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Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzgerät.
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Überspannungsschutzgeräte der Kategorie Typ 1 werden üblicherweise an leistungsfähigen Stromnetzen eingesetzt.
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Diese Überspannungsschutzgeräte müssen den Großteil der Energie eines transienten Ereignisses, auch Überspannungsereignisses genannt, ableiten.
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Zu diesen transienten Ereignissen zählen beispielsweise Blitzschläge. Transienter Ereignisse spielen sich typischerweise im Zeitbereich < 1 ms ab.
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Normativ wird ein solches transientes Ereignis beispielsweise als ein Referenzstoßstrom 10/350 μs im kA Bereich nachgebildet.
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Für den Einsatzzweck als Überspannungsschutzgerät werden in aller Regel Varistoren und/oder Funkenstrecken eingesetzt.
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Bei diese Varistoren oder Funkenstrecken tritt aber auch ein Netzfolgestrom auf, der durch einen niederimpedanten Ableitpfad bedingten ist.
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Diesen Netzfolgestrom soll ein Überspannungsschutzgerät aber auch verhindern bzw. soweit begrenzen und abschalten, ohne dass dabei eine Vorsicherung des Überspannungsschutzgerätes oder der zu schützenden Anlage ausgelöst wird.
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Konventionelle Funkenstrecken haben eine geringe Bogenbrennspannung und sind daher nicht in der Lage Netzfolgeströme zu beherrschen.
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Diese konventionellen Funkenstrecken verlöschen im Nulldurchgang einer Wechselspannung (Netzspannung) und lösen aber insbesondere bei Einsatz an starken Stromnetzen eine Vorsicherung aus.
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Dennoch hat diese Funkenstreckentechnologie den Vorteil, dass die Bauelemente sehr leistungsfähig sind.
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So ermöglichen marktübliche Produkte die Ableitung von Stoßströmen bis zu 50 kA.
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Eine Verbesserung der Netzfolgestromlöschfähigkeit bieten Funkenstrecken mit Löschblechkammern auf Basis von Lichtbogenvervielfachung.
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Diese haben jedoch das Problem das heiße ionisierte Gase explosionsartigen ausgeblasen werden.
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Eine andere Verbesserung der Netzfolgestromlöschfähigkeit bieten gekapselte Funkenstrecken in druckfesten Gehäusen.
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Bei diesen gekapselten Funkenstrecken wird durch einen Druckaufbau in der Funkenstrecke die Lichtbogenspannung in den Bereich der Netzspannung angehoben und so eine Netzfolgestromentwicklung unterdrückt.
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Ein Netzfolgestrom kann sich jedoch am Ende eines transienten Ereignisses entwickeln, wenn der Stoßstrom nicht mehr ausreichend ist um den Druck und somit die Lichtbogenspannung aufrecht zu erhalten.
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D. h. der Netzfolgestrom kann nicht zuverlässig abgeschaltet werden.
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Zusätzlich weisen gekapselten Funkenstrecken große Elektrodenabstände auf, womit ein schlechteres Ansprechverhalten gegenüber „einfachen” Funkenstrecken einhergeht.
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In einem anderen technischen Bereich, nämlich der Telekommunikation, werden PTCs in Kombination mit Gasableitern im Überspannungsschutz verwendet.
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Dort handelt es sich aber um ein Anwendungsfeld des Überspannungsschutzes, in dem keine hohe elektrische Leistung seitens des Netzes zur Verfügung steht.
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Im Überspannungsschutz dienen PTCs der Strombegrenzung dauerhaft anliegender Fehler, also Fehler, die deutlich länger andauern als transienter Ereignisse, d. h. > 1 ms.
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Die dort verwendeten PTCs weisen ohmsche Widerstände von mehr als 1 Ohm auf und sind in der Lage Nennströme im Bereich von wenigen Ampere zu tragen.
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Aufgrund der geringen Leistungen stellen diese ohmschen Widerstände der verwendeten PTCs bei Schaltschranktemperatur kein großes Problem dar.
