DE102020112556A1

DE102020112556A1 - Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit einer triggerbaren, nicht ausblasenden Funkenstrecke

Info

Publication number: DE102020112556A1
Application number: DE102020112556.9A
Authority: DE
Inventors: Arnd Ehrhardt; Klaus Bühler
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2020-04-01
Filing date: 2020-05-08
Publication date: 2021-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit einer triggerbaren, nicht ausblasenden Funkenstrecke, aufweisend zwei Hauptelektroden und mindestens eine Triggerelektrode, wobei die Hauptelektroden einerseits mit dem Netz und andererseits mit dem zu schützenden Verbraucher in Verbindung stehen, sowie mit einem, die Funkenstrecke überbrückenden Bypass, welcher zum Feinschutz aus einer Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elementes mit einem spannungsbegrenzenden Element besteht. Erfindungsgemäß ist die Triggerelektrode über einen Koppelzweig mit dem Knotenpunkt der Reihenschaltung des Bypasses stromtragfähig verbunden, wobei der Koppelzweig mindestens ein spannungsschaltendes Element aufweist und ein Stromfluss zur Triggerelektrode erst ab einer definierten Strombelastung des Bypasses erfolgt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit einer triggerbaren, nicht ausblasenden Funkenstrecke, aufweisend zwei Hauptelektroden und mindestens eine Triggerelektrode, wobei die Hauptelektroden einerseits mit dem Netz und andererseits mit dem zu schützenden Verbraucher in Verbindung stehen, sowie mit einem, die Funkenstrecke überbrückenden Bypass, welcher zum Feinschutz aus einer Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elementes mit einem spannungsbegrenzenden Element besteht, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der DE 10 2016 125 899 A1 ist eine Schaltungsanordnung zur galvanisch getrennten Ansteuerung einer getriggerten Funkenstrecke mit Einstellung der Ansprech- und Restspannung der eingesetzten Funkenstrecke, welche zwei Hauptelektroden und mindestens eine Triggerelektrode aufweist, bekannt. Die galvanische Trennung erfolgt mittels eines Übertragers. Die Funkenstrecke steht mit ihren Hauptelektroden mit einer vor Überspannungsereignissen zu schützenden elektrischen Komponente in Verbindung. Die bekannte Lösung zielt auf die Aufgabe, eine Anordnung der galvanisch getrennten Ansteuerung einer getriggerten Funkenstrecke mit Einstellung der Ansprech- und Restspannung der eingesetzten Funkenstrecke anzugeben, mit deren Hilfe es möglich ist, Überspannungsableiter mit Funkenstrecken auszubilden, bei denen sich die frequenzunabhängige Amplitude der Haltespannung, das heißt die Frequenz des passiven Verhalten, nur im Wesentlichen 30 % unterhalb der Ansprechspannung und des Schutzpegels des Ableiters bewegt.
Diesbezüglich ist an eine der Hauptelektroden der Funkenstrecke eine Bypassschaltung angeschlossen, welche als Reihenschaltung passiver oder aktiver elektronischer Bauelemente und einer Primärseite eines Übertragers ausgebildet ist. Die Sekundärseite des Übertragers führt auf den Steuereingang eines Halbleiterschalters, welcher weiterhin zwischen einer der Hauptelektroden der Funkenstrecke und der Triggerelektrode angeordnet ist.
