondere Varistoren betrachtet, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt sein soll.
Überspannungsableiter, insbesondere Varistoren und Funkenstrecken, unterliegen einer Alterung, die die Nennparameter der Überspannungsableiter verändert. Die Alterung kann über die Zeit beispielsweise zu unerwünschten erhöhten Leckströmen und dem nachfolgenden Versagen der Überspannungsableiter während eines Ableitvorgangs, oder auch unter Netzbedingungen führen. Überspannungsableiter mit einem Varistor weisen daher vielfach eine thermische Abtrennvorrichtung auf, durch die ein nicht mehr einwandfrei funktionsfähiger Varistor elektrisch von dem zu überwachenden Strompfad abgetrennt wird. Werden Überspannungsableiter während eines Ableitvorgangs oder durch zeitweise auftretende Überspannungen (TOV, temporary over voltage) überlastet, so ist der elektrische Zustand, in den der Überspannungsableiter geht, in der Regel nicht klar definiert. Insbesondere kann sich die Impedanz der Überspannungsableiter so verändern, dass hohe netzgetriebene Ströme durch die Überspannungsableiter fließen, die jedoch noch zu gering sind, das vorgeschaltete Überstromschutzeinrichtungen ansprechen. Der hohe Leistungsumsatz eines derart niederohmig gewordenen Überspannungsschutzelements erhitzt den Baukörper des Überspannungsschutzelements derart schnell, dass die üblichen thermischen Abtrennvorrichtungen nicht in der Lage sind, rechtzeitig abzutrennen und es zu offenen Lichtbögen kommt. Auch sind die aus dem Stand der Technik bekannten Abtrennvorrichtungen nicht für hohe Schaltleistungen ausgelegt, so dass, wenn bereits hohe Ströme fließen und die Abtrennvorrichtung öffnet, ebenfalls Lichtbögen entstehen, die nicht gelöscht werden können. In beiden Fällen können die Lichtbögen zur Entflammung, Explosion und/oder starker Druckentwicklung führen, die von den üblichen Kunststoffgehäusen der Überspannungsschutzelemente nicht ohne Beschädigung beherrscht werden. Die Folge derartiger Lichtbögen ist beispielsweise ein unzulässiger Verlust der IP-Schutzart, sowie Schädigung benachbarter Baugruppen bis hin zur Zerstörung der gesamten Industrieanlage.
Aus dem Stand der Technik sind ferner Überspannungsschutzelemente bekannt, bei denen der Überspannungsableiter derart in einem metallischen Gehäuse gekapselt ist, dass ein Fehler innerhalb des Gehäuses keine unzulässigen Emissionen in die Umgebung zulässt. Weiterhin sollen sich bei derartigen Ausgestaltungen bei der Überlastung des Überspannungsableiters Lichtbögen derart ausbilden können, dass diese durch das metallisch leitende Gehäuse kurzgeschlossen werden, so dass der innere Energieumsatz minimiert und ein vorgeschalteter Überstromschutz, beispielsweise eine Sicherung, beschleunigt auslösen kann. Solche Überspannungsschutzelemente gehen also davon aus, dass bei einem Versagen des gekapselten Überspannungsableiters ein Lichtbogen im Inneren des metallischen Gehäuses auftritt, der entweder selbst verlöscht, oder durch das Ansprechen eines vorgeschalteten Überstromschutzes gelöscht wird.
Nachteilig ist jedoch, dass das Verhalten des Lichtbogens und dessen Auswirkungen auf den inneren Bauraum des Überspannungsschutzelementes sowie dessen elektrisch funktionale Komponenten undefiniert und nicht bekannt sind. Entsteht ein Lichtbogen, so wird an den Fußpunkten des Lichtbogens Metall aufgeschmolzen und verdampft, so dass die metallische Kapselung des Überspannungsschutzelementes nachhaltig mechanisch geschwächt ist, ohne dass dies an dem Überspannungsschutzelement von außen ersichtlich ist. Der durch den Lichtbogen entstehende Metalldampf schlägt sich an den inneren Oberflächen des Gehäuses des Überspannungsschutzelementes nieder. Sofern sich der Metalldampf auf Isolationsmaterialien des Gehäuses niederschlägt, entstehen undefinierte Isolationsverhältnisse. Die innere Beschädigung ist gerade dann besonders kritisch, wenn Lichtbögen selbst verlöschen und nicht den vorgeschalteten Überstromschutz auslösen, so dass eine innere Schädigung des Überspannungsschutzelements vollständig unbemerkt bleibt. Daher ist es möglich, dass selbst wenn ein vorgeschalteter Überstromschutz ausgelöst hat, die Ursache nicht erkannt werden kann, und das defekte oder stark geschädigte Überspannungsschutzelement erneut in Betrieb genommen wird.
