Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ableiten von Überspan nungen mit einem oder mehreren parallel geschalteten, in einer baulichen Ein heit befindlichen Überspannungsbegrenzenden Elementen, wie Varistoren, Dioden oder dergleichen, umfassend mindestens eine Schaltvorrichtung, um bei thermischer Überlastung des oder der Überspannungsbegrenzende n Elemente diese elektrisch abzutrennen, sowie Mittel zur Anzeige und/oder Meldung des dann gegebenen Fehlerzustands, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Überspannungsschutz-Anordnungen mit einem in einem Gehäuse u nterge- brachten Varistor, wobei eine bei Überhitzung des Varistors sich u nter Federkraft öffnende Lotstelle eines Thermoschalters im Stromweg zwischen Netzanschluss und Varistor vorgesehen ist und hierzu einer der Kontakte der Lotstelle sich an einem durch die Federkraft in Öffnungsrichtung belasteten Kontaktbügel befindet, sind beispielsweise aus dem deutschem Gebrauchs- muster 93 05 796 U vorbekannt. Bei derartigen Anordnungen besteht auch die Möglichkeit, dass ein erhöhter Stoßstrom, der über dem Nenna bleit- Stoßstrom liegt, zum Abschalten des vorgesehenen Varistors führt. Hierfür befindet sich im Verlauf des Kontaktbügels eine Sollbruchstelle, deren Querschnitt und damit mechanisches Widerstandsmoment kleiner a ls der Querschnitt des Kontaktbügels in seinem übrigen Verlauf ist. Die d urch einen entsprechend hohen Stoßstrom entstehenden elektrodynamischen Kräfte wirken quer zur Stromflussrichtung und damit quer zur Längsrichtung des Kontaktbügels. Diese bewirken daher ein Durchbrechen des Kontaktbügels an der Sollbruchstelle.

Bei der Anordnung zur Ableitung von Überspannungen gemäß DE 41 24 321 C2 sind mehrere Überspannungsbegrenzende Elemente, z.B. Varistoren oder Dioden und z.B. durch Überhitzung oder Feststellung des Leckstroms auslösende Abschaltmittel vorgesehen. Um die Sicherheit einer solchen Anordnung zu verbessern, insbesondere redundant auszubilden, so dass bei Ausfall eines der Überspannungsbegrenzenden Elemente der Betrieb mit einem anderen Überspannungsbegrenzenden Element weitergeführt werden kann, wobei zugleich eine einwandfreie Abschaltung eines defekten und überhitzten Überspannungsbegrenzenden Elements gewährleistet sein soll, ist vorgesehen, dass zumindest zwei Überspannungsbegrenzende Elemente vorhanden sind, von denen jedes Element für sich ausreichend dimensioniert ist, um an der betreffenden Einsatzstelle den Überspannungsschutz zu gewährleisten. Weiterhin ist auch bei dieser Lösung eine Thermosicherung vorgesehen, die im Strompfad des einen, ersten Überspannungsbegrenzenden Elements liegt und welche bei dessen Überhitzung abschaltet und das zweite Überspannungsbegrenzende Element zuschaltet.

Gemäß EP 0 716 493 Bl gehört eine Vorrichtung zum Schutz gegen das Auftreten von transienten elektrischen Überspannungen mit wenigstens zwei Varistoren zum Stand der Technik, welche Trennmittel aufweist, die bezüg¬ lich des Zustands der vorerwähnten Varistoren empfindlich sind und welche die Varistoren an ihrem Lebensende einzeln abtrennen. Weiterhin sind mechanische Mittel zum Visualisieren des Zustands der Varistoren vorhanden, die funktionell mit dem Trennmittel verbunden sind, um durch diese betätigt zu werden. Mit Hilfe der mechanischen Visualisisierungsmittel kann unterschieden werden, ob beide Varistoren in Betrieb sind, einer der beiden Varistoren abgetrennt oder beide Varistoren sich im abgetrennten Zustand befinden. Die mechanischen Visualisierungsmittel weisen einen Läufer auf, der von den Trennzungen parallel montierter Varistoren betätigbar ist.

