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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ableiten von transienten Überspannungen in elektrischen Niederspannungsanlagen, mit einem mindestens einen Ableiter aufweisenden Überspannungsschutzgerät, wobei als Ableiter mindestens ein leistungsstarkes Halbleiterbauelement vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Halbleiterbauelement durch eine Ansteuerschaltung derart angesteuert wird, dass der Widerstand des Halbleiterbauelements in unterschiedlichen Betriebsbereichen des Überspannungsschutzgeräts unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Daneben betrifft die Erfindung auch ein Überspannungsschutzgerät zur Durchführung des Verfahrens mit einem Gehäuse und mit einem im Gehäuse angeordneten Ableiter.
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Elektronische Mess-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen sowie elektronische Anlagen und Geräte, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können.
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Elektrische Stromkreise arbeiten mit der für sie spezifizierten Spannung, der Nennspannung (in der Regel ≅ Netzspannung), normalerweise störungsfrei. Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische oder elektronische Stromkreise und die daran angeschlossenen elektronischen Anlagen und Geräte, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzgeräte entwickelt worden und seit weit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
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Wesentlicher Bestandteil von bekannten Überspannungsschutzgeräten ist in der Regel eine Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung, der Ansprechspannung, anspricht und damit verhindert, dass in dem durch das Überspannungsschutzgerät geschützten Stromkreis Überspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind. Dabei sind zur Verbesserung bzw. Verringerung der Ansprechspannung im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Durchschlag-Funkenstrecke in verschiedener Weise Zündhilfen realisiert worden.
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Bei bekannten Überspannungsschutzgeräten entsteht beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke durch den entstehenden Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Über diese niederimpedante Verbindung fließt zunächst - gewollt - der abzuleitende Blitzstrom. Funkenstrecken weisen somit zwei unterschiedliche Betriebsbereiche auf, nämlich einen ersten Betriebsbereich, den Normalbetrieb, in dem keine Überspannung ansteht, und einen zweiten Betriebsbereich, den Ableitbereich, in dem eine Überspannung ansteht. Im Normalbetrieb ist die Funkenstrecke sehr hochohmig, während sie im Ableitbetrieb des Stoßstromes sehr niederohmig ist. Bei anliegender Netzspannung folgt dann über diese niederimpedante Verbindung des Überspannungsschutzgerätes ein unerwünschter Netzfolgestrom, so dass man bestrebt ist, den Lichtbogen möglichst schnell nach abgeschlossenem Ableitvorgang zu löschen. Auch hierzu sind eine Vielzahl von Vorschlägen gemacht worden.
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Ist bei Überspannungsschutzgeräten der Lichtbogen gelöscht, so ist zwar zunächst die niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden unterbrochen, der Raum zwischen den beiden Elektroden, d. h. der Bereich der Durchschlag-Funkenstrecke, ist jedoch noch fast vollständig mit Plasma gefüllt. Durch das vorhandene Plasma ist jedoch die Ansprechspannung zwischen den beiden Elektroden derart herabgesetzt, dass es bereits bei anliegender Betriebsspannung zu einem erneuten Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke kommen kann. Dieses Problem tritt besonders dann auf, wenn das Überspannungsschutzgerät ein gekapseltes oder halboffenes Gehäuse aufweist, da dann ein Abkühlen oder Verflüchtigen des Plasmas durch das im wesentlichen geschlossene Gehäuse verhindert wird.
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Um ein erneutes Zünden des Überspannungsschutzgerätes, d. h. der Durchschlag-Funkenstrecke, zu verhindern, sind bisher verschiedene Maßnahmen getroffen worden, um die ionisierte Gaswolke von den Zündelektroden wegzutreiben oder abzukühlen. Hierzu sind konstruktiv aufwendige Labyrinthe und Kühlkörper verwendet worden, wodurch sich die Herstellung der Überspannungsschutzgeräte verteuert.