Aus der EP 1 850 437 A1 ist eine elektrische Schutzeinrichtung für eine Schaltanlage bekannt, die einen Lichtbogen-Sperrkreis und einen Überspannungsableiter aufweist, wobei der Lichtbogen-Sperrkreis und der Überspannungsableiter parallel geschaltet sind.
Aus der DE 198 45 889 A1 ist eine Funkenstreckenanordnung zum Einsatz in der Stromversorgung bekannt, mit einer Lichtbogenkammer, innerhalb derer zwischen zwei Elektroden der Funkenstrecke ein Lichtbogenüberschlag erfolgt. Der Lichtbogenkammer ist eine Zwischenkammer nachgeschaltet, deren Volumen wesentlich größer ist als das der Lichtbogenkammer. Als Verbindung zwischen der Lichtbogenkammer und der Zwischenkammer ist ein druckfester, bevorzugt metallischer, Durchströmkanal vorgesehen.
Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Überspannungsschutzelement anzugeben, das in besonders einfacher Weise ein sicheres Abtrennen eines Fehlerstroms selbst bei einem fehlerhaften Überspannungsableiter gewährleistet.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demnach wird diese Aufgabe gelöst durch ein Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse, mindestens zwei in das Gehäuse hineinführenden elektrischen Leitern zum elektrischen Anschließen des Überspannungsschutzelements, einem Thermoschalter, einer Funkenstrecke und einem Zündelement, wobei in dem Gehäuse ein Überspannungsableiter zum Begrenzen einer Überspannung der elektrischen Leiter und ein drucksensitiver Schalter zum Kurzschließen der elektrischen Leiter angeordnet sind, der Thermoschalter mit dem Überspannungsableiter thermisch verbunden ist, der Thermoschalter derart ausgestaltet ist, dass durch ein Schalten des Thermoschalters die Funkenstrecke durch das Zündelement zündbar ist.
Erfindungsgemäß wird damit ein Überspannungsschutzelement bereitgestellt, das selbst bei einem defektem Überspannungsableiter zuverlässig und sicher bei Entstehen eines Lichtbogens in dem Gehäuse des Überspannungsschutzelementes die elektrischen Leiter niederimpendant kurzschließt, so dass ein vorzugsweise vorgeschalteter Überstromschutz, beispielsweise eine Sicherung, auslösen kann. Somit werden die aus dem Stand der Technik bekannten und vorab beschriebenen Nachteile eines in dem Gehäuse des Überspannungsschutzelementes auftretenden Lichtbogens, die zu einer beschränkten Funktionalität des Überspannungsableiters führen können, ohne dass diese beschränkte Funktionalität außerhalb des Überspannungselementes ersichtlich wird, vermieden. Die Erfindung geht damit einen völlig neuen Weg, der die vorab ausgeführten Nachteile des Stands der Technik vermeidet.
Durch den Lichtbogen entsteht in dem Gehäuse ein erhöhter Druck, so dass durch den erhöhten Druck der drucksensitive Schalter, welcher bei einer Erhöhung des Drucks schaltet, die elektrischen Leiter kurzschließt, so dass der vorzugsweise vorgeschaltete Überstromschutz, beispielsweise die Sicherung, auslöst und einen an den Leitern anliegenden Fehlerstrom abschaltet. Somit ist das Ansprechen eines Überstromschutzes klar definiert, so dass das Risiko, das, wie aus dem Stand der Technik bekannt, ein vergleichsweise hochimpedanter Lichtbogen zu einem verzögerten Ansprechen des Überstromschutzes führt, ausgeschlossen ist. Der Lichtbogen brennt somit nur sehr kurz in dem Gehäuse, und kann dieses nicht in der Weise zerstören, dass Emissionen, wie Metalldampf, auftreten. Ebenfalls vorteilig ist, dass aufgrund der kurzen Brenndauer des Lichtbogens, der durch den Lichtbogen entstehende Druckanstieg in dem Gehäuse so reduziert wird, dass bereits geringe Wandstärken des Gehäuses zur Beherrschung des Drucks ausreichen, was eine kostengünstige Fertigung des Überspannungsschutzelements ermöglicht.