Die Zündung der Funkenstrecke nach DE 10 2016 125 899 A1 erfolgt potentialgetrennt durch den erwähnten Übertrager im Bypass. Der Bypass kann hierbei elektronisch, aber auch mit passiven Bauteilen ausgeführt werden. Der Triggerkreis der Funkenstrecke weist jedoch stets einen Halbleiter als Schalter auf, welcher von dem Übertrager des Bypasses aktiviert wird. Durch den notwendigen Übertrager und den Halbleiterschalter entsteht ein hoher Bauraumbedarf. Darüber hinaus fallen durch diese Bauelemente höhere Kosten an. Der gezeigte passive Bypass ist als der Funkenstrecke paralleler Feinschutz ausgeführt und enthält einen Wandler, welcher ein potentialfreies Ansteuersignal für den Leistungshalbleiter im Triggerkreis der Funkenstrecke liefert. Hierdurch ist sichergestellt, dass der Triggerkreis oder das Verhalten der Funkenstrecke bzw. der Teilfunkenstrecken keine Rückwirkung auf das Verhalten des Bypasses bzw. des Feinschutzelementes haben. Die Potentialsteuerung der Elemente des Bypasses kann durch das Verhalten der Funkenstrecke hierdurch nicht gestört werden.
Grundsätzlich ist es bekannt, dass bei triggerbaren Funkenstrecken der Schutzpegel, das heißt die maximal abfallende Spannung, sehr stark von dem Verhalten der Bauteile der eingesetzten Triggerschaltung bestimmt wird. Diese Bauteile besitzen ein statisches und ein dynamisches Ansprechverhalten. Funkenstrecken sollen bei einer möglichst hohen Belastung durch temporäre betriebsfrequente Überspannungen des Netzes nicht ansprechen. Die statische Ansprechspannung der Triggerschaltung muss daher oberhalb dieser Belastungsgrenze liegen. Bei transienten Überspannungen hingegen soll ein möglichst geringer Schutzpegel angestrebt werden. Der niedrige Schutzpegel wird hierbei durch das dynamische Ansprechverhalten der Bauteile der Triggerschaltung bestimmt.
Bei für Funkenstrecken relevanten Impulsströmen im Bereich von mehreren kA kann die dynamische Ansprechspannung einer Triggerschaltung mit konventionellen Bauteilen die statische Ansprechspannung um ein Vielfaches übersteigen. Dieser Wert bestimmt jedoch den Schutzpegel der Funkenstrecke.
Bei einer beispielhaften TOV-Festigkeit von 440 V Wechselstrom ergibt sich bei üblichen Funkenstreckenanordnungen derzeit ein Schutzpegel von ca. 1,5 kV.
Zum Schutz von empfindlichen Verbrauchern ist jedoch ein niedrigerer Schutzpegel von beispielsweise < 1 kV selbst bei hohen transienten Strombelastungen nötig. Um dies auch bei entsprechender TOV-Festigkeit zu erreichen, ist die Begrenzung der dynamischen Ansprechspannung erforderlich, wofür die zitierte DE 10 2016 125 899 A1 einen Ansatz bietet.
Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit einer triggerbaren, nicht ausblasenden Funkenstrecke, aufweisend zwei Hauptelektroden und mindestens eine Triggerelektrode anzugeben, wobei die Hauptelektroden einerseits mit dem Netz und andererseits mit dem zu schützenden Verbraucher in Verbindung stehen, sowie mit einem die Funkenstrecke überbrückenden Bypass, welcher zum Feinschutz aus einer Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elementes mit einem spannungsbegrenzenden Element besteht. Die Schaltungsanordnung soll sich als vereinfachte Triggerschaltung für eine Funkenstrecke darstellen und eine hohe TOV-Festigkeit bei geringem Schutzpegel von < 1 kV gewährleisten. Der Schutzpegel soll hierbei die Haltespannung um maximal den Faktor 1,5, bevorzugt 1,3 nicht überschreiten. Weiterhin soll die Koordination zu weiteren, parallelen Ableitern, aber auch die Abstimmung an verschiedene Netzspannungen in einfacher Weise möglich werden.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt durch eine Schaltungsanordnung gemäß der Merkmalskombination nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.
Vom Grundsatz her wird die Aufgabe durch einen Bypass zur Funkenstrecke mit potentialsteuernden Elementen gelöst. Hierbei erfolgt eine Abstimmung der Baugruppen oder Bauteile des Bypasses mit der Funkenstrecke und deren Triggereingang. Das Einleiten eines Stromflusses in den Triggerpfad der Funkenstrecke erfolgt erst bei einer definierten Strombelastung des Bypasses.