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Aus der
DE 39 15 198 A1 ist eine Schutzeinrichtung gegen transiente Überspannungen bekannt, die einen die Überspannungsschutzbauteile aufweisenden Spannungspfad und einen davon gesteuerten parallelen Strompfad aufweist, die beide parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises angeordnet sind. Der Strompfad ist dabei derart mit dem Spannungspfad verbunden, dass ein Überspannungsbauteil des Spannungspfades im Überspannungsfall auf ein Schaltglied des Strompfades derart einwirkt, dass ein Strom über den Strompfad zu fließen beginnt. Dadurch wird der Spannungspfad vom Stoßstrom entlastet, so daß über den als Steuerteil dienenden Spannungspfad ein deutlich geringerer Strom als über den als Leistungsteil dienenden Strompfad fließt. Dadurch können im Spannungspfad Suppressordioden verwendet werden, die zwar einen relativ niedrigen Schutzpegel haben, jedoch auch nur eine sehr geringe Strombelastbarkeit aufweisen.
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Die
WO 2005/052716 A1 offenbart ein Überspannungsschutzgerät mit mehreren Ableitern, wobei als Ableiter Halbleiterbauelemente (MOSFETs) verwendet werden, durch die das zu schützende Gerät bei einer auftretenden Überspannung abgeschaltet wird.
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Aus der
DE 101 60 361 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stellen von Wechselstrom mit abschaltbaren Leistungshalbleitern bekannt, bei dem gegensinnig parallel geschaltete, rückwärtssperrende IGBT's während der positiven und der negativen Halbwelle der Netzspannung mindestens einmal ein- und ausgeschaltet werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Ableiten von Überspannungen mit einem Überspannungsgerät möglichst einfach und effektiv erfolgen kann. Außerdem soll ein Überspannungsgerät zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden, das an verschiedene Anforderungen einfach angepasst werden kann, wobei insbesondere ein unerwünschter Netzfolgestrom vermieden oder schnell und effektiv unterdrückt werden soll.
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Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Verfahren zum Ableiten von transienten Überspannungen mit einem mindestens einen Ableiter aufweisenden Überspannungsschutzgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Ansteuerung des Halbleiterbauelements bzw. der Halbleiterbauelemente derart erfolgt, dass die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom des Überspannungsschutzgeräts so ausgeregelt wird, dass die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom dem ursprünglichen sinusförmigen Spannungs- bzw. Stromverlauf im Normalbetrieb folgt.
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Für eine derartige Ansteuerung können vorzugsweise die aus der Leistungselektronik bekannten Methoden der Modulation, insbesondere eine Pulsweitenmodulation, herangezogen werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Ansteuerung des Halbleiterbauelements derart erfolgt, dass das Halbleiterbauelement über die unterschiedlichen Betriebsbereiche des Überspannungsschutzgeräts eine optimierte, theoretisch abgeleitete Kennlinie aufweist, wobei die theoretisch abgeleitete Kennlinie insbesondere die Arbeitsbereiche Normalbetrieb, Ableiten eines Stoßstromes und Abklingen des Stoßstromes berücksichtigt.
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Bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsschutzgerät zur Durchführung des Verfahrens ist die zuvor genannte Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 gelöst. Als Ableiter ist dabei mindestens ein leistungsstarkes Halbleiterbauelement vorgesehen, wobei das mindestens eine Halbleiterbauelement über eine Ansteuerschaltung derart steuerbar ist, dass der Widerstand des Halbleiterbauelements bei unterschiedlichen Betriebsbereichen des Überspannungsschutzgeräts unterschiedliche Eigenschaften aufweist.
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Im Unterschied zu bekannten Überspannungsschutzgeräten wird somit als Ableiter keine Funkenstrecke sondern mindestens ein Halbleiterbauelement verwendet, dessen Eigenschaft durch die Ansteuerschaltung steuerbar ist. Das mindestens eine leistungsstarke Halbleiterbauelement, dass parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises angeordnet ist, wird dabei so ausgewählt, dass es im Ableitfall, d. h. beim Anliegen einer Überspannung, einen Stoßstrom von mehreren Kiloampere durchschalten kann. Im Normalbetrieb, d.h. wenn keine Überspannung ansteht, ist das Halbleiterbauelement dagegen so angesteuert, dass es sehr hochohming ist, so dass über das Halbleiterbauelement kein unerwünschter Leckstrom fließt.
