u nabhängigen, netzseitigen Abtrennung von

Überspannungsschutzeinrichtungen im Fall kritischer Betriebszustände

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anord nung zur sicheren, von Schaltgeräten oder Vorsicherungen unabhängigen, netzseitigen Abtrennung von Überspannungsschutzeinrichtungen im Fal l kritischer Betriebszustände, insbesondere dem Übergang der Überspann ungsschutzeinrichtung in einen Fehler- oder Überlastzusta nd, bestehend aus einer Ei nrichtung zur Erfassung des durch die

Überspannungsschutzeinrichtung fließenden Stromes sowie einer, m it der Überspannungsschutzeinrichtung elektrisch in Reihe befindlichen

Schaltvorrichtung, gemäß Anspruch 1.

Aus der EP 0 326 903 AI ist eine Schutzeinrichtung gegen Überspannungen in elektrischen Anlagen vorbekannt, welche Varistoren in einem Nebenzweig aufweist, die ihrerseits durch eine Überwachungseinrichtung auf nicht betriebsmäßigen Anstieg des Leckstromes überwacht u nd gegebenenfalls abgeschaltet werden .

Konkret sind der Phasenleiter durch einen Wandler und einen Varistor sowie die Schaltkontakte ei ner Abschaltvorrichtung gegen Erde geschalten .

Der vorhandene Wandler übersetzt die durch den Varistor fließenden Ströme so, dass selbige in einem günstigen Erfassungsbereich liegen .

Die eigentliche Überwachungseinrichtung liegt im Sekundärkreis des Wandlers und weist ein Stromerfassungsglied und ein damit in Verbindung stehendes Zeiterfassungsglied auf.

Wenn der erm ittelte Strom größer oder gleich einem Schwellwert wird, gibt der Ausgang ein Auslösesignal ab, das einem UN D-Gatter zugeführt wird . Wenn die Überschreitung des Schwellwerts eine vorgegebene Zeit t für einen Schwellwert überschreitet, gibt ebenfalls das Zeiterfassungsgl ied ein Signal frei, das auf das UND-Gatter gelangt. In dem Fal l, wenn am UND-Gatter beide Signale anliegen, steht an dessen Ausgang das Auslösesignal a n , das einen Auslöser in einer Abschaltvorrichtung zum Ansprechen bringt, so dass die vorerwähnten Schaltkontakte geöffnet werden. Mit der vorbekannten Schutzeinrichtung gelingt es, Varistoren nicht unnötig abzuschalten und somit den Überspannungsschutz einzuschränken. Vielmehr wird die Überwachung der

Eigenschaften der eingesetzten Va ristoren insofern erweitert, dass als zusätzliches Kriterium eine Überschreitung einer bestim mten vorgegebenen Zeitdauer einer Strombelastung den eigentlichen Auslösevorgang determin iert.

Bei der vorbekannten Lösung kön nen zwar Fehlerströme im Bereich von 0, 1 bis 10 mA erfasst werden, bei denen das Zeitverhalten an sich unkritisch ist. Nicht möglich ist jedoch eine Überwachung von Überspannungssch utzeinrichtungen bezogen a uf den Fall eines sehr schnellen Übergehens in einen niederohmigen Zustand, wobei Fehlerströme mittlerer Amplitude bis zu einigen kA auftreten können. Derartige Ströme sind außerordentlich energiereich und können zu gefährlichen Situationen in einer entsprechenden Anlage oder Einrichtung führen .

Die DE 10 2009 004 673 A I zeigt ein Überspannungsschutzelement mit mindestens einem Überspannungsbegrenzenden Bauteil, insbesondere einer Funkenstrecke oder einem Varistor. Dem Überspa nnungsbegrenzenden Bauteil ist ein Überwachungsbauelement zugeordnet, das einen über das über- spannungsbegrenzende Bauelement fließenden Strom erfasst. Weiterhin wird das Sig na l des Überwachungsbauefements ei ner Auswerteeinheit zugeführt, die galvanisch vom Ableitstrompfad getrennt ist.

Das Überwachungsbauelement kann als Spule ausgebildet werden, die induktiv mit dem Ableitstrom pfad gekoppelt ist.