Mit anderen Worten erlaubt das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement ein besonders sicheres und einfaches Abschalten eines Stromkreises derart, dass selbst bei defektem Überspannungsableiter und Entstehen eines Lichtbogens in dem Gehäuse der durch den Lichtbogen entstehende Druck in dem Gehäuse auf den drucksensitiven Schalter derart wirkt, dass der drucksensitive Schalter die elektrischen Leiter kurzschließt, so dass ein vorzugsweise vorgeschalteter Überstromschutz, beispielsweise eine Sicherung, auslöst, und den Stromkreis bzw. den an den Leitern anliegenden Fehlerstrom abschaltet. Dabei wird der Fachmann den drucksensitiven Schalter und das Volumen des Gehäuses derart aufeinander abstimmen, dass schon Lichtbögen geringer Leistung bzw. Lichtbögen, die erst im Aufbau begriffen sind, zu einem Ansprechen, also Schalten des drucksensitiven Schalters führen. Andererseits wird der Fachmann das Überspannungsschutzelement derart auslegen, dass Druckdifferenzen in dem Gehäuse, die durch Erwärmung, umgebungsatmosphärische Schwankungen und/oder typische Vibrationen einer Industrieanlage erzeugt werden, zu keinem Ansprechen des drucksensitiven Schalters führen. Insbesondere ist bevorzugt, dass der drucksensitive Schalter derart schnell anspricht, also schaltet, dass keine relevanten Netzfolgeströme in dem Lichtbogen fließen können.
Der Überspannungsableiter kann als ein beliebiger aus dem Stand der Technik bekannter Überspannungsableiter ausgestaltet sein, also beispielsweise als ein Varistor, als Supressor-Diode und/oder als ein gasgefüllter Überspannungsableiter oder eine Funkenstrecke sowie eine Kombination der vorgenannten Bauteile. Das Gehäuse des Überspannungsschutzelements ist vorzugsweise druckfest ausgeführt, also vorzugsweise derart ausgeführt, dass ein Anstieg des Drucks in dem Gehäuse das durch das Gehäuse beinhaltete Volumen nicht vergrößert. Ganz besonders bevorzugt ist das Gehäuse aus einem nicht leitenden Material, wie beispielsweise einem Kunststoff, oder einem Metall, also vorzugsweise leitfähig, ausgeführt. Vorzugsweise sind der Überspannungsableiter und/oder der drucksensitive Schalter elektrisch leitend mit den Leitern verbunden.
Ganz besonders ist bevorzugt, dass der drucksensitive Schalter derart ausgestaltet ist, dass der Schalter bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks in dem Gehäuse die elektrischen Leiter kurzschließt. Dabei kann beispielsweise der vorbestimmte Druck 2%, 5%, 10%, 20% oder 50% über dem Ausgangsdruck des Gehäuses liegen. Unter Ausgangsdruck ist dabei der Druck in dem Gehäuse zu verstehen, der bei Anlegen keiner Spannung bzw. keinem Strom an die elektrischen Leiter in dem Gehäuse vorherrscht. Weiterhin ist bevorzugt, dass der drucksensitive Schalter variabel derart einstellbar ist, dass das „Ansprechen” des Schalters entsprechend eines einstellbaren Drucks bestimmbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Schaltschloss zum Blockieren des Schaltens des Schalters vorgesehen ist und das Schaltschloss durch den Druckanstieg und/oder durch eine thermische Veränderung in dem Gehäuse entriegelbar ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass eine Feder zum Beaufschlagen des Schalters derart mit Federkraft vorgesehen ist, dass die Feder den Schalter nach Entriegeln des Schaltschlosses betätigt. Durch derartige Ausgestaltungen wird der Schaltvorgang des Schalters zum einen beschleunigt, also aufgrund der durch die Feder auf den Schalter wirkenden Federkraft, und ist zum anderen derart definiert, dass nur bei einem Druckanstieg in dem Gehäuse und/oder durch eine thermische Veränderung in dem Gehäuse, also beispielsweise durch einen Anstieg der Temperatur, insbesondere durch einen Lichtbogen, das Schaltschloss entriegelt wird und somit der Schalter die elektrischen Leiter kurzschließt, so dass ein vorzugsweise vorgeschalteter Überstromschutz, beispielsweise eine Sicherung, auslöst.