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Dabei sind die Hersteller in diesem Technikbereich bemüht, möglichst hohe Stromdichten bei geringen Volumina zu ermöglichen, um geringe W/R-Werte bzw. i2t-Werte (spezifische Energie oder Joule-Integral) bis zur Schaltschwelle des PTC zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Überspannungsschutzgerät zur Verfügung zu stellen, welches die Vorteile einer Funkenstreckenanordnung für den Überspannungsschutz und ein verbessertes Netzfolgestromlöschverhalten aufweist.
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Ziel ist es ferner das unnötige Auslösen einer vorhandenen Vorsicherung der Anordnung zu vermeiden.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein schematische Anordnung innerhalb eines Überspannungsschutzgerät gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
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2 eine Bereichseinordnung von PTCs zu Verwendung in einem Überspannungsschutzgerät gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Die 1 zeigt ein Überspannungsschutzgerät (surge protection device – SPD).
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Das Überspannungsschutzgerät SPD weist eine Funkenstrecke (spark gap – SG) und in Serie zur Funkenstrecke SG ein temperaturabhängiges Widerstandselement R mit positivem Temperaturkoeffizienten auf.
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Die Funkenstrecke SG weist einen bestimmten Haltestrom auf.
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Das Widerstandselement R ist zum einen so dimensioniert, dass bei Erreichen einer Schalttemperatur, der Strom so begrenzt wird, dass der Haltestrom der Funkenstrecke unterschritten wird und abgeschaltet wird.
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Zum anderen ist das Widerstandselement R so dimensioniert, dass bei einem transienten Ereignis die Schalttemperatur nicht erreicht wird.
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Durch diese Ausgestaltung wird zum einen der Schutz vor transienten Ereignissen durch den Einsatz effizienter Funkenstrecken SG ermöglicht, zum anderen wird aber auch durch Einsatz von geeignet dimensioniertes Widerstandselement R die Netzfolgestromlöschfähigkeit gewährleistet.
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Weiterhin können eine Vorsicherung F1 im Ableitpfad und/oder eine Vorsicherung F2 im Arbeitspfad angeordnet sein.
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Der Einbauort der Vorsicherung F1, F2 ist abhängig vom Anwendungsfall.
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Bei Auftreten eines transienten Ereignisses, z. B. eines Stoßstromes, ist das Widerstandselement R kalt und somit leitfähig.
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Die Funkenstrecke SG zündet unter Einwirkung des transienten Ereignisses, wobei das Zünden der Funkenstrecke SG auch extern getriggert sein kann.
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Nun leitet die Anordnung den Stoßstrom ab und zunächst bleibt das Widerstandselement R niederohmig (<< 1 Ohm).
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Sollte sich jedoch ein Netzfolgestrom entwickeln, der durch die Funkenstrecke SG nicht gelöscht werden kann, wird der das Widerstandselement R durch die an ihm abfallende Leistung P = UR·IPowergrid bis zur Schalttemperatur Tswitch erwärmt und begrenzt den Strom auf einen unkritischen Wert.
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Dieser Netzfolgestrom kann dann durch einen folgenden Nulldurchgang der Spannung oder durch Unterschreitung des Haltestromes der Funkenstrecke SG abgeschaltet werden.
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Hierdurch wird das Verlöschen der Funkenstrecke SG bewirkt und der Ausgangszustand wird wiederhergestellt.
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Anschließend kühlt das Widerstandselement R selbstständig ab und wird dabei wieder niederohmig.
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Das Widerstandselement R ist so dimensioniert, dass zur Erwärmung des Widerstandselements R im transienten Überspannungsfall (Switch) die notwendige spezifische Energie i2(t)R,Switch zur Erreichung der Schalttemperatur größer gewählt ist als das Joule-Integral i2(t)Transiente der Transienten.
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In anderen Worten das Widerstandselement R muss so dimensioniert sein, dass es sich durch den Energieeintrag während der Stoßstromableitung, welcher zu einer Temperaturerhöhung ΔTTransient gegenüber der Ruhetemperatur T0 führt, nicht bis auf die Schalttemperatur Tswitch erwärmt.