Die bekannte Lösung ermöglicht die Erfassung der Beanspruchung des

Überspannungsbegrenzenden Bauelements im Betrieb, so dass letztendlich eine Aussage über die Belastung getroffen werden kann, bevor es zu einem Defekt des Bauelements kommt. Ziel ist es, vorgeschädigte Überspannungsschutzelemente rechtzeitig zu erkennen und austauschen zu können . Eine Möglichkeit zur automatischen Abschaltung eines gegebenenfalls überlasteten Überspannungsbegrenzenden Bauelements ist in der DE 10 2009 004 673 AI nicht vorgesehen .

Bekanntermaßen werden Überspann ungsschutzeinrichtungen zum Sch utz von elektrischen Anlagen vor gefährlichen Überspannungen eingesetzt und insofern mit ei nem Niederspannungsnetz verbunden . Elektrische Einflüsse, wie z. B. Spannungsschwanku ngen, zeitweilige Überspannungen oder eine Vielzahl von Ableitvorgängen können zu einer Überlastung, aber auch zu einem abrupten Lebensda uerende der eingesetzten Schutzeinrichtung führen.

Das Lebensdauerende einer solchen Schutzeinrichtung kann sich aber auch beispielsweise durch ei n Ansteigen des Betriebs- oder Leckstroms bemerkbar machen . Steigt dieser Leckstrom allmählich, z.B. im Sekundenbereich an, führt dies aufgrund einer steigenden Verlustleistung zu einer Erwärmung der eingesetzten Schutzkomponente, z. B. eines Varistors.

Es ist bekannt, Varistoren so auszugestalten, dass die oben geschilderte Fehlersituation sicher beherrscht wird. Insofern si nd thermische Abtrennvorrichtungen bekannt.

Wird eine Überspann ungsschutzeinrichtung jedoch durch falsche Auswahl von Bemessungsspannungen oder durch u nerwartet hohe Impulsströme derart überlastet, dass die eingesetzte Überspannungssch utzkomponente plötzlich und vol lständig ausfällt, d . h . in einen niederohmigen oder einen

Kurzschlusszustand übergeht, kann die anliegende Netzspannung einen

Fehlerstrom durch die Überspan nungssch utzei nrichtung hervorrufen, der zu einem gefäh rlichen Zustand, wie z. B. Brand oder Explosion, führt. Um dies auszuschließen, werden Überspa nnungsschutzeinrichtungen üblicherweise nur hinter in Energieflussrichtung vorgeschalteten Sicherungen oder Schaltgeräten eingesetzt.

Das Auslösen derartiger Sicherungen oder Schaltgeräte erfolgt unabhängig vom a uftretenden Fehler- bzw. Kurzschlussstrom, oft jedoch abhängig von prospektiven Strömen oder Belastungen. Da die bekannten Schaltgeräte in vielen Fällen auch für den Betriebsstrom ausgelegt werden, erfolgt ein sicheres Abtrennen der Überspa nnu ngsschutzeinrichtung oftmals nicht rechtzeitig, so dass Schäden an der Überspann ungssch utzeinrichtung selbst oder am Einbauort zu verzeichnen si nd .

Dabei hat es sich gezeigt, dass insbesondere Fehlerströme mittlerer Amplitude im Bereich von einigen 10 A bis zu wenigen kA besonders kritisch si nd, da diese das vorgeschaltete Schutzorgan, nämlich die Sicherung oder ein

Schaltgerät, nicht oder zu spät auslösen.

Bekannte therm ische Abtrennvorrichtungen in Überspannungsschutzeinrichtungen sind so ausgeführt, dass selbige Leckströme im Bereich von

Milliampere bis zu wenigen Ampere beherrschen . Da derartige thermisch auslösende Abtrennvorrichtungen vergleichsweise träge reagieren, sind selbige nicht in der Lage, rechtzeitig die genannten Fehlerströme im Bereich von 10 A bis zu wenigen kA zu unterbrechen, wenn die Überspan nungsschutzeinrichtung sehr schnell in ei nen niederohmigen Zustand übergeht.