Die vorbekannten thermischen Abtrennvorrichtungen basieren auf Lötver¬ bindungen, die am Lebensende des Überspannungsabieiters bzw. bei Über¬ lastung der aktiven Komponenten diese elektrisch abtrennen und eine optische und/oder elektrische Anzeige bzw. Meldeeinrichtung unmittelbar oder mittelbar betätigen. Wie vorstehend erläutert, besteht nach dem Stand der Technik die Möglich¬ keit, entweder einer Varistorscheibe eine thermische Abtrennvorrichtung zuzuordnen oder aber zwei Varistorscheiben mit je einer Abtrennvorrichtung zu versehen, die im Überlastfall die betroffene Scheibe abtrennt und eine zweite Varistorscheibe zuschaltet. Nachteilig bei den vorbekannten Lösungen ist die Tatsache, dass im Defekt-/Überlastfall mit dem Auftrennen der thermischen Abtrennvorrichtung das jeweilige Gerät vom Netz getrennt wird. Hierbei werden zwar weitere Folgeschäden vermieden, jedoch ist der Überspannungsschutz nicht mehr vorhanden oder nur noch eingeschränkt wirksam.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterent¬ wickelte Anordnung zum Ableiten von Überspannungen mit einem oder mehreren parallel geschalteten, in einer baulichen Einheit befindlichen Überspannungsbegrenzenden Elementen, wie Varistoren, Dioden oder dergleichen anzugeben, wobei die Anordnung mindestens eine Schaltvor¬ richtung umfasst, um bei thermischer Überlastung des oder der Überspan¬ nungsbegrenzende Elemente diese elektrisch abzutrennen und den jeweiligen Zustand anzuzeigen oder zu melden. Hierbei soll eine drohende Überlastung des jeweiligen Überspannungsschutzgeräts, hervorgerufen durch z.B. temperaturbedingte Alterungsprozesse der aktiven Varistorscheibe oder wiederholter Stoßstrombelastung der aktiven Komponenten rechtzeitig erkennbar sein. Zu diesem Zweck gilt es die Anordnung so auszugestalten, dass quasi im Sinne einer Vorwarnstufe eine Lebensdauer-Anzeige erfolgt. Ergänzend muss die Möglichkeit bestehen, die Vorwarnstufe so abzustimmen, dass ein ausreichender Abstand bezüglich dieser Anzeige hinsichtlich einer nur noch eingeschränkten Restlebensdauer hin zu einem irreparablen Schaden und damit der erforderlichen endgültigen Abtrennung des Gerätes vom Netz vorhanden ist bzw. besteht.

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. Mit Hufe der erfindungsgemäßen Anordnung kann der Alterung szustand und damit die verbleibende Restlebensdauer an den jeweiligen Geräten vor Ort angezeigt, überprüft und ferngemeldet werden. Bei routinemäßigen Wartungsarbeiten kann ein erkennbar vorgeschädigter Ableiter ausgetauscht werden, ohne dass zwischenzeitlich die Anlage ohne oder nur mit eingeschränktem Überspannungsschutz betrieben wird.

Im Gegensatz zu Lösungen nach dem Stand der Technik bleibt das volle Ableitvermögen, d.h. die Stoßstrom-Tragfähigkeit bis zum Lebe nsdauerende erhalten. Mit anderen Worten wird auch bei mehreren Varistorpfaden kein Pfad im Rahmen der Vorwarnung vom Netz getrennt. Es erhöht sich also insgesamt der Schutzgrad von Anlagen, die mit der erfindungsg emäßen Anordnung ausgerüstet sind.

Erfindungsgemäß ist, in thermischem Kontakt mit den Überspan nungsbegren¬ zenden Elementen stehend, eine erste Schaltvorrichtung vorgesehen, welche beim Erreichen einer ersten Grenztemperatur Tl eine optische Anzeige betätigt oder auslöst, um das Erreichen der vorerwähnten Grenznutzungs- oder -lebensdauer des oder der Überspannungsbegrenzenden Elemente zu signalisieren. Weiterhin ist eine zweite, in thermischem Kontakt mit den Überspannungs¬ begrenzenden Elementen stehende Schaltvorrichtung vorhanden , welche beim Erreichen einer zweiten Grenztemperatur T2 das elektrische Abtrennen und die Fehlerzustands-Anzeige in an sich bekannter Weise realisiert, wobei gilt, dass T2 > Tl ist.

Die erste Schaltvorrichtung steht in einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Fernmeldekontakt in Wirkverbindung, so dass eine bereits einge¬ schränkte Restnutzungsdauer oder ein erkannter abnormaler Zustand an eine Wartungszentrale weitergeleitet werden kann.

Bei einer Realisierungsform der Erfindung ist die erste und die zweite Schalt¬ vorrichtung mechanisch mit je einem oder einem gemeinsamen S chieber verbunden bzw. wirkt auf einen solchen Schieber, wobei der Schi eber auf einer Stirnseite der baulichen Einheit befindlich ist und durch Längsbewegung aufgrund der jeweils aktivierten Schaltvorrichtung ein farblich gestaltetes oder farbmarkiertes Sichtfeld auf der Stirnseite freigibt.

Hierbei wird das Konzept der Lebensdauer-Anzeige der Anordnung zum Überspannungsschutz bevorzugt durch eine dreistufige, mehrfarbige optische Anzeige umgesetzt. Dabei entspricht beispielsweise die Anzeigefarbe „grün" einem vollfunktionsfähigen Ableiter, die Anzeigefarbe „gelb" steht für einen vorbelasteten/gealterten Ableiter, die Anzeige „rot" für ein überlastetes, abgetrenntes Schutzmodul. Dieses muss dann ausgetauscht werden, wobei, wie bereits erläutert, ein vorhandener Fernmeldekontakt bereits bei der quasi Vorschädigungsstufe des Ableiters aktiviert wird.

