DE102013005657A1

DE102013005657A1 - Device for overvoltage protection by discharging of transient noise from power supply network, provides variable impedance that displace transient disturbances into non-conducting off state, when voltage from supply network is low

Info

Publication number: DE102013005657A1
Application number: DE201310005657
Authority: DE
Inventors: Klaus Bühler; Dr.-Ing. Ehrhardt Arnd; Dipl.-Ing. Thomas (FH) Boehm; Raimund König; Wilhelm Hohenwaldt
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-04-02
Publication date: 2014-08-07

Abstract

The device has a capacitor which is connected between the input terminals (E1,E2) of overvoltage protection element (1). Impedance (2) is in the series path between input terminal and output terminal (A) of power supply network. A controller (3) is connected to the impedance (2), such that the variable impedance is provided for displacing transient disturbances into a non-conducting off state, when a voltage from the supply network is set to be low.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überspannungsschutz durch Ableitung von transienten Störungen aus einem Spannungsversorgungsnetz mit Eingangs- und Ausgangsklemmen sowie einem zwischen den Eingangsklemmen geschalteten Überspannungsschutzelement, einer Impedanz im Längszweig zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme und einer Steuerung, die mit der Impedanz in Verbindung steht, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for overvoltage protection by deriving transient disturbances from a power supply network with input and output terminals and an overvoltage protection element connected between the input terminals, an impedance in the longitudinal branch between the input and output terminal and a controller which is connected to the impedance according to FIG Preamble of claim 1.

Die Anforderungen an den transienten Überspannungsschutz von Versorgungsnetzen ergeben sich aus der Normung ( DIN EN 61643-11 ) und der Isolationskoordination ( DIN EN 60664-1 ) bis zum Anschluss der Endgeräte. Durch den Einsatz von unterschiedlichen Endgeräten mit verschiedensten Betriebsspannungen und einer zum Teil erheblichen Verzweigung der Netzversorgung steigen die Anforderungen an den Überspannungsschutz. Die zusätzliche Nutzung von dezentralen Energieversorgungen bzw. von lokalen Energiespeichern führen zum komplexen Verhalten der Netze, welche bereits im Normalbetrieb und nur leichten Schwankungen der Energieversorgung auftreten können. Die Endgeräte verfügen zunehmend über aktive Halbleitersteuerungen zur Regelung des Betriebsverhaltens und auch der Versorgungsspannung. Die hierbei verwendeten Komponenten verfügen im verstärkten Maße über zum Teil sehr herstellerspezifische integrierte Schutzbeschaltungen.The requirements for the transient overvoltage protection of supply networks result from the standardization ( DIN EN 61643-11 ) and isolation coordination ( DIN EN 60664-1 ) to the connection of the terminals. Through the use of different terminals with different operating voltages and a sometimes considerable branching of the mains supply, the requirements for surge protection are increasing. The additional use of decentralized energy supplies or of local energy storage systems leads to the complex behavior of the networks, which can already occur during normal operation and only slight fluctuations in the energy supply. The terminals increasingly have active semiconductor controllers for controlling the operating behavior and also the supply voltage. The components used in this case to a greater extent have very manufacturer-specific integrated protective circuits.

Diese in Endgeräten integrierten Schutzbeschaltungen sind sehr unterschiedlich und genügen zum Teil auch unterschiedlichen Kategorien der EMV-Prüfvorschriften. Die Prüfungen entsprechend dieser Vorschriften gehen jedoch nicht von einer eingeprägten transienten Störgröße aus und geben daher nur eine grobe Orientierung bzgl. der Normung des Überspannungsschutzes in Versorgungsnetzen.These protective circuits integrated into terminal devices are very different and in some cases also meet different categories of EMC test regulations. However, the tests according to these regulations are not based on an impressed transient disturbance variable and therefore only give a rough orientation with regard to the standardization of the overvoltage protection in supply networks.

Aufgrund der derzeitig geltenden Norm- und Prüfvorschriften ist die reale Belastbarkeit der Endgeräte, welche an eine Niederspannungsversorgung (NS) angeschlossen werden können, unbekannt. Dies betrifft sowohl die Höhe der Spannungsfestigkeit bei transienten Belastungen als auch die Höhe der Festigkeit gegenüber Impulsströmen. Die Spannungsfestigkeit kann teilweise nur knapp oberhalb der zulässigen Betriebsspannung liegen, also deutlich unterhalb des für NS-Versorgungen üblichen Schutzpegels von 1,5 kV und ebenfalls unterhalb der für Überspannungsschutzgeräte geforderten Spannungsfestigkeiten gegen temporäre Überspannungen. Die Impulsströme, welche zur Zerstörung von Endgeräten führen können liegen ebenfalls zum Teil erheblich unterhalb der üblichen Werte von Überstromschutzgeräten der Niederspannungsversorgung.Due to the currently applicable standard and test regulations, the real load capacity of the terminals, which can be connected to a low-voltage supply (NS), unknown. This applies both to the magnitude of the dielectric strength under transient loads and to the magnitude of the resistance to pulse currents. The dielectric strength can in some cases only just above the allowable operating voltage, well below the usual for LV supplies protection level of 1.5 kV and also below the required for surge protection devices withstand voltages against temporary overvoltages. The pulse currents, which can lead to the destruction of terminal equipment are also sometimes considerably lower than the usual values of overcurrent protection devices of the low-voltage power supply.

Die Belastbarkeit der Endgeräte bei den für den Überspannungsschutz relevanten eingeprägten transienten Belastungen unterscheidet sich zudem häufig noch bezüglich des jeweiligen Betriebszustandes dieser Geräte.In addition, the load capacity of the terminals at the impressed transient loads relevant for overvoltage protection often differs with respect to the respective operating state of these devices.

Die reine Spannungs- bzw. Strombewertung im NS-Versorgungsnetz führt daher derzeit nur zu einer unbefriedigenden Situation sowohl für die Versorgungsstabilität des Netzes als auch für die Endgeräte. Eine eindeutige Detektion von transienten Störungen durch den üblichen Überspannungsschutz der Netzversorgung erfolgt häufig erst nach einer Überlastung an einem Endgerät.The pure voltage or current rating in the LV supply network therefore currently leads only to an unsatisfactory situation both for the supply stability of the network and for the terminals. An unambiguous detection of transient disturbances by the usual overvoltage protection of the mains supply often takes place only after an overload on a terminal.

Für einen optimalen Schutz der Endgeräte müsste der Aufwand innerhalb dieser Geräte auf ein Niveau gehoben werden, welches über zumutbare passive Schutzmaßnahmen weit hinaus geht und zum Teil diese Geräte aus Kostensicht unnötig belastet.For optimum protection of the end devices, the effort within these devices would have to be raised to a level which goes far beyond reasonable passive protection measures and partly unnecessarily burdens these devices from a cost point of view.

Die Problematik des Schutzes von gegenüber Überspannungen und Überströmen empfindlichen Geräten ist seit langem bekannt. Insbesondere im Bereich des Überspannungsschutzes für Mess-, Telefon- und Daten/Signalleitungen bzw. Anwendungen bei Schutzkleinspannung sind zahlreiche Lösungsansätze bekannt.The problem of protection against overvoltage and overcurrent sensitive devices has long been known. In particular in the field of overvoltage protection for measuring, telephone and data / signal lines or applications in safety extra-low voltage numerous solutions are known.

In der AT 373 739 ist eine zweistufige Überspannungsschutzanordnung für ein Gerät mit niedrigem Schutzpegel bekannt. Eine erste Grobschutzstufe wird von einer Funkenstrecke oder einem Gasentladungsableiter realisiert. Die Feinschutzstufe, welche den niedrigen Schutzpegel für das Endgerät realisiert, wird wahlweise durch eine Zenerdiode oder einen Varistor realisiert. Bei größeren oder länger andauernden Störungen wird durch eine Längsimpedanz mit veränderlichem Widerstand ein zu den Feinschutzelementen zusätzlicher Spannungsabfall im Längszweig erzeugt. Dieser bedingt die passive Zündung des Grobschutzelementes. Als Längselement wird ein Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizient (PTC) eingesetzt. Die Erwärmung des PTC und somit die Begrenzung der Störenergie kann einerseits durch den Strom selbst und andererseits durch die Erwärmung der Feinschutzelemente erfolgen, da diese thermisch mit dem PTC gekoppelt sind.In the AT 373 739 is a two-stage surge protection device for a device with low protection level known. A first coarse protection stage is realized by a spark gap or a gas discharge arrester. The fine protection stage, which realizes the low protection level for the terminal, is optionally realized by a zener diode or a varistor. For larger or longer-lasting interference is generated by a longitudinal impedance with variable resistance to the fine protection elements additional voltage drop in the longitudinal branch. This requires the passive ignition of the coarse protection element. The longitudinal element used is a positive temperature coefficient (PTC) resistor. The heating of the PTC and thus the limitation of the interference energy can be done on the one hand by the current itself and on the other hand by the heating of the fine protection elements, since they are thermally coupled to the PTC.

Aus der DE 2009 022 832 ist eine Lösung bekannt, bei welcher anstelle eines festen Schutzpegels durch eine passiv wirkendes Feinschutzelement ein ansteuerbares Feinschutzelement beispielweise in Form eines Halbleiters eingesetzt wird. Durch eine Bewertung der Betriebsspannung wird der Schutzpegel des Feinschutzelementes automatisch an die Betriebsspannung angepasst. Bei Erreichen eines Grenzwertes, welcher auf die aktuelle Betriebsspannung bezogen ist, wird die Feinschutzstufe aktiviert. Der damit verbundene Stromfluss in der dem Grobschutzelement nachgeordneten Feinschutzstufe führt in diesem Fall zur Aktivierung des passiven Längselementes auf Halbleiterbasis (TBU) zwischen den beiden im Querzweig angeordneten Überspannungsschutzelementen. Durch das Ansprechen dieses stromgeführten Halbleiterbauteiles wird die Stromversorgung des Verbrauchers unterbrochen und ggf. das Grobschutzelement ein Gasentladungsableiter aktiviert.From the DE 2009 022 832 a solution is known in which instead of a fixed protection level by a passively acting fine protection element a controllable fine protection element is used for example in the form of a semiconductor. By evaluating the operating voltage, the protection level of the fine protection element becomes automatically adjusted to the operating voltage. When a limit value, which is related to the current operating voltage, the fine protection level is activated. The associated current flow in the fine protection element arranged downstream of the coarse protection element leads in this case to activation of the passive semiconductor-based longitudinal element (TBU) between the two overvoltage protection elements arranged in the transverse branch. By addressing this current-carrying semiconductor component, the power supply of the consumer is interrupted and, if necessary, the coarse protection element activates a gas discharge arrester.