Solche kleinen Fehlerströme treten immer dann auf, wenn die

Kurzschlussleistung des speisenden Niederspannungsnetzes gering ist oder der auftretende Kurzschlussstrom du rch den verbleibenden Restwiderstand der entsprechenden Überspannungsschutzkom ponente, z.B. eines Varistors signifikant begrenzt wird .

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Anordnung zur sicheren, von Schaltgeräten oder Vorsicherungen unabhängigen, netzseitigen Abtrennung von Überspannungsschutzeinrichtungen im Fall kritischer Betriebszustände anzugeben, welche in der Lage ist, eine Schaltvorrichtung so a nzusteuern, dass diese einerseits große

Stoßströme im Ableitpfad führen ka nn und andererseits Fehlerströme im

Amperebereich ohne Zeitverzug unterbricht. Dabei soll eine nachteilige

Beeinfl ussung des Lösch- bzw. Abieitvermögens der eingesetzten

Überspannungsschutzeinrichtung vermieden werden .

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Anordnung gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen . Erfindungsgemäß wird über eine geeignete induktive Ankopplung aus dem eigentlichen Ableitpfad ein Teil des dort fließenden Stromes ausgekoppelt, dann wiederum einem Schmelzleiter, z. B. einer Kennmeldersicherung, zugeführt wird und diesen im Überlastfall zum Sch melzen bringt, wobei mit Hilfe einer gekoppelten mechanischen Bewegung eine an sich bekannte und vorhandene Schattvorrichtung auslösbar ist.

Die Auslegung des zur Auskopplung des Stromes verwendeten Mittels, insbesondere einer Toroidspule, kann dabei gezielt du rch Ausrichtung der magnetischen Eigenschaften wie z. B. B/H-Kennlinie und dem

Sättigungsverhalten an die Unterscheidung Stoßstrom versus Fehlerstrom angepasst werden.

Zusätzliche Filterkomponenten, bevorzugt als Tiefpassfilter ausgebildet, verbessern die notwendige Unterscheidung zwischen Ableitströmen

verschiedener Impulsformen und netzfrequenten Fehlerströmen.

Die Filterkomponenten sollen dabei stei le Impulse, z. B . Stoßstromimpulse bedampfen . Bezogen auf das Sättigungsverhalten soll die Sättigung der zur Auskopplung des Stromes bevorzugt eingesetzten Toroidspule den Stoßstrom begrenzen, hingegen linear für kleine Ströme aufgebaut sein. Mit anderen Worten muss bei großen Stoßströmen die Sättigung der Spule einsetzen .

Hierdurch gelingt es, die Ansteuerung und Auslegung der Schaltvorrichtung so vorzunehmen, dass diese große Stoßströme führen ka nn, aber auch in der Lage ist, relativ kleine Fehlerströme im Amperebereich zu unterbrechen .

Ergänzend besteht die Möglichkeit, durch Auslegung der mechanischen

Eigenschaften, insbesondere einer Kraftübersetzung oder einer einstellbaren Trägheit des Schaltsystems, eine adäquate Anpassung bezogen auf

unterschiedliches Stoßstrom- und Fehlerstromverhalten vorzunehmen .

Es kann hier ein bewusst träge reagierendes mechanisches System a ufgebaut werden, welches bei Stoßströmen nicht anspricht, und zwar quasi in Analogie zu einer trägen Sicherung. Die vorzugsweise eingesetzte Toroidspule sichert darüber hinaus eine galvanische Trennung zwischen den m it Netz- bzw. Überspannungspotential behafteten elektrisch leitfähigen Komponenten in der Schutzeinrichtung und der mechanischen Betätigung der Schaltvorrichtung .

Eine Überlastung des Auslösestromkreises beim Ableiten großer Stoßströme wird durch ei ne bevorzugt erreichten Sättigung der eingesetzten Spule, insbesondere eines dort verwendeten Magnetkerns vermieden.

Der Einsatz einer Toroid- bzw. Ri ngkernspule mit Sättig ung bei großen

Stoßstromwerten sichert darüber hinaus, dass nur eine geringe Erhöhung des Schutzpegels der verwendeten Überspannungsschutzei nrichtung resultiert.

Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Erfassu ng des d urch die

Überspannungsschutzeinrichtung fließenden Stromes ist, wie bereits

ausgeführt, bevorzugt als Toroidspule mit oder ohne ferromagnetischem Kern ausgebildet. Die Auslegung der Toroidspule erfolgt so, dass Fehlerströme mittlerer Amplitude, welche sich von ereignisbedingten Stoßströmen

unterscheiden, detektierbar sind .

Die Toroidspule steht mit einer Kennmeldersicherung oder einem ähnl ichen Mittel in elektrischer Verbindung . Der Kennmelder der Kennmeldersicherung ist mechanisch mit der Schaltvorrichtung verbunden, um selbige auszulösen .

In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Möglichkeit, den Kennmelder über eine mechanische Kräfte verstärkende Einrichtung mit der Schaltvorrichtung zu verbi nden.

Erfindungsgemäß ist darüber hinaus eine Baueinheit, welche die Toroidspule, die Schaltvorrichtung und mindestens einen Überspannungsabieiter,

insbesondere ausgebildet als Varistor, umfasst.

Die Toroidspule ist in der Lage, Fehlerströme im Bereich von einigen 10 A bis zu wenigen kA zu detektieren, welche im Fall eines schnellen Übergangs der Überspannungsschutzein richtung in den niederohmigen Zustand auftreten können, so dass in diesem Fall eine sichere Abtrenn ung vom Netz möglich wird . Die Erfindung sol l nachstehend anhand eines Ausführu ngsbeispiels sowie einer Figur näher erläutert werden.

Die Figur zeigt hierbei ein Prinzipscha ltbild der erfind ungsgemäßen Anordnung einer Überspannungsschutzeinrichtu ng SPD.

Die Überspannungsschutzeinrichtung SPD umfasst, bevorzugt als Baueinheit ausgebildet, eine Ringkernspule 1, die um einen Strom leiter angeordnet ist, sowie eine mit dem Strom leiter i n Rei he befindliche Schaltvorrichtung 7, die wiederum in Reihe zur Schutzkom ponente, z. B. einem Metalloxid-Varistor 2 liegt.

Die Toroidspule 1 steht mit ihren Anschlüssen mit dem Eingang einer

Tiefpassschaltung 3 in Verbindung, die ausgangsseitig auf einen Stromwandlerübertrager 4 führt.

In der Sekundärseite des Stromwandlerübertragers 4 ist eine Kennmeldersicherung bzw. ein Schmetzleiter mit Federvorspannung a usgebildet.

Mechanisch steht die Kennmeldersicherung 5 mit einem Kraftverstärker, z. B. ausgebildet a ls Kniehebelantrieb 6 mit Federvorspannung in Verbindung . Der Hebela ntrieb wirkt auf die Schaltvorrichtung 7 ein und ist in der Lage, diese bei Auftreten der relevanten elektrischen Bedingungen in einen Öffn ungszustand zu überführen .

Die Toroidspule 1 koppelt aus dem eigentlichen Ableitpfad einen Teil des dort fließenden Stromes aus. Dieser ausgekoppelte Strom wird zur Unterscheidung zwischen Ableitströmen verschiedener Impulsformen und netzfrequenten Fehlerströmen auf den Tiefpass 3 geführt und mittels des optionalen

Übertragers 4 auf einen solchen Ausgangsstrom angepasst, dass die

Kennmeidersicherung 5 defi niert anspricht.

Die Ausbildung des Ringkerns der Ri ngkernspule 1 sichert die Möglichkeit einer einfachen Integration in den Ableitpfad der Überspa nnungsschutzeinrichtung SPD, wobei primärseitig nu r eine geringe Induktivität vorhanden ist mit der Folge einer nu r geringen Erhöhung des Schutzpegels der Überspannungsschutzein richtung. Über die Kraftverstärkung mittels des beispielsweise vo rgesehenen Kniehebelantriebs 6 wird ein schnelles u nd sicheres Öffnen der Schaltvorrichtung 7 bewirkt.