DE9017577U1 - Steckbarer Überspannungsableiter für elektrische Anlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen steckbaren Überspannungsableiter für elektrische Anlagen, bestehend aus einem quaderförmigen Gehäuseteil mit insbesondere an den Schmalseiten austretenden Kontaktschienen bzw. -messern und innenliegend angeordneten Varistoren als Überspannungsschutzeleraent sowie gegebenenfalls Defektanzeige an der schmalen Gehäusekopfseite, wobei die Flächenerstreckung des Varistors gering kleiner als die lichte Gehäuseweite ist und die Dicke des Varistors erheblich geringer ist als der lichten Gehäusetiefe entspricht .

Ein derartiger Überspannungsableiter ist aus der DE 36 39 533 Al bekannt.

Dabei kommen Me tall varistoren zum Einsatz, beispielsweise Zinkoxidvaristor en einer Stoßstromfestigkeit von AO IcA. Zur Absicherung gegen Überspannungen ist im IEC-Report, Publikation 664 eine Aufgliederung in verschiedene Kategorien vorgeschlagen. Die Kategorie IV betrifft die Einspeisung einschließlich des Hausanschlußkastens, wobei dort davon ausgegangen wird, daß dann, wenn ein Gebäude mit einer Blitzschutzanlage versehen ist, gemäß VDE 0185 auch die Starkstromzuleitung über Überspannungsschutzgeräte an die Potentialausgleichsschiene anzuschließen ist. Dieser Blitzschutz-Potentialausgleich soll die Hausinstallionen bei direkten Blitzeinschlägen schützen. Als Überspannungsschutzgerät wird bisher in dieser Installionskategorie IV eine Kombination von parallel geschalteten Metalloxidvaristoren und blitzstromtragfähigen Funkenstrecken eingesetzt. Aus dem Aufsatz "Isolationskoordination in Niederspannungsanlagen auch bei Blitzeinschlägen", etz Band 110 (1989), Heft 2, Seite 64 bis 66, ist auf die Problematik der Installationskategorie IV eingegangen worden.

Es ist dort zwar unter bestimmten Bedingungen auch schon ausgesagt, daß der Blitzschutzpotentialausgleich in der Kategorie IV auch mit Varistoren
realisierbar ist. Jedoch wird dies als im Ergebnis nicht brauchbare Lösung angesehen und im Gegensatz dazu vorgeschlagen, Funkenstrecken als Blitzstromableiter in der Kategorie IV mit einer adaptierten Entlastungsschaltung zu versehen, die aus einer
koordinierten Induktivität in Serie mit dem Varistor besteht. Dieser Vorschlag basiert auf der
Überlegung, daß die Begrenzung der Überspannungen
infolge von Ferneinschlägen durch die Schutzelemente in der Kategorie III ohne Ansprechen des Blitzstromableiters in der Kategorie IV nicht sichergestellt werden kann, wenn die Leitungsimpedanz zwischen der Kategorie III und IV zu hoch ist. Bei dem Denkmodell gemäß IEC-Report, Publikation 664, wird davon ausgegangen, daß die Überspannungsableiter, die in der Kategorie IV ein gesetzt werden, eine Ansprechspannung aufweisen, die nur wenig unterhalb 6 KV
liegt, aber deutlich über 4 KV liegt, entsprechend der Kategorie III.

-A-

Die Kategorie III wird mit den eingangs beschriebenen vorbekannten Überspannungsableiter abgesichert, die allein aus Varistoren bestehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsableiter für die Kategorie IV zu schaffen, der bei einfachem Aufbau in übliche Gehäuseformen der Art gemäß DE 36 39 533 Al unterzubringen sind und nach dem dort beschriebenen Installationssystem angeschlossen werden können.

Voraussetzung zum Einsatz von Varistoren als Überspannungsableiter in der Kategorie IV ist, daß diese entsprechend stoßstromfest ausgebildet sind. Es sind z.wi se h e nze i 11 ic h von der Firma Siemens Metalloxidvaristoren bekannt, die grundsätzlich die Bedingungen der Leistungskategor ie IV erfüllen. Beispielsweise handelt es sich dabei um Metal!oxid-Varistoren, die eine Stoßstromfestigkeit von 70 kA besitzen. Die Anordnung eines derartigen Überspannungsableiters am Installationspunkt der

Leistungskategorie IV würde dazu führen, daß auf die weitere Anordnung von Überspannungsablei tern in der Kategorie III verzichtet werden könnte, da die Absicherung schon über den in Kategorie IV installierten Über spannungsableiter&eegr; erfolgen kann. Problematisch ist dabei aber, daß diese sehr leistungsfähigen Varistoren eine große Flächenerstreckung aufweisen, so daß sie nicht in den üblichen Gehäuseformen gemäß DE 36 39 533 Al unterzubringen sind.