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Im Unterschied zu einer Funkenstrecke, welche nur die beiden zuvor beschriebenen Betriebs- bzw. Arbeitsbereiche aufweist und somit entweder sehr hochohmig oder sehr niederohmig ist, kann das erfindungsgemäß verwendete Halbleiterbauelement durch die Ansteuerschaltung so angesteuert werden, dass die Kennlinie des Halbleiterbauelements - und damit auch die Kennlinie des Überspannungsschutzgeräts - auch beim Abklingen bzw. Ausklingen des Stoßstromes derart optimiert ist, dass die Ausbildung eines unerwünschten Netzfolgestroms verhindert, unterdrückt oder zumindest begrenzt wird.
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Weist das erfindungsgemäße Überspannungsschutzgerät als Ableiter nur ein Halbleiterbauelement auf, so ist dieses - wie zuvor bereits ausgeführt - parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises, d.h. im Querzweig, angeordnet. Dadurch, dass dieses Halbleiterbauelement im Normalbetrieb sehr hochohmig ist, wird somit - ebenso wie bei einer Funkenstrecke - verhindert, dass im Normalbetrieb über das Halbleiterbauelement ein unerwünschter Leckstrom fließt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zusätzlich zu dem im Querzweig angeordneten leistungsstarken Halbleiterbauelement mindestens ein weiteres Halbleiterbauelement im Längszweig angeordnet ist. Dieses Halbleiterbauelement hat dabei die Funktion einer über die Ansteuerschaltung steuerbaren Längsimpedanz. Durch eine derartige Längsimpedanz ist eine gezielte Begrenzung des in dem zu schützenden Stromkreis bzw. in die zu schützende Anlage fließenden Stroms möglich.
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Durch die Verwendung eines steuerbaren Halbleiterbauelements als Längsimpedanz ergibt sich insbesondere der Vorteil, dass eine zu schützende elektrische Anlage nicht nur gegen transiente Überspannungen sondern auch gegen sogenannte Temporary Over Voltages (TOV) geschützt werden können. Mit TOV werden dabei Spannungsanhebungen der Versorgungsspannung bezeichnet, die hinsichtlich der Maximalspannung deutlich unterhalb von üblichen transienten Überspannungen liegen, die jedoch über einen deutlich längeren Zeitraum von einigen Millisekunden bis einigen Sekunden anliegen können. Derartige TOVs werden in der Regel durch Fehler im Versorgungsnetz verursacht. Da derartige Spannungserhöhungen deutlich unterhalb der Ansprechspannung von üblichen Überspannungsschutzgeräten mit einer Durchschlag-Funkenstrecke liegen, führen TOVs nicht zu einem Ansprechen der herkömmlichen Überspannungsschutzgeräte. Durch die Anordnung mindestens eines steuerbaren Halbleiterbauelements im Längszweig können somit neben transienten Überspannungen auch TOVs beherrscht werden, so dass nachfolgende elektrische Geräte oder Anlagen auch vor Schäden aufgrund von länger anliegenden Überspannungen geschützt werden können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Überspannungsschutzgeräts erfolgt die Ansteuerung des jeweiligen Halbleiterbauelements derart, dass das Halbleiterbauelement über die unterschiedlichen Betriebs- bzw. Arbeitsbereiche des Überspannungsschutzgeräts eine optimierte, theoretisch abgeleitete Kennlinie aufweist, wobei die theoretisch abgeleitete Kennlinie insbesondere die Arbeitsbereiche Normalbetrieb, Ableiten eines Stoßstromes und Abklingen des Stoßstromes berücksichtigt.
