Phoenix Contact GmbH & Co KG, Blomberg

Die Erfindung betrifft ein Sicherungselement für eine Überspannungsschutzeinrichtung.

Überspannungsschutzeinrichtungen sollen elektrische Anlagen vor Überspannungen schützen, insbesondere vor Impulsereignissen, wie sie beim Einschalten von Geräten oder aber auch bei Blitzeinwirkung im Bereich von bis zu einigen Millisekunden auftreten. Tritt ein derartiges Ereignis auf, so soll für diese kurze Zeit der auftretende Strom am Gerät vorbei durch die Überspannungsschutzeinrichtung abfließen. Während der sonstigen Zeit, dem sogenannten Nennbetrieb, fließt in aller Regel kein Strom oder ein sehr geringer Strom durch die Überspannungsschutzeinrichtung.

Allerdings unterliegen auch Überspannungsschutzeinrichtungen Alterungsprozessen, sodass es zu einer Beschädigung der Überspannungsschutzeinrichtung kommen kann. Diese Prozesse können auch durch die Ableitvorgänge bedingt sein. Tritt eine nachhaltige Schädigung der Überspannungsschutzeinrichtung auf, d.h. tritt der Fehlerfall ein, so kann auch ein nicht zu vernachlässigender Strom durch die

Überspannungsschutzeinrichtung fließen. Im schlimmsten Fall erreicht der Strom die Kurzschlussstromstärke des treibenden Netzes.

Bedingt durch den länger anhaltenden Stromfluss großer Stärke wird auch an geringen Restwiderständen der beschädigten Überspannungsschutzeinrichtung bzw. ihrer Zuleiter eine große Menge an Wärme erzeugt, die zu Bränden oder Explosionen der Überspannungsschutzeinrichtung oder angrenzender Anlagen führen kann.

Aus diesem Grund werden Überspannungsschutzeinrichtungen zunehmend mit Sicherungselementen versehen, um im Fehlerfall einen auftretenden Kurzschlussstrom unterbrechen zu können.

Gestaltet sich die Abtrennung von Überspannungsschutzeinrichtungen an Wechselspannungsnetzen in aller Regel wegen der periodischen Nulldurchgänge als eher unproblematisch, ist die Abtrennung von leistungsstarken Gleichspannungsnetzen wegen des fehlenden Nulldurchgangs eher stark problematisch. Von besonderer Problematik sind zudem Photovoltaikanlagen gekennzeichnet, da diese über eine besondere Quellencharakteristik verfügen.

Aus dem Stand der Technik sind aus dem Bereich der Wechselspannungsnetze Sicherungsvorrichtungen bekannt, welche mittels mechanischer Vorrichtung einen Kurzschlussstrom schon weit vor Erreichen der maximalen Amplitude unterbrechen können. Selbst wenn dabei ein Lichtbogen beim Trennen auftreten sollte, so wird der Lichtbogen auf Grund des nachfolgenden Nulldurchgangs unterbrochen werden. Ein (Wieder-) Zünden aus dem stromlosen Zustand hingegen erfordert entweder sehr hohe Spannungen oder sehr geringe Abstände. Aus diesem Grund können bezogen auf den Nennbetrieb kleine Trennabstände vorgesehen werden, welche eine geringe Baugröße der Sicherungsvorrichtungen ermöglicht.

Solche Maßnahmen sind für Gleichspannungsnetze als auch leistungsstarke Wechselspannungsnetze nicht unmittelbar übertragbar. Hier ist immer mit dem Auftreten eines Lichtbogens zu rechnen. Da in Gleichspannungsnetzen die Nulldurchgänge fehlen kann der Lichtbogen nicht ohne weiteres Verlöschen und somit der Stromfluss unterbunden werden. In leistungsstarken Gleichspannungsnetzen muss der Trennabstand hinreichend groß werden, um ein erneutes Zünden zu unterbinden. Hierzu bedarf es geeigneter Maßnahmen, um den sogenannten Trennabstand zu erhöhen, sodass die Lichtbogenspannung derart ansteigt, dass die Abtrennung durch Löschen des Lichtbogens erfolgt.

