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Title:
OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE WITH LEAKAGE CURRENT CUTOFF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/121027
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an overvoltage protection device with leakage current cutoff, having a parallel connection of a first current branch (I1) and a second current branch (I2), wherein the first current branch (I1) comprises a switching element (S) and a first non-linear resistor element (Rvar,1), and the second current branch (I2) comprises a securing element with signaling properties (F) and a second non-linear resistor element (Rvar, 2) and a complex resistor (Z). Dependent on a state modification of the securing element with signaling properties (F), said switching element (S) is switched.

Inventors:
STRIEWE, Martin (Steinheimer Str. 216, Horn- Bad Meinberg, 32805, DE)
WOSGIEN, Joachim (Im Bruch 8, Löhe, 32584, DE)
Application Number:
EP2015/050924
Publication Date:
August 20, 2015
Filing Date:
January 20, 2015
Export Citation:
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Assignee:
PHOENIX CONTACT GMBH & CO.KG (Flachsmarktstr. 8, Blomberg, 32825, DE)
International Classes:
H02H9/04
Foreign References:
DE4124321A11993-01-28
DE10211795A12003-07-24
EP1826780A12007-08-29
DE10116172A12002-10-10
Attorney, Agent or Firm:
SCHMELCHER, Thilo (Postfach 3106, TPH III Eingang BKaisertraße 100, Herzogenrath, 52118, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaitu ng , aufweisend eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges ( ) und eines zweiten Stromzweiges (l2), wobei der erste Stromzweig ( ) ein Schaltelement (S) und ein erstes nichtlineares Widerstandselement (Rvar.i) aufweist, und wobei der zweite Stromzweig (l2) ein Sicherungselement mit Meldeeigenschaft (F) und ein zweites nichtlineares Widerstandselement (Rvar 2) sowie einen komplexen Widerstand (Z) aufweist, wobei abhängig von einer Zustandsänderung des Sicherungseiements mit Meldeeigenschaft (F) das Schaltelement (S) zum Schalten veranlasst wird.

2. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste nichtlineare Widerstandselement {Rvar,i} und das zweite nichtlineare Widerstandselement (Rvar^) jeweils eine nichtlineare Strom/Spannungskennlinie aufweisen, wobei die Steilheit der Kennlinie des zweiten nichtlinearen Widerstandselements (Rvar 2) größer ist als die Steilheit der Kennlinie des ersten nichtlinearen Widerstandselements (Rvar 1).

3. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste nichtlineare Widerstandselement (Rvar.i) und/oder das das zweite nichtlineare Widerstandselement (Rvar^) einen Varistor aufweist.

4. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft (F) eine Kennmeldersicherung ist.

5. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stoßstromtragevermögen des ersten Stromzweiges ( ) größer ist als das Sto ßstromtragevermögen des zweiten Stromzweiges (l2).

6. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der komplexe Widerstand (Z) durch ein oder mehrere konkrete Bauelemente zur Verfügung gestellt wird.

Description:
Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung

Phoenix Contact GmbH & Co KG, Blomberg

Die Erfindung betrifft eine Ü berspan n u ngssch utzvo rrichtu ng mit Leckstrom abschaltung .

Überspannungsschutzeinrichtungen verschiedenster Art weisen in Folge von Alterung und/oder Betrieb außerhalb der spezifizierten Betriebsspannungen unerwünschte Leckströme auf.

Diese Leckströme führen zum einen zu höheren Energiekosten zum anderen führen diese Leckströme auch zu einer Erwärmung der betreffenden Überspannungsschutzeinrichtung. Diese Erwärmung kann dabei so umfangreich sein, dass es zu weiterer Beschädigung oder Zerstörung der Überspannungsschutzeinrichtung selbst als auch umgebender Bauteile führen kann und sogar Brände auslösen kann.