Aus der DE 20 2005 010 430 geht hervor, dass diesbezügliche Schaltungsanordnungen zum kombinierten Überstrom- und Überspannungsschutz verwendet werden können. Die Anwendung einer TBU zum Schutz vor Überströmen in Kombination mit einem vorgeordneten Überspannungsschutzelement, insbesondere einem Gasentladungsableiter ist auch aus der US 2005/0180080 bekannt.From the DE 20 2005 010 430 shows that related circuitry for combined overcurrent and overvoltage protection can be used. The application of a TBU for protection against overcurrent in combination with an upstream overvoltage protection element, in particular a gas discharge arrester is also known from US 2005/0180080 known.

Der obengenannte Stand der Technik besitzt jedoch mehrere Nachteile. Die Leistungsfähigkeit der Bauteile im Längszweig ist insbesondere bezüglich des Nennstromes im Allgemeinen auf kleiner 1 A begrenzt. Der transiente Überspannungsschutzpegel wird durch die eingesetzten Feinschutzbauteile fest vorgegeben. Die Strombegrenzung ist unmittelbar mit den passiven Eigenschaften der Längsbauteile verbunden. Die Art und die Leistungsfähigkeit des eingesetzten Grobschutzelementes sind unmittelbar an die einmal festgelegten Eigenschaften des Feinschutzes und des Längselementes gekoppelt und erreichen nicht die Anforderungen eines SPD Typ 1.However, the above-mentioned prior art has several disadvantages. The performance of the components in the longitudinal branch is limited to less than 1 A, in particular with regard to the rated current. The transient overvoltage protection level is fixed by the fine protection components used. The current limit is directly connected to the passive properties of the longitudinal components. The type and performance of the coarse protection element used are directly coupled to the once defined properties of the fine protection and the longitudinal element and do not meet the requirements of an SPD type 1.

Die bekannten Lösungen sind darüber hinaus auch nicht für den Überspannungsschutz einer Niederspannungsversorgungsleitung geeignet, da die anzuschließenden Endgeräte im Allgemeinen unbekannt sind und häufig, wie bereits erläutert, ein unterschiedliches Schutzbedürfnis besteht.Moreover, the known solutions are also not suitable for the overvoltage protection of a low-voltage supply line, since the terminals to be connected are generally unknown and frequently, as already explained, a different need for protection exists.

Der Stand der Technik offenbart darüber hinaus Lösungsansätze zur Beseitigung einzelner Nachteile der bisher aufgezeigten Lösungen. In der DE 10 2007 017 858 wird eine Spannungsschutzeinrichtung für elektronische Geräte insbesondere der Automatisierungstechnik mit DC-Spannungsversorgungen vorgestellt. Diese Lehre zielt insbesondere auf die automatische Rücksetzbarkeit der Schutzeinrichtung durch den Einsatz eines Transistors im Längszweig. Aus der EP 0349750 ist zum Schutz eines elektronischen Gerätes eine ähnliche Anordnung mit einem Transistor im Längszweig bekannt, welcher bei einer Spannungsüberhöhung am Eingang der Schaltung über eine elektronische Steuerung in den Sperrzustand überführt wird. Das zu schützende Gerät wird dabei vom Netz abgetrennt. Die Schaltung ist bei Abklingen der Überspannung am Eingang, welche mit einem Komparator ermittelt wird, grundsätzlich automatisch rücksetzbar.The prior art also discloses solutions to eliminate individual disadvantages of the previously identified solutions. In the DE 10 2007 017 858 A voltage protection device for electronic devices, in particular automation technology with DC power supplies, is presented. This teaching aims in particular at the automatic resetting of the protective device by the use of a transistor in the longitudinal branch. From the EP 0349750 is to protect an electronic device, a similar arrangement with a transistor in the longitudinal branch known, which is transferred at a voltage overshoot at the input of the circuit via an electronic control in the blocking state. The device to be protected is disconnected from the mains. The circuit is basically automatically resettable when the overvoltage at the input, which is determined by a comparator, is decayed.

Die WO 2006/129005 beschreibt eine Überspannungsschutzanordnung mit bidirektional angeordneten stromgeführten Halbleiterbauelementen im Längszweig am Eingang. Die Halbleiterbauteile, beispielsweise Transistoren befinden sich im Normalfall im niederohmigen Zustand und gewährleisten die Energieversorgung der zu schützenden Elektronik. Dem Längselement nachgeordnet befindet sich beispielsweise ein Feinschutzelement, z. B. bidirektionale Avalanche-Dioden, welche den benötigten Schutzpegel für die zu schützende Elektronik realisieren.The WO 2006/129005 describes an overvoltage protection arrangement with bidirectionally arranged current-carrying semiconductor components in the longitudinal branch at the input. The semiconductor components, for example, transistors are normally in the low-resistance state and ensure the power supply of the electronics to be protected. Downstream of the longitudinal element is, for example, a fine protection element, for. As bidirectional avalanche diodes, which realize the required level of protection for the electronics to be protected.

Erreichen die Überspannungen Werte, welche zum Ansprechen der Feinschutzelemente führen, erhöht sich der Strom durch die Längselemente. Die Längselemente begrenzen den erhöhten Stromfluss entsprechend ihrer Strom-Spannungskennlinie und bauen eine Längsspannung auf. Der Arbeitspunkt der Längselemente wird mit Hilfe eines Widerstandes voreingestellt.If the overvoltages reach values which trigger the fine protection elements, the current through the longitudinal elements increases. The longitudinal elements limit the increased current flow according to their current-voltage characteristic and build up a longitudinal voltage. The operating point of the longitudinal elements is preset by means of a resistor.

Die Funktionsweise der obengenannten Schaltung ist analog zu der aus der AT 373 739 , vorteilhaft ist jedoch, dass durch den Einsatz von Leistungshalbleitern die Verluste gering gehalten werden können und das die realisierbare Nennstromstärke des Verbrauchers im Bereich von mehreren Ampere anstatt kleiner ein Ampere liegt. Durch die Einstellung des Arbeitsbereiches der Halbleiter mit Hilfe des Widerstandes kann zudem trotz gleicher Leistungshalbleiter eine Anpassung an die zu schützenden Elektronik in gewissen Grenzen realisiert werden.The operation of the above circuit is analogous to that of the AT 373 739 However, it is advantageous that the losses can be kept low by the use of power semiconductors and that the realizable rated current of the load in the range of several amperes instead of less than one ampere. By adjusting the working range of the semiconductor with the aid of the resistor, an adaptation to the electronics to be protected can be realized within certain limits despite the same power semiconductor.

Aus der WO 2005/052716 ist ein Vorschlag für eine Überspannungsschutzlösung mit Leistungshalbleitern, insbesondere MOSFET's bekannt. Diese Lösung umfasst sowohl Längselemente und Querelement auf der Basis von Halbleitern, welche aktiv zur Einhaltung von definierten Überspannungszeitkennlinien genutzt werden sollen. Die Lösung beschränkt sich hierbei nicht ausschließlich auf den Bereich kleinerer Versorgungsspannungen bzw. Leistungen, sondern erstreckt sich auf einen Spannungsbereich bei AC und DC bis 450 V. Es werden grundsätzliche Anordnungen und Funktionalitäten der Kombination von mehreren Systemkomponenten theoretisch beschrieben.From the WO 2005/052716 is a proposal for a surge protection solution with power semiconductors, in particular MOSFETs known. This solution comprises both longitudinal elements and cross element based on semiconductors, which are to be actively used to comply with defined overvoltage time characteristics. The solution is not limited to the range of smaller supply voltages or powers, but extends to a voltage range at AC and DC up to 450 V. Fundamental arrangements and functionalities of the combination of several system components are theoretically described.

Die zitierten Lösungen besitzen mehrere Nachteile für die Anwendung in einem NS-Versorgungsnetz an welches unterschiedliche Endgeräte mit verschiedenen Schutzbedürfnissen und Betriebsverhalten angeschlossen werden sollen. Ein Großteil der Lösungen basiert auf einem fest eingestellten Überspannungsschutzpegel, welcher über ein Feinschutzelement realisiert ist.The cited solutions have several disadvantages for use in an LV supply network to which different terminals with different protection needs and performance should be connected. A majority of the solutions is based on a fixed overvoltage protection level, which is realized via a fine protection element.

Die Höhe des tatsächlich benötigten Schutzpegels für ein unbekanntes Endgerät, welches an eine Niederspannungsversorgungsleitung angeschlossen wird, ist jedoch ebenfalls unbekannt. However, the amount of protection level actually required for an unknown terminal connected to a low voltage supply line is also unknown.

Der Schutzpegel kann zudem bei Überspannungsschutzgeräten, welche im Versorgungsnetz fest installiert sind, nicht beliebig abgesenkt werden. Der im Endgerät möglicherweise integrierte Überspannungsschutz ist bezüglich der Leistungsfähigkeit und des Schutzpegels ebenfalls unbekannt. Der Schutzpegel von internen Überspannungsschutzeinrichtungen in Endgeräten kann mitunter jedoch niedrig gewählt sein.In addition, the protection level can not be lowered arbitrarily in the case of overvoltage protection devices which are permanently installed in the supply network. The possibly integrated in the terminal surge protection is also unknown in terms of performance and protection level. However, the level of protection of internal surge protectors in terminals may sometimes be low.

Die Festlegung eines Spannungswertes zum Ansprechen oder Schalten eines Bauteiles im Querzweiges oder auch im Längszweig wäre daher rein willkürlich und für einen optimalen Schutz kaum zielführend.The determination of a voltage value for responding or switching a component in the shunt branches or in the longitudinal branch would therefore be purely arbitrary and hardly effective for optimum protection.