Zur Lösung der oben bezeichneten Aufgabe wird vorgeschlagen, daß als Überspannungsschutzelement ein Paket von parallel zueinander angeordneten Varistoren gleicher Abmessung (Fläche und Dicke) und gleicher Stoßstromfestigkeit

von insbesondere 40 kA im Gehäuse angeordnet ist, wobei die Varistoren elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.

Es ist zwar an sich bekannt, daß zur Erhöhung der Strombelastbarkeit Metalloxidvaristor en parallel geschaltet werden, wobei im Stand der Technik allerdings davon ausgegangen wird, daß dies nur für speziell ausgemessene Typen sinnvoll ist. Weil dies sehr aufwendig ist, wird im Stand der Technik vorgeschlagen, anstelle von Parallelschaltungen lieber eine größere Varistor scheibe einzusetzen. Wird beispielsweise eine doppelt so große Scheibe eingesetzt, so ergibt die doppelte Fläche ein verdoppeltes Ableitvermögen.

Demgegenüber macht sich die Erfindung die Erkenntnis zu Nutze, daß eine Selektion nicht erforderlich ist, weil bei hohen Stoßstrombelastungen (beispielsweise Blitzeinschlag) das Potential des zuerst leitenden Varistors angehoben wird, so daß dann auch der nächste oder die nächsten Varistoren leitend werden.

Die erfindungsgemäße Ausbildung ermöglicht es, das Paket der Varistoren der Größe des an sich für Überspannungsableiter der Kategorie III benutzten Gehäuses anzupassen, so daß auch dieses Paket in diesem Gehäuse unterzubringen ist. Dies bedeutet, daß bei gleicher Gehäuseform und gleichen Installationsunterteilen entsprechende steckbare Überspannungsableiter gefertigt werden können, bei denen zudem auch die bisher üblichen Varistoren Verwendung finden können, allerdings in paketartiger Vielfachanordnung.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung wird darin gesehen, daß das Paket aus drei Varistoren mit quadratischer Fläche besteht.

Um eine besonders kompakte Bauform zu erreichen, wird vorgeschlagen, daß zwischen den einander benachbarten Flächen der Varistoren und auf den dazu parallelen Außenflächen der äußeren Varistoren Kontaktbleche befestigt sind, wobei jeweils abwechselnd zwei nicht unmittelbar benachbarte, sondern durch zwei Varistoren

voneinander beabstandeteüber eine außenliegende elektrische Brücke verbunden sind.

Dabei ist vorteilhaft, daß jede Brücke über Cu-Litze jeweils mit einer Kontaktschiene bzw. einem Kontaktmesser verbunden ist.

Bevorzugt ist ferner vorgesehen, daß jeder Varistor eine Stoßstrombelastbarkeit von 40 kA aufweist und eine Abmessung (Länge X Breite X Dicke) von 34 X 34 X 2,8 mm besitzt.

Bevorzugt ist ferner, daß das Gehäuse eine Abmessung (Länge X Breite X Dicke) von etwa 45 X 47 X 18 mm besitzt.

Desweiteren ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Paket von Varistoren in Vergußmasse im Gehäuse eingebettet ist .

Die erfindungsgemäße Ausbildung hat zur Folge, daß eine komplette Installationseinheit für den not-

wendigen vierpoligen Anschluß aus vier Blöcken von jeweils drei Varistoren besteht, deren maximale Leistungsaufnahme 10 Asec bei 100 kA beträgt. Jeder einzelne Varistor ist dabei aber nur mit 0,83 Asec belastet, so daß ein möglicherweise auftretendes Überspannungsereignis (Blitzeinschlag) nicht zu einer Zerstörung eines Varistors führt, sondern diese Überspannung ohne weiteres über die Varistoren abgeleitet werden kann. Der weitere Vorteil, der sich aus der erfindungsgemäßen Kombination ergibt, ist der, daß bei Installation einer derartigen Kombination von Uberspannungsableitern am Installationspunkt der Installationskategorie IV eine zusätzliche Absicherung in der Installationskategorie III nicht mehr erfolgen muß, da die Ansprechspannung der Ableiter in Installationskategorie IV derjenigen Spannung der Ableiter in Kategorie III entspricht. Dabei sind auch die sich aus unterschiedlichen Leitungsimpedanzen ergebenden Problem erledigt, so daß es beispielsweise nicht der zusätzlichen Anordnung einer koordinierten Induktivität in Serie mit einem Varistor bedarf.

