AT399069B - Anordnung für den überspannungsschutz in niederspannungsanlagen - Google Patents

Description

AT 399 069 B

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für den Überspannungsschutz in Niederspannungsanlagen. Zu dieser Anordnung gehört eine blitzstromtragfähige und folgestromlöschfähige Funkenstrecke, sowie ein dieser Funkenstrecke parallel geschalteter, einen Varistor aufweisender Leitungszweig. Dabei ist eine thermische Überwachung des Varistors vorgesehen. Die vorgenannte, dem Oberbegriff des Anspruches 1 5 entsprechende Anordnung ist aus DE-PS 32 28 471 bekannt. Solche Überspannungsschutzanordnungen haben sich in der Praxis bewährt. Sie haben gegenüber der Verwendung einer Löschfunkenstrecke als Überspannungsschutz mehrere Vorteile. Eine Löschfunkenstrecke allein würde auch auf energieschwache, leitungsgebundene Überspannungen (z.B. aus fernen Blitzeinschlägen oder aus Schalthandlungen im Netz) ansprechen. Dies aber hat aufgrund des dann folgenden, kurzschlußartigen Netzfoigestromes ein Auslösen io der üblichen Vorsicherung und damit das Abschalten des angeschlossenen Verbrauchers zur Folge. Ferner ist die Funkenentladung einer solchen Löschfunkenstrecke eine Quelle für leitungsgebundene Schaltüberspannungen und erzeugt außerdem elektromagnetische Impulse (SEMP). Die Überspannungsschutzanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sorgt demgegenüber dafür, daß bei energieschwachen leitungsgebundenen Überspannungen die Löschfunkenstrecke nicht anspricht, sondern nur bei den relativ 15 seltenen Fällen einer energiestarken Überspannung mit entsprechend hohen Strömen. Die Ansprechspannung der Löschfunkenstrecke und auch die U-I-Kennlinie des Varistors haben aber jeweils einen Streubereich. Die Überschneidung dieser beiden Streubereiche bewirkt, daß in einem bestimmten Bereich eine Überspannungsbegrenzung sowohl durch den Varistor als auch durch die Funkenstrecke erfolgen kann. Zur Erzielung einer entsprechenden Ansprechtrennung (möglichst genauer Kommutierungspunkt) der Anord-20 nung muß dieser Bereich so gering als möglich gehalten werden. Dieser Forderung hat man bisher in der Weise Rechnung getragen, daß die Streubereiche der parallel zu schaltenden Löschfunkenstrecken und Varistoren durch Selektieren ausreichend klein gehalten wurden. So hat man beim Überschreiten eines kritischen Stoßstromes am Varistor einen so hohen Spannungsabfall erzielt, daß die Ansprechspannung der Löschfunkenstrecke erreicht wurde. Dieses Selektieren und aneinander Anpassen der Löschfunkenstrecke 25 und des Varistors erfordert aber nachteiligerweise in der Fertigung einen beachtlichen Mehraufwand.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, auch bei Einsatz von nur grob in den elektrischen Daten aneinander angepaßter Löschfunkenstrecken und Varistoren mit einem relativ großen Streubereich ihrer Kennlinien zu erreichen, daß bei Überschreiten kritischen Stoßstromes an dem den Varistor aufweisenden Leitungszweig ein so hoher Spannungsabfall entsteht, daß die Löschfunkenstrecke 30 sicher anspricht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist zunächst, ausgehend vom eingangs zitierten Oberbegriff des Anspruches 1, vorgesehen, daß in dem parallel geschalteten Leitungszweig eine mit dem Varistor in Reihe geschaltete Impedanz vorgesehen ist und daß deren Impedanzwert so bemessen ist, daß der bei Überschreiten eines bestimmten, kritischen Stoßstromscheitelwertes (z. B. 5 kA eines Stoßstromes 8/20 us) an 35 der Reihenschaltung des Varistors und der Impedanz entstehende Spannungsabfall die Ansprechspannung der Löschfunkenstrecke erreicht. Hierdurch ergeben sich mehrere Vorteile. Es ist ein selektiver Blitzüber-strom- und Überspannungsableiter mit einer in ihrem Ansprechverhalten ziemlich genau gesteuerten, blitzstromtragfähigen und folgestromlöschfähigen Funkenstrecke für Niederspannungsanlagen geschaffen. In allen vorkommenden Fällen erfolgt ein exaktes Ansprechen entweder nur des Varistors oder aber der 4o Funkenstrecke. Dies resultiert daher, daß die den Kennlinien solcher Varistoren und Funkenstrecken immanenten Streuungen durch die Hinzufügung einer in ihrer Größe genau bestimmbaren Impedanz ganz oder zumindest wesentlich ausgeglichen werden. Im Fall einer entsprechend energiereichen Überspannung bzw. eines hohen Stoßstromes spricht die Funkenstrecke an, andernfalls der Varistor. Nachdem der weitaus größte Teil der Fälle von Überspannungen von fernen Blitzeinschlägen und von Schaltvorgängen herrührt 45 und damit energieschwach ist, können diese Störungen sämtlich vom Varistor abgeleitet werden. Die Funkenstrecke spricht nicht an und es entsteht daher kein kurzschlußartiger Folgestrom, der zum Auslösen der Sicherung und damit zum Abschaiten des angeschlossenen Verbrauchers führt. Ein Ansprechen der Funkenstrecke erfolgt somit nur in den relativ seltenen Fällen energiestarker Überspannungen mit hohen Stoßströmen aufgrund eines nahen oder sogar direkten Blitzeinschlages. In den letztgenannten Fällen so können Stoßstromscheitelwerte in der Größenordnung von einigen 10 kA entstehen, die nur von der Löschfunkenstrecke, nicht aber mehr vom Varistor vertragen werden können. Dagegen betragen die im erstgenannten Fall der energieschwachen Überspannungen anfallenden Stromscheitelwerte nur um einige 100 A. insgesamt erfolgt sowohl eine Begrenzung der Stoßspannung auf typische Werte von z.B. 4 bis 6 kV, sowie die vorstehend bereits erläuterte Stromableitung, wobei mit relativ großer Genauigkeit unterhalb 55 eines bestimmten Stromscheitelwertes nur der Varistor, jedoch oberhalb dieses Stromscheitelwertes die Löschfunkenstrecke in Funktion tritt, wobei sie in der Lage ist, den Netzfolgestrom zu löschen. Im Kennzeichen des Anspruches 1 ist beispielsweise als "bestimmter Stoßstrom" 5 kA eines Stoßstromes 8/20 ns angegeben. Dies ist der Wert der gemäß DIN VDE 0675 als obere Grenze für leitungsgebundene 2

