CN1331291C - 用于过压保护的系统 - Google Patents

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Abstract

用于包括电源装置的物体的浪涌保护系统，连接到外部变压器的输出侧。该外部变压器的二次绕组(1)耦合成星形结构，该变压器的中性点连接到下部中性导体(7)，并连接到在变压器邻接处提供的接地电极。在电源装置中，至少一个相导体(6)通过第一类型浪涌保护设备(4)连接到中性导体(7)，并且中性导体(7)通过第二类型浪涌保护设备(9)连接到在电源装置邻接处提供的接地电极(5)。第一类型浪涌保护设备(4)包括压敏电阻或变阻器，第二类型浪涌保护设备包括闪电电流放电器或火花隙元件。

Description

用于过压保护的系统
技术领域
本发明涉及一种用于对象的闪电和浪涌保护的系统，在该系统中所安装的装置都有电源。更具体地讲，本发明涉及用于包含电源单元的对象的浪涌保护的系统，它连接到外部变压器的二次输出，其中该外部变压器的二次绕组耦合成星形结构，该变压器的中性点连接到下游中性导体和在变压器附近提供的接地电极。
具体地讲，本发明可以用作一种系统，用于在有限区域上、地面上或者建筑物上所安装的对象的闪电和浪涌保护。这种对象的示例包括配备有天线的装置，例如GSM基站。用于电源装置的浪涌保护设备一般来讲是公知的。
根据本申请的保护设备可以用于针对诸如由闪电或电磁脉冲(EMP)等所导致并具有高电能量的浪涌保护。更具体地讲，本申请涉及针对因雷击诸如用于无线通信的发射器/接收器站的对象中所安置的电源装置而导致的浪涌的保护。
背景技术
对于这样的保护设备，除了具有大量的专用组件和量具之外，为了分流浪涌中所固有的电荷并把它分布到尽可能大的区域，还提供有一或多个(优选是至少2个)接地电极。不用说，这些接地电极相对零电位必须要有尽可能小的电阻。此外，重要的是，要分布雷击的电荷的地面至少要有最小的面积。
例如，在用于移动通信基站的电源的情况下，这种最小面积常常是不能获得的，因为考虑到经济原因，面积的选择最好不超过天线杆的底座尺度。在对象位于建筑物顶上的情况下，通常仅使用有限数目的配有接地电极的导体。
如果闪电或EMP的电荷冲击其中装有电源的机柜或机柜所连接的金属机架，机架就会有寄生电弧向电源导体充电的危险。因为这种电荷的消散相对贫乏些，所以在电源中的电压能够上升到相当的程度以致于电弧能够损坏电源的诸如开关的组件，或者导致电源故障。此外，对象的其他装备，例如被供电的装备也可能会遭到损坏。
根据来自直接雷击的峰值电流可能达到150kA那么大这个事实，就能够理解这种电压会相当大，它必须要通过阻抗值为2.50hm(这个值是接地电极的标准值，实际上这个值可以高些或低些)的接地电极来分流。
这在瞬间可能导致高于100kV的电压。因为这样的峰值电压，所以没有配备用于低压应用的电源。
根据当前的技术，通过在机架和每相之间以及机架与电源的每个中性导体之间连接诸如变阻器或火花隙这样的浪涌保护设备来防止这种寄生电弧。该机架直接连接到诸如一个和多个接地电极这样的接地连接上。使用这种方式，就可防止从在其上发生所述冲击的部分到所述导体之一的寄生电弧。
然而，在这种已知的解决方案中，不能得到防止的是，当在机架上发生直接的雷击时，就会在电源中发生相当严重的损坏，这在详细描述部分还有进一步的解释。这里应该提到的是，这种损坏可能包括由于很大的电流而烧坏该电源的一个或多个部件。此外，在电源中也可能会发生机械的损坏，因为大电流流过每个相导体和中性导体中的各导体会通过由该大电流产生的电磁场使连接状态的导体从连接点脱开，结果导致电流流动的中断。
不需要提到的是，也因为前面提到过的电源的外围装置以及其不怎么适当的可到达性，使得对损坏的修补会花费大量的时间。因此，由电源所供电的装置将会在较长时间内无法工作，这导致操作损坏的更高风险。
在欧洲专利申请EP-A-0 128 344中描述了用于高压变压器中的浪涌放电器放电器的装置。在这种装置中，浪涌放电器放放电器连接在每个相导体和中性导体之间，并且也连接在中性导体和接地电极之间。这里的浪涌放电器全部都是相同类型的。此外，一个电容器连接在中性导体和第二接地电极之间。这样就起到针对非常高的电压峰值时对变压器的保护，其中电容器控制浪涌放电器的动态行为。因为火花隙元件能够用在高压应用中，所以浪涌放电器通常选择为火花隙元件。所描述的装置专门用于保护高压变压器。