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist bevorzugt, dass ein Thermoschalter und eine Funkenstrecke vorgesehen sind, der Thermoschalter mit dem Überspannungsableiter thermisch verbunden ist und der Thermoschalter derart ausgestaltet ist, dass die Funkenstrecke durch den Thermoschalter zündbar ist. Unter „thermisch verbunden” ist hierbei zu verstehen, dass bei einer Erhöhung der Temperatur des Überspannungsableiters der Überspannungsableiter die Temperaturerhöhung an den Thermoschalter weitergibt, sich also die Temperatur des Thermoschalters ebenfalls erhöht. Der Thermoschalter kann als ein beliebiger aus dem Stand der Technik bekannter Thermoschalter ausgeführt sein, beispielsweise als ein Bimetall-Thermoschalter. Mit einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, dass beispielsweise bei einer vorwählbaren, maximalen Temperatur der Thermoschalter derart schaltet, dass durch einen gezielt ausgelösten Lichtbogen bzw. dessen Druckaufbau der drucksensitive Schalter geschaltet wird. Dabei kann die Funkenstrecke zum Aufbau des Drucks in dem Gehäuse beispielsweise ein Zündprinzip gemäß DE 101 46 728 aufweisen. Ebenso ist bevorzugt, dass das Zündelement für die Funkenstrecke gemäß DE 10 2004 009 072 ausgeführt ist.
Weiterhin ist gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ganz besonders bevorzugt, dass der Schalter irreversibel betätigbar ist. Unter „irreversibel” ist zu verstehen, dass ein einmal geschalteter Schalter in der geschalteten Position verbleibt. In diesem Zusammenhang ist weiterhin bevorzugt, dass ein Rastelement zum Verrasten des geschalteten Schalters vorgesehen ist. Dabei kann das Rastelement beispielsweise als eine aus dem Stand der Technik bekannte Rastnase mit entsprechender Aufnahme für die Rastnase ausgeführt sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Rastelement derart ausgestaltet ist, dass das Rastelement den geschalteten Schalter magnetisch verrastet. Vorzugsweise ist das Rastelement als eine magnetische Arretierung mittels Festmagnete, als rückblockierende Federmechanismen und/oder durch eine Verschweißung, Verlötung oder Verschmelzung des Schalters in der geschalteten Position bzw. der den Kurzschluss bildenden Kontakte des Schalters ausgeführt. Durch derartige Ausgestaltungen wird erreicht, dass das defekte oder stark geschädigte Überspannungselement nicht erneut in Betrieb genommen werden kann, da der Schalter durch das Rastelement nach einmaligem Schalten verrastet.
Um das Schalten des drucksensitiven Schalters zu signalisieren, weist das Überspannungsschutzelement gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Einrichtung zum Signalisieren des geschalteten Schalters auf. Eine derartige Einrichtung zum Signalisieren kann beispielsweise eine mechanische oder optische Anzeigeeinrichtung zur Anzeige des Zustands des Überspannungsschutzelements umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Fernmeldung zum Signalisieren des Zustands des Überspannungsschutzelements vorgesehen sein, wozu dann vorzugsweise an dem Überspannungsschutzelement ein entsprechender Wechslerkontakt als Signalgeber ausgebildet ist. Eine optische Anzeigeeinrichtung kann beispielsweise aus einem Farbumschlag oder einer auf dem Gehäuse aufgebrachten Lackschicht oder Folie gebildet sein, deren Farbe sich in Abhängigkeit von der Temperatur des Gehäuses ändert.