Eine Abstimmung eines passiv arbeitenden Längselementes, z. B. PTC, elektronische Sicherung oder stromgeführte und strombegrenzende Halbleiterbauteile kann aufgrund dieser fehlenden Größen ebenfalls nicht sinnvoll erfolgen. Darüber hinaus ist auch nur eine grobe Abstimmung mit dem vorgeordneten Überspannungsschutzelement möglich, da zur Entlastung der Schutzeinrichtung sowohl der Spannungsabfall über dem Längselement und dem Querelement also dem Feinschutz bekannt sein muss.A vote of a passive longitudinal element, for. As PTC, electronic fuse or current-carrying and current-limiting semiconductor devices can not be made meaningful due to these missing sizes also. In addition, only a rough vote with the upstream surge protection element is possible because the discharge of the protection device both the voltage drop across the longitudinal element and the cross member so the fine protection must be known.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Vorrichtung zum Überspannungsschutz durch Ableitung von transienten Störungen aus einem Spannungsversorgungsnetz anzugeben, die in der Lage ist, transiente Störgrößen am Endgerät ohne gerätespezifische Einschränkungen auf ein Minimum zu begrenzen, und die darüber hinaus die Möglichkeit besitzt, externe Signale zur Optimierung des Schutzverhaltens zu verarbeiten. Diese Möglichkeit der externen Ansteuerung soll auch ein Aktivieren unabhängig von den Netzverhältnissen und eine Anpassung bezüglich des Einbauorts gestatten. Weiterhin soll die Vorrichtung für den Niederspannungsbereich bei üblicher Energieversorgung, aber auch im Bereich der Datenverarbeitung, Telekommunikation oder der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik einsetzbar sein.From the foregoing, it is therefore an object of the invention to provide a further developed device for overvoltage protection by deriving transient disturbances from a power supply network, which is able to limit transient disturbances on the terminal without device-specific restrictions to a minimum, and beyond the possibility has to process external signals to optimize the protective behavior. This possibility of external control should also allow activation regardless of the network conditions and an adjustment with respect to the installation site. Furthermore, the device should be used for the low voltage range in conventional power supply, but also in the field of data processing, telecommunications or measurement and control technology.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch die Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The object of the invention is achieved by the combination of features according to claim 1, wherein the dependent claims represent at least expedient refinements and developments.

Es wird demnach von einer Vorrichtung zum Überspannungsschutz durch Ableitung von transienten Störungen aus einem Spannungsversorgungsnetz mit Eingangs- und Ausgangsklemmen sowie einem zwischen den Eingangsklemmen geschalteten Überspannungsschutzelement ausgegangen. Weiterhin ist eine Impedanz im Längszweig zwischen Eingangs- und Ausgangsklemme und eine Steuerung, die mit der Impedanz in Verbindung steht, vorhanden.It is therefore assumed that a device for overvoltage protection by dissipation of transient disturbances from a power supply network with input and output terminals and a switched between the input terminals overvoltage protection element. Furthermore, there is an impedance in the longitudinal branch between the input and output terminals and a controller that communicates with the impedance.

Erfindungsgemäß wird eine variable Impedanz eingesetzt, welche über die Steuerung beim Anlegen einer Spannung aus dem Versorgungsnetz in einen niederohmigen, hingegen bei transienten Störungen in einen nichtleitenden Sperrzustand versetzt ist.According to the invention, a variable impedance is used, which is offset by the control when applying a voltage from the supply network in a low-impedance, whereas transient disturbances in a non-conductive blocking state.

In Ausgestaltung der Erfindung wird als variable Impedanz mindestens ein spannungsgesteuerter Leistungshalbleiter eingesetzt, wobei bei transienten Strömen zwischen Eingangsklemme und Ausgangsklemme der Leistungshalbleiter bei einer Stromhöhe unterhalb netzfrequenter Ströme in den Sperrzustand versetzt ist.In an embodiment of the invention, at least one voltage-controlled power semiconductor is used as the variable impedance, wherein at transient currents between input terminal and output terminal of the power semiconductor is offset at a current level below power frequency currents in the blocking state.

Die Restbelastung eines an den Ausgangsklemmen angeschlossenen Endgeräts kann dabei geringer sein als die Strombegrenzung einer Halbleitersicherung für die gegebene Spannungsebene bei Nennstromstärke.The residual load of a terminal connected to the output terminals can be less than the current limit of a semiconductor fuse for the given voltage level at rated current.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Leistungshalbleiter bei netzfrequenten Strömen mittels eines Spannungsabfalls über einen Shunt oder bei transienten Strömen mit Hilfe der in einer Messschleife induzierten Spannung in den Sperrzustand versetzt.In a further embodiment of the invention, the power semiconductor is offset in power-frequency currents by means of a voltage drop across a shunt or transient currents using the voltage induced in a measurement loop in the blocking state.

Wiederum ausgestaltend ist die Steuerung mit einer Schnittstelle versehen, um einen Sperrzustand der variablen Impedanz unabhängig vom Stromfluss zwischen Eingangs- und Ausgangsklemmen auszulösen.In turn, the controller is provided with an interface to initiate a locked state of the variable impedance regardless of the current flow between input and output terminals.

Zur Lösung der Aufgabe wird also eine Überspannungsschutzeinrichtung vorgeschlagen, welche mindestens aus einem Grobschutzelement eines SPD Typ 1 und einer variablen Längsimpedanz besteht. Als SPD Typ 1 wird bevorzugt eine triggerbare Funkenstrecke mit einem Schutzpegel von 1,5 kV eingesetzt. Der Funkenstrecke kann ein üblicher Varistorableiter SPD Typ 2 direkt parallel geschaltet sein. Als variable Längsimpedanz wird bevorzugt ein spannungsgesteuerter Leistungshalbleiter insbesondere ein IGBT eingesetzt.To solve the problem, therefore, an overvoltage protection device is proposed which consists of at least one coarse protection element of an SPD type 1 and a variable longitudinal impedance. As SPD type 1, a triggerable spark gap with a protection level of 1.5 kV is preferably used. The spark gap can be connected in parallel with a conventional varistor surge arrester SPD type 2. As a variable longitudinal impedance, a voltage-controlled power semiconductor, in particular an IGBT, is preferably used.

Weiterhin geeignet sind beispielsweise SiC-MOSFET's oder schaltbare Halbleiterbauteile auf der Basis von GaNi. Der Leistungstransistor beispielsweise ein IGBT wird beim Einschalten der Netzspannung bevorzugt über ein integriertes Netzteil und unabhängig von der augenblicklichen Last des Verbrauchers in den leitenden niederohmigen Zustand versetzt. Der dauerhaft zulässige Nennstrom der variablen Längsimpedanz entspricht dabei dem Nennwert einer üblichen Netzversorgungleitung für Endgeräte beispielsweise 16 A bei einer Nennspannung von 230 V AC. Bei Laständerungen, beispielweise bei getakteten oder beim Einschalten der Verbraucher werden die gegenüber dem Nennstrom zum Teil stark erhöhten Ströme von dem Längselement getragen. Dies betrifft beispielsweise auch Einschaltrushströme in der Höhe von ca. 200 A oder mehr. Bei dem Auftreten von transienten Strömen wird die variable Längsimpedanz hingegen insbesondere bei hohen Steilheiten rasch gesperrt. Die Peakwerte der Durchlassströme und auch die Durchlassenergie (I²t-Wert) ist selbst bei Strömen im Bereich von mehreren 10 kA der Wellenform 4/10, 8/20 und 10/350 μs kleiner als bei den zulässigen Einschaltrushströmen bzw. erhöhten Strömen bei Lastwechsel und betriebsfrequenten Vorgängen.Further suitable examples are SiC-MOSFETs or switchable semiconductor components based on GaNi. The power transistor, for example an IGBT, is preferably switched on when the mains voltage is switched on via an integrated power supply unit and independent of the instantaneous load of the consumer in the conductive low-impedance state added. The permanently permissible rated current of the variable longitudinal impedance corresponds to the nominal value of a standard mains supply line for terminals, for example, 16 A at a rated voltage of 230 V AC. When load changes, for example, when clocked or when switching on the consumer over the rated current in part greatly increased currents are carried by the longitudinal element. This also applies, for example, to switch-on rush currents in the amount of approx. 200 A or more. On the other hand, when transient currents occur, the variable longitudinal impedance is rapidly blocked, especially at high slopes. The peak values of the forward currents as well as the pass-through energy (I ² t value) are smaller than the permissible turn-on currents or increased currents even with currents in the range of several 10 kA of the waveforms 4/10, 8/20 and 10/350 μs Load changes and operating frequency operations.

Die variable Längsimpedanz unterbricht die Stromversorgung des Endgerätes bei transienten Impulsströmen, wobei der Durchgangsstrom in seiner Höhe und seiner Dauer stark begrenzt ist. Die Restbelastung des Endgerätes bei transienten Impulsströmen ist deutlich geringer als die Strombegrenzung einer sogenannten Halbleitersicherung (Teilbereichsschutz aR bzw. Ganzbereichsschutz gR) für die entsprechende Spannungsebene bei entsprechender Nennstromstärke. Die konventionellen Halbleiterbauteile sind somit energetisch ohne zusätzliche Absicherung optimal geschützt.The variable longitudinal impedance interrupts the power supply of the terminal at transient pulse currents, the through-flow is severely limited in its height and duration. The residual load of the terminal at transient pulse currents is significantly lower than the current limit of a so-called semiconductor fuse (partial area protection aR or Ganzbereichsschutz gR) for the corresponding voltage level at a corresponding rated current. The conventional semiconductor components are thus optimally protected energetically without additional protection.

Besitzt die transiente Störgröße eine ausreichende Energie wird insbesondere bei üblicherweise sehr niederimpedanten Niederspannungsversorgungsnetzen zum Teil auch bei Kompaktanlagen nur eine vernachlässigbare Impedanz zwischen dem vorgeordneten SPD Typ 1 und der variablen Längsimpedanz vorliegen. In diesem Fall wird die notwenige Spannung bis zur Zündung des SPD Typ 1 ausschließlich über der variablen Längsimpedanz aufgebaut. Bei Netzen mit höherer Eigenimpedanz und/oder längeren Leitungs- oder zusätzlichen Entkopplungsimpedanzen, wie sie beispielweise bei der MSR-Technik üblich sind, sinkt selbstverständlich die Spannungsbelastung für die variable Längsimpedanz. Eine zusätzliche, jedoch im Allgemeinen unbekannte Teilspannung wird auch von den Bauteilen des ggf. vorhandenen internen Überspannungsschutzes im Endgerät bereitgestellt. Nach der Ableitung der Störgröße erfolgt die automatische Rückführung der variablen Längsimpedanz in den niederohmigen Zustand. Die Belastbarkeit der variablen Längsimpedanz bei Strömen oberhalb des Nennstromes ist bevorzugt mit der Zeit/Strom-Kennlinie von in der Niederspannungsversorgung üblichen Überstromschutzeinrichtungen z. B. Sicherungen mit einer Betriebsklasse gG – Charakteristik abgeglichen.If the transient disturbance variable has sufficient energy, in particular in the case of usually very low-impedance low-voltage supply networks, even in the case of compact systems, only a negligible impedance between the upstream SPD type 1 and the variable longitudinal impedance will be present. In this case, the necessary voltage is built up to the ignition of the SPD type 1 exclusively via the variable longitudinal impedance. In networks with higher self-impedance and / or longer line or additional decoupling impedances, as they are common for example in the MCR technology, of course, the voltage load for the variable longitudinal impedance decreases. An additional, but generally unknown partial voltage is also provided by the components of the possibly existing internal overvoltage protection in the terminal. After the derivative of the disturbance, the automatic feedback of the variable longitudinal impedance is in the low-resistance state. The capacity of the variable longitudinal impedance at currents above the rated current is preferably with the time / current characteristic of the usual low-voltage supply overcurrent protection devices z. For example, fuses have been matched with a gG rating operating characteristic.