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Bei Ermittlung der theoretisch abgeleiteten optimalen Kennlinie des Überspannugsschutzgeräts bzw. des Halbleiterbauelements werden dabei als Randbedingungen vorzugsweise die maximale Betriebsspannung des Netzes, der maximale Ableitstoßstrom und der maximale Schutzpegel des Überspannungsschutzgeräts berücksichtigt. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen und gegebenenfalls weiterer Betriebsparameter kann eine optimale Kennlinie für das Halbleiterbauelement mathematisch ermittelt werden. Bei einem Ableiter mit einer derartigen Kennlinie ist dann gewährleistet,
- • dass im Normalfall kein unerwünschter Leckstrom über den Ableiter fließt,
- • dass bei Erreichen der Ansprechspannung der Ableiter leitend wird, so dass der Stoßstrom möglichst vollständig über den Ableiter fließt, und
- • dass nach dem Ableiten des Stoßstromes ein unerwünschter Netzfolgestrom verhindert wird.
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Durch die Verwendung eines leistungsstarken Halbleiterableiters, der über eine Ansteuerschaltung gesteuert wird, kann somit ein aktiv gesteuerter Ableiter erreicht werden, dessen Kennlinie der theoretisch optimalen Kennlinie weitestgehend angenähert ist.
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Zuvor ist ausgeführt worden, dass das Halbleiterbauelement von der Ansteuerschaltung derart angesteuert wird, dass nach dem Ableiten des Stoßstromes ein Netzfolgestrom möglichst verhindert wird. Auch wenn dies der Normalfall ist, so sind Anwendungsfälle denkbar, bei denen ein Netzfolgestrom in begrenzter Höhe erwünscht ist, um Netzrückwirkungen zu minimieren. Auch dieses Verhalten kann durch eine entsprechende Kennlinie beschrieben werden, so dass das Halbleiterbauelement bzw. die Halbleiterbauelemente gegebenenfalls von der Ansteuerschaltung entsprechend angesteuert werden kann bzw. angesteuert werden können.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Überspannungsschutzgeräts wird das Halbleiterbauelement derart angesteuert, dass beim Abklingen des Stoßstromes die Restspannung des Halbleiterbauelements der aktuell anliegenden Netzspannung entspricht. Nach dem Ableiten des Stoßstromes wird das Halbleiterbauelement dann so angesteuert, dass es hochohmig ist, so dass ein Netzfolgestrom verhindert wird.
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Wie im Stand der Technik, so liegt auch das erfindungsgemäße Überspannungsschutzgerät in der Regel parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises bzw. der zu schützenden Anlage bzw. des zu schützenden Gerätes. Das Überspannungsschutzgerät ist also elektrisch, und zwar galvanisch, mit den Leitungen bzw. Anschlüssen verbunden, zwischen denen betriebsmäßig die Netzspannung ansteht.
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Damit die Ansteuerschaltung das Halbleiterbauelement entsprechend dem jeweiligen Arbeits- bzw. Betriebsbereich optimal ansteuert, muss die Ansteuerschaltung wissen, in welchem Betriebsbereich sich das Überspannungsschutzgerät befindet. Hierzu kann grundsätzlich eine separate Spannungs- und/oder Stromüberwachung verwendet werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Ansteuerschaltung mit einer Spannungserfassungseinrichtung und vorzugsweise auch mit einer Stromerfassungseinrichtung verbunden ist, und dadurch in Abhängigkeit von der erfassten Spannung und dem erfassten Strom das Halbleiterbauelement ansteuert.
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Gemäß einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzgeräts, die hier noch kurz erwähnt werden soll, ist eine Energiespeichereinheit zur Versorgung der Ansteuerschaltung vorgesehen. Die zur Ansteuerung der Halbleiterbauelemente benötigte Energie wird dabei vorzugsweise der abzuleitenden Überspannung entnommen und in der Energiespeichereinheit zwischengespeichert. Dadurch ist eine optimale Ansteuerung des Halbleiterbauelements auch dann gewährleistet, falls im Ableitfall vorübergehend keine Netzspannung zur Verfügung steht.