使用火花隙元件或者在相导体与中性导体间连接的火花隙的缺点在于剩余电压导致其不好确定且通常其值都非常大。此外，火花隙会保持无法确定的剩余电压，这要取决于闪电脉冲的上升时间，它可能有2.5-4kV，这对于低压装备来说太大了。而且，火花隙元件还会导致短路，并因此产生净伴随电流，它几乎肯定地会使(电力供应者的)保险损坏。保险的损坏会导致变压器所供电的装置的运行停机时间。
本发明的目的是提供一种用于低压应用的浪涌保护系统，它没有上面所描述的已知系统的缺点；本发明的目的还提供以下的问题的解决方案：即在上面前序中所阐述的电源具有这样的至大地并用于分流放电电荷的有限路径，从而使出现的峰值电压相对地高，并相对慢地下降。
发明内容
根据本发明，提供有一种用于浪涌保护的系统，在该系统中，电源装置中至少有一个相导体通过第一类型浪涌保护设备连接到中性导体，并且中性导体通过第二类型浪涌保护设备连接到在电源装置邻接处提供的接地电极。
第一类型浪涌保护设备主要用于提供意义明确的安全级别(在其连接导线上的最大电压)，并且第二类型浪涌保护设备主要用于避免或分流大电流。
通过在相导体和中性导体之间以及中性导体和接地电极之间使用不同类型的浪涌放电器，该系统提供例如由于对象上的雷击所导致浪涌的非常有效的保护。本发明的解决方案是基于以下观点，即，闪电电流的前沿流过接地电极，闪电电流的其他分量流过所连接的各导体(即，电源导体和其他导体)。可以相信，这种现象的出现是由于接地电极连接的地面面积是有限的。相导体连接到自感应装置，而电源装置和电压装置所连接的变压器之间的中性导体不连接到自感应装置。该自感应装置可以是变压器线圈、绕组或千瓦时表的线圈。这样就使得流过中性导体的电流会大于流过相导体的电流。
第一类型的浪涌保护设备可以是压敏电阻，或者是变阻器。当这种元件上电压超过预定的电压值时，这种元件的阻值会突然下降。第二类型浪涌保护设备可以是火花隙元件或者是火花隙。当这些元件端子两端的电压上升到预定值以上时，这些元件就会放电，并且它们在预计有高电压的时候常常会得到应用。
第一类型浪涌保护设备确保较小的电流流过相导体，同时确保在相导体上的非常高的电压限制在明确的值。此外，第二类型浪涌保护设备还确保大的闪电电流通过该元件流入没有配备保险的中性导体。
在本发明的实施例中，从外部变压器的功率流向来看，第一类型浪涌保护设备和第二类型浪涌保护设备位于电源装置中所配备的开关的前面。这种装置确保：由雷击或EMP所导致的电流不流过该系统的开关，从而更好地保护电源元件之一。在先前实际上由雷击所导致的损坏的例子中，该开关被完全烧毁。
在另一个实施例中，在至少一个相导体中提供去耦阻抗，并且从外部变压器的功率流向来看，至少一个相导体通过另一个第二类型浪涌保护设备连接到电源装置的输入和去耦阻抗间的中性导体，去耦阻抗后面的相导体部分通过另一个第二类型浪涌保护设备连接到中性导体。
去耦阻抗确保能正确地控制各浪涌保护设备。它还确保首先应用变阻器，从而确保可控的安全级别。流过该去耦阻抗的电流会建立电压，它会在恰当的时刻启动第二类型浪涌保护设备，它能够分流更大的闪电电流。因此，这种实施例允许阻止更高的闪电电流通过相导体。
在本系统的另一种实施方案中，可以通过接地泄漏断路器切断开关。接地泄漏断路器也受到本系统的保护。接地泄漏断路器一般应用于高阻抗的接地电路。在普通装置中(相和地间的浪涌放电器)，在各浪涌放电器之一中的分流能够导致高阻抗接地具有非常高的电压，因此也导致连接的装备的高电压。因此，一般保护系统仅能够应用在接地泄漏断路器之后以便断开这种不希望的位置，所以，当雷击时，接地泄漏断路器还可能会遭到损坏。然而，本发明可以位于接地泄漏断路器之前，例如通过使用火花隙，从而在中性导体和大地之间不存在能产生电流的连接。因此，当一个浪涌放电器故障时，接地(以及所有连接装备)就不会遭受太高的电压。