Um diesen negativen Effekten zu begegnen, wurden in der Vergangenheit unterschiedliche Anordnungen vorgeschlagen mit denen eine derartig fehlfunktionierende Überspannungsschutzeinrichtung vom versorgenden Netz abgetrennt werden soll, um so eine unzulässige Erwärmung oder Zerstörung der Überspannungsschutzeinrichtung zu verhindern. Eine bekannte Maßnahme ist z.B. eine thermisch erweichbare Verbindung, z.B. eine Lötstelle, vorzusehen, die bei Erreichen der Erweichungstemperatur eine Verbindung zur Überspannungsschutzeinrichtung löst.

Andere Maßnahmen sehen die Verwendung von Parallelschaltungen vor, wobei der Leckstrom über einen zumindest mit einer parasitären Induktivität behafteten Pfad geführt wird, während ein Überspannungsereignis über eine hierzu parallelen gasgefüllten Überspannungsabieiter geführt wird.

Obwohl diese Maßnahmen erfolgreich eingesetzt werden können, kann mit diesen nicht das Spektrum von Überspannungsschutzeinrichtungen und Ihrer Verwendung vollständig abgedeckt werden. Insbesondere für Gleichspannungsnetze, auch als DC-Netze bezeichnet, wie sie z.B. bei Solaranlagen vorzufinden sind, oder aber bei sehr leistungsstarken Wechselspannungsnetzen, auch als AC-Netze bezeichnet, , stellt die Fähigkeit der Abtrennung eine große Hürde dar.

Während für geringe DC-Ströme (d.h. Nennströme der Sicherung) noch geeignete Trennelemente (z.B. Schmelzsicherungen) existieren, welche in der Lage sind, den Stromfluss, auch bei einem hohen prospektiven Kurzschlussstrom des Stromzweiges, zu unterbrechen, steigt der Aufwand, welcher zum Erreichen eines solchen Löschvermögens getrieben werden muss, bei höheren Strömen (Nennströmen der Sicherung) stark an. Dieser Aufwand ist neben den technischen Herausforderungen auch ein Kostentreiber, sodass die entsprechenden Schaltvorrichtungen insgesamt sehr teuer sind. Gleichzeitig muss eine Sicherung, welche in Serie zu einem Überspannungsabieiter angeordnet wird, in der Lage sein den betriebsmäßig über den Überspannungsabieiter fließenden (Impuls-) Strom zu tragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung bereitzustellen, die auch bei hohen Strömen als auch bei DC- Netzen eine zuverlässige Abschaltung bereitstellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Übe rspan n u ngsschutzvorrichtu ng mit Leckstromabschaltung , aufweisend eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweigesund eines zweiten Stromzweiges, wobei der erste Stromzweig ein Schaltelement und ein erstes nichtlineares Widerstandselement aufweist, und wobei der zweite Stromzweig ein Sicherungselement mit Meldeeigenschaft und ein zweites nichtlineares Widerstandselement sowie einen komplexen Widerstand aufweist, wobei abhängig von einer Zustandsänderung des Sicherungselements mit Meldeeigenschaft das Schaltelement zum Schalten veranlasst wird, gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind auch Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigt Figur 1 eine beispielhafte schematische Darstellung von Ausführungsformen der Erfindung. Figur 1 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung von Ausführungsformen der Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung. Diese weist eine Parallelschaltung eines ersten Stromzweiges und eines zweiten Stromzweiges l 2 auf.

Der erste Stromzweig weist ein Schaltelement S und ein erstes nichtlineares Widerstandselement R var, i auf. Der zweite Stromzweig l 2 weist ein Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F und ein zweites nichtlineares Widerstandselement R var,2 sowie einen komplexen Widerstand Z auf.

Dabei sind das Schaltelement S und das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F so miteinander in Zusammenwirkung gebracht, dass abhängig von einer Zustandsänderung des Sicherungselements mit Meldeeigenschaft F das Schaltelement S zum Schalten veranlasst wird.

Hierdurch kann, wie nachfolgend erläutert, ein sicheres Abschalten gewährleistet werden.