- &iacgr;&ogr; -

Um den Überspannungsableiter hinsichtlich seiner Herstellung und Funktion noch zu vereinfachen und zu verbessern, wird vorgeschlagen, daß die aus Cu-Scheiben bestehenden Kontaktbleche als elektrische Brücken angeformte Materialstreifen aufweisen, die paarweise, ihrer Polung entsprechend quer zur Flächenerstreckung der Kontakt bleche abgebogen, aufeinander gefügt und im Überdeckungsbereich miteinander verbunden sind.

Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, daß zwei der Materialstreifen zueinander abgebogen sind.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, daß zwei der Materialstreifen gleichgerichtet abgebogen sind und über die Seitenrandkante des Varistorpaketes hinausragend enden, wobei der überragende Bereich den Anschluß für thermische Überwachungsmittel bildet.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung wird nicht nur eine elektrische Kopplung der nebeneinander angeordneten Varistoren erreicht, sondern es wird zusatz-

lieh eine thermische Kopplung erreicht, indem die Kupferscheiben über angeformte Materialbrücken miteinander verbunden sind, welche Brücken auch als Anbindung für die thermische Überwachung genutzt werden können. Die thermische Überwachung ist der an sich bekannten Defektanzeige zugeordnet, so daß bei Erreichen einer bestimmten Temperatur der Anzeiger der Defektanzeige sich lösen kann und in die Defektposition unter Einwirkung von Federkräften oder dergleichen überführt wird.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Es zeigt :

Fig. 1 Einen steckbaren Überspannungsableiter in

Draufsicht ;
Fig. 2 eine vierpolige Ausführung einer kompletten Überspannungsabi eitereinheit ;

Fig. 3 einen in Einbaustellung befindlichen steckbaren Überspannungsableiter im Schnitt gesehen;

Fig. 4-6 Pakete von Varistoren in unterschiedlicher Ansicht;

Fig. 7 ein zum Einbau in einen Überspannungsableiter vorgesehenes Paket von Varistoren in Ansicht ;

Fig. 8 desgleichen von oben gesehen;

Fig. 9 desgleichen im Schnitt III-III der Fig. 7 gesehen.

Fig. 10 die Einzelheit &khgr; der Fig. 9 in vergrößerter Darstellung;

Fig. 11 die Einzelheit y der Fig. 8 in ebenfalls vergrößerter Darstellung.

Die Installationseinheit besteht im wesentlichen aus einem etwa U-förmigen Gehäuseunterteil 1 mit Kontaktzungen 2 oder auch Kontaktzungenpaaren , die innerhalb hohler Schenkel 3 des Gehäuseunterteils befestigt sind und mit Schraubklemmen 4 in Verbindung stehen.

Der steckbare Überspannungsableiter selbst besteht aus einem etwa quaderförmigen Gehäuseteil 5 mit an dessen Schmalseiten 6 austretenden Kon takt schienen bzw. Kontaktmessern 7, die hochkant angeordnet sind, so daß die Schmalseite in Einschub richtung verläuft, wie dies aus den Figurendarstellungen ersichtlich ist. Mit den Kontaktschienen 7 sind die im Gehäuseoberteil 5 angeordneten Überspannungsschutzelemente 8, auf die später noch näher eingegangen wird, elektrisch verbunden. Als Überspannungsschutzelemente kommen Metalloxidvaristoren zum Einsatz. Mit diesen Varistoren ist eine Defektanzeige verbunden, die ebenfalls im Gehäuseoberteil 5 angeordnet ist.