Der Bypass wird bis zum Erreichen dieses Kriteriums bevorzugt durch ein spannungsschaltendes Element vom Triggerpfad entkoppelt, wodurch die spannungssteuernden Maßnahmen unabhängig vom Zustand und Verhalten der Funkenstrecke wirksam sind.
Weiterhin realisiert der Bypass den Schutzpegel des Überspannungsableiters bis zur Zündung der Funkenstrecke. Der Strom im Bypass wird bei der Zündung der Funkenstrecke noch vor dem Verlöschen der Funkenstrecke unterbrochen. Damit die Höhe und die zeitliche Belastung des Bypasses bei hohen transienten Impulsströmen möglichst gering bleibt, sind die nachstehend beschriebenen Voraussetzungen zu erfüllen. Die Funkenstrecke selbst muss bei stark begrenzten Spannungen, das heißt bei Restspannungen des Bypasses, sehr schnell zünden.
Bevorzugt kommt hierfür eine Luftfunkenstrecke mit geringem Abstand der Hauptelektroden von ca. 0,5 bis 1,5 mm zum Einsatz. Die Triggerung ermöglicht es im Bereich von Impulsströmen von mehreren kA die Zündung der Funkenstrecke innerhalb von ca. 1 µs zu gewährleisten. Neben der schnellen Zündung erfolgt bei der eingesetzten Funkenstrecke aufgrund deren geringer Lichtbogenspannung nach der Zündung eine sofortige Entlastung des Bypasses, wodurch dieser unmittelbar nach der Zündung und unabhängig von weiteren Maßnahmen automatisch in den Ausgangszustand, das heißt den Sperrzustand, noch vor dem Erreichen des Scheitelwertes der üblichen Impulsströme der Wellenform 8/20 µs und 10/350 µs versetzt wird.
Diese rasche Entlastung des Bypasses durch die eingesetzte Funkenstrecke ermöglicht eine optimale Funktionsaufteilung und den Einsatz von preiswerten Bauteilen mit geringem Leistungsvermögen. Neben der reduzierten energetischen Belastung müssen die eingesetzten Bauteile bzw. deren Kombination in den Hilfskreisen auch kein nennenswertes eigenes Löschvermögen bezüglich der Anforderungen eines Niederspannungsnetzes besitzen.
Die dynamische und energetische Belastung durch Impulsströme und die Löschung möglicher Netzfolgeströme wird nahezu ausschließlich von der Funkenstrecke getragen. Die maximale Stromamplitude im Bypass ergibt sich aus dem angestrebten maximalen Blitzstromwert des eingesetzten Ableiters.
Bei einer üblichen Größe für eine Funkenstrecke von ca. 12,5 kA bis 50 kA kann bei einer Verzugszeit von < 1 µs bis zur Zündung der Funkenstrecke von einer Belastung von einem bis zu wenigen kA ausgegangen werden.
Der Bypass wird als Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elementes, zum Beispiel eines Gasableiters, und eines spannungsbegrenzenden Elementes, zum Beispiel eines Varistors, realisiert. Diese Reihenschaltung kann auch weitere Bauteile, zum Beispiel ein PTC-Element, umfassen.
Die jeweilige Ansprechspannung des Gasableiters bzw. der mA-Punkt des Varistors liegen unterhalb der angestrebten minimalen Ansprech- bzw. Haltespannung, bis zu welcher sich der gesamte Ableiter passiv erhält.
Damit kein unerwünschtes Ansprechen, insbesondere des spannungsschaltenden Elementes, erfolgt, besitzt die Reihenschaltung zusätzliche Steuerelemente, welche sowohl bei statischen als auch bei dynamischen Belastungen die Spannung über den Bauteilen so aufteilt, dass ein Ansprechen des Bypasses verhinderbar ist.