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Dies lässt sich wie folgt mathematisch darstellen: T0 + ΔTTransient < TSwitch
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Die Ruhetemperatur T0 ist dabei nicht notwendigerweise Raumtemperatur oder eine Normtemperatur (z. B. 20°C) sondern kann auch eine typische Temperatur sein, die in einem Schaltschrank herrscht, z. B. 60°C oder auch 80°C oder mehr, abhängig vom Einsatzort und der Schalttemperatur.
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Durch den zusätzlichen Energieeintrag eines ggf. auftretenden Netzfolgestroms, welcher zu einer Temperaturerhöhung ΔTPowergrid führt, kann das Widerstandselement R weiter bis über die Schalttemperatur Tswitch aufgeheizt werden und erhöht dabei seinen Widerstand.
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Die Schalttemperatur ist dabei beispielsweise 80°C oder mehr, bevorzugt 100°C, besonders bevorzugt 140°C.
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Als Folge wird der Strom begrenzt, bis die Funkenstrecke SG löscht, oder ein Stromnulldurchgang der Netzspannung eintritt.
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Dies lässt sich wie folgt mathematisch darstellen: TSwitch ≤ T0 + ΔTTransient + ΔTPowergrid
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Hieraus lässt sich ein Gesamtzusammenhang bezüglich der Temperatur wie folgt darstellen: T0 + ΔTTransient < TSwitch ≤ T0 + ΔTTransient + ΔTPowergrid
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Die notwendige spezifische Energie, nachfolgend auch als Joule-Integral i2tR,Switch bezeichnet, die das Widerstandselement R von seiner Ruhetemperatur T0 auf Schalttemperatur TSwitch erwärmt, ist dabei größer, als das Joule-Integral der Transiente i2tTransient, um zu verhindern, dass ein Stoß das Widerstandselement R bis zur Schalttemperatur TSwitch erwärmt.
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Dies lässt sich wie folgt mathematisch darstellen: i2tTransient < i2tR,Switch
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Dabei bezeichnet i2tTransient die spezifische Energie im Strompfad durch Transiente und i2tR,Switch die spezifische Energiemenge am Widerstandselement R zum Erreichen der Schalttemperatur.
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Die spezifische Energie i2tR,Switch zur Erreichung der Schalttemperatur ist bevorzugt größer als 100 A2s, insbesondere größer als 1000 A2s, besonders bevorzugt größer als 100 kA2s.
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Weiterhin ist die Summe der spezifischen Energien aus Transiente i2tTransient und Netzfolgestrom i2tPowergrid größer als die spezifische Energie der Schalttemperatur i2tR,Switch, damit das Widerstandselement R durch einen Netzfolgestrom auf bzw. über die Schalttemperatur TSwitch erwärmt wird.
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Dies lässt sich wie folgt mathematisch darstellen: i2tR,Switch < i2tTransient + i2tPowergrid
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Dabei bezeichnet i2tPowergrid die spezifische Energie im Strompfad durch Netzfolgestrom.
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Die spezifische Energie i2tR,Switch zur Erreichung der Schalttemperatur ist bevorzugt kleiner als 1 MA2s, insbesondere kleiner als 900 kA2s.
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Dabei sollte die oben angesprochene Summe der spezifischen Energien aus Transiente i2tTransient und Netzfolgestrom i2tPowergrid das Schmelzintegral i2tF einer eventuell vorhandenen Vorsicherung F1, F2 nicht überschreiten.
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Dies lässt sich wie folgt mathematisch darstellen: i2tTransient + i2tPowergrid < i2tF
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Dabei bezeichnet i2tF das Schmelzintegral der Vorsicherung F1, F2. Dieser Wert ist typischerweise vom Hersteller der Sicherung spezifiziert.