AT 399 069 B Überspannungen aus fernen Blitzeinschlägen angegeben wird. Es versteht sich aber, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Der "bestimmte Stoßstrom" könnte z. B. 1 kA eines Stoßstromes 10/700 us sein, der als oberer Grenzwert für leitungsgebundene Überspannungen aus Schalthandlungen gelten kann. Bei einem gegebenen, einzuhaltenden Stoßspannungspegel und bei bekannten elektrischen Daten des Varistors läßt sich die Größe der Impedanz bei einem gegebenen Stoßstromscheitelwert, z.B. die oben genannten 5 kA, festlegen. Hierdurch wird der Streubereich des der Funkenstrecke parallel geschalteten Zweiges wesentlich verringert, da sich der Spannungsabfall in diesem Parallelzweig auf den Varistor und die Impedanz verteilt, ohne daß in aufwendiger Weise Varistoren und Funkenstrecken mit einem sehr geringen Streubereich entweder hergestellt oder zueinander passende Funkenstrecken und Varistoren ausgesucht werden müssen. Entsprechende Zahlenbeispiele sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung angegeben. Die Kommutierung für das Ansprechen der Funkenstrecke bei Überschreiten eines "bestimmten Stoßstromes" erfolgt in einem wesentlich genauer definierten Bereich der U-I-Kennlinie des Varistors als bisher.

Gemäß den Unteransprüchen 2 bis 5 kann die im Parallelzweig befindliche Impedanz ein ohmscher Widerstand, ein Blindwiderstand (Induktivität oder Kapazität), oder eine Kombination von ohmschem Widerstand und Blindwiderstand oder auch eine Kombination von Blindwiderständen sein. Dabei kommen sowohl Reihenschaltungen als auch Parallelschaltungen der genannten Impedanzen infrage. In all den vorgenannten Fällen ist der Grundgedanke der Erfindung der Parallelschaltung eines Varistors mit zu ihm in Reihe geschalteter Impedanz zu einer Löschfunkenstrecke beibehalten.

Gemäß Anspruch 6 kann die Anordnung nach der Erfindung als in sich geschlossenes Gerät mit einem Gehäuse ausgebildet sein. Anspruch 7 bildet dies hinsichtlich mehrphasiger Anordnungen fort.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und der zugehörigen, im wesentlichen schematischen Zeichnung zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: ein Schaltbild einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 1a: eine mögliche thermische Überwachung des Varistors, (Abschalten durch Thermoschalter)

Fig. 2: den zeitlichen Verlauf eines Stoßstromes,

Fig. 3: eine gerätemäßige Ausführung der Erfindung,

Fig. 4: a bis d, und Fig. 5: a bis d jeweils Ausführungsmöglichkeiten der mit dem Varistor in Reihe geschalteten Impedanz,

Fig. 6: eine mehrpolige Ausführung der Erfindung.