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Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Verfahren zum Ableiten von transienten Überspannungen bzw. das Überspannungsschutzgerät zur Durchführung des Verfahrens auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die den Patentansprüchen 1 und 4 nachgeordneten Patentansprüche, sowie auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
- 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzgeräts,
- 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzgeräts, und
- 3 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzgeräts.
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1 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzgeräts. Das Überspannungsschutzgerät weist dabei ein parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises, mit den beiden Leitungen L und N verbundenes Halbleiterbauelement 1 auf, welches in der Lage ist, im Ableitfall einen Strom von einigen hundert Ampere oder mehreren Kiloampere durchzuschalten. Bei einem solchen, im Querzweig angeordneten Leistungshalbleiterbauelement kann es sich beispielsweise um einen Transistor oder einen Thyristor handeln.
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Darüber hinaus weist das Überspannungsschutzgerät noch eine das Halbleiterbauelement 1 steuernde Ansteuerschaltung 2 auf, die eingangsseitig mit einer Spannungserfassungseinrichtung 3 und einer Stromerfassungseinrichtung 4 verbunden ist. In Abhängigkeit von den von der Spannungserfassungseinrichtung 3 und der Stromerfassungseinrichtung 4 gelieferten Werten, d. h. von dem durch den zu schützenden Stromkreis fließenden Strom bzw. die anstehende Spannung, erfolgt dann über die Ansteuerschaltung 2 eine entsprechende aktive Steuerung des Halbleiterbauelements 1, so dass das Halbleiterbauelement 1 in allen Betriebs- bzw. Arbeitsbereichen des Überspannungsschutzgeräts eine Kennlinie aufweist, die der theoretisch optimalen Kennlinie möglichst weitestgehend angenähert ist.
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Die 2 und 3 zeigen zwei vereinfachte Blockschaltbilder zweier weiterer Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzgeräts. Im Unterschied zu dem Überspannungsschutzgerät gemäß 1 weisen die Überspannungsschutzgeräte gemäß den 2 und 3 neben einem ersten Halbleiterbauelement 1, welches im Querzweig angeordnet ist, noch zwei weitere Halbleiterbauelemente 11, 12 auf, die jeweils im Längszweig angeordnet sind. Hierbei ist es selbstverständlich, dass anstelle zweier Halbleiterbauelemente 11, 12 auch nur ein Halbleiterbauelement 11 im Längszweig vorgesehen sein kann.
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Ebenso wie das im Querzweig angeordnete Halbleiterbauelement 1 werden auch die beiden im Längszweig angeordneten Halbleiterbauelemente 11, 12 von der Ansteuerschaltung 2 gesteuert, die eingangsseitig mit einer Spannungserfassungseinrichtung 3 und einer Stromerfassungseinrichtung 4 verbunden ist. Die Halbleiterbauelemente 11, 12 dienen dabei als steuerbare Längsimpedanzen, mit deren Hilfe eine gezielte Begrenzung des in die zu schützende Anlage fliessenden Stromes möglich ist.
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Das in 3 dargestellte Überspannungsschutzgerät unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten Überspannungsschutzgerät nur dadurch, dass zusätzlich zu einer ausgangsseitigen Messwerterfassung über die Spannungseinrichtung 3 und die Stromerfassungseinrichtung 4 auch eine eingangsseitige Messwerterfassung über eine zweite Spannungserfassungseinrichtung 13 und eine zweite Stromerfassungseinrichtung 14 erfolgt.
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Im Ergebnis wird somit ein Überspannungsschutzgerät zur Verfügung gestellt, das einfach aufgebaut ist und dennoch ein verbessertes Verhalten in allen Arbeits- bzw. Betriebsbereichen als herkömmliche, eine Funkenstrecke aufweisende, Überspannungsschutzgeräte aufweist.