Die Sperrung der variablen Längsimpedanz kann bei betriebsfrequenten Strömen über die integrierte Selbstsperrung durch Überwachung der Entsättigung entsprechend der ausgewiesenen Kurzschlussstromwerte erfolgen. Da die Werte dieser Kurzschlussströme jedoch insbesondere bei leistungsstarken Leistungshalbleitern recht hoch liegen, wird bevorzugt eine Strombewertung mit Hilfe eines niederohmigen Shunts durchgeführt. Die Halbleiter werden dann gezielt bei Strömen gesperrt, welche nur knapp oberhalb der zulässigen bzw. erforderlichen Einschaltrushströme liegen.The blocking of the variable longitudinal impedance can occur at operating frequency currents via the integrated self-locking by monitoring the desaturation according to the specified short-circuit current values. However, since the values of these short-circuit currents are quite high, especially in the case of powerful power semiconductors, a current evaluation is preferably carried out with the aid of a low-impedance shunt. The semiconductors are then selectively blocked at currents which are only slightly above the permissible or required switch-on curcuit currents.

Bei transienten Strömen wird durch die Ausnutzung einer zusätzlichen Spannungsinduktion in den Ansteuerkreis der Halbleiter gesperrt. Zur Ausnutzung dieses Effektes werden die Anordnung des Shunts und dessen Messabgriff gezielt gestaltet.For transient currents, the use of an additional voltage induction in the drive circuit blocks the semiconductor. To exploit this effect, the arrangement of the shunt and the measuring tap are designed specifically.

Durch die zusätzlich induzierte Spannung wird insbesondere bei hohen und steilen Stromstärken der Störgröße eine Sperrung der Längsimpedanz bewirkt, wodurch die Durchlassintegrale mit steigender Störgröße für den Verbraucher begrenzt bleiben.Due to the additionally induced voltage blocking of the longitudinal impedance is effected in particular at high and steep currents of the disturbance, whereby the Durchlaßintegrale remain limited with increasing disturbance variable for the consumer.

Neben dieser variablen Sperrung der Längsimpedanz infolge der einfachen Strombewertung bzw. zudem durch die bei transienten Störungen induzierten Spannungen, besitzt die variable Längsimpedanz bevorzugt eine von dieser Steuerung unabhängige, zusätzliche Ansteuerung zur Abtrennung des Endgerätes.In addition to this variable blocking of the longitudinal impedance as a result of the simple current evaluation or, in addition, by the voltages induced in the case of transient disturbances, the variable longitudinal impedance preferably has an additional drive for disconnecting the terminal, which is independent of this control.

Diese Ansteuerung kann beispielsweise mit einer internen Spannungsbewertung z. B. zum TOV-Schutz verbunden sein. Ebenso kann die Schnittstelle mit einer separaten Strom bzw. Spannungsbewertung verbunden sein. Die Schnittstelle kann von separaten Überspannungsschutzgeräten, welche beispielweise in einer ausgedehnten Installation nachgeordnet sind oder auch von Überspannungsschutzgeräten, welche nicht zur festen Installation gehören angesteuert werden. Selbstverständlich ist auch eine Ansteuerung direkt durch das Endgerät möglich.This control can, for example, with an internal voltage rating z. B. connected to the TOV protection. Likewise, the interface may be connected to a separate current or voltage rating. The interface can be controlled by separate overvoltage protection devices, which are arranged downstream, for example, in an extended installation, or by overvoltage protection devices which do not belong to the fixed installation. Of course, a control directly through the terminal is possible.

Eine Überspannungseinrichtung auf Funkenstreckenbasis mit einer üblichen Zündeinrichtung wird zur Ableitung von transienten Störungen zwischen L und N als SPD (Surge Protection Device) Typ 1 eingesetzt. Dem SPD Typ 1 wird im Längszweig eine variable Impedanz nachgeordnet. Das Längselement ist dabei bevorzugt auf der Basis von Leistungshalbleitern aufgebaut. Die variable Impedanz wird bei Anliegen einer Spannung bzw. bei der Inbetriebnahme von Endgeräten durch eine Netzversorgung und eine Steuerung in den leitenden niederohmigen Zustand versetzt. Bei transienten Impulsströmen wird die variable Impedanz mit Hilfe einer passiven Steuerung in den Sperrzustand versetzt. Die Impulsströme werden hierbei sowohl in der Amplitude als auch bezüglich der Energie (I²t-Wert) auf einen kleineren Wert, als die jeweiligen für einen störungsfreien Betrieb der Endgeräte üblichen und zulässigen Werte der Einschaltströme, begrenzt.A spark gap-based overvoltage device with a conventional ignition device is used to derive transient interference between L and N as SPD (Surge Protection Device) type 1. The SPD type 1 is followed by a variable impedance in the longitudinal branch. The longitudinal element is preferably constructed on the basis of power semiconductors. The variable impedance is placed in the conductive low-impedance state when a voltage or when commissioning of terminals by a power supply and a controller. For transient pulse currents, the variable impedance is switched to the blocking state by means of a passive control. The pulse currents are here in both the amplitude and with respect to the energy (I ² t value) to a value smaller than the respective values of the inrush currents which are customary and permissible for fault-free operation of the terminals.

Die variable Impedanz besitzt darüber hinaus eine Schnittstelle über welche sie unabhängig von den transienten Störgrößen und unabhängig von der passiven transienten Ansteuerung ebenfalls in den Sperrzustand überführt werden kann. Diese Schnittstelle kann von internen bzw. externen Bewertungseinrichtungen der Netzversorgung oder auch direkt von Endgeräten genutzt werden.In addition, the variable impedance has an interface via which it can also be converted into the blocking state independently of the transient disturbances and independently of the passive transient activation. This interface can be used by internal or external evaluation devices of the power supply or directly from terminals.

Die Spannungsfestigkeit der variablen Impedanz ist dabei so ausgelegt, dass bei transienten Belastungen bis zur Kategorie 1 der vorgeordnete SPD Typ 1 passiv aktiviert wird. Bei kleineren Störgrößen oder temporärer Belastung wird das Endgerät ohne Aktivierung des Querelementes SPD Typ 1 vom Netz getrennt. Die zusätzliche Ansteuereinrichtung kann leitungsgebunden, mit LWL, per Powerline oder auch drahtlos angesteuert werden. Die Verzugszeit bis zur Sperrung der variablen Impedanz nach Signalgabe ist vernachlässigbar.The dielectric strength of the variable impedance is designed in such a way that the upstream SPD type 1 is passively activated for transient loads up to category 1. For smaller disturbances or temporary load, the terminal is disconnected from the grid without activating the cross element SPD type 1. The additional control device can be wired, with LWL, powered by powerline or wirelessly. The delay time until the blocking of the variable impedance after signaling is negligible.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment and with the aid of figures.

Hierbei zeigen:Hereby show:

1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Überspannungsschutz; 1 a block diagram of the device according to the invention for overvoltage protection;

2 einen beispielhafter Aufbau der variablen Längsimpedanz unter Rückgriff auf spannungsgesteuerte Leistungshalbleiter; 2 an exemplary structure of the variable longitudinal impedance with reference to voltage-controlled power semiconductors;

3 eine detailliertere Darstellung der Ansteuerung der Längsimpedanz zwischen Eingangsklemme E1 und Ausgangsklemme A1; 3 a more detailed representation of the control of the longitudinal impedance between input terminal E1 and output terminal A1;

4a und 4b beispielhafte Stromverläufe zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkung der variablen Längsimpedanz auf den Strom innerhalb der Verbindungsleitung zwischen Eingangsklemme E1 und Ausgangsklemme A1; 4a and 4b exemplary current waveforms for explaining the principal effect of the variable longitudinal impedance on the current within the connecting line between input terminal E1 and output terminal A1;

5 ein Diagramm zur Erläuterung zur Kurzschlussstromtragfähigkeit eingesetzter Leistungshalbleiter mit Effekt der Selbstabriegelung im Kurzschlussfall; 5 a diagram for explaining the short-circuit current carrying capacity used power semiconductors with the effect of self-locking in the event of a short circuit;

6a und 6b für eine beispielhaft ausgeführte variable Längsimpedanz den Verlauf der transienten Ströme der Wellenform 8/20 μs in der Verbindungsleitung zwischen Eingangsklemme E1 und Ausgangsklemme A1 bei unterschiedlich hohen Amplituden des Impulsstroms; 6a and 6b for an exemplarily implemented variable longitudinal impedance, the course of the transient currents of the waveform 8/20 μs in the connecting line between input terminal E1 and output terminal A1 at different high amplitudes of the pulse current;

7a und 7b die beispielhafte Gesamtfunktion der Überspannungsschutzeinrichtung gemäß der Erfindung bei einem Impulsstrom der Wellenform 8/20 μs mit einer Amplitude von ca. 10 kA und 7a and 7b the exemplary overall function of the overvoltage protection device according to the invention at a pulse current of the waveform 8/20 μs with an amplitude of about 10 kA and

8 einen prinzipiellen Gesamtaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung nebst beispielhaften technischen Erweiterungen zur Erhöhung der Funktionalität. 8th a basic overall structure of the device according to the invention in addition to exemplary technical enhancements to increase the functionality.

1 zeigt eine beispielhafte prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Überspannungs-Schutzschaltung. Parallel zu den Netzeingangsklemmen E1 und E2 befindet sich das Grobschutzelement SPD Typ 1 1 mit einem Schutzpegel von z. B. 1,5 kV. An den Ausgangsklemmen A1 und A2 ist der zu schützende Verbraucher 4 angeschlossen. In der Verbindungsleitung zwischen einer der Eingangsklemmen und der dazugehörigen Ausgangsklemme befindet sich die variable Längsimpedanz 2. Sie wird von der Steuerung 3 beeinflusst. Über den Anschluss bzw. die Schnittstelle 5 kann die variable Längsimpedanz von einem weiteren internen oder externen Ansteuersignal von den niederohmigen in den hochohmigen Zustand versetzt werden. 1 shows an exemplary basic embodiment of the overvoltage protection circuit according to the invention. Parallel to the mains input terminals E1 and E2 is the coarse protection element SPD type 1 1 with a protection level of z. B. 1.5 kV. At the output terminals A1 and A2 is the consumer to be protected 4 connected. In the connecting line between one of the input terminals and the associated output terminal is the variable longitudinal impedance 2 , It is controlled by the controller 3 affected. Via the connection or the interface 5 For example, the variable longitudinal impedance can be offset from the low-impedance to the high-impedance state by a further internal or external drive signal.