Grundsätzlich kann, der Schalter als ein beliebiger aus dem Stand der Technik bekannter drucksensitiver Schalter ausgeführt sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jedoch besonders bevorzugt, dass der Schalter als Schiebeelement ausgeführt ist. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Schiebeelement zwischen den Leitern geführt ist oder das Schiebeelement zwischen einem Leiter und einer Wandung des Gehäuses geführt ist. Ganz besonders bevorzugt ist das Schiebeelement als leitfähige, elektrisch leitende, abdichtende und/oder selbst rückblockierende Kurzschlussbrücke ausgeführt. Weiterhin ist bevorzugt, dass das Schiebeelement als gleitfähiger, elektrisch isolierender und/oder dynamisch abdichtender Schieber mit Kurzschlussbrücke ausgeführt ist. Durch derartige Ausgestaltungen lässt sich eine besonders einfache Bauweise des Überspannungsschutzelements bzw. des drucksensitiven Schalters erreichen, wobei das Schiebeelement im Explosionsfall des Überspannungsableiters eine zusätzliche, dynamisch abdichtende Wirkung für das Gehäuse ausüben kann. Ganz besonders bevorzugt ist insbesondere bei einem Gehäuse aus einem leitenden Material eine Isolation zwischen dem Schiebeelement und dem Gehäuse vorgesehen. Die Isolation ist vorzugsweise aus einem nicht-leitenden und/oder nicht-brennbaren Material ausgeführt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein erstes Gasvolumen in dem Gehäuse vorgesehen, wobei das erste Gasvolumen den Überspannungsableiter umgibt und eine Erhöhung des Drucks des ersten Gasvolumens den Schalter schaltet. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zweites Gasvolumen in dem Gehäuse vorgesehen ist, das Gehäuse eine Einrichtung zum Entweichen des zweiten Gasvolumens aus dem Gehäuse aufweist und das Schalten des Schalters den Druck des zweiten Gasvolumens derart erhöht, dass das zweite Gasvolumen durch die Einrichtung aus dem Gehäuse entweicht. Das erste und/oder das zweite Gasvolumen sind vorzugsweise als nicht kompressible und/oder nicht entzündbare bzw. nicht brennbare Gase ausgestaltet, weisen beispielsweise ein aus dem Stand der Technik bekanntes Schutzgas auf. Die Einrichtung zum Entweichen des zweiten Gasvolumens ist vorzugsweise als Bohrung in dem Gehäuse und/oder als Öffnung ausgeführt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine thermische Abtrennvorrichtung zum Kurzschließen des elektrischen Leiters vorgesehen ist. Derartige Abtrennvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der DE 93 05 796 U1 oder aus der US 6 430 019 . Weiterhin ist bevorzugt, dass das Gehäuse aus Metall ausgeführt ist und ein elektrischer Leiter mit dem Gehäuse elektrisch verbunden ist. Eine derartige Ausführungsform erlaubt eine besonders einfache und günstige Ausführung des Gehäuses.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Überspannungsschutzelement gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
2 ein Überspannungsschutzelement gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
3 ein Überspannungsschutzelement gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht,
4 ein Überspannungsschutzelement gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht, und
5 ein Überspannungsschutzelement gemäß einem fünften bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Ansicht.
Aus 1 bis 5 sind ein Überspannungsschutzelement gemäß verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung ersichtlich. Das Überspannungsschutzelement weist ein druckfestes Gehäuse 1 und zwei in das Gehäuse 1 hineinführende elektrische Leiter 2 zum elektrischen Anschließen des Überspannungsschutzelementes auf.
In dem Gehäuse 1, welches gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel in 1 aus einem leitfähigen Metall ausgeführt, sind ein Überspannungsableiter 3 zum Begrenzen einer Überspannung der elektrischen Leiter 2 sowie ein drucksensitiver Schalter 4 zum Kurzschließen der elektrischen Leiter 2 angeordnet.
Wie aus 1 bis 4 ersichtlich, ist der Überspannungsableiter 3 elektrisch leitend mit einem der beiden elektrischen Leiter 2 sowie mit dem Gehäuse 1 elektrisch leitend verbunden, wobei das metallische und somit elektrisch leitende Gehäuse 1 wiederum mit dem zweiten elektrischen Leiter 2 elektrisch leitend verbunden ist. Ebenfalls ist der drucksensitive Schalter 4 mit einem der beiden elektrischen Leiter 2 elektrisch verbunden, wobei ein Schaltkontakt 5 vorgesehen ist, welcher mit dem elektrisch leitfähigen Gehäuse 1, und damit auch mit dem zweiten elektrischen Leiter 2, elektrisch leitend verbunden ist. Vorliegend ist der Überspannungsableiter 3 als Varistor ausgeführt.