Im ersten Stromzweig des Ü be rspan n u ngssch utzvo rrichtu ng befindet sich ein Widerstandselement R var, i mit nicht-linearer Strom/Spannungs-Kennlinie, welches bezüglich seines Abieitvermögens so bemessen ist, dass es das erforderliche Abieitvermögen der Anordnung im Wesentlichen tragen kann. In Serie hierzu ist ein Schaltelement S angeordnet, welches bezüglich seiner Stoßstromtragfähigkeit dem Abieitvermögen des R vaii , im Wesentlichen entspricht. Das (DC-) Abschaltvermögen des Schaltelements S braucht jedoch nur gering ausgeprägt zu sein, wodurch kostengünstige und einfache Schaltelemente verwendet werden können.

Im zweiten Stromzweig i 2 , befindet sich ebenfalls ein Widerstandselement R va ,. 2 mit nicht-linearer Strom/Spannungs-Kennlinie, welches bezüglich seines Abieitvermögens so bemessen sein kann, dass es lediglich einen gegenüber dem Ableitstrom des ersten Stromzweiges deutlich geringeren Teilstrom l 2 zu tragen vermag.

Hinsichtlich ihrer Spannungsbemessung (z.B. Uv, Spannungsabfall bei einem eingeprägten Strom von 1 mA) sind R var 1 und R va ,. 2 im Wesentlichen gleich bemessen, wobei bei einer unterschiedlichen Ausgestaltung zumindest R v3r 2 eine geringfügig geringere charakteristische Spannung {z.B. Varistor-Spannung) bei gleichem eingeprägtem Strom aufweisen kann. Das geringere Ableitstromtragvermögen des R va ,. 2 gegenüber dem R var ,, drückt sich hinsichtlich der Strom/Spannungs-Kennlinie des R var , 2 durch eine größere Steilheit im Vergleich zur Strom/Spannungs-Kennlinie des R var ,i aus.

In Serie mit R var . 2 befindet sich in dem zweiten Stromzweig l 2 ein Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F, beispielsweise eine Schmelzsicherung mit Kennmelder, welches hinsichtlich seiner Stoßstromtragfähigkeit auf den im Ableitfall über den zweiten Stromzweig l 2 fließenden Teilstrom l 2 ausgelegt sein kann, welcher deutlich geringer ist, als der Stoßstromanteil des ersten Stromzweiges I,. Als weiteres Element befindet sich im zweiten Stromzweig l 2 der komplexe Widerstand Z, welcher entweder aus parasitären oder konkreten Elementen gebildet wird.

Die steilere Kennlinie des R va ,. 2 im Vergleich zum R var> in Verbindung mit Z führt dazu, dass im Ableitfall der Hauptanteil des Ableitstromes durch den ersten Stromzweig h fließt, während ein deutlich geringerer Anteil über den zweiten Stromzweig l 2 fließt, welcher das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F nicht zum Ansprechen bringt.

Wird an die Gesamtanordnung über die Anschlüsse A 1 s A 2 eine Spannung angelegt, welche zu einem (Leck-)Stromfluss über den ersten Stromzweig \ % und den zweiten Stromzweig l 2 führt, so wird über den zweiten Stromzweig l 2 ein im Vergleich zum Ableitfall, größerer Stromanteil fließen, da die Kennlinie des R vaf>2 im unteren (Leck-) Strombereich relativ flach verläuft. Dieser Stromfluss bringt R var 2 zum Durchlegieren, was dessen Impedanz zusammenbrechen lässt und den Stromfluss im zweiten Stromzweig l 2 deutlich weiter ansteigen lässt.

Der Stromfluss durch den zweiten Stromzweig l 2 bringt das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F zum Ansprechen. Das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F unterbricht durch sein Löschvermögen den Stromfluss im zweiten Stromzweig l 2 . Der Kennmelder des Sicherungselements mit Meldeeigenschaft F löst die Betätigung des Schaltelements S aus, was den Stromfluss sodann auch im ersten Stromzweig h unterbricht. Dabei kann die Betätigung z.B. direkt durch eine mechanische Wirkung erzielt werden oder aber indirekt zu einer Betätigung führen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Kraftspeicher zur Betätigung des Schaltelements S freigegeben wird. In einer beispielhaften Anordnung, die lediglich der Illustration der Erfindung dient, ist z.B. das erste nichtlineare Widerstandselement R var ,i ein Varistor, z.B. der Baugröße 80 mm, mit folgenden Leistungsdaten A, W max , V, während das zweite nichtlineare Widerstandselement R var , 2 ein Varistor, z.B. der Baugröße 14 mm, mit folgenden Leistungsdaten V rms =320 V, V DC =420 V, i max, 8,20 ps =4500 A, W m3X . 2ms =84 J, P max =0.6 W, V v>1 mA =510 V ist.