Das insgesamt hohle Unterteil 1 aus Isolierstoff, insbesondere Kunststoff, weist eine Basis 9 auf, die gegebenenfalls zum Einsatz auf Hutprofile von Unterverteilungen oder Haupt Verteilungen ausgeformt sein kann. Die Schenkel des Unterteils sind etwa quaderförmig ausgebildet, wobei diese Schenkel 3 aus der

der Basisfläche abgewandten Stirnseite ausmündende, zueinander offene Schlitzführungen 10 aufweisen. Die Kontaktschienen des Gehäuseoberteiles sind in diese Schlitze bzw. Schlitzpaare einschiebbar, wobei im Einschubweg die Kontaktzungen des Gehäuseunterteils angeordnet sind, so daß durch das Einschieben der elektrische Kontakt zwischen den entsprechenden Bauteilen hergestellt wird. Oberhalb der Kontaktschienen 7 sind noch Ansätze 13 an das Gehäuse 5 angeformt, die eine Berührung der Kontaktschienen 7 in der Betriebsstellung mittels eines Werkzeuges oder dergleichen ausschließen lassen. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist das Gehäuseunterteil mit mehreren, parallel zueinander und mit Abstand voneinander angeordneten Schlitzführungspaaren versehen, wobei der Abstand etwa gleich der Breite der Gehäuseteile 5 ist, um eine kompakte Bauform sicherzustellen. Die Defektanzeige 11 ist in den Figuren 1 und 2 nur schematisch dargestellt. Sie ist unter der nach oben weisenden Stirnfläche 12 des Gehäuseoberteils angeordnet .

Der Aufbau gemäß Figur 1 bis 3 entspricht im wesentlichen dem aus der DE 36 39 533 Al vorbekannten Bauart. Insbesondere ist die gleiche Baugröße dieser Bauelemente auch gemäß der Erfindung beibehalten. Allerdings ist gemäß der Erfindung als Überspannungsschutzelement 8 ein Paket von parallel zueinander angeordneten Varistoren 14 vorgesehen, wobei die Varistoren 14 gleiche Abmessung (Fläche und Dicke) und gleiche Stoßstromfestigkeit von 40 kA aufweisen. Die Varistoren 14 sind parallel zueinander geschaltet, wobei das Paket aus drei Varistoren 14 mit quadratischer Fläche besteht. Zwischen den einander benachbarten Flächen der Varistoren 14 und auf den dazu parallelen Außenflächen der äußeren Varistoren 14 sind Kontakt bleche 15, 16 angeordnet, die jeweils flächig mit den Kontaktflächen der Varistoren 14 elektrisch verbunden (beispielsweise verlötet) sind. Jeweils abwechselnd sind zwei nicht unmittelbar benachbarte, sondern durch zwei Varistoren 14 voneinander beabstandete Kontaktbleche 15, 15 bzw.

16, 16 über eine außenliegende elektrische Brücke

17, 18 verbunden. Jede Brücke 17, 18 ist über Kupferlitzen 19, 20 jeweils mit einer Kontaktschiene 7 verbunden. Jeder Varistor 14 hat eine Abmessung (Länge &khgr; Breite &khgr; Dicke) von 34 &khgr; 34 &khgr; 2,8 mm, was auch der üblichen Dimension des im Stand der Technik gemäß DE 36 39 533 Al zum Einsatz kommenden Varistor entspricht. Das Gehäuse hat auch die vorbekannte übliche Abmessung von etwa 45 &khgr; 47 &khgr; 18 mm. Innerhalb des Gehäuses ist das Paket der Varistoren 14 in Vergußmasse eingebettet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, unter Beibehalt der bisher üblichen Gehäusegröße und unter Beibehalt der bisher üblichen Gehäuseunterteile steckbare Überspannungsableiter zu schaffen, die ein der Kategorie IV entsprechendes Ableitvermögen besitzen.

Insbesondere ist es auch möglich, anstelle der aus der DE 36 39 533 Al bekannten Gehäuseform andere übliche Gehäuseformen anderer Hersteller mit entsprechenden Leistungspaketen von Varistoren zu

bestücken, so daß auch dort bei bisher üblichen Gehäuseformen kleiner steckbarer Überspannungsableiter ein erheblich größeres Ableitvermögen erzeugt werden kann.

Gemäß Figur 7 bis 11 besteht das Überspannungsschutzelement aus einem Paket von parallel zueinander angeordneten Varistoren 14, die parallel zueinander geschaltet sind. Zwischen den einander benachbarten Flächen der Varistoren 14 und auf den dazu parallelen Außenflächen der äußeren Varistoren 14 sind aus Kupferscheiben bestehende Kontakt bleche 15, 16 angeordnet, die jeweils flächig mit den Kontaktflächen der Varistoren 14 elektrisch verbunden, beispielsweise verlötet sind. Jeweils abwechselnd sind zwei nicht unmittelbar benachbarte, sondern durch zwei Varistoren 14 voneinander beabstandete Kontaktbleche 15, 15 bzw. 16, 16 über eine außenliegende elektrische Brücke 17 bzw. 18 miteinander verbunden. Jede dieser Brücken 17 bzw. 18 ist durch an die Kontakt bleche 15 bzw. 16 angeformte Materialstreifen gebildet, welche Materialstreifen paarweise, ihrer

Polung entsprechend, quer zur Flächenerstreckung der Kontakt bleche 15, 16 abgebogen, aufeinandergefügt und im Überdeckungsbereich miteinander verbunden sind. Dies ist insbesondere aus den vergrößerten Darstellungen deutlich ersichtlich.