Im Falle eines Auftreten eines Fehlerstroms an den elektrischen Leitern 2, welcher aufgrund eines fehlerbehafteten Überspannungsableiters 3, beispielsweise aufgrund von Alterung, nicht durch den Überspannungsableiter 3 detektiert werden kann, entsteht in dem Gehäuse 1 ein Lichtbogen, der zu einer Erhöhung des Drucks in dem Gehäuse 1 führt. In einem derartigen Fall, also bei Nicht-Ansprechen eines defekten Überspannungsableiters 3 führt der Druckanstieg in dem Gehäuse 1 zu einem Schalten des drucksensitiven Schalters 4, somit zu einem Kurzschließen der elektrischen Leiter 2. Somit kann ein vorgeschalteter Überstromschutz, nicht dargestellt, beispielsweise eine Sicherung, reagieren und den in den Leitern 2 fließenden Fehlerstrom bzw. einen mit den Leitern 2 verbundenen Stromkreis, nicht dargestellt, abschalten.
Gemäß den gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist in dem Gehäuse 1 ein erstes Gasvolumen 6 vorgesehen, welches den Überspannungsableiter 3 umgibt und bei einer Erhöhung des Drucks des ersten Gasvolumens 6 den Schalter 4 schaltet. Weiterhin ist in dem Gehäuse 1 ein zweites Gasvolumen 7 vorgesehen, wobei beim Schalten des Schalters 4 das zweite Gasvolumen 7 durch eine Einrichtung zum Entweichen 8 des zweiten Gasvolumens 7 aus dem Gehäuse 1 entweicht. Das erste Gasvolumen 6 und das zweite Gasvolumen 7 sind dabei als nicht kompressible, nicht entzündbare bzw. nicht brennbare Gase ausgestaltet. Die Einrichtung zum Entweichen 8 des zweiten Gasvolumens 7 ist, wie aus 1 ersichtlich, als Bohrung zum Druckausgleich ausgestaltet.
An dem drucksensitiven Schalter 4 ist eine mechanisch bewegliche Dichtung 9 angeordnet, welche zwischen dem ersten Gasvolumen 6 und dem zweiten Gasvolumen 7 vorgesehen ist. Weiterhin weist das Überspannungsschutzelement eine Einrichtung zum Signalisieren 10 des geschalteten Schalters 4 auf, welche beispielsweise an der Außenseite des Gehäuses 1 das Schalten des Schalters 4 farblich darstellen kann und/oder eine Fernmeldeeinrichtung, beispielsweise eine Leitstelle, benachrichtigen kann. Vorliegend ist die Einrichtung zum Signalisieren 10 des geschalteten Schalters 4 als beweglicher, durch den Schaltkontakt des Schalters 4 angetriebener Stift ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wie aus 2 ersichtlich, ein Schaltschloss 11 zum Blockieren des Schaltens des Schalters 4 vorgesehen, wobei das Schaltschloss 11 durch einen Druckanstieg in dem Gehäuse 1 und/oder durch eine thermische Veränderung in dem Gehäuse 1 entriegelbar ist, beispielsweise bei der Erhöhung der Temperatur in dem Gehäuse 1 bedingt durch einen aufgrund eines fehlerbehafteten Überspannungsableiters entstehenden Lichtbogens. Ebenfalls ist eine Feder 12 zum Beaufschlagen des Schalters 4 derart mit Federkraft vorgesehen, dass die Feder 4 den Schalter 4 nach Entriegeln des Schaltschlosses 11 betätigt, insbesondere schaltet. Durch eine derartige Ausgestaltung ist also der Schalter 4 durch Federkraft vorgespannt, so dass bei Entstehen eines Lichtbogens in dem Gehäuse das Schaltschloss 11 aufgrund des in dem Gehäuse 1 entstehenden Druckanstieg bzw. Temperaturanstieg entriegelt und das Schalten des Schalters 4 bedingt durch die Feder 12 beschleunigt ausgeführt wird.
