Phoenix Contact GmbH & Co KG, Blomberg

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion.

Überspannungsschutzvorrichtung setzen beispielsweise Varistoren oder Transient Voltage Suppressordioden (TVS-Dioden) ein.

Varistoren werden z.B. im Überspannungsschutz zur Begrenzung von Überspannungen eingesetzt. Der Leistungsbereich erstreckt sich von Mess-Steuer-Regelkreisen mit Kleinsignalen bis hin zu Anwendungen im Hochspannungsbereich. Es ist bekannt dass Varistoren einer Alterung unterliegen, die stark abhängig von den Einbaubedingungen und der Häufigkeit und der Intensität der Belastungen mit Überspannungsimpulsen ist, weswegen das Alterungsverhalten von Varistoren nicht zuverlässig vorhersehbar ist.

Transient Voltage Suppressordioden (TVS-Dioden) werden zur Begrenzung von Überspannungen vorzugsweise im Bereich der Mess- Steuer- Regelungstechnik (MSR), in der Informationstechnik (IT), und generell in Kreisen geringerer elektrischer Leistung eingesetzt, also typischerweise in einem Bereich der als Feinschutz bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass TVS-Dioden bei Überlastung (z.B. durch hohe Stoßstromamplituden) auf unterschiedliche Weise geschädigt werden. Neben dem sogenannten Durchlegieren in den Kurzschluss, kommt es auch zu Schädigungen bei denen die Dioden relativ hochohmig bleiben, bis hin zu dem Fall, dass die Sperrschichtkapazität der Diode relevant verändert ist.

Um diesem Problem zu begegnen werden typischerweise bei Varistoren Abtrenneinrichtungen vorgesehen, die den jeweiligen Varistor trennt. Diese Abtrenneinrichtungen nutzen Wärme des Varistors, um den Varistor bei Erreichen einer vom Hersteller vorgegebenen Temperatur abzutrennen.

TVS Dioden werden hingegen nur selten überwacht oder gar durch Abtrennvorrichtungen im Fehlerfall vom elektrischen Kreis getrennt. Aus der DE 10 2010 038 066 und der DE 10 2010 036 909 sind bereits thermische Abtrenneinrichtungen zur Überwachung von TVS-Dioden bekannt. Diese Abtrenneinrichtungen basieren ebenfalls auf dem Prinzip der Bauteilerwärmung. Hierfür muss jedoch der bereits fließende „Leckstrom" eine gewisse Höhe haben um, die notwendige Bauteilerwärmung zu verursachen.

Gerade bei MSR- und IT- Anwendungen mit (sehr) energiearmen Systemen kann die Energie (der fließende Leckstrom) u.U. nicht ausreichen sein, um eine zuverlässige Abtrennung zu gewährleisten.

In anderen Lösungen (z.B. Raycap) werden die Varistoren mit massiven Gehäusen versehen, in denen der überlastete Varistor ohne Folgen für die Umgebung in den Kurzschluss gehen und zerstört werden kann. D.h. es wird auf eine Abschaltung verzichtet und die Zerstörung in Kauf genommen. Dabei müssen besonders druck- und temperaturfeste Gehäuse bereitgestellt werden, die zum einen großvolumig und zum anderen teuer sind. Die thermische Abtrennmechanismen reagieren auf den Energieumsatz (Temperaturerhöhung) der aus Fehlerströmen / Leckströmen entsteht. Je nach Schädigungsgrad kann der Leckstrom sehr schnell ansteigen.

Wie schnell jedoch die thermischen Abtrenneinrichtungen ansprechen hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Kritisch ist in aller Regel die thermische Masse, die jede mechanische Abtrenneinrichtungen aufweist. Die Mechanik muss i. d. R. relativ massiv ausgeführt sein, da sie geeignet sein muss die angestrebten Stoßströme zu tragen, und wiederum für den Auslösefall ausreichend mechanische Energie gespeichert haben muss, um die Trennkontakte sicher zu bewegen. Erschwerend kommt dabei hinzu, dass der kritische Bereich eines Varistors, an dem sich die unzulässige Erwärmung bildet (sogenannter Hotspot) u. U. weiter entfernt von der thermischen Abtrenneinrichtungen liegt, so dass der Wärmeübergang zur Abtrennstelle schlecht ist.