Zwei der Materialstreifen (Einzelheit y) sind zueinander hin abgebogen, so daß sie nicht über die Seitenrandkanten des Varistor paket es hinausragen. Die beiden anderen Materialstreifen (Einzelheit x) sind gleichgerichtet zueinander abgebogen und enden über die Seitenrandkante des Varist orpaketes hinausragend. Dieser überragende Bereich kann zum Anschluß für thermische Überwachungsmittel genutzt werden. Die erfindungsgemäße Ausbildung ist konstruktiv einfach und funktionell äußerst sicher. Zudem wird hierdurch die thermische Kopplung der Varistoren über die Kupferscheiben und die darin angeformten Materialrücken vorzüglich erreicht, so daß ein sicheres Ansprechen der gegebenenfalls abgebundenen thermischen Überwachung gewährleistet ist.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausfiihrungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen der Offenbarung vielfach variabel.

Alle neuen, in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarten Einzel- und Kombinationsmerkmale werden als erfindungswesentlich angesehen.

Claims (10)

Schutzansprüche:

1. Steckbarer Überspannungsableiter für elektrische Anlagen, bestehend aus einem quaderformigen Gehäuseteil mit insbesondere an den Schmalseiten austretenden Kontaktschienen bzw. -messern und innenliegend angeordneten Varistoren als Überspannungsschutzelement sowie gegebenenfalls Defektanzeige an der schmalen Gehäusekopfseite, wobei die Flächenerstreckung des Varistors gering kleiner als die lichte Gehäuseweite und die Dicke des Varistors erheblich geringer ist als der lichten Gehäusetiefe entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß als Überspannungsschutzelement (8) ein Paket von parallel zueinander angeordneten Varistoren (14) gleicher Abmessung (Fläche und Dicke) und gleicher Stoßstromfestigkeit von insbesondere 40 kA im Gehäuse (5) angeordnet ist, wobei die Varistoren (14) elektrisch parallel zueinander geschaltet sind.

2. Steckbarer Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Paket aus drei Varistoren (14) mit quadratischer Fläche besteht.

3. Steckbarer Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einander benachbarten Flächen der Varistoren (14) und auf den dazu parallelen Außenflächen der äußeren Varistoren (14) Kontaktbleche (15, 16) befestigt sind, wobei jeweils abwechselnd zwei nicht unmittelbar benachbarte, sondern durch zwei Varistoren (14) voneinander beabstandete über eine außenliegende elektrische Brücke (17, 18) verbunden sind.

4. Steckbarer Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Brücke (17, 18) über Cu-Litze (19, 20) jeweils mit einer Kontaktschiene (7) bzw. einem Kontaktmesser verbunden ist.

5. Steckbarer Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Varistor (14) eine Stoßstrombelastbarbeit von 40 kA aufweist und eine Abmessung (Länge &khgr; Breite &khgr; Dicke) von 34 &khgr; 34 &khgr; 2,8 mm besitzt.

6. Steckbarer Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) eine Abmessung (Länge &khgr; Breite &khgr; Dicke) von etwa 45 &khgr; 47 &khgr; 18 mm besitzt.

7. Steckbarer Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Paket von Varistoren (14) in Vergußmasse im Gehäuse (5) eingebettet ist.

8. Steckbarer Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Cu-Scheiben bestehenden Kontakt bleche (15, 16) als elektrische Brücken (17, 18) an-

geformte Materialstreifen aufweisen, die paarweise, ihrer Polung entsprechend quer zur Flächenerstreckung der Kontaktbleche (15, 16) abgebogen, aufeinandergefügt und im Überdeckungsbereich miteinander verbunden sind.

9. Steckbarer Überspannungsableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei der Materialstreifen (z.B. bei 17) zueinander abgebogen sind.

10. Steckbarer Überspannungsableiter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Materialstreifen (z.B. bei 18) gleichgerichtet abgebogen sind und über die Seitenrandkante des Varistor paketes hinausragend enden, wobei der überragende Bereich den Anschluß für thermische Überwachungsmittel bildet.