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Hieraus lässt sich ein Gesamtzusammenhang bezüglich der spezifischen Energien i2t wie folgt darstellen: i2tTransient < i2tR,Switch < i2tTransient + i2tPowergrid < i2tF
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Bevorzugt weist das Überspannungsschutzgerät eine Vorsicherung F1 auf, welche in Serie zu dem Widerstandselement R bzw. der Funkenstrecke SG angeordnet ist.
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Durch Norm (z. B. DIN EN 60664-1) kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Summe der Spannungsabfälle am Widerstand R, der Funkenstrecke SG und einer eventuell vorhandenen Vorsicherung F1, F2 während des Ableitvorganges einen normativ geforderten Schutzpegel UP nicht überschreiten sollen. Dies lässt sich wie folgt mathematisch darstellen: UR + USG + UF ≤ UP
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Z. B. ist der Anfangswiderstand des Widerstandselement R so gewählt, dass die Summe der im Ableitfall anliegenden Spannungen am Widerstandselement UR, der Funkenstrecke USG und der Sicherung UF eine Spannung UP von 4500 V, bevorzugt 1500 V, besonders bevorzugt 1000 V nicht überschreitet.
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Hieraus kann eine Bedingung für einen maximalen Anfangswiderstand Rmax abgeleitet werden, der vor Erreichen der Schalttemperatur TSwitch nicht überschritten werden darf.
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I ist dabei der spezifizierte Strom, der durch die
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Weiterhin darf der Anfangswiderstand Widerstandselements R jedoch auch nicht Null sein, da sonst keine Erwärmung mehr am Widerstand R stattfinden kann. Hieraus kann somit eine Bedingung für einen minimalen Anfangswiderstand Rmin abgeleitet werden: 0 < Rmin
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So kann der Anfangswiderstand des Widerstandselements R bei Raumtemperatur kleiner oder gleich 100 mΩ sein.
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Hieraus lässt sich ein Gesamtzusammenhang bezüglich der spezifischen Energien i2t wie folgt darstellen: Rmin < R ≤ Rmax
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Durch die Erfindung ist es möglich Überspannungsschutzgerät SPD der Kategorie Klasse 1, 2 oder 3 gemäß IEC61643 bereitzustellen.
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Diese Überspannungsschutzgeräte SPD sind dabei in der Lage im eingebauten Zustand eine transientes Ereignis, z. B. eine Überspannung, welche einem Referenzstromstoß 10/350 μs entspricht iTransient, ohne weiteres abzuleiten und einen Netzfolgestrom iPowergrid dabei zu löschen. Ist ein Vorsicherung F1, F2 im eingebauten Zustand vorhanden wird diese vor dem Durchschmelzen bewahrt.
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Dabei sind die Überspannungsschutzgeräte SPD in der Lage Referenzstromstöße iTransient von 10 kA, 20 kA, 30 kA oder mehr der Impulsform 10/350 μs sicher abzuleiten.
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Je nach Ausgestaltung der Überspannungsschutzgeräte SPD ist der begrenzte Strom nach Erreichen der Schalttemperatur TSwitch kleiner oder gleich I = 315 A.
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Anhand der oben dargestellten Dimensionierungen soll an dieser Stelle exemplarisch für zwei typische Anwendungsbereiche diese Dimensionierung beschrieben werden:
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Beispiel Stromversorgung:
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Ausgehend von einer typischen Typ 1-Anwendung im Überspannungsschutz im europäischen Netz (z. B. 230 V oder ähnlich) sollen marktübliche Überspannungsschutzgeräte SPD 30000 A Stoßstrom der Impulsform 10/350 μs ableiten können.
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Die Hersteller schreiben eine benötigte Vorsicherung F1, F2 vor. Diese liegt in marktüblichen vergleichbaren Anwendungen bei z. B. I = 315 A Nennstrombelastbarkeit.
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Der Nennwiderstandsbereich der einsetzbaren Widerstandselemente R wird durch den maximal zulässigen Schutzpegel Up der Anwendung, der durch die Isolationskoordination nach oben limitiert wird, bestimmt.