Somit kann es zu einem stark verzögerten Reagieren der thermischen Abtrenneinrichtungen kommen. Damit besteht die Gefahr, dass die Schädigung des

Varistors bzw. einer TVS Diode schneller abläuft, als die thermische Abtrenneinrichtung reagieren kann (oder können). In diesem Fall besteht die Gefahr, dass die Abtrenneinrichtung den Leckstrom, der sich bis zum Kurzschlussstrom des Netzes entwickeln kann, nicht mehr abschalten. Es kann zur vollständigen, explosionsartigen Zerstörung des Varistors bzw. der TVS Diode kommen. Systeme, die die thermische Alterung der aktiven Überspannungsschutzelemente nicht überwachen, sondern lediglich die Auswirkung des Kurzschlussstromes durch den Abieiter mittels massiver metallische Gehäuse begrenzen, sind vergleichsweise groß und erzeugen starke Rückwirkungen auf das Netz, bis hin zum Ausfall durch Auslösen von Anlagensicherungen.

Nachteilig an den bekannten Überwachungsverfahren ist zudem, dass nicht die aktuelle Schädigung der Varistoren oder Dioden selbst erkannt wird, sondern lediglich die Folge einer Schädigung detektiert bzw. die Folgen des Totalversagens gemindert werden. Die Überwachung der Temperatur bedient sich somit also eines sekundären, zeitverzögerten Effektes, der erst dann zu Tage tritt, wenn eine Schädigung bereits wesentlich fortgeschritten ist und somit eine unmittelbare Gefahr gegeben ist.

Eine vorausschauende messtechnische Erkennung der Schädigung von Varistoren und TVS Dioden ist mit hohem Aufwand verbunden, denn für eine Messung muss das Bauteil, bzw. die Überspannungsschutzkomponente in der Regel vom Versorgungsnetz getrennt werden, so dass seine elektrischen Parameter gemessen und mit festgelegten Grenzwerten verglichen werden können. Dies ist zum einen aufwändig, zum anderen in aller Regel auch mit einer Unterbrechung der Versorgungsspannung der zu schützenden Einrichtung verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion zur Verfügung zu stellen, die einen Nachteil oder mehrere Nachteile aus dem Stand der Technik vermeidet.

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 anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein erstes Prinzip-Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 ein zweites Prinzip-Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 die Verwendung eines Multi-Kontaktvaristors in einer Schaltung gemäß

Figur 2,

Fig. 4 die Verwendung eines weiteren Multi-Kontaktvaristors in einer Schaltung gemäß Figur 2,

Fig. 5 die Verwendung eines weiteren Multi-Kontaktvaristors in einer Schaltung gemäß Figur 2,

Fig. 6 die Verwendung eines weiteren Multi-Kontaktvaristors in einer Schaltung gemäß Figur 1 ,

Fig. 7 eine Anordnung mit einer Funkenstrecke und einer Schaltung gemäß

Figur 1 .

Die Figuren zeigen eine Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion 1 .

Die Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion 1 weist eine Parallelschaltung von zwei Stromzweigen A, B auf. Der erste Stromzweig A weist eine erste Überspannungsschutzeinrichtung Üi und eine zweite Überspannungsschutzeinrichtung Ü ₂ auf, die in Reihe geschaltet sind. Obwohl in den Figuren in denen in aller Regel Varistoren als Überspannungsschutzeinrichtung dargestellt sind, ist dies nicht limitierend sondern lediglich als ein Beispiel für Überspannungsschutzeinrichtungen allgemeiner Art zu sehen.

Weiterhin weist der zweite Stromzweig B eine dritte Einrichtung E ₃ und eine vierte Einrichtung E ₄ auf, die ebenfalls in Reihe geschaltet sind.