Um sicherzustellen, dass ein einmal erzeugter Kurzschluss zwischen den beiden elektrischen Leitern 2 dauerhaft erhalten bleibt, also ein fehlerhaftes Überspannungsschutzelement nicht mehr weiterverwendet werden kann, ist ein Rastelement 13 zum Verrasten des geschalteten Schalters 4 vorgesehen. Das Rastelement 13 kann beispielsweise als eine aus dem Stand der Technik bekannte Verrastung, wie in den Figuren gezeigt, als magnetische Arretierung mittels Festmagnete oder als rückblockierender Federmechanismus ausgeführt sein. Ebenfalls möglich sind eine gezielt hervorgerufene Verschweißung, Verlötung oder Verschmelzung der den Kurzschluss des Schalters 4 bildenden Kontaktstellen durch das Schalten des Schalters 4.
Gemäß dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in dem Gehäuse 1 weiterhin ein Thermoschalter 14 sowie eine Funkenstrecke 15 vorgesehen. Der Thermoschalter 14, welcher als Bimetallschalter ausgeführt ist, ist thermisch an den Überspannungsableiter 3 angekoppelt, so dass bei einer Erwärmung, also einer Temperaturerhöhung, des Überspannungsableiters 3 der Thermoschalter 14 schaltet und ein Zündelement 16, beispielsweise ein Zündelement 16 wie aus DE 10 2004 009 072 bekannt, die Funkenstrecke 15 zündet, so dass in dem Gehäuse 1 ein Druckanstieg entsteht und der drucksensitive Schalter 4 die elektrischen Leiter 2 kurzschließt. Dabei kann die Funkenstrecke 15 über ein Zündprinzip entsprechend DE 101 46 728 verfügen. Somit kann durch einen gezielt gezündeten Lichtbogen der Druck in dem Gehäuse 1 erhöht werden, so dass aufgrund des erhöhten Drucks der drucksensitive Schalter 4 schaltet.
Der drucksensitive Schalter 4 kann, wie aus 4 ersichtlich, als leitfähiges, elektrisch leitendes, abdichtendes und/oder selbstrückblockierendes Schiebeelement 17 ausgeführt sein. Vorliegend ist das Schiebeelement 17 als Kurzschlussbrücke 18 ausgeführt, welche zwischen einem Leiter 2 und einer Wandung des Gehäuses 1 geführt ist bzw. gleitet. Sofern das Gehäuse 1 aus einem leitenden Material ausgeführt ist, ist bevorzugt, wie aus 4 weiterhin ersichtlich, eine Isolation 20 zwischen dem Schiebeelement 17 und dem Gehäuse 1 vorzusehen. Die Isolation ist vorzugsweise aus einem nicht-leitenden und/oder nicht-brennbaren Material ausgeführt.
Bei einem Druckanstieg in dem Gehäuse 1 bzw. des ersten Gasvolumens 6 gleitet das Schiebeelement 17, geführt durch einen Leiter 2 und die Wandung des Gehäuses 1, in Richtung eines Schaltkontaktes 19, so dass ein Kurzschluss zwischen dem ersten Leiter 2 und dem Schaltkontakt 19, welcher wiederum mit dem zweiten Leiter 2 elektrisch leitend verbunden ist, entsteht.
5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem gleitfähigen, elektrisch isolierenden, dynamisch abdichtendem Schiebeelement 17 mit Kurzschlussbrücke 18. Gegenüber 4, indem das Gehäuse 1 elektrisch leitfähig ausgeführt ist und mit einem der beiden Leiter 2 elektrisch leitend verbunden ist, ist das Gehäuse 1 gemäß 5 aus einem nicht-leitenden Material, beispielsweise einem Kunststoff ausgeführt.