Das Grobschutzelement 1 kann neben den beispielhaften einfachen Funkenstrecken auch eine getriggerte Funkenstrecke, ebenso ein sogenannter Kombiableiter bestehend aus Funkenstrecke und Parallelvaristor oder auch bei einer geringeren Gefährdungsklasse nur ein einfacher Varistorableiter sein. Entscheidend für die bevorzugt angestrebte einfache Funktionsweise ist, dass nach dem Sperren der variablen Längsimpedanz 2 bei energiereichen transienten Überspannungen die Ansprechspannung und die Restspannung des Grobschutzelementes kleiner als die maximal zulässige Sperrspannung der variablen Längsimpedanz 2 ist.The coarse protection element 1 In addition to the exemplary simple spark gaps and a triggered spark gap, as well as a so-called combination arrester consisting of spark gap and Parallelvaristor or even with a lower hazard class only a simple Varistorableiter. Decisive for the preferred simple mode of operation is that after the blocking of the variable longitudinal impedance 2 in the case of high-energy transient overvoltages, the response voltage and the residual voltage of the coarse protection element are smaller than the maximum permissible reverse voltage of the variable longitudinal impedance 2 is.

Die variable Längsimpedanz 2 wirkt mit der Steuerung 3, bevorzugt inklusive eines Netzteils zur Spannungsversorgung, zusammen. Die Steuerung 3 versetzt die variable Längsimpedanz bei Anliegen einer Spannung zwischen den Eingangsklemmen E1 und E2 unabhängig vom Lastzustand des Verbrauchers 4 in den niederohmigen leitenden Zustand. Eine passive Steuerung ermöglicht es, die variable Längsimpedanz bei erhöhten Strömen in der Verbindungsleitung unter Differenzierung zwischen betriebsfrequenten Überströmen bzw. transienten Strömen zu sperren. Darüber hinaus kann unabhängig von dieser im Weiteren näher erläuterten Unterscheidung, das variable Längselement über eine zusätzliche Schnittstelle 5 durch verschiedenste Bewertungseinrichtungen und nach beliebigen Kriterien auch aktiv angesteuert werden. Nicht einschränkende Beispiele werden im Weiteren erläutert.The variable longitudinal impedance 2 works with the controller 3 , preferably including a power supply to the power supply, together. The control 3 causes the variable longitudinal impedance when a voltage between the input terminals E1 and E2 applied regardless of the load state of the consumer 4 in the low-ohmic conductive state. A passive control makes it possible to block the variable longitudinal impedance with increased currents in the connecting line with differentiation between operating frequency overcurrents or transient currents. In addition, regardless of this distinction explained in more detail below, the variable longitudinal element can be connected via an additional interface 5 be actively controlled by a variety of evaluation facilities and according to any criteria. Non-limiting examples are explained below.

In 2 ist ein beispielhafter Aufbau der variablen Längsimpedanz 2 und deren Anbindung 9 in der Verbindungsleitung zwischen der Eingangsklemme E1 und der Ausgangsklemme A1 für eine AC–Versorgung dargestellt. Die steuerbaren Leistungshalbleiter 7, welche bevorzugt als IGBT entsprechend der Darstellung ausgeführt werden, sind symbolisch über die Verbindung 9 mit der Steuerung 3 verbunden. Die Entkopplungsdioden 8 sind als diskrete Bauteile dargestellt. Selbstverständlich können auch die internen Dioden, beispielsweise bei der Verwendung von MOSFET's mit einer geringfügigen Anpassung der Schaltung verwendet werden oder sie können beim Einsatz von reverse blocking IGBT's als Leistungshalbleiter 7 ganz entfallen. In 2 is an exemplary construction of the variable longitudinal impedance 2 and their connection 9 in the connection line between the input terminal E1 and the output terminal A1 for an AC supply. The controllable power semiconductors 7 , which are preferably executed as IGBTs as shown, are symbolic of the connection 9 with the controller 3 connected. The decoupling diodes 8th are shown as discrete components. Of course, the internal diodes, for example, when using MOSFETs with a slight adjustment of the circuit can be used or they can when using reverse blocking IGBT's as power semiconductors 7 completely omitted.

Die Messung des Stroms erfolgt bevorzugt mit den Shunts 6. Bei dem Überschreiten eines zulässigen Stroms wird mittels des Transistor T1, welcher hier symbolisch als ein NPN Transistor dargestellt ist, die variable Längsimpedanz 7 direkt gesperrt.The measurement of the current is preferably carried out with the shunts 6 , When a permissible current is exceeded, the variable longitudinal impedance is generated by means of the transistor T1, which is symbolically represented here as an NPN transistor 7 directly locked.

Die Sperrung erfolgt dabei durch den Spannungsabfall über dem Shunt 6 und somit über die Impedanz des Shunts. Durch die Wahl der Impedanz des Shunts kann somit der für die Verbindungsleitung maximale Stromwert festgelegt werden. Dieser maximale Wert ist abhängig von der maximalen Leistungsfähigkeit des Leistungshalbleiters und den Anforderungen des Verbrauchers bzgl. eines störungsfreien Betriebes. So müssen u. a. bei der festen Installation der Überspannungsschutzeinrichtung in der Niederspannungsversorgungsleitung unbedingt übliche betriebsbedingte und verbraucherspezifische Einschaltrushströme entsprechend der Nennleistung des Anschlusses beispielsweise bei einer Einspeisung mit In = 16 A bei 230 V AC bei 3,6 kW zulässig sein. Die zulässigen maximal Stromhöhen liegen hierbei bei deutlich > 100 A.The blocking takes place by the voltage drop across the shunt 6 and thus the impedance of the shunt. By choosing the impedance of the shunt, the maximum current value for the connection line can thus be determined. This maximum value depends on the maximum performance of the power semiconductor and the requirements of the consumer with regard to a trouble-free operation. For example, in the case of the fixed installation of the overvoltage protection device in the low-voltage supply line, it is essential to permit normal operating and consumer-specific switch-on cur- rent currents corresponding to the rated power of the connection, for example with a supply of In = 16 A at 230 V AC at 3.6 kW. The maximum allowable current levels are clearly> 100 A.

Der eingesetzte Shunt 6 kann verschieden ausgebildet sein. Im einfachsten Fall handelt es sich um einen ohmschen Widerstand. Für die Anwendung ist jedoch auch die Umsetzung mit einem Kaltleiter denkbar, der einerseits im Normalbetrieb eine sehr geringe Verlustleistung erzeugt, und anderseits bei einem erhöhten Strom sehr schnell eine ausreichend hohe Spannung zum Ansteuern des Transistors T1 erzeugt. Der Nachteil eines keramischen oder polymeren Kaltleiters im Allgemeinen als PTC bezeichnet, ist jedoch, dass er bei transienten Strömen zunächst einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, bevor er hochohmig wird. Der Betrieb des PTC's innerhalb des Widerstandsminimums also beim Minimalwert ist zwar prinzipiell möglich, setzt jedoch entweder ein Kenntnis des realen Nennstromes oder aufwendige Zusatzmaßnahmen voraus. Eine weitere Form des Shunts bildet ein ohmscher Widerstand auf der Basis eines Metallwiderstands mit einem ausgeprägten positiven Temperaturkoeffizienten.The inserted shunt 6 can be designed differently. In the simplest case, it is an ohmic resistance. For the application, however, the implementation with a PTC thermistor is conceivable, on the one hand generates a very low power loss in normal operation, and on the other hand, at a high current very quickly generates a sufficiently high voltage for driving the transistor T1. However, the disadvantage of a ceramic or polymeric PTC thermistor, generally referred to as PTC, is that it initially has a negative temperature coefficient for transient currents before it becomes high-ohmic. Although the operation of the PTC within the minimum resistance value at the minimum value is possible in principle, it presupposes either a knowledge of the real rated current or complex additional measures. Another form of shunt is an ohmic resistor based on metal resistance with a pronounced positive temperature coefficient.

Die Erstellung und Bemessung dieser speziellen Shunts ist jedoch recht aufwendig. Zudem besteht der Nachteil, dass die Erhöhung des Widerstandes infolge der Erwärmung stark von der Energie und dem Stromverlauf sowie auch den Umgebungsbedingungen abhängig ist. Insbesondere für die angestrebte erfinderische schnelle Begrenzung von transienten Störgrößen bei minimalen energetischen Belastungen des Endgerätes durch transiente Störungen, sind diese Gestaltungsvarianten für den Shunt daher nur einschränkend geeignet.However, the creation and dimensioning of these special shunts is quite expensive. In addition, there is the disadvantage that the increase in resistance as a result of the heating is highly dependent on the energy and the current profile as well as the environmental conditions. In particular, for the desired inventive rapid limitation of transient disturbances with minimal energetic loads of the terminal by transient disturbances, these design variants for the shunt are therefore only of limited suitability.

Die für die Realisierung des Shunts sehr vorteilhafte erfinderische Gestaltungsform ist die eines ohmschen Messwiderstands mit einem Wert von wenigen mΩ, um die Verlustleistung zu minimieren, mit einer zusätzlichen Spannungseinkopplung, welche unabhängig von der Erwärmung und verzugsfrei sowie selbsttätig nur bei hohen di/dt-Werten wirksam ist. Neben der entsprechenden geometrischen Gestaltung des Shunts kann auch dessen Anordnung und die gesamte Gestaltung des für die passive Ansteuerung des Leistungshalbleiters relevanten Messkreis 10 genutzt werden.The highly advantageous for the realization of the shunt inventive design form that of a resistive measuring resistor with a value of a few mΩ to minimize the power loss, with an additional voltage coupling, which regardless of the heating and distortion-free and automatically only at high di / dt values is effective. In addition to the corresponding geometric design of the shunt, its arrangement and the entire design of the measuring circuit relevant for the passive control of the power semiconductor can also be used 10 be used.