Die erste Überspannungseinrichtung Üi und die dritte Einrichtung E ₃ weisen in Betrieb ein erstes gemeinsames Spannungspotential Pi auf, während die zweite Überspannungseinrichtung Ü ₂ und die vierte Einrichtung E ₄ in Betrieb ein zweites gemeinsames Spannungspotential P ₂ aufweisen. Zwischen der ersten Überspannungsschutzeinrichtung Üi zur zweiten Überspannungsschutzeinrichtung Ü ₂ ein erster Messabgriff vorgesehen ist und wobei zwischen der dritten Einrichtung E ₃ zur vierten Einrichtung E ₄ ein zweiter Messabgriff M ₂ vorgesehen ist, wobei aus der Spannung zwischen dem ersten Messabgriff Mi und dem zweiten Messabgriff M ₂ ein Signal Si , S ₂ abgeleitet wird, dass eine Zustandsaussage in Bezug auf die erste Überspannungsschutzeinrichtung Üi und die zweite Überspannungsschutzeinrichtung Ü ₂ bereitstellt. Dabei kann wie in Figur 1 und in Figur 6 und Figur 7 gezeigt, die dritte Einrichtung E ₃ und die vierte Einrichtung E ₄ beispielsweise eine Serienschaltung von komplexen Widerständen, beispielsweise Kondensatoren, Spulen, Widerständen oder Kombination hiervon sein, oder aber, die dritte Einrichtung E ₃ und die vierte Einrichtung E ₄ sind selbst als dritte Überspannungsschutzeinrichtung Ü ₃ und vierte Überspannungsschutzeinrichtung Ü ₄ ausgeführt, wie in den Figuren 2-5 gezeigt. Soweit nachfolgend nicht explizit angegeben ist, dass eine bestimmte Bauform ausschließlich zur Verwendung kommen muss, sind mit der Beschreibung der einen Bauform auch immer die andere Bauform als mitumfasst anzunehmen.

Mit den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen ist es nunmehr möglich auf einfache Weise den Zustand der Überspannungsschutzeinrichtungen zeitlich unmittelbar zu erkennen. Tritt nämlich eine Schädigung einer der Überspannungsschutzeinrichtungen auf, so wirkt sich dies unmittelbar auf die Impedanz aus. Auf Grund der Anordnung in einer der Wheatstoneschen Messbrücke ähnlichen Anordnung tritt nun auf Grund der geänderten Impedanzverhältnisse eine Spannung zwischen den Messabgriffen Mi und M ₂ auf. D.h. es wird die Spannung zwischen dem ersten Messabgriff Mi des Stromzweigs A und dem zweiten Messabgriff M ₂ des Stromzweigs B verglichen. Ändert sich eines der Bauteile ist dieses sehr einfach über die Spannungsänderung zwischen dem ersten Messabgriff Mi des Stromzweigs A und dem zweiten Messabgriff M ₂ des Stromzweigs B nachweisbar. Dabei kann unter Umständen aus dem (Vorzeichen des) Signal auf den entsprechenden Stromzweig A oder B geschlossen werden, in dem der Fehler auftritt. Da diese Änderung sehr früh registriert werden kann, können entsprechende Maßnahmen sehr frühzeitig eingeleitet werden.

Zur Zustandskontrolle kann alternativ oder zusätzlich eine temporäre (auch periodisch wiederkehrende Messung z.B. in Kraftwerken) erfolgen oder auch eine dauerhafte

Messung. Beide Messungen können während des Betriebes, bei anliegender Netzspannung auf einfachstem Weg realisiert werden. In allgemeinster Form kann dabei angenommen werden, dass bei einer Spannungsmessung ungleich Null ein Defekt einer der Überspannungsschutzeinrichtungen vorliegt. Aus den Messungen heraus können bei entsprechender Auswertung und Weiterverarbeitungen Störmeldesignal und Schaltbefehle (Ausschalten oder Trennen etc.) generiert werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann nun z.B. wie in den Figuren 1 bis 6 gezeigt, eine Auswerteschaltung C bereitgestellt werden, wobei die Auswerteschaltung C eine Differenzspannung zwischen dem ersten Messabgriff Mi und dem zweiten Messabgriff M ₂ auswertet. Eine solche Auswerteschaltung kann z.B. mittels eines Operationsverstärkers aufgebaut werden, wobei z.B. bei Erreichen einer bestimmten Differenzspannung ein Abschalten eingeleitet wird und/oder eine lokale oder ferne Signalisierung Si bereitgestellt wird. Eine lokale Signalisierung kann beispielsweise durch ein optisches und/oder akustisches Signal und/oder ein lokales Display, z.B. ein E-Paper Display, zur Zustandssignalisierung bzw. zur Signalisierung von Messwerten bereitgestellt werden. Eine entfernte Signalisierung kann beispielsweise durch eine Fernmeldung über eine Signalisierung und/oder Automatisierungsbus oder allgemein mittels Telekommunikation bereitgestellt werden.

Dabei kann die Auswerteeinheit C über unterschiedliche Algorithmen zum Ausschluss von Fehlern und zur Einstellbarkeit der Empfindlichkeit genutzt werden. Verschiedene Schalt- und Meldeschwellen sind insbesondere bei Varistoren problemlos generierbar, sodass z.B. eine erkannte niedrige Differenzspannung als Indikator einer beginnenden Degradation eines der Überspannungseinrichtungen genommen werden kann, sodass z.B. bei einer turnusgemäßen Revision ein entsprechendes Bauteil ersetz wird.