在另一个实施方案中，接地泄漏电路断路器是自复位类型。这种接地泄漏电路断路器在预定的时间之后会自复位，从而能自动重新连接电源。当仍有接地故障时，接地泄漏断路器会再次切断。
在另一种实施方案中，第二类型浪涌保护设备是非吹出(blowing-off)型的。优选地，第一类型浪涌保护设备包括压敏电阻或变阻器，第二类型浪涌保护设备包括闪电电流放电器或火花隙元件。这种装置确保不出现热气或高压，这对于吹出型的本领域火花隙元件的状态是典型的。
在又一种实施方案中，电源装置的元件位于封闭的机柜内部。这就允许建立小型可靠的包含电源元件(即电源连接和保护电路)的机柜，此外，其成本较低并容易装配。通过使用非吹出型浪涌保护设备，机柜就不会暴露在高内压或热气中。这样也有另外的优势，中性导体和浪涌保护设备间的连接可以是短连接，它会减小由强电磁场所导致的在各连接上的机械力。
在又一个方面，本发明涉及一种包含电源装置的对象的浪涌保护的系统，它连接到外部变压器的二次输出，在该系统中外部变压器的二次绕组耦合成星形结构，变压器的中性点连接到下部中性导体和在变压器邻接处提供的接地电极。在电源单元中至少有一个相导体通过第一类型浪涌保护设备连接到中性导体，并且该中性导体通过第二类型浪涌保护设备连接到在电源单元邻接处提供的接地电极，其中第二类型浪涌保护设备的额定值至少有40kA，更优选为至少50kA，再更优选为至少100kA。这就允许有效的浪涌保护系统向在雷击具有小脚印的对象之后实际上碰到过的电流提供保护。
第一类型浪涌保护设备的额定值至少有4kA，更优选的为至少8kA。这就足够使雷击之后出现的电流流过这些元件。
在又一种实施方案中，系统的中性导体和中性导体间的互连具有至少是8mm2的直径，更优选是16mm2的直径。同样，连接到接地电极的导体和所有互连也是至少8mm2的直径，更优选是16mm2的直径。这应该包括所有电流从其流过的连接，包括连接中性导体和接地导体的夹具互连。最大的电流会流过中性导体并到接地电极，因此这些电流流动的完全通路应该具有预定的最小直径。优选地，连接到接地电极的导体至少部分由金属板形成。这样就允许电流有效地在中性和接地导体上流动，从而降低电动机械力。
附图说明
现在参照附图对本发明进行详细的描述，其中：
图1表示根据现有技术保护低压装备的系统的示意图；
图2表示根据本发明的系统的第一种实施方案的示意图；
图3表示根据本发明的系统的第二种实施方案的示意图；
图4表示根据本发明的系统的第三种实施方案示意图。
具体实施方式
图1表示本领域技术状态，I指示位于电源空间的部分。变压器的三个绕组的标号为1，变压器的二次绕组是星形结构，该星形结构的中性点接地。中性点和零电位点间的阻抗用Ra表示，它的值通常都很低，例如有0.50hm，自感有例如5μH。变压器的二次绕组的阻值通常大约是0.01Ω，自感为50μH。在这个空间中，还有保险2。
在标示为II部分的用户装备包括三个相开关3。每一个(相和中性)导体都通过诸如压敏电阻或变阻器等的浪涌放电器4在开关3的后面连接到连接5。连接5连接到开关室(或目标)的机架上。这个连接5通过阻抗是Rb的接地导体接地。从开关3引出的导体向其它装备供电，数字6表示其相导体，数字7表示其中性导体。该其它装备备有可能的自保护，且具有相对高的输入阻抗。
当雷击击中目标机架时，电荷必须要通过接地导体5分流到大地。在理想情况下，分流闪电能量要通过的阻抗Rb的值为零。用于闪电保护的标准化规范值要求为最大2.50hm。
由雷击所产生的电能分流的限制因素在于通常安置对象(或装备)的地面很小。小尺度的地面会妨碍非常大量的电荷在短时间内的快速分流。这极大地增强了使对象II中的装备升温的机会，并且也增强了电压击穿的风险。
在雷击过程中，其中电流的瞬时值可能会高到150kA，接地导体5上的电压可能会高到75kV。这样的电压会很容易击穿到开关3上，它在正常操作中是关闭的。在几乎所有的情况下，这样的击穿会使开关3遭到严重的损坏，并且常常会熔化保险2。
为了使峰值电压尽可能的低并尽可能限制其时间，提供有诸如压敏电阻这样的浪涌放电器4。因为中性导体7具有最低的阻抗值，所以最大电流通常会流过它。
在雷击机架时，电阻器4会降低闪电浪涌对保险2和开关3的损坏，但是将从(电源的)部件II流到部件I的大电流值基本上仍然可能会高过40kA，由此，仍然会在保险2和开关3上出现燃烧现象。