In diesen Messkreis wird bei hohen di/dt-Werten bereits bei kleinen Amplituden der Ströme eine zusätzliche induktive Spannungen eingekoppelt, welche zu einer beschleunigten Sperrung der Leistungshalbleiter genutzt werden kann Der Messkreis 10 wird bevorzugt so gestaltet, dass bei Strömen, insbesondere der Impulsformen 8/20 μs bzw. 10/350 μs mit einer Höhe, welche der des maximal zugelassenen netzfrequenten Einschaltstromes entspricht, der Anteil an der benötigten Steuerspannung durch die induzierte Spannung bereits bevorzugt größer als 50% ist. Dies ermöglicht bereits bei dieser vergleichsweise geringen Impulshöhe eine schnelle Sperrung der Längsimpedanz und eine starke Begrenzung der Durchlassströme. Dieser gewünschte Spannungsanteil kann bei 8/20 μs Impulsen bereits mit einer Koppelimpedanz von einigen nH erreicht werden.At high di / dt values, an additional inductive voltage is coupled into this measuring circuit even at small amplitudes of the currents, which can be used to accelerate the blocking of the power semiconductors 10 is preferably designed so that at currents, in particular the pulse forms 8/20 μs or 10/350 μs with a height which corresponds to the maximum permitted mains frequency inrush current, the proportion of the required control voltage by the induced voltage already preferably greater than 50 % is. This allows a fast blocking of the longitudinal impedance and a strong limitation of the forward currents already at this comparatively low pulse height. This desired voltage component can already be achieved with 8/20 μs pulses with a coupling impedance of a few nH.

Bei transienten Überströmen steht somit gegenüber dem reinen ohmschen Spannungsabfall infolge des Stromes eine deutlich höhere Basis-Emitterspannung am Transistor T1 zur Verfügung, wodurch die Längsimpedanz sehr schnell in einen hochohmigen Zustand gebracht werden kann. Durch diese Maßnahme wird sowohl die Stromamplitude als auch insbesondere die energetische Belastung (I²t-Wert) bei transienten Belastungen am Verbraucher bzw. an dessen internen Überspannungsschutzkomponenten sehr stark reduziert.In the case of transient overcurrents, a significantly higher base-emitter voltage is available at the transistor T1 compared with the pure ohmic voltage drop as a result of the current, as a result of which the longitudinal impedance can be brought into a high-resistance state very quickly. As a result of this measure, both the current amplitude and, in particular, the energetic load (I ² t value) are very greatly reduced in the case of transient loads on the load or on its internal overvoltage protection components.

Prinzipiell ist es auch möglich, eine zusätzliche Spannung infolge eines hohen di/dt-Wertes durch Integration einer geometrischen oder auch realen Induktivität im Emitterkreis der Leistungshalbleiter zu realisieren, jedoch ist dies aufgrund der damit verbunden Wechselwirkung u. a. bezüglich des möglichen Schwingverhaltens für die Gesamtfunktion ungünstiger als die vorgeschlagene Einkopplung der Spannung in den nicht laststromdurchflossenen Messkreis 10. Die Gefahr der Zerstörung des Gate-Kreises ist durch die erfinderische Maßnahme gering und es bedarf keiner weiteren zusätzlichen, aufwendigen und störempfindlichen Schutzmaßnahmen.In principle, it is also possible, an additional voltage due to a high di / dt value by integration of a geometric or real inductance in the emitter circuit of the power semiconductor to realize, however, this is due to the associated interaction, inter alia, with respect to the possible vibration behavior for the overall function less favorable than the proposed coupling of the voltage in the non load current flowing through the measuring circuit 10 , The risk of destruction of the gate circuit is low by the inventive measure and it requires no further additional, complex and susceptible protection measures.

3 zeigt die Ansteuerung der variablen Längsimpedanz 2 zwischen E1 und A1, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Leistungshalbleiter z. B. entsprechend einer DC-Anwendung dargestellt ist. Die Leistungsversorgung 11 zur Steuerung der variablen Impedanz kann, wie hier beispielsweise dargestellt, über einen AC/DC bzw. DC/DC Wandler aus dem Versorgungsnetz E1 E2 erfolgen. Die Gatestufen werden potentialfrei mit einer Gleichspannung 12 versorgt. Der Leistungshalbleiter 7 wird bei Anliegen einer Spannung zwischen E1 und E2 in den niederohmigen Zustand versetzt. Die Steuerung der variablen Längsimpedanz erfolgt potentialgetrennt mit der Komponente 13 über die Anbindung 9 und den symbolisch dargestellten Gatewiderstand 18. Über eine Diode 14 wird die sogenannte Entsättigung des Leistungshalbleiter überwacht und über den Optokoppler 13 potentialfrei an die Steuerung zurückgemeldet. 3 shows the control of the variable longitudinal impedance 2 between E1 and A1, for reasons of clarity, only a power semiconductor z. B. is shown according to a DC application. The power supply 11 to control the variable impedance can, as shown here, for example, via an AC / DC or DC / DC converter from the supply network E1 E2 done. The gate stages become potential-free with a DC voltage 12 provided. The power semiconductor 7 is placed in the low-resistance state when a voltage between E1 and E2 is applied. The control of the variable longitudinal impedance is electrically isolated with the component 13 over the connection 9 and the symbolically represented gate resistance 18 , About a diode 14 the so-called desaturation of the power semiconductor is monitored and via the optocoupler 13 returned to the controller potential-free.

Die Ansteuerlogik 15 kann über den separaten Signaleingang 5 betätigt werden. Die Logik 15 kann beispielsweise über eine Resetsteuerung verfügen, welche nach Anlegen der Netzspannung wirksam wird und das Einschalten der variablen Längsimpedanz steuert. Die Ansteuerlogik kann zusätzlich ein Zeitglied 16 umfassen, welches nach der Sperrung der Längsimpedanz die Rücksetzung steuert. Dies kann selbstverständlich auch über eine aktive Spannungs-, Strom- bzw. auch Temperaturkontrolle erfolgen, welche den Netz- bzw. Gerätezustand überwacht. Die Sperrung der Längsimpedanz über den zusätzlichen Signaleingang 5 erfolgt potentialgetrennt über den Optokoppler 13, die Leitungen 9 bzw. Anbinduing und den Widerstand 18.The control logic 15 can via the separate signal input 5 be operated. The logic 15 For example, it can have a reset control, which becomes effective after the mains voltage has been applied and controls the switching on of the variable longitudinal impedance. The control logic can also be a timer 16 include, which controls the reset after the blocking of the longitudinal impedance. This can of course also be done via an active voltage, current or temperature control, which monitors the network or device status. The blocking of the longitudinal impedance via the additional signal input 5 is electrically isolated via the optocoupler 13 , the wires 9 or attachment and resistance 18 ,

Für einen stabilen Zustand und eine definierte Zustandsänderung kann es von Vorteil sein, dass in den passiven Ansteuerkreis 10 mit dem Shunt 6 und dem Transistor T1 ggf. eine zusätzliche Zenerdiode 17 integriert ist, welche den Leistungshalbleiter 7 zunächst in den linearen Betrieb versetzt.For a stable state and a defined state change, it may be advantageous that in the passive drive circuit 10 with the shunt 6 and the transistor T1, if necessary, an additional Zener diode 17 integrated, which is the power semiconductor 7 initially put into linear operation.

In 4a und b wird anhand von beispielhaften Stromverläufen die prinzipielle Wirkung der variablen Längsimpedanz auf den Strom innerhalb der Verbindungsleitung zwischen E1 und A1 erläutert.In 4a and b illustrates the principle effect of the variable longitudinal impedance on the current within the connecting line between E1 and A1 on the basis of exemplary current profiles.

Die 4a zeigt einen Einschaltstromverlauf (durchgezogene Linie) eines Endgerätes, welches beispielsweise ein Netzteil mit einer Stützkapazität besitzt, im Vergleich zu dem Durchlassstrom beim Sperren einer transienten Störgröße (gestrichelt dargestellt). Der Einschaltstrom erreicht einen Peakwert von ca. 180 A. Der Wert zur passiven Sperrung des Leistungshalbleiters 7 ist in der beispielhaften Ausführung mit Hilfe der Impedanz des Shunts 6 auf 200 A eingestellt. Der Einschaltstrom führt daher nicht zu Sperrung des Leistungshalbleiters und fließt daher unbeeinflusst über die Verbindungsleitung zum Endgerät. Der Strom klingt im beispielhaften Fall nach ca. 1 ms auf den Wert des Nennstromes der NS-Versorgungsleitung mit 16 A ab.The 4a shows an inrush current (solid line) of a terminal, which has, for example, a power supply with a supporting capacity, as compared to the forward current when blocking a transient disturbance (shown in phantom). The inrush current reaches a peak value of approx. 180 A. The value for the passive blocking of the power semiconductor 7 is in the exemplary embodiment using the impedance of the shunt 6 set to 200A. The inrush current therefore does not lead to blockage of the power semiconductor and therefore flows uninfluenced via the connecting line to the terminal. The current sounds in the exemplary case after about 1 ms to the value of the rated current of the LV supply line with 16 A from.

Der gestrichelte Verlauf des Durchlassstromes bei einer Belastung der Verbindungsleitung mit einem transienten Impulsstrom der Wellenform 8/20 μs bei einer Amplitude von 3 kA ist bei der gewählten Zeitdauer der Darstellung kaum ersichtlich. In 4b wird daher der Anfangsbereich der Verläufe zeitlich stark gezoomt dargestellt.The dashed curve of the forward current at a load of the connecting line with a transient pulse current of the waveform 8/20 μs at an amplitude of 3 kA is barely visible at the selected time duration of the representation. In 4b Therefore, the initial area of the courses is zoomed in on time.

Weit vor dem Peakwert von 3 kA wird der Leistungshalbleiter 7 und damit die Verbindungsleitung zwischen E1 und A1 gesperrt. Das Endgerät wird somit vor dem transienten Impulsstrom sehr effizient geschützt.Well before the peak value of 3 kA becomes the power semiconductor 7 and thus the connection line between E1 and A1 blocked. The terminal is thus protected very efficiently before the transient pulse current.