Von besonderem Vorteil ist, dass die Messung im laufenden Betrieb erfolgen kann, sodass eine Abschaltung oder ein Herausnehmen der Überspannungsschutzeinrichtungen nicht nötig ist. Weiterhin kann in Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass das abgeleitete Signal S ₂ als Schaltsignal für eine Abschalteinrichtung SW verwendet wird.

Beispielsweise kann die Abschalteinrichtung ein Schütz oder sonst wie geeigneter Schalter sein oder aber es handelt sich um eine extern triggerbare Schmelzsicherung, wie sie ebenfalls von der Anmelderin erfunden wurden und die Gegenstand von anderen Anmeldungen ist.

Obwohl in der Einleitung auf Varistoren und Transient Voltage Suppressordioden abgestellt wurden, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern im Prinzip können die Wirkprinzipien auch für andere geeignete Überspannungsschutzeinrichtung Üi , Ü ₂ Verwendung finden. Gleiches gilt in Bezug auf die dritte Einrichtung E ₃ und die vierte Einrichtung E ₄ in ihrer Ausformung als Überspannungsschutzeinrichtungen Ü ₃ , Ü ₄ . In einer besonders kompakten Ausführungsform finden Multikontaktvaristoren M-MOV Verwendung, wie nun nachfolgend auf verschieden Ausführungsformen in Zusammenhang mit den Figuren 3 bis 6 beschrieben werden wird.

Beispielsweise ist in diesen die erste Überspannungsschutzeinrichtung Üi und die zweite Überspannungsschutzeinrichtung Ü ₂ je als Teilvaristor eines Multikontaktvaristors M-MOV ausgeführt und der erste Messabgriff ist in elektrischem Kontakt mit einem (Mittel-)Kontakt des Multikontaktvaristors M-MOV. Obwohl die Teilvaristoren als gleichartig dargestellt sind, ist dies nicht zwingend notwendig.

Beispielsweise kann wie in Figur 3 bis 6 durch unterschiedliche Maßnahmen der Multikontaktvaristors M-MOV bereitgestellt sein. Beispielsweise wird in der Figur 3 in die Keramik eines Varistors zwei gleichartige Abgriffe zur Kontaktierung der Messabgriffe bereitgestellt, sodass sich zwei (virtuelle) Stromzweige A, B ausbilden. Ein hierzu entsprechende Maßnahme wird für den Fall, das nur in einem Stromzweige Überspannungsschutzeinrichtungen vorgesehen sind, am Beispiel eines einzigen Abgriffs gezeigt.

Zur besseren Trennung der Messabgriffe im Multikontaktvaristor M-MOV kann vorgesehen sein, dass z.B. eine erste Varistorkeramik auf einer weiteren Varistorkeramik angeordnet wird, wobei zwischen den Varistorkeramiken die Messabgriffe Mi M ₂ angeordnet sind, wobei diese zusätzlich im Zwischenraum isoliert sind, um so den Stromfluss in den Zweigen A und B zu trennen.

Weiterhin kann auch wie in Figur 5 gezeigt eine vollständige Trennung der Keramiken vorgesehen sein. In einer vorteilhaften Anordnung, welche in Figur 7 gezeigt ist, ist eine Überspannungsschutzvorrichtung 1 mit einer Funkenstrecke FS mit einer oder mehreren Hilfselektroden H1 , H2 angeordnet. Die Überspannungsschutzvorrichtung 1 und die Funkenstrecke FS sind dabei parallel geschaltet und der erste Messabgriff der Überspannungsschutzvorrichtung 1 ist mit einer ersten Zündhilfselektrode Hi der Funkenstrecke FS verbunden. Ein Beispiel, auf einfache Weise eine Varistorbrücke so zu überwachen, dass bei relevanter Schädigung eines Varistors die Vorrichtung 1 vor Zerstörung geschützt wird, ist die Zündung der parallelen Funkenstrecke FS, die für einen Kurzschluss sorgt, so dass eine vorgeschaltete Sicherung (nicht dargestellt) anspricht und das gesamte Überspannungsschutzgerät von der Betriebsspannung trennt. Dabei kann zu Zündung der Funkenstrecken FS beispielsweise eine von der Anmelderin angemeldete resisitiv unterstützte Zündung genutzt werden.