由于对象II的安排，可能会使对象II不可操作的时间延长，从而干扰由该装备提供的业务，这在经济上是不可取的。
按照本发明，根据图2的电路提供了这种问题的解决方案。在一侧连接了相导体6的压敏电阻4在另一侧没有连接到接地导体5，而是连接到中性导体7。中性导体7现在连接配有接地导体5的闪电电流放电器9。
在击穿时会导致有限时间的短路电流的这样的闪电电流放电器在本领域是公知的(见例如在介绍部分所提到的德国专利申请DE-A-19 74 2302和DE-A-19 75 5082，以及欧洲专利神情EP-A-0 128344)  。
当雷击对象II的机架时，相导体6上的峰值电压被压敏电阻4大大抑制。闪电电流放电器9在中性导体7和接地导体8之间会导致几乎完全的短路，从而使由雷击所导致的电流仅部分地通过相导体6从对象II分流到在部件I中的变压器。
现在，要被分流的峰值电流通过接地电阻Ra和Rb的并联电路得到分流。当然，相导体6和对象II和部分I的变压器之间的中性导体7的电阻仍然起作用，但在实际情况下，这种连接则不会产生由于低阻抗而导致的问题。
图3表示根据本发明的系统的另一种实施方案，其中，从功率向部分II的装备流动的方向来看，开关3位于用于电流和电压抑制的组件后面。这就进一步减小了由于大电流使开关3过负荷的风险。保护系统的上部的系统中仅有的组件是电源保险2。尽管试验已经表明，通过相导体6的由闪电感应的电流较小，但是保险仍然可能被损坏。为了保证由于烧坏保险的故障时间最小化，保险2优选地是自动类型，因为与熔化型保险2相比，它能更好地承受闪电感应的电流。此外，自动类型的保险2能够以人工方式复位，或者形成远端单元。
图4表示根据本发明的系统的另一种实施方案。在这种电路装置中，  在每个相导体6中该相导体6通过浪涌保护设备4连接到中性导体7的点与到开关3的连接之间提供去耦阻抗10。此外，在每个相导体6和中性导体7之间，提供附加的浪涌保护设备11，并且在中性导体7和接地导体5之间提供附加的浪涌保护设备12。附加的浪涌保护设备11、12最好是诸如火花隙元件这样的电流放电器。去耦阻抗10确保对各浪涌保护设备4、9、11以及12的正确控制。它确保变阻器4将首先起作用，从而确保了可控制的安全级别。通过去耦阻抗的电流将产生电压，它在恰当的时刻使能够分流较大的闪电电流的第二类型浪涌保护设备11起作用。因此，这种实施方案允许阻止较高的闪电电流通过相导体。图4的系统将既有效地保护电源装置供电的装备，游有效保护电源空间I中的变压器。对本领域普通技术人员来说，显而易见的是去耦阻抗10和浪涌保护设备4、9、11和12的的安排也能够位于开关3的下游。
第二类型浪涌保护设备9、11以及12具有至少40kA的额定值，更优选的是至少50kA，再更优选的是至少100kA。这样将允许有效的浪涌保护系统提供在实际中已经遇到过的当雷击小接地面积的对象时产生的电流的保护。第一类型浪涌保护设备4有至少4kA的额定值，更优选的是至少8kA。这样将足够对付在雷击之后出现的流过这些元件的电流。
上面所描述的各实施方案的各元件可以集成在单个机柜内。当不可能出现热气或高压时，使用非吹出类型的浪涌保护设备9、11以及12将允许把这些元件也集成在单个机柜内。为了能够承受流过它们的高电流，系统的中性导体7和/或接地导体5以及它们之间的互连(例如夹具等)都是用这样的材料制造，这种材料至少是8mm2的直径，更优选的至少是16mm2的直径。这应当包括所有的电流通过的连接，包括与中性导体7和/或接地导体5连接的各夹具的互连。最大的电流将流过中性导体7和接地导体5，因此这些电流所流过的完全通路应该有预先规定的最小直径。
优选地，至少接地导体5的部分要采用金属板的形式。这样就允许电流有效地流过接地导体5，以便减轻电动机械力。相似地，与接地电极(朝向图2、3和4中的Ra和Rb)的连接应该有最小的直径。在封闭的机柜中，针对闪电的电流放电器9的安装应该要给出特别的注意，因为当雷击时，最大的电流将会流过这个元件。这些电流可能会产生很大的可能会损坏元件9安装的电动机械力。
显而易见，当把进线导体连接到用罗马数字I指示的空间中的千瓦时电度表时，也会出现根据本发明的效果。