Das Grobschutzelement 1 übernimmt die Ableitung der Störgröße nahezu vollständig. Der Durchlasswert des eingeprägten Impulsstromes von 3 kA wird durch die Schutzeinrichtung für das Endgerät auf einen Wert von ca. 140 A reduziert und ist somit kleiner als der durch die Schutzeinrichtung unbeeinflusste hier beispielhafte Einschaltstrom des Endgerätes von ca. 180 A. Der äquivalente Energieeintrag bei dem Einschaltstrom des Verbrauchers 4 liegt bei dem gewählten Beispiel bei einem I²t-Wert von ca. 8,3 A²s. Bei der Belastung mit einer transienten Störgröße wird die Belastung des Verbrauchers bzw. des internen Überspannungsschutzes auf einen ca. 1000fach kleineren Wert von ca. 5 mA²s begrenzt. Diese Begrenzung wird insbesondere durch die Ausnutzung der zusätzlichen Spannungseinkopplung in die Messschleife 10 bewirkt.The coarse protection element 1 takes over the derivation of the disturbance almost completely. The passage value of the impressed pulse current of 3 kA is reduced by the protective device for the terminal to a value of about 140 A and is thus smaller than the unaffected by the protective device here exemplary inrush current of the terminal of about 180 A. The equivalent energy input in the Inrush current of the consumer 4 is in the example chosen at an I ² t value of about 8.3 A ² s. When loading with a transient disturbance variable, the load on the load or the internal overvoltage protection is limited to a value about 1000 times smaller than approx. 5 mA ² s. This limitation is in particular due to the utilization of the additional voltage input into the measuring loop 10 causes.

Wie bereits erläutert, wird durch die Auslegung des Shunt 6 der maximal zulässige Stromwert für die Verbindungsleitung E1–A1 voreingestellt. Dieser Wert ist unabhängig von dem Stromverlauf. Diese Festlegung erfolgt entsprechend den bisherigen Ausführungen in Abstimmung mit der geplanten maximalen Leistungsfähigkeit der Niederspannungsversorgungsleitung in welcher die variable Längsimpedanz eingesetzt werden kann und der entsprechenden Auswahl der Leistungshalbleiter 7. Können Leistungshalbleiter 7 gewählt werden, deren maximaler Kurzschlussstrom im Bereich der benötigten Höhe der Einschaltströme liegt, kann u. U. auf den Shunt 6 verzichtet werden. Der Leistungshalbleiter wird dann über seine Entsättigung entsprechend bei Erreichen des Kurzschlussstromes gesperrt. Die Wirkungsweise bei netzfrequenten Strömen unterscheidet sich in diesem Fall kaum von stromgeführten Leistungshalbleitern. Bei Impulsströmen erfolgt im Unterschied dazu jedoch die Regelung ebenfalls über die Einkopplung der Spannung in die Messschleife 10.As already explained, the design of the shunt 6 the maximum permissible current value for the connecting line E1-A1 is preset. This value is independent of the current profile. This determination is made according to the previous versions in coordination with the planned maximum performance of the low-voltage supply line in which the variable longitudinal impedance can be used and the corresponding selection of power semiconductors 7 , Can power semiconductors 7 whose maximum short-circuit current is in the range of the required height the inrush currents is, u. U. on the shunt 6 be waived. The power semiconductor is then disabled by its desaturation when reaching the short-circuit current. The mode of action with line-frequency currents hardly differs in this case from current-controlled power semiconductors. In contrast, with pulsed currents, however, the control also takes place via the coupling of the voltage into the measuring loop 10 ,

Bei den bevorzugt eingesetzten Leistungshalbleitern ist die Kurzschlusstragfähigkeit im Allgemeinen sehr hoch und wird daher vorab durch die entsprechende Dimensionierung des Shunt 6 begrenzt. Die 5 zeigt dies an einer prozentualen beispielhaften Darstellung.In the case of the power semiconductors preferably used, the short-circuit carrying capacity is generally very high and is therefore pre-determined by the corresponding dimensioning of the shunt 6 limited. The 5 this is shown by a percentage example representation.

Die Kurzschlussstromtragfähigkeit des Leistungshalbleiters ohne passive Begrenzung mit einem Shunt wird mit 100% dargestellt. Ein entsprechender Stromverlauf ohne die Verwendung eines Shunt's ist gepunktet dargestellt und zeigt die Selbstabregelung bei einem Kurzschluss nach der variablen Längsimpedanz 2. Der durchgezogene Verlauf entspricht beispielsweise dem maximal zu erwartenden Einschaltstrom, welcher ohne Beeinflussung zugelassen werden muss. Es ist bei einem solchen Verhältnis der Stromamplituden von 100% zu ca. 20% sinnvoll, die maximale Stromamplitude über die entsprechende Auslegung des Shunt's auf beispielsweise 25% zu begrenzen.The short circuit current carrying capacity of the power semiconductor without passive limitation with a shunt is shown as 100%. A corresponding current profile without the use of a shunt is shown dotted and shows the Selbstabregelung in a short circuit to the variable longitudinal impedance 2 , The solid curve corresponds, for example, to the maximum expected inrush current, which must be permitted without influencing. With such a ratio of the current amplitudes from 100% to approximately 20%, it makes sense to limit the maximum current amplitude over the corresponding design of the shunt to, for example, 25%.

Die gestrichelte Kurve zeigt beispielhaft die Stromamplitude bei Impulsströmen der Wellenform 8/20 μs bzw. 10/350 μs. Der Scheitelwert (z. B. < 20%) des Durchgangsstromes liegt bei diesen Belastungen noch deutlich unterhalb der maximalen Stromamplituden bei Normalbetrieb (z. B. 25%) der angeschlossenen Endgeräte.The dashed curve shows by way of example the current amplitude for pulse currents of the waveform 8/20 μs or 10/350 μs. The peak value (eg <20%) of the through-current at these loads is still significantly below the maximum current amplitudes during normal operation (eg 25%) of the connected terminals.

Sollen Endgeräte mit sehr großen Einschaltrushströmen mit einer entsprechende Überspannungs-schutzeinrichtung geschützt werden und stehen keine ausreichend leistungsfähigen Halbleiter zur Verfügung, so dass die zu erwartenden Rushströme die zulässigen Kurzsschlussströme der Halbleiter überschreiten, kann das Endgerät durch die übliche und bekannte Massnahme „gesteuertes Schalten” also unter Berücksichtigung der Phasenlage in Betrieb genommen werden, wodurch die realen Einschaltrushströme aktiv reduzierbar sind. Die bevorzugt gewählte Methode zur Begrenzung der Stromamplituden und der Energie durch die variable Längsimpedanz auf Basis der zusätzlich eingekoppelten Spannung im Messkreis 10 besitzt den Vorteil, dass mit zunehmender Amplitude der Störgröße die Wirksamkeit der Begrenzung durch die Sperrung der Leistungshalbleiter steigt. Dies wird in 6a und b anschaulich dargestellt.If terminals with very large switch-on currents are to be protected with a suitable overvoltage protection device and if sufficiently powerful semiconductors are not available, so that the expected rush currents exceed the permissible short-circuit currents of the semiconductors, the terminal can, by the usual and known measure "controlled switching" be taken into account taking into account the phase position, whereby the real Einschaltrushströme are actively reduced. The preferred chosen method for limiting the current amplitudes and the energy through the variable longitudinal impedance based on the additionally coupled voltage in the measuring circuit 10 has the advantage that as the amplitude of the disturbance increases, the effectiveness of the limitation due to the blocking of the power semiconductors increases. This will be in 6a and b clearly illustrated.

Die 6a und b zeigt für eine beispielhaft ausgeführte variable Längsimpedanz den Verlauf der transienten Ströme der Wellenform 8/20 μs in der Verbindungsleitung E1–A1 bei unterschiedlich hohen Amplituden des Impulsstromes. Der maximal zulässige Stromwert bei netzfrequenten Belastungen wurde bei dieser Längsimpedanz durch den Shunt 6 auf ca. 200 A begrenzt. 6a zeigt hierbei die zeitlichen Verläufe von transienten Impulsströmen an den Eingangsklemmen E1 E2 der Schutzvorrichtung. Der durchgezogene Verlauf in 6a entspricht dabei eine Amplitude von 1 kA, der gestrichelte Verlauf 5 kA und der gepunktete Verlauf von 10 kA. Die Ströme nach der Schutzvorrichtung sind in der Darstellung nicht zu sehen. Der Anfangsbereich wurde daher in 6b gezoomt dargestellt. Diese Figur zeigt die entsprechenden realen Belastungsgrößen für den Verbraucher nach der Schutzeinrichtung. Die Höhe des realen maximalen Durchlassstromes (6b) steigt mit zunehmender Amplitude des Impulsstromes nur vernachlässigbar an. Dies liegt an der direkt proportional zur Störgröße ansteigenden Geschwindigkeit und Höhe der induzierten Spannung in die Messschleife 10.The 6a and b shows the course of the transient currents of the waveform 8/20 μs in the connecting line E1-A1 at different high amplitudes of the pulse current for an exemplary embodiment of a variable longitudinal impedance. The maximum permissible current value at mains frequency loads was at this longitudinal impedance through the shunt 6 limited to about 200 amps. 6a shows here the temporal courses of transient pulse currents at the input terminals E1 E2 of the protection device. The solid course in 6a This corresponds to an amplitude of 1 kA, the dashed curve 5 kA and the dotted curve of 10 kA. The currents after the protection device are not visible in the illustration. The starting area was therefore in 6b zoomed shown. This figure shows the corresponding real load values for the consumer after the protective device. The height of the real maximum forward current ( 6b ) increases only negligibly with increasing amplitude of the pulse current. This is due to the speed and magnitude of the induced voltage rising directly in proportion to the disturbance in the measurement loop 10 ,

Die 7a und b zeigt an einem Beispiel die Gesamtfunktion der erfinderischen Überspannungsschutzeinrichtung bei einem Impulsstrom der Wellenform 8/20 μs mit einer Amplitude von ca. 10 kA. 7b zeigt dabei einen Zoom des Anfangsbereiches der 7a. Es sind der Gesamtstrom (durchgezogene Linie), der Strom hinter dem Längselement (2, gepunktete Linie) und der Strom durch das Grobschutzelement (1, gestrichelte Linie) dargestellt. Die Strombelastung des Endgerätes beträgt in diesem Beispiel nur ca. 2% von der Stromamplitude des Impulsstromes. Die energetische Belastung des Endgerätes (I²t = 5,9 mA²s) wird durch die Sperre gegenüber dem transienten Stromes von ca. 10 kA mit einem I²t-Wert von ca. 1,6 kA²s auf >> 1% reduziert. Der durch das Grobschutzelement (1) im Querzweig zwischen den Eingangsklemmen E1 und E2 abgeleitete Strom entspricht somit nahezu der gesamten transienten Störgröße.The 7a and b shows an example of the overall function of the inventive overvoltage protection device at a pulse current of the waveform 8/20 μs with an amplitude of about 10 kA. 7b shows a zoom of the starting area of the 7a , It is the total current (solid line), the current behind the longitudinal element ( 2 , dotted line) and the current through the coarse protection element ( 1 , dashed line). The current load of the terminal is in this example only about 2% of the current amplitude of the pulse current. The energetic load of the terminal (I ² t = 5.9 mA ² s) is compared to the transient current of about 10 kA with an I ² t value of about 1.6 kA ² s to >> 1 % reduced. The through the coarse protection element ( 1 ) in the shunt branch between the input terminals E1 and E2 derived current thus corresponds to almost the entire transient disturbance.