Wird nun eine (Prüf-)Spannung von 600 V an diese Parallelschaltung zur Simulation eines Leckstromes angelegt, so würde das zweite nichtlineare Widerstandselement R var>2 nach circa 1 ,2 s eine Energie von in etwa 84 J bereits absorbiert haben, sodass mit einem baldigen Durchlegieren des zweite nichtlineare Widerstandselement R var 2 zu rechnen ist, während das erste nichtlineare Widerstandselement R var> i nach circa 1 ,2 s eine Energie von in etwa 968 J bereits absorbiert hätte und somit noch stabil wäre. Mittels der vorbezeichneten allgemeinen Lösung ist es somit möglich einfache und kostengünstige Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung bereitzustellen, die auch bei hohen Strömen als auch bei DC-Netzen eine zuverlässige Abschaltung bereitstellen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das erste nichtlineare Widerstandselement R var .i und das zweite nichtlineare Widerstandselement R var , 2 jeweils eine nichtlineare Strom/Spannungskennlinie auf, wobei die Steilheit der Kennlinie des zweiten nichtlinearen Widerstandselements R var , 2 größer ist als die Steilheit der Kennlinie des ersten nichtlinearen Widerstandselements R var 1 .

Hierdurch kann das Schaltverhalten der beiden Stromzweige sehr präzise eingestellt werden und zudem eine Optimierung in Bezug auf die Herstellungskosten vorgenommen werden. In noch einer weiteren Ausgestaltung weist das erste nichtlineare Widerstandselement R var i und/oder das das zweite nichtlineare Widerstandselement R var . 2 einen Varistor auf. Hierdurch können die guten Spannungsbegrenzungseigenschaften der Varistoren genutzt werden. Zudem können Standardbauele me nte kostengünstig verwendet werden.

In noch einer weiteren Ausgestaltung ist das Sicherungselement mit Meldeeigenschaft F eine Kennmeldersicherung.

Hierdurch können die guten Trenneigenschaften von Kennmeldersicherung genutzt werden. Zudem können Standardbauelemente kostengünstig verwendet werden.

In noch einer weiteren Ausgestaltung ist das Stoßstromtragevermögen des ersten Stromzweiges I-, größer als das Stoßstromtragevermögen des zweiten Stromzweiges l 2 . Auch hierdurch können die Kosten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung optimiert werden, ohne Abstriche am Schaltvermögen vorzunehmen.

In noch einer weiteren Ausgestaltung wird der komplexe Widerstand Z durch ein oder mehrere konkrete Bauelemente zur Verfügung gestellt. Beispielhafte konkrete Bauelemente sind Widerstände, Spulen als auch Kondensatoren.

Hierdurch wird der zweite Stromzweig filterartig vor einem eher hochfrequenten Impulsstromereignis resultierend aus einem Überspannungsereignis geschützt, dass zuverlässig über den ersten Stromzweig abgeleitet werden kann.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erfindungsgemäße Überspannungsschutzvorrichtung mit Leckstromabschaltung in einem Gehäuse G - dargestellt in Figur 1 durch einen strich-punktierten Rahmen - mit entsprechenden Anschlüssen A ( und A 2 angeordnet. Hierdurch kann eine besonders einfache Installationsmöglichkeit von vorgefertigten Überspannungsschutzvorrichtungen mit Leckstromabschaltung bereitgestellt werden. Bezuqszeichenliste

Erster Stromzweig

Zweiter Stromzweig

Schaltelement

Nichtlineares Widerstandselement

Komplexer Widerstand

Gehäuse

Sicherungselement mir Meldeeigenschaft

Anschlüsse