Zwar böten sich Schmelzsicherungen wegen des hohen Stromlöschvermögens an. Diese können dabei so dimensioniert werden, dass die Schmelzsicherungen bei einem Strom auslösen, der größer als der Nennstrom ist. Allerdings müssen diese Schmelzsicherungen zugleich auch einen Stoßstrom eines Impulsereignisses, d.h. den Nennstrom der Überspannungsschutzeinrichtung, tragen können. Um diesem Erfordernis Rechnung zu tragen, muss ein großer Schmelzleiterquerschnitt bereitgestellt werden. Allerdings führt ein hoher Schmelzleiterquerschnitt dazu, dass damit auch der

Strom zum Auslösen im Fehlerfall hoch ist.

D.h. beide Anforderungen sind nur schwer gleichzeitig zu erfüllen, sodass es zu aufwändigen und damit kostspieligen Anordnungen kommt.

Insbesondere in der Photovoltaik ist dies schwierig, da hier im Falle eines Fehlers der Kurzschlussstrom nur unwesentlich über dem Nennstrom bei maximaler Lichteinstrahlung liegt. Im Prinzip muss dann die Schmelzsicherung bei einem nur leichten Übersteigen des Nennstroms einen Kurzschluss erkennen und somit eine Abschaltung bewirken. Dies ist in der Praxis jedoch nur äußerst schwer realisierbar. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Schaltvermögen von Schmelzsicherungen auch für Überspannungsschutzeinrichtungen in leistungsstarken Wechselspannungsnetzen als auch in Gleichspannungsnetzen verfügbar zu machen.

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 anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematisierte erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung gemäß der

Erfindung in einem ersten Zustand,

Fig. 2 eine schematisierte erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung gemäß der

Erfindung in einem zweiten Zustand, und

Fig. 3 einzelne schematisierte Ansichten von Elementen einer erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung. In Figur 1 und Figur 2 ist ein Sicherungselement Sl für eine

Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE gezeigt. Das Sicherungselement weist ein mehrteiliges Gehäuse mit mindestens einem ersten Gehäuseteil G1 und einem zweiten Gehäuseteil G2 auf. Zur besseren Erkennbarkeit sind die beiden Gehäuseteile in Figur 3 getrennt dargestellt.

Das erste Gehäuseteil G1 - in Figur 3 oben dargestellt - und das zweite Gehäuseteil G2 - in Figur 3 unten dargestellt - greifen zumindest abschnittsweise formschlüssig ineinander, so dass ein im Wesentlichen druckfester Innenraum IR gebildet wird. Durch den Innenraum IR führt ein- durchgehender Leiter L, siehe Figur 1 . Dieser Leiter ist von außen an den mit A und B gekennzeichneten Stellen elektrisch kontaktierbar. Hierzu kann z.B. auf den Gehäuseteilen G1 und G2 eine geeignete Metallisierung vorgesehen sein.

Die beiden Gehäuseteil G1 und G2 sind gegeneinander verschiebbar, wie ein Vergleich von Figur 1 und Figur 2 zeigt. Dabei kann das Gehäuseteil G2 im Inneren des Gehäuseteils G1 verschoben werden, wobei es von besonderem Vorteil ist, wenn das zweiten Gehäuseteil G2 unabhängig vom Zustand innerhalb des ersten Gehäuseteils verbleibt, sodass die Baugröße durch das erste Gehäuseteil definiert ist. Im Betriebszustand des Sicherungselementes, einem ersten Zustand, stehen das erste Gehäuseteil G1 und das zweite Gehäuseteil G2 unter Vorspannung F.

Die Vorspannung F kann z.B. durch eine Feder, welche zwischen das erste Gehäuseteil G1 und das zweite Gehäuseteil G2 eingebracht ist oder angeformt ist, bereitgestellt werden, ohne andere Formen einer Kraft, z.B. Magnetkraft, hierdurch auszuschließen.

Um eine ungewollte gegenseitige Verschiebung der Gehäuseteile G1 , G2 zu verhindern, ist wie in Figur 1 gezeigt, eine Verschiebung durch einen Haltemechanismus H unterbunden, wobei der durchgehende Leiter L eine elektrisch leitende Verbindung bereitstellt.