Im Ergebnis wird ein Überspannungsschutzelement bereitgestellt, das ein sicheres Abtrennen eines an dem Leiter 2 anliegendem Fehlerstroms bei einem fehlerhaften Überspannungsableiter 3, selbst bei einem hohen Leistungsumsatz der elektrischen Leiter 2, auf sichere und einfache Weise gewährleistet. Dadurch, dass in dem Überspannungsschutzelement ein irreversibler drucksensitiver Schalter 4 zum Kurzschließen der elektrischen Leiter 2 angeordnet ist, bewirkt ein in dem Gehäuse 1 entstehender Lichtbogen bzw. der dadurch hervorgerufene Druckanstieg in dem Gehäuse 1 ein Schalten des drucksensitiven Schalters 4, so dass die elektrischen Leiter 2 kurzgeschlossen werden und ein vorgeschalteter Überstromschutz, beispielsweise eine Sicherung, auslöst und den Fehlerstrom in den Leitern 2 abschaltet.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Leiter
3: Überspannungsableiter
4: Schalter
5: Schaltkontakt
6: Erstes Gasvolumen
7: Zweites Gasvolumen
8: Einrichtung zum Entweichen
9: Dichtung
10: Einrichtung zur Signalisierung
11: Schaltschloss
12: Feder
13: Rastelement
14: Thermoschalter
15: Funkenstrecke
16: Zündelement
17: Schiebelement
18: Kurzschlussbrücke
19: Schaltkontakt
20: Isolation

Claims

Überspannungsschutzelement mit einem Gehäuse (1), mindestens zwei in das Gehäuse (1) hineinführenden elektrischen Leitern (2) zum elektrischen Anschließen des Überspannungsschutzelements, einem Thermoschalter (14), einer Funkenstrecke (15) und einem Zündelement (16), wobei in dem Gehäuse (1) ein Überspannungsableiter (3) zum Begrenzen einer Überspannung der elektrischen Leiter (2) und ein drucksensitiver Schalter (4) zum Kurzschließen der elektrischen Leiter (2) angeordnet sind, der Thermoschalter (14) mit dem Überspannungsableiter (3) thermisch verbunden ist, der Thermoschalter (14) derart ausgestaltet ist, dass durch ein Schalten des Thermoschalters (14) die Funkenstrecke (15) durch das Zündelement (16) zündbar ist.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, wobei der drucksensitive Schalter (4) derart ausgestaltet ist, dass der Schalter (4) bei Überschreiten eines vorbestimmten Drucks in dem Gehäuse (1) die elektrischen Leiter (2) kurzschließt.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Schaltschloss (11) zum Blockieren des Schaltens des Schalters (4) vorgesehen ist und das Schaltschloss (11) durch den Druckanstieg und/oder durch eine thermische Veränderung in dem Gehäuse (1) entriegelbar ist.
Überspannungsschutzelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Feder (12) zum Beaufschlagen des Schalters (4) derart mit Federkraft vorgesehen ist, dass die Feder (12) den Schalter (4) nach Entriegeln des Schaltschlosses (11) betätigt.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalter (4) irreversibel schaltbar ist.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Rastelement (13) zum Verrasten des geschalteten Schalters (4) vorgesehen ist.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6, wobei das Rastelement (13) derart ausgestaltet ist, dass das Rastelement (13) den geschalteten Schalter (4) magnetisch verrastet.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Einrichtung zum Signalisieren (10) des geschalteten Schalter (4) vorgesehen ist.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schalter (4) als Schiebeelement (17) ausgeführt ist.
Überspannungsschutzelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Schiebeelement (17) zwischen den Leitern (2) geführt ist oder das Schiebeelement (17) zwischen einem Leiter (2) und einer Wandung des Gehäuses (1) geführt ist.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Gasvolumen (6) in dem Gehäuse (1) vorgesehen ist, dass erste Gasvolumen (6) den Überspannungsableiter (3) umgibt und eine Erhöhung des Drucks des ersten Gasvolumens (6) den Schalter (4) schaltet.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweites Gasvolumen (7) in dem Gehäuse vorgesehen ist, das Gehäuse (1) eine Einrichtung zum Entweichen (8) des zweiten Gasvolumens (7) aus dem Gehäuse (1) aufweist, und das Schalten des Schalters (4) den Druck des zweiten Gasvolumens (7) derart erhöht, dass das zweite Gasvolumen (7) durch die Einrichtung (8) aus dem Gehäuse (1) entweicht.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine thermische Abtrennvorrichtung zum Kurzschließen der elektrischen Leiter (2) vorgesehen ist.
Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (1) aus Metall ausgeführt ist und ein elektrischer Leiter (2) mit dem Gehäuse (1) elektrisch verbunden ist.