Die erste Schaltvorrichtung der Erfindung kann als ein Mittel mit sich bei Wärmeeinwirkung verändernden optischen Eigenschaften, beispielsweise als sogenannte Thermocolorfolie ausgeführt werden.

Die Schaltvorrichtungen umfassen gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung Hebelelemente, welche unter Federspannung in einer ersten Position befindlich sind, wobei die erste Position durch ein Schmelzlot, Wachs, Thermoplast oder dergleichen Material fixiert ist. Der Schmelzpunkt dieses Materials bei der ersten Schaltvorrichtung ist kleiner gewählt als der Schmelzpunkt der zweiten Schaltvorrichtung.

In einer Alternative können die Schaltvorrichtungen Hebelelemente auf- weisen, welche unter Vorspannung mindestens einer Feder stehen, wobei eine erste Position der ersten Schaltvorrichtung von einem Schrumpf¬ schlauchmaterial fixiert ist derart, dass bei thermischer Belastung bis zur Grenztemperatur Tl eine Positionsveränderung des jeweiligen Hebelelements mit gleichzeitiger optischer Signalisierung durch den Schrumpfungsprozess des Schlauchmaterials eintritt.

Durch die Wahl des Abstands der Grenztemperatur Tl von T2 ist eine kundenspezifische Anpassung an das jeweilige Sicherheitsbedürfnis im Sinne der Aufgabenstellung der Erfindung realisierbar. Eine Bauvariante der Anordnung zum Ableiten von Überspannungen geht von innerhalb der baulichen Einheit befindlichen zwei Varistorscheiben als Überspannungsbegrenzende Elemente aus, die parallel und beabstandet nebeneinander befindlich sind. Die Schaltvorrichtungen sind hier zwischen den Varistorscheiben bevorzugt an einer Trennwand angeordnet, wobei Kontaktierungsscheiben oder -bleche der Varistoren in thermischem Kontakt mit der jeweiligen Schaltvorrichtung stehen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung mit Lebensdauer-Überwachung bzw. -Anzeige;

Fig. 2 eine erste technische Ausführungsform der Anordnung;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung mit Schrumpfschlauch als erste Schaltvorrichtung;

Fig. 5 eine Ausführungsform einer nicht mechanisch wirkenden ersten Schaltvorrichtung, sondern eines bei thermischer Belastung einen Farbumschlag oder eine Farbänderung aufweisenden Indikators;

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Varistormoduls mit zwei parallel geschalteten Varistorscheiben und dazwischen befindlicher Anordnung aus Schaltvorrichtungen;

Fig. 7 eine Darstellung der Wirkungsweise der ersten, mechanisch ausgeführten Schaltvorrichtung zur Lebensdauer-Anzeige und Fig. 8 eine Darstellung mit bereits freigegebener erster Schaltvorrichtung sowie im unteren Bildteil die Darstellung des Farbumschlags bei elektrisch abgetrennter Varistoreinheit von gelb auf rot.

Gemäß Ausführungsbeispiel besteht das Überspannungsschutzgerät aus einem Varistormodul mit zwei parallel geschalteten scheibenförmigen Varistoren 1 sowie einer integrierten Lebensdauer-Anzeigeinrichtung 2 sowie einer Abtrennvorrichtung 3 (siehe Fig. 1).

Die Lebensdauer-Anzeige 2 (Stufe Sl) bewertet die Temperatur der Varistoreinheit 1 und schaltet bei Überschreiten einer definierten Grenz¬ temperatur Tl die Sichtanzeige (siehe Fig. 7) von grün auf gelb und betätigt eine Fernsignalisierung FM.

Bei der technischen Realisierung der Lebensdauer-Anzeige ist dafür Sorge getragen, dass eine optimale Kontaktblechgestaltung der Varistoreinheit mit maximaler Wärmestromdichte erfolgt, was zur selektiven Erwärmung der verschiedenen, temperaturabhängigen Komponenten, bevorzugt Schmelzlote, notwendig ist. Neben der Verwendung von Schmelzloten können ebenfalls auch andere temperaturselektive Wachse, Kunststoffe, Schrumpfschläuche oder ähnliche Mittel Verwendung finden.

Die thermische Abtrennvorrichtung (Stufe S2 nach Fig. 1) trennt bei einer kritischen Temperatur T2 (T2 > Tl) die Varistoreinheit 1 ab und schaltet die Sichtanzeige von gelb auf rot (siehe Fig. 8).