In Figur 2 ist der Haltemechanismus H gelöst. Unter Einfluss der Vorspannung F sind nun die Gehäuseteile G1 und G2 gegeneinander verschoben worden. Dabei wurde der Leiter durch den Einfluss der Vorspannung mechanisch soweit belastet, dass der Leiter L im Innenraum IR trennt, d.h. der Leiter L ist unterbrochen. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Leiter L sowohl am Gehäuseteil G1 auf der Seite des Anschlusses A als auch am Gehäuseteil G2 auf der Seite des Anschlusses B befestigt ist. Um den maximalen Impulsstrom einer zugeordneten Überspannungseinrichtung ÜSE tragen zu können, ist der durchgehende elektrische Leiter L so dimensioniert, dass der maximale Impulsstrom der zu schützenden Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE im ersten Zustand zerstörungsfrei durchgeleitet werden kann. Der Haltemechanismus H verfügt über eine äu ßere Triggerung T. Durch diese Triggerung T kann der Haltemechanismus H gelöst werden. Eine solche Triggerung T erfolgt dabei durch eine Messgröße in Bezug auf die zu schützenden Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE.

D.h. mittels der äußeren Triggerung T kann das Schaltvermögen einer Schmelzsicherungsanordnung genutzt werden, indem der Leiter L einer mechanischen Beanspruchung ausgesetzt wird, die zu einem Auftrennen führen. Ein eventuell entstehender Lichtbogen führt zu einem Abschmelzen des Leiters wodurch der Trennabstand erhöht wird und die Lichtbogenspannung ansteigt. Übersteigt die Lichtbogenspannung die Netzspannung, verlischt der Lichtbogen und der Stromkreis ist unterbrochen. Bevorzugt ist zumindest ein Teil des Leiters der im Innenraum IR angeordnet ist, ein Schmelzleiter.

Hierdurch kann ein Abschalten auch unter Gleichspannungsnetzbedingungen erfolgen, wobei die Stoßstromtragefähigkeit ohne Einschränkung zur Verfügung steht.

In vorteilhafter Weise ist zumindest eines der beiden Gehäuseteile G1 , G2 aus einem Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe Keramik, Metall, Kunststoff oder Verbundwerkstoff gefertigt. Hierdurch lassen sich besonders kostengünstige Sicherungselemente fertigen.

Beispielhafte Messgrößen, die eine äußere Triggerung T in Bezug auf die zu schützenden Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE veranlassen können, können z.B. eine Leckstrommessung der zu schützenden Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE und/oder eine optische Überwachung der zu schützenden Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE und/oder eine thermische Überwachung der zu schützenden Überspannungseinrichtung ÜSE und/oder einen Dehnungsmessstreifen an der zu schützenden Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE und/oder einer anderen direkten oder indirekten Messung von physikalischen Größen, die auf einen Verschleiß oder Defekt der Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE hinweisen, sein. D.h. durch geeignet Wahl einer oder mehrerer Messgrößen kann ein zuverlässiges Abschalten im Fehlerfall durch die äußere Triggerung T als auch eine exakte zeitliche Abtrennung ermöglicht werden. Übersteigt die überwachte Messgröße einen vorgegebenen Wert, wird die Abtrennvorrichtung ausgelöst und die fehlerhafte Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE vom Netz getrennt.

Besonders voreilhaft ist es, wenn der Innenraum IR mit einem Löschmedium LM gefüllt ist. Hierdurch kann die Schaltleistung verbessert werden bzw. der Bauraum minimiert werden, da beim Auslösen des Haltemechanismus H ein Lichtbogen entsteht, der Teile des Leiters verdampft. Der Metalldampf kondensiert auf dem Löschmittel LM und kühlt somit den Lichtbogen, wodurch die Lichtbogenspannung ansteigt. Übersteigt die Lichtbogenspannung die Netzspannung, verlischt der Lichtbogen und der Stromkreis ist unterbrochen.

Beispielhafte Löschmedien LM sind Quarzsand und/oder Polyoxymethylen.

In einer besonders günstigen Weise können die Überspannungseinrichtung ÜSE und eine erfindungsgemäße Sicherungseinrichtung auch als Sicherungsanordnung in Reihe geschaltet als Baugruppe vereinigt sein. Hierdurch kann die äu ßere Triggerung T besonders sicher an das Sicherungselement geführt werden. Insbesondere bei einer thermischen Überwachung bietet sich eine räumlich enge Anordnung an, um so die Schaltzeiten gering zu halten.