In den Überspannungsschutzvorrichtungen mit Überwachungsfunktion der Erfindung kann z.B. das Impedanzverhältnis (komplexes Widerstandverhältnis) der ersten Überspannungsschutzeinrichtung Üi zur zweiten Überspannungsschutzeinrichtung Ü ₂ im Normbetrieb dem Impedanzverhältnis (komplexes Widerstandverhältnis) der dritten Einrichtung E ₃ zur vierten Einrichtung E ₄ entsprechen. Hierdurch können besonders einfache Auswerteschaltungen bereitgestellt werden. Dabei kann es, wie in Figur 1 , 6 und 7 an den Einrichtung E3 und E4 dargestellt, von Vorteil sein, dass einer oder beide Einrichtungen E3 und E4 verstimmt werden kann, sodass im Normbetrieb die Impedanzverhältnisse gleich sind. Eine derartige Einstellung kann z.B. bei der Fertigung oder bei der Inbetriebnahme vorgenommen werden. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Maßnahmen, wie z.B. ein Anpassungsnetzwerk, verwendet werden.

Alternativ hierzu kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Impedanzverhältnisse im Normbetrieb nicht identisch sind. Auch hier kann durch eine geeignete Beschaltung erreicht werden, dass z.B. nur Abweichungen gegenüber einem (gemessenen oder zuvor eingestellten) Normwert als Fehlfunktion erkannt werden. Hierzu können beispielsweise geeignete Schwellwertschalter oder Anpassungsnetzwerke oder auch ein (elektronsicher) Vergleich mit einem oder mehreren zuvor ermittelten/eingestellten Werten der Spannung zwischen dem ersten Messabgriff und dem zweiten Messabgriff M ₂ verwendet werden. Obwohl die vorstehenden Elemente der Erfindung als Einzelelemente beschrieben wurden versteht es sich von selbst, dass diese auch Bestandteil einer verkaufsfähigen Vorrichtung sein können, die z.B. in einem Gehäuse vereinigt sind.

Das hier vorgeschlagene System ermöglicht eine ständige sehr genaue Überwachung der Überspannungsschutzkomponenten. Es können bereits geringe Veränderungen detektiert werden und anhand einer nachgeschalteten Auswerteeinheit entsprechende Informationen und Maßnahmen eingeleitet werden. Zum einen kann die Messmethode genutzt werden, um eine tatsächliche Analyse durchzuführen, also technische Daten zu liefern, zum anderen können direkte Mechanismen aus der Messung heraus in Gang gesetzt werden, die z.B. zum Abtrennen des Ableiters von Stromversorgungsnetz führen.

Durch ständige oder zyklische Auswertung der gewonnenen Daten kann eine Prognose für die weitere Entwicklung des Ableiters getroffen werden. Insbesondere für Anlagen deren Zugänglichkeit nicht immer gegeben ist, und deren Revision mit besonderem Aufwand verbunden ist (z.B. Windkraft offshore) ist eine solche Überwachung von besonderer Bedeutung (Smart SPD).

Weiterhin kann das Spannungssignal zwischen dem ersten Messabgriff des Stromzweigs A und dem zweiten Messabgriff M ₂ des Stromzweigs B auch direkt zur Betätigung von Aktoren verwendet werden. Das bedeutet, dass zeitgleich, aus dem sich ausbildenden Fehler heraus, ein Aktor zum Abtrennen, Kurzschließen oder Überbrücken SW angesteuert werden kann. Damit entfällt der zeitkritisch Umweg über die Detektierung einer Erwärmung, so dass viel früher auf Fehler reagiert werden kann.

Dadurch können auch „schnell" fortschreitende Schädigung die zum Fließen des Kurzschlussstromes und der einhergehenden Explosion des Ableiters führen könnten, so früh abgefangen werden, dass vergleichsweise einfache Schalteinrichtungen noch ausreichend sind, den Fehler abzuschalten.

Bezugszeichenliste

Überspannungsschutzvorrichtung mit Überwachungsfunktion 1

Stromzweig A, B 5 Überspannungsschutzeinrichtung Üi , Ü ₂ ,Ü ₃ , Ü ₄

Einrichtung E ₃ , E ₄

Spannungspotential Pi, P ₂

Messabgriff M, , M ₂

Signal Si , S ₂ i o Auswerteschaltung C

Abschalteinrichtung SW

Multikontaktvaristors M-MOV

Funkenstrecke FS

Zündhilfselektrode H ₂