Die als Zweipol ausgebildete Überspannungsschutzanordnung ist nur einmal an einem aktiven Leiter 1 eines Niederspannungsnetzes gezeigt. Bei 17 ist die jeweilige zu schützende Niederspannungsanlage anschließbar. Eine blitzstromtragfähige und folgestromlöschfähige Funkenstrecke 2 befindet sich in einem Leitungszweig 3 dieser Anordnung. Dazu ist ein weiterer Leitungszweig 4 parallel geschaltet, in dem sich in Reihenschaltung ein Varistor 5 und eine Impedanz 6 befinden, wobei die Impedanz allgemein mit "Z" bezeichnet ist. Die Anordnung ist gemäß Ziffer 7 an Erde, hier eine Potentialausgleichsschiene 8, angeschlossen. Die Löschfunkenstrecke kann eine Gleitfunkenstrecke in Form einer blitzstromtragfähigen Luft-Scheibenfunkenstrecke gemäß DE-PS 23 37 743 sein. Gemäß dem in Fig. 1a gezeichneten Detail ist der Varistor 5 mit einer Thermoabschaltung 9 (gemäß DIN VDE 0845) versehen, die ihn bei entsprechender Erhitzung infolge eine Defektes abschaltet. Daß abgeschaltet wurde, kann durch eine Anzeige sichtbar gemacht werden (siehe DE-PS 32 28 471).

Der an dem Parallelzweig 4 bei einer Überspannungsbegrenzung auftretende Spannungsfall wird auf die Ansprechspannung der Funkenstrecke 2 abgestimmt. Soll beispielsweise die Kommutierung bei einem Stoßstromscheitelwert i = 5 kA des Stoßstromes 8/20 us erfolgen (dabei ist nach der genormten Definition und der Darstellung in Fig. 2 Ti = 8 us und T2 = 20 us), der hierbei eine maximale Stromänderung

(di/dt)max 8/20 von 1 kA/US aufweist, so ergibt sich im Fall der Impedanz 6 in Form einer Induktivität (Ausführungsbeispiel Fig. 4d) und einem geforderten (am Einbauort der Überspannungschutzanordnung einzuhaltenden) Stoßspannungspegel (gleich der Ansprechspannung der Funkenstrecke 2) Ua = 4 kV und einer bei diesem Strom angenommenen Spannung am Varistor 5 Uv = 2 kV als Spannungsabfall UL an der Induktivität L:

UL = Ua - Uv = 2 kV Für die erforderliche Induktivität ergibt sich: 3

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L (di/dt) max 8/20 2 kV L - = 2 pH 1 kA/ps

Entsprechend rechnen sich die Impedanzen bei den anderen noch zu erläuternden Varianten der Fig. 4 und 5.

Ist in diesem Beispiel der Stoßstromscheitelwert kleiner ais 5 kA, so wird nur über den Varistor abgeleitet, andernfalls über die Funkenstrecke 2.

Fig. 3 zeigt schematisch eine gerätemäßige Ausführung der zweipoligen Anordnung mit einem die Bauteile, einschließlich der thermischen Überwachung gemäß Fig. 1a, umgebenden Gehäuse 10 und den Anschlußklemmen 11, 12. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 3 sind die in den Netzleitungen (bei entsprechenden überströmen auslösenden) vorhandenen Sicherungen 13 eingezeichnet.

Diese Ausführung kann entsprechend der Anzahl der anzuschliessenden (und zu schützenden) aktiven Netzleiter erweitert werden (Fig. 6).

Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsmöglichkeiten der Impedanz 6 f Z"). So zeigt Fig. 4a einen ohmschen Widerstand 14, Fig. 4b die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 14 und einer Induktivität 15, Fig. 4c die Parallelschaltung einer Induktivität 15 und eines ohmschen Widerstandes 14 und Fig. 4d die Ausbildung der Impedanz 6 ("Z") nur als Induktivität 15. Fig. 5 zeigt ais Impedanz 6 (”Z") eine Kapazität 16 in der Variante Fig. 5a, die Reihenschaltung einer Kapazität 16 mit einem ohmschen Widerstand 15 gemäß Fig. 5b, Fig. 5c die Reihenschaltung einer Induktivität 15 mit der Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes 14 und einer Kapazität 16 und Fig. 5d die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes 14 mit einer Kapazität 16. In allen vorgenannten Fällen ist die jeweilige Impedanz anstelle der Ziff. 6 ("Z") in Fig. 1 und 3 zu setzen. Der Impedanzwert von 6 ("Z") ist unter Berücksichtigung der U-l-Kennlinie des Varistors 5 bei einem vorgegebenen Stoßstromwert auf die Durchschlagsspannung der Funkenstrecke abzustimmen. Dies kann bei 6 ("Z") gleich einem ohmschen Widerstand gemäß Fig. 4a gemäß nachfolgendem Beispiel folgende Zahlenwerte ergeben, wenn die Kommutierung wiederum bei einem Stoßstromscheitelwert imax = 5 kA erfolgen soll, die Varistorspannung U„ = 2 kV und die Ansprechspannung der Funkenstrecke Ua = 4 kV betragen. Für den Spannungsabfall am Widerstand gilt:

UR = Ua - Uv = 2 kV Für den erforderlichen Widerstand R ergibt sich:

1 max

2 kV - μλ 5 kA

Praxisgerechte Werte für R liegen also etwa zwischen 0,1 und 1Ω.

Die vorstehend bereits kurz erwähnte Fig. 6 zeigt, daß bei einer mehrphasigen, bzw. mehrpoligen Anordnung (hier L1, L2, L3 und N) für jede dieser Phasen und die Leitung N eine Anordnung gemäß Fig. 3 mit Gehäuse 10 vorgesehen ist. Diese vier einzelnen Gehäuse 10 sind innerhalb eines sie umgebenden Rahmengehäuses 18 untergebracht. Stattdessen kann man auch in einem gemeinsamen Gehäuse 18 gemäß Fig. 6 vier Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 3, aber ohne die in Hg. 3 vorgesehenen Gehäuse 10 unterbringen. Die letztgenannte Variante ist aber in der Zeichnung nicht dargestellt. In beiden zuletzt genannten Ausführungsformen sind einerseits aus dem gemeinsamen Gehäuse 18 der Fig. 6 die Anschlüsse für die Phasen L1, L2, L3 und die Leitung N nach oben herausgeführt, während eine Verbindung der einzelnen in Fig. 3 unten liegenden Anschlüsse 11 miteinander in Fig. 6 unten als ein gemeinsamer Anschluß 11 aus dem Gesamtgehäuse 18 herausgeführt ist. Dieser Anschluß wird an Erde gelegt.

Alle dargestellten und beschriebenen Merkmale und ihre Kombinationen miteinander sind erfindungswesentlich: sofern sie nicht ausdrücklich ais bekannt bezeichnet wurden. 4

Claims (7)

1. AT 399 069 B Patentansprüche 1. Anordnung für den Überspannungsschutz in Niederspannungsanlagen, mit einer blitzstromtragfähigen und folgestromlöschfähigen Funkenstrecke (2) und einem der Funkenstrecke parallel geschalteten, einen Varistor (5) aufweisenden Leitungszweig (4), wobei eine thermische Überwachung (9) des Varistors vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem parallel geschalteten Leitungszweig (4) eine mit dem Varistor (5) in Reihe geschaltete Impedanz (6 "Z") mit vorgegebenem Impedanzwert vorgesehen ist, so daß der bei Überschreiten eines bestimmten, kritischen Stoßstromscheitelwertes (z. B. 5 kA eines Stoßstromes 8/20 us) an der Reihenschaltung des Varistors (5) und der Impedanz (6) entstehende Spannungsabfall die Ansprechspannung der Funkenstrecke (2) erreicht.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (6 "Z") als ohmscher Widerstand (14) ausgebildet ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (6 "Z") als Induktivität (15) ausgebildet ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (6 ”Z”) als Kapazität (16) ausgebildet ist.
5. 5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (6 "Z") aus einer Reihen- und/oder Parallelschaltung der Kombination eines ohmschen Widerstandes (14) mit einer Induktivität (15), oder eines ohmschen Widerstandes (14) mit einer Kapazität (16), oder einer Induktivität (15) mit einer Kapazität (16), oder einer Induktivität (15) mit einem ohmschen Widerstand (14) und mit einer Kapazität (16) besteht.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Funkenstrecke (2), Varistor (5) mit thermischer Überwachung (9) und die in Reihe mit dem Varistor (5) geschaltete Impedanz (6 "Z") in einem gemeinsamen Gehäuse (10) untergebracht sind.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Anordnungen mit Funkenstrecke (2), Varistor (5) mit thermischer Überwachung (9) und die in Reihe mit dem Varistor geschaltete Impedanz (6 "Z") in einem Gesamtgehäuse (18) untergebracht sind. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 5