DE4020646A1 - Vorrichtung zum schutz von elektrischen verbrauchern gegen ueberspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern gegen Überspannungen unter Einsatz von Varistoren und/oder Gasentladungsableitern.

Es sind eine Reihe von Überspannungsschutzgeräten für Stromversorgungen bekannt, die in der Regel aus Varistoren und/oder Gasentladungsableitern bestehen. Hinzu können Suppressordioden und Filterkomponenten kommen, dies liegt an der Art der unterschiedlichen Schutzeinrichtungen. Die Schutzgeräte sollen Impulse zur Erde ableiten, bevor sie den Verbraucher zerstören oder schädigen. Als Beispiel seien hier Datenverarbeitungsgeräte genannt, hochwertige elektrische Geräte wie Fernseher, hochwertige Beleuchtungs­ anlagen oder andere elektrische Verbraucher.

Man ist bemüht, Grenzen festzusetzen, die eine Belastbar­ keit definieren, etwa die Stoßstromfestigkeit, die angibt, mit welcher Grenzbelastung das Schutzgerät belastet werden kann, ohne daß die Schutzeinrichtung selbst zerstört wird. Darüber hinaus wird gefordert, daß bei Überlastfällen, die zum Abschalten des Überspannungsschutzes führen, eine An­ zeige erfolgt, die den entsprechenden Deffektzustand des Schutzgerätes dem Verbraucher kenntlich macht. Ein Problem besteht dabei darin, daß bisher Grenzen nicht definiert sind, bis zu denen eine derartige Anzeige noch sicher er­ folgen soll bzw. sicher erfolgen muß. Hierfür wird im fol­ genden auch der Ausdruck "fail-safe" benutzt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Lösung, mit der dieses "fail-safe"-Verhalten einer Schutzeinrichtung beherrschbar und in festen Grenzen definierbar ist.

Mit einer Schutzvorrichtung der eingangs bezeichneten Art wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zum definierten Abschalt- und Anzeigeverhalten oberhalb ei­ ner Belastbarkeitsgrenze der Schutzelemente bzw. Ableiter und unterhalb einer Abschalt- und Anzeigeobergrenze bei zerstörten Schutzelementen bzw. Ableitern diese Ableiter zur sicheren Kontaktverbindung innerhalb der genannten Grenze mit Bandelektroden im System angeordnet sind.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß selbst nach Über­ schreiten der Belastbarkeitsgrenze der Ableiter, wie bei­ spielsweise der Varistor, die Kontaktverbindungen über die Bandelektroden in jedem Falle noch aufrechterhalten wer­ den.

Es hat sich gezeigt, daß bei standardmäßigen Varistoren mit Drahtelektroden letztere im Überlastfall praktisch im­ mer aufgrund der linienförmigen Kontaktierung abplatzen. Dies führt zu einer Unterbrechung des Stromflusses zur Er­ de, auch "open-circuite-fail-safe" genannt. Hier setzt die Erfindung ein, indem sie einen "short-circuite-fail-safe"- Verhalten sicherstellt, d. h. ein Kurzschlußverhalten im Überlastfall.

Erfolgt, wie bei bekannten Lösungen möglich, eine Leitungs­ abtrennung im Überlastfall, können alle Sicherungsmaßnah­ me, die auf Erwärmungsmessung basieren und z. B. entspre­ chende Anzeigevorrichtungen vorsehen, wie etwa Temperatur­ sicherungen, nicht mehr arbeiten, ein Anzeigen eines Aus­ falles des Sicherungselementes ist daher nicht mehr mög­ lich. Auch können Temperaturschalter nicht mehr anspre­ chen. Der Schutz ist daher nicht mehr gewährleistet, ob­ gleich die Anlage noch optisch ihre Funktionsfähigkeit vor­ täuscht.

Da ein derartiger Nachteil nach der Erfindung nicht er­ folgt, sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, daß Temperaturschalter zur Lastabschaltung am Ausgang der Schutzschaltung vorgesehen sind.

Diese erfindungsgemäße Maßnahme hat besondere zusätzliche wesentliche Vorteile. So können Temperatursicherungen, die zum Abtrennen der Last führen und im Wärmekontakt mit den Varistoren oder sonstigen Überlastungsschutzelementen ste­ hen, am Ausgang der Schutzschaltung deswegen angebracht werden, da sie nicht stromstoßfest gestaltet sein müssen.

Die oben angsprochene Art der Bandelektroden sorgt hier für eine Vorabableitung eines solchen Stromstoßes.

In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, daß neben einem ersten Temperaturschalter zur Lastabschaltung im Strompfad ein weiterer Temperaturschalter hinter den Varistoren im Ableiterpfad zwischen den Varistoren und der Erdleitung zur Abtrennung der Überspannungs-Schutzschaltung bei Errei­ chen der Erwärmungsobergrenze zur Vermeidung von Bränden vorgesehen ist.

Die Erfindung sieht auch vor, daß die Bandelektroden an ei­ nem zweikontaktigen Temperaturschalter über ein eutekti­ sches Lot verbunden sind. Damit können Temperatureinflüsse sicher beherrscht werden, da über das eutektische Lot eine entsprechende Verbindung dann gelöst werden kann.