Der notwendige Abstand zwischen der quasi Vorwarnung und dem Auslösen der thermischen Abtrennvorrichtung ist über die selektive Temperatur- Staffelung der verwendeten thermisch beeinflussbaren Komponenten in einem weiten Bereich werkseitig bzw. kundenspezifisch einstellbar.

Gemäß der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 2 ist ein erster Temperaturmesspunkt Tl (Bezugszeichen 4) über eine z.B. Weichlotverbindung zwischen den Kontaktflächen (siehe Fig. 6) mit der Schalteinheit Sl (Bezugszeichen 5) verbunden. Selbige wird im Auslösefall durch die vorgespannte Feder 6 bewegt, so dass der Signalhebel 7 die Vorwarnstufe 8, welche einen Schieber darstellt und die Fernmeldung auslöst, so dass ein Sichtfenster von grün auf gelb umgeschaltet wird.

Mit Überschreiten der Schwelltemperatur T2 im Bereich 9 wird der Schalter S2 (Bezugszeichen 10) betätigt, der dann die Einheit endgültig vom Netz trennt. Der Schalter S2 bewegt wiederum einen Anzeigeschieber 8a, der dann in der Sichtanzeige „rotw signalisiert. Dieser Schalter S2 ist als federbelasteter Kontakt, der unter entsprechender Vorspannung steht, ausführbar.

Bei der Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig. 3 ist für die erste Schaltvorrichtung wiederum eine vorgespannte Feder 6 vorgesehen, die sich in einer Kulissenführung befindet, wobei letztere noch einen Führungsbügel aufnimmt. Wenn im Bereich 4 die dort ausgebildete Weichlotverbindung schmilzt, bewegt sich der Signalhebel 7 unter Wirkung der Kraft der Feder 6 bildseitig nach links und nimmt die Lebensdauer-Anzeige 8 über eine Aufnahme mit, mit der Folge, dass auf der Sichtseite der Baueinheit ein andersfarbiges Feld freigegeben wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 wird als Indikator für das Erreichen der Vorwarnschwelle bei der Temperatur Tl ein temperatur¬ abhängiger Schrumpfschlauch 11 benutzt.

Bei Erreichen einer über die Materialparameter des Schrumpfschlauches einstellbaren Schwelle reduziert der Schlauch seinen Durchmesser und bewegt ein Anzeigeelement 12, so dass die Vorwarnstufe 12a frei sichtbar wird.

Mit Überschreiten der Grenztemperatur T2 am Punkt 13 erfolgt dann das endgültige Abtrennen des Gesamtgeräts analog der Wirkungsweise einer Schmelzlot-Thermosicherung. Bei der Lösungsvariante gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird die Vorwarnstufe über einen temperaturabhängigen Farbwechsel eines Anzeigeelements 14 signalisiert. In diesem Falle tritt eine Verfärbung z.B. eines Thermocolormaterials beim Erreichen der Temperatur Tl auf. Nach Überschreiten der Temperatur T2 im Bereich der Lotverbindung 13 löst dann die zugeordnete Schaltvorrichtung in an sich bekannter Weise aus und führt eine Netztrennung der Gerätes durch.

Fig. 6 stellt die Sandwichanordnung eines Varistormoduls mit zwei parallel geschalteten Varistorscheiben dar (oberer Bildteil).

Im unteren Bildteil ist erkennbar, dass im Raum zwischen den Varistor¬ scheiben die erste und die zweite Schaltvorrichtung baulich untergebracht sind. Diese Anordnung ermöglicht einen optimalen thermischen Kontakt der temperaturrelevanten Stellen 4 und 9, an welchen die jeweilige z.B. Weichlotverbindung mit unterschiedlichem Schmelzpunkt zum Fixieren der ersten Position der Hebelelemente der Schaltvorrichtungen unter Federvor¬ spannung ausgeführt ist.

Nach Fig. 7, oberer Bildteil, befindet sich das Varistormodul im vollfunktions¬ fähigen Zustand. Gemäß Fig. 8 oberer Bildteil und Fig. 7 unterer Bildteil ist mit Erreichen oder Überschreiten der ersten Temperatur Tl der Trennvor¬ gang im Bereich 4 vollzogen. Der Hebel 7 bewegt sich hierbei aufgrund der Vorspannung der Feder 6 gemäß Abbildung nach links und nimmt einen Schieber 15 mit. Im Ergebnis erfolgt unter Hinweis auf die Darstellung nach Fig. 7 unten in einem Sichtfenster der Abdeckkappe 16 der baulichen Einheit eine Farbänderung.

Mit Auslösen der thermischen Sicherung im Bereich 9 erfolgt wiederum eine Farbveränderung von z.B. gelb nach rot (Fig. 8, unterer Bildteil), wodurch eindeutig ein Geräteausfall mit erforderlichem Austausch des Moduls erkennbar ist.