Beispielhafte Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE, die mit dem Sicherungselement Sl gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind ausgewählt aus einer Gruppe aufweisend Funkenstrecken, Varistoren, Supressordioden, Halbleiterschalter. Ohne weiteres kann eine Verschiebung der Gehäuseteil zueinander auch zu

Anzeigezwecken genutzt werden, um so z.B. die Auslösung anzuzeigen. Hierzu können geeignete Sichtfenster oder Farbwechsel vorgesehen sein. Weiterhin kann sowohl die äu ßere Triggerung T als auch die Verschiebung der Gehäuseteile G1 , G2 als auch die Auslösung des Haltemechanismus H einzeln oder in Kombination genutzt werden, um die Auslösung des Sicherungselementes Sl an eine in der Ferne liegende Überwachungseinrichtung z.B. über einen Signaldraht oder eine andere Form der Signalsierung zu melden.

Zusammenfassend kann die Erfindung dahingehend charakterisiert werden, dass die Erfindung es ermöglicht das hohe Stromlöschvermögen bei einer kompakten Bauform von Schmelzsicherungen nutzbar zu machen, ohne jedoch den Nachteil klassischer Schmelzsicherungen, nämlich hoher Auslöseströme im Fehlerfall, in Kauf nehmen zu müssen. Dazu befinden sich ein (Schmelz-)Leiter L sowie eventuell das Löschmittel LM in einem druckfesten, zumindest zweiteilig aufgebauten Gehäuse. Der innere Teil des Gehäuses, das zweite Gehäuseteil G2, ist so ausgeführt, dass er sich zu einer Seite des Au ßengehäuses, des ersten Gehäuseteils G1 , bis zu einer definierten Länge herausschieben kann. Um die Bewegung des zweite Gehäuseteils G2 aus dem ersten Gehäuseteils G1 zu bewirken, wird z.B. ein Federmechanismus verwendet, der unter einer definierten Vorspannung F zwischen den beiden Gehäuseteilen G1 , G2 eingebaut wird. Die Vorspannung F sowie das Feststellen des zweiten Gehäusteils G2 im ersten Gehäuseteil G1 wird beispielsweise über eine triggerbare Raste als eine Ausformung eines Haltemechanismus H erreicht.

Wird durch eine externe Triggerung T der Haltemechanismus H ausgelöst, drückt die Vorspannung F mit einer (definierten) Kraft so auf das zweite Gehäuseteil G2, dass dieses ausgeschoben wird. Die Kraft der Vorspannung F ist dabei zusätzlich ausreichend groß gewählt, so dass durch sie der (Schmelz-)Leiter L zerrissen wird. An der dabei entstehenden Trennstelle des (Schmelz-)Leiters entsteht daraufhin je nach Einsatz ein Lichtbogen, der den (Schmelz-)Leiter L weiter abbrennt und somit den Trennabstand erhöht. Der Metalldampf des abbrennenden Schmelzleiters setzt sich auf einem eventuell vorhandenen umgebenden Löschmittel LM ab und steht dem Lichtbogen nicht weiter als leitfähiges Plasma zur Verfügung. Bei einem ausreichend hohen Trennabstand und einer daraus resultierenden hohen Lichtbogenbrennspannung, erlischt der Lichtbogen und der Stromfluss wird unterbrochen.

Zudem führt der entstehende Lichtbogen zu einer raschen Druckerhöhung. Dieser zusätzlich entstehende Druck sorgt für eine Erhöhung der Verschiebungsgeschwindigkeit des zweiten Gehäuseteils G2. Ein schnellerer Löschvorgang ist die Folge. Aus diesem Grund ist eine im Wesentlichen druckfeste Ausgestaltung des Innenraums IR von Vorteil. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass an den gleitenden Flächen der jeweiligen Gehäuseteile G1 und G2 entsprechende parallele Ausstülpungen vorgesehen sind, sodass eine Führung bei gleichzeitig vermindertem Druckausgleich zur Verfügung gestellt wird. Auch im Falle einer großen Überlast verdampf der (Schmelz-)Leiter L ohne den Einsatz der externen Triggerung T und führt so zu einer Abtrennung. Bezugszeichenliste

Sicherungselement Sl

Überspannungsschutzeinrichtung ÜSE erstes Gehäuseteil G1 zweites Gehäuseteil G2 druckfester Innenraum IR

Vorspannung F

Haltemechanismus H

Leiter L äu ßere Triggerung T

Löschmedium LM