Die Wirksamkeit der Begrenzung der energetischen Belastung ist bei Impulsen mit längerer Rückhalbwertszeit z. B. bei der Impulsform 10/350 μs noch stärker. Bei einem Impuls mit einer Amplitude von ca. 10 kA dieser Wellenform wird die Höhe des Durchgangsstromes und die Durchlassenergie vergleichbar zur Impulsform 8/20 μs begrenzt. Die Energie des Gesamtimpulses beträgt in diesem Fall jedoch sogar ca. 25 kA²s.The effectiveness of the limitation of the energetic load is for pulses with a longer half-life z. B. with the pulse shape 10/350 μs even stronger. For a pulse with an amplitude of approximately 10 kA of this waveform, the height of the through-current and the pass-through energy is limited to 8/20 μs, comparable to the pulse shape. The energy of the total impulse is in this case however even approx. 25 kA ² s.

Die Darstellung in 8 zeigt den Gesamtaufbau der Überspannungsschutzeinrichtung entsprechend der Grundanordnung aus 1 mit einigen beispielhaften, jedoch nicht einschränkenden Ergänzungen bzw. Einsatzmöglichkeiten.The representation in 8th shows the overall structure of the overvoltage protection device according to the basic arrangement 1 with some exemplary but non-limiting additions or uses.

Zwischen den Eingangsklemmen E1 und E2 befindet sich das Grobschutzelement 1. In der Verbindungsleitung zwischen der Eingangsklemme E1 und der Ausgangsklemme A1 befindet sich die variable Längsimpedanz 2 mit der Steuerung 3. Parallel zu den Ausgangsklemmen A1 und A2 befindet sich der zu schützende Verbraucher und gegebenenfalls ein weiteres externes Überspannungsschutzgerät 19. Dieses Überspannungsschutzgerät 19 kann Bestandteil der festen Niederspannungsinstallation sein oder auch mobil dem Verbraucher vorgeordnet sein. Dem Grobschutzelement 1, der getriggerten Funkenstrecke, ist ein Varistor 20, z. B. SPD Typ 2 parallel geschaltet. Durch diese Maßnahme kann die Ansprechspannung des Grobschutzelementes in einfacher Art und Weise an die Spannungsfestigkeit der Längsimpedanz im gesperrten Zustand angepasst werden. Die Funkenstrecke 1 kann zusätzlich mit einem Steuereingang zur Aktivierung versehen sein. Dies erlaubt es in einfacher Art und Weise, gleichzeitig bei der Ansteuerung der variablen Längsentkopplung und somit deren Sperrung, die Funkenstrecke 1 zu zünden, wodurch die Entlastung des Verbrauchers und auch der Längsimpedanz 2 ermöglicht wird. Die Steuerung 3 kann mit Mitteln zur Messung der Spannung vor 21 und hinter 26 der Längsimpedanz 2 ausgestattet sein. Zusätzlich können auch Mittel zur Strommessung 25 vorgesehen sein. Dies erlaubt es, in der Steuerung zusätzliche Funktionen, z. B. eine Spannungsüberwachung und Spannungsbewertung als auch eine Leistungsbewertung zu integrieren. Between the input terminals E1 and E2 is the coarse protection element 1 , In the connecting line between the input terminal E1 and the output terminal A1 is the variable longitudinal impedance 2 with the controller 3 , Parallel to the output terminals A1 and A2 is the consumer to be protected and optionally another external overvoltage protection device 19 , This surge protection device 19 may be part of the fixed low-voltage installation or mobile upstream of the consumer. The coarse protection element 1 , the triggered spark gap, is a varistor 20 , z. B. SPD type 2 connected in parallel. By this measure, the response voltage of the coarse protective element can be adapted in a simple manner to the dielectric strength of the longitudinal impedance in the locked state. The spark gap 1 can also be equipped with a control input for activation. This allows in a simple manner, at the same time in the control of the variable longitudinal decoupling and thus their blocking, the spark gap 1 to ignite, thereby relieving the load and also the longitudinal impedance 2 is possible. The control 3 can with means for measuring the tension before 21 and behind 26 the longitudinal impedance 2 be equipped. In addition, also means for current measurement 25 be provided. This allows additional functions in the controller, eg. B. to integrate a voltage monitoring and voltage rating as well as a performance rating.

Zudem ermöglicht dies beispielsweise eine Aktivierung der variablen Längsentkopplung bei netzfrequenten temporären Überspannungen. In diesem Fall kann der Verbraucher bei erhöhten Spannungen vom Netz abgetrennt und bei üblicher Betriebsspannung automatisch wieder zugeschaltet werden. Bei diesen sogenannten TOV-Spannungen wird das Grobschutzelement im Allgemeinen nicht aktiv über die Zuleitung 22 angesteuert. Die TOV erreicht im Allgemeinen auch nicht die Höhe der passiven Zündspannung. Das Längselement kann beispielsweise durch den externen Überspannungsschutz 19 oder auch den Verbraucher 4 über die Leitungen 23 bzw. 24 mit Hilfe des Signaleinganges 5 der Steuerung 3 auch direkt gesperrt werden. Die Ansteuerung unterbricht hierbei die Verbindungsleitung zum Verbraucher bzw. den nachgeordneten Komponenten. Die Ansteuerung 5 kann jedoch auch von internen oder externen Bewertungseinheiten (nicht dargestellt) beispielweise zur individuellen Einstellung des Schutzpegels genutzt werden.In addition, this allows, for example, an activation of the variable longitudinal decoupling with power-frequency temporary overvoltages. In this case, the consumer can be disconnected from the mains at elevated voltages and automatically reconnected at normal operating voltage. In these so-called TOV voltages, the coarse protection element is generally not active via the supply line 22 driven. The TOV generally does not reach the level of the passive ignition voltage either. The longitudinal element can, for example, by the external overvoltage protection 19 or even the consumer 4 over the wires 23 respectively. 24 with the help of the signal input 5 the controller 3 also be locked directly. The control interrupts the connection line to the consumer or the downstream components. The control 5 However, it can also be used by internal or external valuation units (not shown), for example for individual adjustment of the protection level.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

E1/E2E1 / E2: Eingangsklemmeninput terminals
A1/A2A1 / A2: Ausgangsklemmenoutput terminals
T1T1: Transistortransistor
11: Grobschutzcoarse protection
22: Längsimpedanzseries impedance
33: Steuerungcontrol
44: zu schützender Verbraucher (Endgerät)Consumer to protect (terminal)
55: zusätzliche Ansteuerungadditional control
66: Shuntshunt
77: LeistungshalbleiterPower semiconductor
88th: Entkopplungsdiodedecoupling diode
99: Ansteuerung LeistungshalbleiterControl of power semiconductors
1010: StrommesskreisCurrent sensing circuit
1111: Leistungsversorgungpower supply
1212: Potentialgetrennte DC Versorgung für GatestufenIsolated DC supply for gate stages
1313: Potentialgetrennte Ansteuerung, Rückmeldung für LeistungshalbleiterPotential-separated control, feedback for power semiconductors
1414: Diode zur Überwachung der EntsättigungDiode for monitoring desaturation
1515: Ansteuerlogikcontrol logic
1616: Zeitgliedtimer
1717: ZenerdiodeZener diode
1818: Gatewiderstandgate resistor
1919: Externer ÜberspannungsschutzExternal overvoltage protection
2020: möglicher Varistor SPD TYP 2possible varistor SPD TYPE 2
2121: Überwachung EingangsspannungMonitoring input voltage
2222: Ansteuerung SPD Typ 1Control SPD type 1
2323: Ansteuerung durch externen ÜberspannungsschutzControl by external overvoltage protection
2424: Ansteuerung durch VerbraucherControl by consumers
2525: Überwachung des StromesMonitoring the flow
2626: Überwachung VerbraucherspannungMonitoring consumer voltage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

AT 373739 [0009, 0017]
DE 2009022832 [0010]
DE 202005010430 [0011]
US 2005/0180080 [0011]
DE 102007017858 [0014]
EP 0349750 [0014]
WO 2006/129005 [0015]
WO 2005/052716 [0018]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN EN 61643-11 [0002]
DIN EN 60664-1 [0002]

Claims

Device for overvoltage protection by derivation of transient disturbances from a power supply network with input (E) and output terminals (A) and an overvoltage protection element connected between the input terminals ( 1 ; 20 ), an impedance ( 2 ) in the longitudinal branch between input and output terminal and a controller ( 3 ) with the impedance ( 2 ), characterized in that a variable impedance ( 2 ) is provided, which via the controller ( 3 ) is placed in a low-impedance when creating a voltage from the supply network, however, in transient disturbances in a non-conductive blocking state.

Device according to claim 1, characterized in that as variable impedance ( 2 ) at least one voltage-controlled power semiconductor ( 7 ) is used, wherein at transient currents between input terminal (E) and output terminal (A) of the power semiconductor ( 7 ) is set at a current level below power frequency currents in the blocking state.

Device according to claim 2, characterized in that the power semiconductor ( 7 ) at mains-frequency currents by means of a voltage drop across a shunt ( 6 ) or transient currents with the aid of a measuring loop ( 10 ) induced voltage in the blocking state is convertible.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the controller ( 3 ) with an interface ( 5 ) to initiate a blocking condition independent of the flow of current between input and output terminals.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the overvoltage protection element ( 1 ; 20 ) between the input terminals (E1 and E2) is a device of the type SPD, type 1, in particular a triggerable spark gap with or without trigger input.

Device according to claim 3, characterized in that the shunt ( 6 ) is designed as an ohmic measuring resistor.

Device according to one of claims 2 to 6, characterized in that the at least one power semiconductor ( 7 ) is reset by means of a timer and / or after the decay of the respective disturbance variable in the initial state, wherein the residual load of a connected to the output terminals (A) terminal ( 4 ) is less than the current limit of a semiconductor fuse for the given voltage level at rated current.

Apparatus according to claim 3 or 6, characterized in that on the design of the shunt ( 6 ) the maximum permissible current value for the connecting cable between input terminal and output terminal can be specified.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the overvoltage protection element, designed as a spark gap ( 1 ), a varistor ( 20 ) for adapting the response voltage to the dielectric strength of the longitudinal impedance ( 7 ) is connected in parallel in the locked state.

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the controller ( 3 ) Means for measuring the voltage before ( 21 ) and behind ( 22 ) of the longitudinal impedance ( 2 ) having.