Auch diese Maßnahme hat gegenüber bekannten Temperatursi­ cherungen, beispielsweise gekapselte Sicherungen des Feder­ typs, besondere Vorteile, da diese dazu tendieren, daß die­ se Federn bei Impulsbelastungen verschweißen, also nicht mehr sicher schalten. Wie oben angegeben, sorgt hier für ein sicheres Verhalten auch das Vorsehen eines Temperatur­ schalters hinter den Varistoren. Eine Abschaltvorrichtung mit Temperatursicherung im Strompfad am Eingang der Schal­ tung kann nur bis zu bestimmten, relativ niedrigen Impuls­ belastungen ein "fail-safe"-Verhalten aufweisen, was zum sicheren Kurzschließen und damit zum Abschalten sowohl der Last- als auch des Überspannungsschutzes führt. Bei höhe­ ren Impulsbelastungen können derartige Temperatursicherun­ gen nach dem Stand der Technik verschweißen, so daß weder die Last noch der Überspannungsschutz selbst abgetrennt werden. Die Varistoren werden heiß und können Brände verur­ sachen.

Wird eine Last im Falle einer Überlastung des Schutzgerä­ tes, z. B. bei einem Gewittereinschlag, nicht vom Netz ge­ trennt, ist ein entsprechender Schutz bei einem in der Re­ gel kurze Zeit später erfolgenden weiteren Gewitterschlag nicht mehr vorhanden, diesen Nachteil vermeidet die vorlie­ gende Erfindung.

Die Erfindung sieht in weiterer Ausgestaltung vor, daß bei zwei Temperaturschaltern der Auslösetemperatur-Unterschied im Schaltverhalten der beiden Temperaturschalter wenig­ stens 20°C beträgt und/oder die Temperaturschalter eine derartige Abschaltcharakteristik aufweisen, daß der Tempe­ raturschalter im Strompfad zeitlich vor dem Temperatur­ schalter im Ableiterpfad bei Auftreten einer Störung schal­ tet.

Vorteilhaft kann es sein, wenn Temperaturschalter an den Varistoren mit einer mittels eutektischem Lot dort verlöte­ ten Feder ausgerüstet ist. Damit wird erreicht, daß die Elektroden einen Kontakt der Temperatursicherungen darstel­ len, der andere Kontakt wird dann über den Federdraht vor­ genommen. Werden in dieser Schaltung an der Feder zwei Va­ ristoren angeordnet, die beide zur Erde geführt werden, di­ rekt oder indirekt über Gasentladungsableitern, so ist ei­ ne derartige Schaltung erfindungsgemäß als Dreipol gestal­ tet.

Dieser Dreipol kann als "Oder-Schaltung" bzw. "Und/Oder- Schaltung" erfindungsgemäß ausgebildet sein, wobei die Ak­ tivierung der Schutzschaltung bei Lösen entweder des einen und/oder des anderen Kontaktes an den Ableitern erfolgt.

In der Schaltung ist erfindungsgemäß auch ein Anzeigeele­ ment zur optischen und/oder akustischen Kenntlichmachung bei Aktivierung der Schutzschaltung vorgesehen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine Schaltung gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 eine Schaltung gemäß der Erfindung sowie in

Fig. 3 einen Detailausschnitt aus der Schaltung gemäß Fig. 1.

Nachfolgend sind bei der Beschreibung der Fig. 1 zum Stand der Technik alle Bezugszeichen mit einem "′" versehen.

Nach Fig. 1 weist die dort allgemein mit 1′ bezeichnete Schutzschaltung zwischen den L- und N-Leitern zwei Varisto­ ren 2′ und 3′ auf, wobei vor den Varistoren in der Leitung L ein Temperaturschalter 4′ vorgesehen ist. Im mit 5′ be­ zeichneten Ableiterpfad zur PE-Leitung bzw. zur Erde ist hier ein Gasentladungsableiter 6′ vorgesehen.

Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen Schaltung 1 gemäß Fig. 2 zwischen den L- und N-Leitungen Varistoren 2 und 3 vorgesehen und erst hinter dieser Einrichtung we­ nigstens in der L-Leitung ein Temperaturschalter zum Ab­ trennen der Last, mit 4 bezeichnet. Zusätzlich gestrichelt dargestellt ist ein weiterer Wärmekontaktschalter 4a in der Leitung N vorgesehen. Auch hier ist im Ableiterpfad 5 ein Gasentladungsableiter 6 angeordnet.

Wesentlich für die Erfindung ist ein zusätzlicher Tempera­ turschalter 7 im Ableiterpfad, an dem im dargestellten Bei­ spiel beide Varistoren 2 und 3 kontaktiert sind.

In Fig. 3 ist diese Sicherungseinrichtung vergrößert darge­ stellt.