也很清楚的是，根据本发明的解决方案也可用于单相电源。

Claims (25)

1.用于一个对象的浪涌保护的系统，该系统包括一个电源装置，该电源装置具有至少一个相导体(6)，通过第一类型浪涌保护设备(4)连接到中性导体(7)，且其中该中性导体(7)通过第二类型浪涌保护设备(9)连接到在电源装置附近提供的接地电极(5)。
2.根据权利要求1的系统，其中所述第一类型浪涌保护设备(4)包括压敏电阻或变阻器，并且所述第二类型浪涌保护设备(9)包括闪电电流放电器或火花隙元件。
3.根据权利要求2的系统，其中，从外部变压器(1)的功率流向来看，第一类型浪涌保护设备(4)和第二类型浪涌保护设备(9)包含于在电源装置中提供的开关(3)的前面。
4.根据权利要求2的系统，其中，在至少一个相导体(6)中，提供有去耦阻抗(10)，且其中从外部变压器(1)的功率流向来看，至少一个相导体(6)通过另一个第二类型浪涌保护设备(11)连接到电源装置的输入和去耦阻抗(10)之间的中性导体(7)，并且其中去耦阻抗(10)后面的中性导体(7)的部分通过又一个第二类型浪涌保护设备(12)连接到接地电极(5)。
5.根据权利要求3的系统，其中开关(3)可以通过接地泄漏断路器切断。
6.根据权利要求5的系统，其中接地泄漏断路器是自复位类型。
7.根据权利要求2的系统，其中第二类型浪涌保护设备(9、11、12)是非吹出型的。
8.根据权利要求2的系统，其中电源装置的元件位于封闭的机柜内部。
9.用于一个对象的浪涌保护的系统，该系统包括一个电源装置，该电源装置具有至少一个相导体(6)，通过第一类型浪涌保护设备(4)连接到中性导体(7)，且其中该中性导体(7)通过第二类型浪涌保护设备(9)连接到在电源装置附近提供的接地电极(5)，且其中第二类型浪涌保护设备(9)具有至少40kA的额定值。
10.根据权利要求9的系统，其中第二类型浪涌保护设备(9)具有至少50kA的额定值。
11.根据权利要求9的系统，其中第二类型浪涌保护设备(9)具有至少100kA的额定值。
12.根据权利要求9的系统，其中第一类型浪涌保护设备(4)具有至少4kA的额定值。
13.根据权利要求9的系统，其中第一类型浪涌保护设备(4)具有至少8kA的额定值。
14.根据权利要求9的系统，其中系统的中性导体(7)以及中性导体(7)之间的互连具有至少是8mm2的直径。
15.根据权利要求9的系统，其中系统的中性导体(7)以及中性导体(7)之间的互连具有至少是16mm2的直径。
16.根据权利要求9的系统，其中连接到系统的接地电极(5)的导体以及导体间的互连具有至少是8mm2的直径。
17.根据权利要求9的系统，其中连接到系统的接地电极(5)的导体以及导体间的互连具有至少是16mm2的直径。
18.根据权利要求9的系统，其中接地导体(5)的至少一部分由金属板形成。
19.根据权利要求9的系统，其中第一类型浪涌保护设备(4)包括压敏电阻或者变阻器，并且第二类型浪涌保护设备(9)包括闪电电流放电器或火花隙元件。
20.根据权利要求19的系统，其中从外部变压器的功率流向来看，第一类型浪涌保护设备(4)和第二类型浪涌保护设备(9)包含于在电源装置中所提供的开关(3)的前面。
21.根据权利要求19的系统，其中在相导体(6)和中性导体(7)的至少一个中提供有去耦阻抗(10)，且其中从外部变压器(1)的功率流向来看，至少一个相导体(6)通过另一个第二类型浪涌保护设备(11)连接到电源装置的输入和去耦阻抗(10)之间的中性导体(7)，并且其中在去耦阻抗(10)前面的中性导体(7)的部分通过又一个第二类型浪涌保护设备(12)连接到接地电极(5)。
22.根据权利要求20的系统，其中开关(3)可以通过接地泄漏断路器切断。
23.根据权利要求22的系统，其中接地泄漏断路器是自复位类型。
24.根据权利要求19的系统，其中，第二类型浪涌保护设备(9、11、12)是非吹出型的。
25.根据权利要求19的系统，其中电源装置中的各元件位于封闭的机柜内部。
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