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Dieser höchstens zulässige Schutzpegel liegt bei 4000 V. Marktübliche Produkte liefern aber schon Schutzpegel bei 1500 V.
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Im Scheitelwert des Stoßstromes ist der größte Spannungsabfall am PTC zu erwarten.
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Das Widerstandselement R ist so dimensioniert, dass der Widerstand noch keine nennenswerte Widerstandsänderung erfahren hat.
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Daher darf der Widerstand des Widerstandselements Rmax nicht überschreiten: Rmax = 1500 V / 30 kA = 50 mΩ
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Ein solches Überspannungsschutzgerät SPD würde beispielsweise eine 315 A Schmelzvorsicherung F1, F2 benötigen, die ein Schmelzintegral von ca. i2tF = 513000 A2s aufweist.
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Bei dieser Größe handelt es sich um die Obergröße der spezifischen Energie i2tR,Switch, die eingesetzt werden kann, um das Widerstandselement R von seiner Ruhetemperatur T0 auf die Schalttemperatur TSwitch aufzuwärmen.
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Die hierfür notwendige Energie i2t weist ebenfalls einen minimalen Wert auf, der durch die Strom-Zeit-Kennlinien des Stoßstromes vorgegeben wird.
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Dabei soll die spezifische Energie des Impulses i2tTransient = i2t10/350μs,30kA gerade nicht ausreichen das Widerstandselement R auf seine Schalttemperatur TSwitch zu erwärmen.
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Für diesen Beispielimpuls beträgt das berechnete i2tTransient = i2t10/350μs,30kA = 231000 A2s.
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Aus dieser Abschätzung ergibt sich ein Arbeitsbereich für diese Beispielanwendung, der folgenden Bedingungen genügen sollte: 0 Ω = Rmin < R ≤ Rmax = 50 mΩ und 213000 A2s = i2tTransient < i2tR,Switch < i2tF = 513000 A2s
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Ein derartiger Arbeitsbereich ist für PTCs als Beispiel eines Widerstandselement R bisher unüblich und wird von dieser Erfindung erstmals vorgeschlagen und eingesetzt.
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Der hierbei skizzierte Arbeitsbereich ist in 2 mit dem Referenzzeichen 1 referenziert.
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Mit einem derartigen PTC als Beispiel eines Widerstandselement R können Netzfolgeströme effektiv begrenzt werden können, ohne dass eine Vorsicherung F1, F2 auslöst.
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Daraus ergibt sich ein zulässiger Arbeitsbereich für einen PTC, in dem keine andere marktübliche Anwendung arbeitet und mit dem Netzfolgeströme effektiv begrenzt werden können, ohne dass eine Vorsicherung auslöst. Dabei wird der PTC explizit an die Anforderungen angepasst.
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Beispiel Windkraft:
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Ausgehend von einer typischen Typ 1-Anwendung im Überspannungsschutz an Windkraftanlagen müssen marktübliche Überspannungsschutzgeräte SPD 50000 A Stoßstrom der Impulsform 10/350 μs ableiten können.
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Die Hersteller schreiben eine benötigte Vorsicherung F1, F2 vor. Diese liegt in marktüblichen vergleichbaren Anwendungen bei z. B. I = 400 A Nennstrombelastbarkeit.
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Der höchsten zulässige Schutzpegel wird vom Markt bestimmt und liegt momentan bei höchsten 4500 V.
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Daraus ergibt sich ein Rmax von: Rmax = 4500 V / 50 kA = 90 mΩ
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Ein solches Überspannungsschutzgeräte SPD würde beispielsweise eine 400 A Schmelzvorsicherung F1, F2 benötigen, die ein Schmelzintegral von ca. i2tF = 859000 A2s aufweist
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Für diesen Beispielimpuls beträgt das berechnete i2tTransient = i2t10/350μs,30kA = 642000 A2s.
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Dieser Wert kann beispielsweise durch numerische Auswertung der Strom-Zeit-Kurve für diesen Beispielimpuls berechnet werden.