Die Ableiter bzw. Varistoren, dort ebenfalls mit 2 und 3 bezeichnet, weisen fest verbundene Bandelektroden 8 bzw. 8 auf, wobei die Bandelektroden an einer Kontaktfeder 10 mit­ tels eutektischer Lötpunkte 11 und 12 angelötet sind. Wird nun eine entsprechende Temperatur erreicht, so lösen sich die Lötpunkte 11 und 12 und die Kontaktfeder 10 öffnet im Sinne des mit 13 bezeichneten Pfeiles in Fig. 3, wobei hier beispielsweise eine Temperatur von etwa 130°C angege­ ben werden kann.

Als Beispiel sei folgende Angabe gemacht: Die stoßstromfeste Temperatursicherung im Pfad des Über­ spannungsschutzes soll diesen im Überlastfall sicher ab­ trennen, sie muß aber stoßstromfest sein bis zu einem defi­ nierten Grenzwert des sogenannten "fail-safe"-Verhaltens. Wenn z. B. die Grenze der Belastbarkeit des Überspannungs­ schutzes mit 10 kA angegeben ist, bedeutet dies, daß zu­ nächst sichergestellt sein muß, daß derartige Impulse si­ cher abgeleitet werden, ohne den Überspannungsschutz zu zerstören und ohne eine Abtrennvorrichtung zu aktivieren. Wenn nun beispielsweise die Obergrenze des "fail-safe"-Ver­ haltens mit beispielsweise 15 kA angegeben ist, bedeutet dies, daß bis zu diesem Wert die Temperatursicherung nicht durch den 15-kA-Impuls ausgelöst wird, sondern nur durch die Erwärmung des Varistors bei Überlastung und damit zur Lösung der oben angegebenen Verlötungsstellen 11 und 12, was grundsätzlich zeitlich später erfolgt, d. h. einige Se­ kunden nach dem 15-kA-Impuls. Außerdem bedeutet bei der vorliegenden Erfindung dieser 15-kA-Wert, daß die entspre­ chenden Varistoren bis zu diesem Wert garantiert in den Kurzschluß übergehen.

Sichergestellt ist auch, daß bei Erwärmung des Ableiters erst durch die ansteigenden Temperaturen die entsprechen­ den Sicherungen in den Strompfaden auslösen und danach erst die Temperatursicherungen im Ableiterpfad, d. h. gemäß Fig. 2 schalten erst die Temperatursicherungen 4 bzw. 4a bevor die Einrichtung gemäß Bezugszeichen 7 auslöst. Ein solches Schaltverhalten muß sichergestellt sein, um zu ver­ hindern, daß nicht zunächst im Ableiterpfad abgeschaltet wird, da letztere den Strom zu den Varistoren abschaltet, so daß diese nicht mehr erhitzt werden, was zum Fehlverhal­ ten der Sicherungseinrichtung führen würde.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Schutz von elektrischen Verbrauchern gegen Überspannungen unter Einsatz von Varistoren und/oder Gas­ entladungsableitern, dadurch gekennzeichnet, daß zum definierten Abschalt- und Anzeigeverhalten ober­ halb einer Belastbarkeitsgrenze der Schutzelemente bzw. Ab­ leiter (2, 3, 6) und unterhalb einer Abschalt- und Anzeige­ obergrenze bei zerstörten Schutzelementen bzw. Ableiter diese Ableiter zur sicheren Kontaktverbindung innerhalb der genannten Grenzen mit Bandelektroden (8,9) im System angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturschalter (4, 4a) zur Lastabschaltung am Aus­ gang der Schutzschaltung (1) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben einem ersten Temperaturschalter (4) zur Lastab­ schaltung im Strompfad ein weiterer Temperaturschalter (7) hinter den Varistoren (2, 3) im Ableiterpfad (5) zwischen den Varistoren und der Erdleitung (PE) zur Abtrennung der Überspannungs-Schutzschaltung (1) bei Erreichen der Erwär­ mungsobergrenze vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandelektroden (8, 9) an einem zweikontaktigen Tem­ peraturschalter über ein eutektisches Lot verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei Temperaturschaltern (4, 7) der Auslösetempera­ tur-Unterschied im Schaltverhalten der beiden Temperatur­ schalter wenigstens 20°C beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturschalter (4, 7) eine derartige Abschalt­ charakteristik aufweisen, daß der Temperaturschalter (4) im Strompfad (L) zeitlich vor dem Temperaturschalter (7) im Ableiterpfad (5) bei Auftreten einer Störung schaltet.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturschalter (7) an den Varistoren (8, 9) mit einer mittels eutektischem Lot (11, 12) dort verlöteten Fe­ der (10) ausgerüstet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Temperatursicherungsschalter (7) bzw. -sicherungen als Dreipol gestaltet ist, wobei die Elektroden (8, 9) zweier Ableiter an einem gemeinsamen tem­ peraturbeeinflußbaren Abschaltelement angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreipol (7) als "Oder-Schaltung" bzw. "Und/Oder- Schaltung" ausgebildet ist mit zwei Varistoren und elektri­ schen Lötverbindungen am Schaltelement zur Aktivierung der Schutzschaltung beim Lösen entweder des einen und/oder des anderen Kontaktes an den Ableitern.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anzeigeelement (14) zur optischen und/oder akusti­ schen Kenntlichmachung bei Aktivierung der Schutzschaltung (1) vorgesehen ist.