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Aus dieser Abschätzung ergibt sich ein Arbeitsbereich für diese Beispielanwendung, der folgenden Bedingungen genügen sollte: 0 Ω = Rmin < R ≤ Rmax = 90 mΩ und 642000 A2s = i2tTransient < i2tR,Switch < i2tF = 859000 A2s
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Ein derartiger Arbeitsbereich ist für PTCs als Beispiel eines Widerstandselement R bisher unüblich und wird von dieser Erfindung erstmals vorgeschlagen und eingesetzt.
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Der hierbei skizzierte Arbeitsbereich wird in 2 mit dem Referenzzeichen 2 referenziert.
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Mit einem derartigen PTC als Beispiel eines Widerstandselement R können Netzfolgeströme effektiv begrenzt werden können, ohne dass eine Vorsicherung F1, F2 auslöst.
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Zum Vergleich sind in der 2 Arbeitsbereiche anderer PTCs dargestellt.
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Dabei zeigt in 2 die Ordinate den Anfangswiderstand R bei einer Temperatur von 20°C und hierzu zugeordnet die spezifischen Energien I2t. Die Achsen sind dabei logarithmisch gewählt.
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So zeigt Referenzzeichen 3 den Arbeitsbereich für typische allgemeine Überspannungsschutzanwendungen, während Referenzzeichen 4 den Arbeitsbereich für Überspannungsschutzanwendungen im Telekommunikationsbereich anzeigt. Referenzzeichen 5 zeigt den Arbeitsbereich von PTCs bei Verwendung in Motoranlassern während Referenzzeichen 6 den Arbeitsbereich bei Verwendung als Einschaltstoßstrom-Begrenzer, bzw. Referenzzeichen 7 den Arbeitsbereich bei Verwendung in Schaltanwendungen zeigt.
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Dabei ist deutlich ersichtlich, dass der Arbeitsbereiche klassischer Anwendungen sich deutlich von der Verwendung im Überspannungsschutz – wie durch Referenzzeichen 1 und 2 verdeutlicht – unterscheidet.
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Die hierbei zu erzielenden Widerstände liegen bei Ruhetemperatur von 20°C deutlich unter den Widerständen herkömmlicher PTCs.
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Die Verwendung von keramischen PTCs als Widerstandselement R ist besonders bevorzugt, da diese keramischen PTCs zusätzlich die Eigenschaft aufweisen, dass bei hohen anliegenden Spannungen ein Varistor-Effekt auftritt. Dieser Varistor-Effekt begünstigt einen kleinen Widerstand bei Stoßströmen.
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Ein Überspannungsgerät SPD gemäß der Erfindung kann dabei jegliche geeignete Form einer Funkenstrecke SG, wie z. B. eine einfache Funkenstrecke, eine gekapselte Funkenstrecke, eine mit Löschblechen ausgestattete Funkenstrecke und dergleichen, aufweisen.
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Die Funkenstrecke SG kann druckfest ausgeführt sein.
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Weiterhin kann das Überspannungsgerät SPD auch mit einer Vorsicherung F1 als Baugruppe CD ausgeführt sein.
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Weiterhin kann das Überspannungsgerät SPD auch mit einer Vorsicherung F2 als Funktionseinheit D ausgeführt sein. Diese Funktionseinheit kann auch eine weitere Vorsicherung F1 aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- SPD
- Überspannungsschutzgerät
- SG
- Funkenstrecke
- CD
- Baugruppe
- D
- Funktionseinheit
- R
- temperaturabhängiges Widerstandselement
- F1, F2
- Vorsicherung
- 1
- Leistungsverteilungsbereich/Stromnetz
- 2
- Windkraftbereich
- 3
- Überspannungsschutz
- 4
- Überspannungsschutz Telekommunikation
- 5
- Motoranlasser
- 6
- Einschaltstoßstrom-Begrenzer
- 7
- Schaltanwendungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 60664-1 [0071]
- IEC61643 [0078]