Ein Ansprechen wird auch beim direkten Zuschalten der Haltespannung im Scheitelwert noch sicher vermieden. Die erfindungsgemäße Spannungssteuerung erfolgt bevorzugt mit einem Ohm'schen und einem kapazitiven Teiler, wobei unter Beachtung der Impedanzen des Gasableiters und des Varistors teilweise auf weitere separate Bauteile verzichtet werden kann.
Der Vorteil einer solchen Schaltung liegt in ihrer einfachen Anordnung, wodurch eine platzsparende und preiswerte Lösung möglich wird.
Aufgrund der Vorteile des Einsatzes einer Funkenstrecke mit geringer Bogenbrennspannung bei Impulsbelastung können die Bauteile so ausgelegt werden, dass sie für die Anwendung in der jeweiligen Netzspannung ohne Steuerung ungeeignet sind, also bei einem Ansprechen nach wenigen Millisekunden oder gegebenenfalls noch innerhalb einer Halbwelle der Wechselstrom versagen bzw. zerstört werden würden. Diese Auslegung ist aufgrund der genutzten geringen Lichtbogenbrennspannung der Funkenstrecke bei Impulsströmen möglich, da es hierdurch bereits nach ca. 1 µs zu einer Entlastung der Bauteile des Bypasses durch Verlöschen des Stromes in diesen kommt. Die Lichtbogenbrennspannung der Funkenstrecke liegt hierzu deutlich unterhalb der Restspannung des Bypasses und beträgt beispielsweise < 100 V, bevorzugt nur ca. 50 V.
Aufgrund der quasi Unterdimensionierung und der Funktionsaufteilung zwischen konventionellen Bauteilen, kann das reduzierte Verhältnis zwischen Ansprechspannung und Restspannung des Bypasses und damit des gesamten Ableiters realisiert werden.
Wenn ein solcher Bypass für eine direkte Triggerung einer Funkenstrecke genutzt wird, ergeben sich jedoch die im Folgenden geschilderten Problemstellungen.
Wenn ein derartiger Bypass nicht komplett parallel zur Funkenstrecke betrieben wird, sondern direkt an die Triggerelektrode der Funkenstrecke angeschlossen ist, muss sichergestellt werden, dass die in der Funkenstrecke parallele Strecke Hauptelektrode und Triggerelektrode und auch die Funkenstrecke selber zwischen den Hauptelektroden eine höhere Ansprechspannung besitzen, als eine solche Triggerschaltung.
Bei einer derartigen Anordnung besteht der Nachteil, dass beim Ansprechen der Schaltung stets ein Strom durch die Funkenstrecke fließt, wodurch die Zündung der Funkenstrecke wiederum mit der Höhe und der Dauer dieses Stromes abgestimmt sein muss, welcher unter anderen auch durch weitere parallele Ableiter beeinflussbar ist. Ebenso beeinflusst die Strecke zwischen Triggerelektrode und Hauptelektrode die Ansprech- und Restspannung des Ableiters.
Wird die Schaltung als realer Bypass, also parallel zur kompletten Funkenstrecke betrieben, und an einer beliebigen Stelle mit der Triggerelektrode verbunden, wird die Spannungssteuerung der Bauteile gestört. Die Stromaufteilung ist dann undefiniert und die Zündsicherheit der Funkenstrecke mit und ohne zusätzlichen Ableiter gefährdet.
Erfolgt die Anbindung der Triggerelektrode der Funkenstrecke beispielsweise zwischen dem Gasableiter und dem Varistor und ist die Triggerelektrode leitend mit einer der Hauptelektroden verbunden, fließt beim Ansprechen des Gasableiters der gesamte Strom in die Funkenstrecke. Der Gasableiter würde trotz Spannungssteuerung und einer für die Zielstellung notwendigen und vorgeschlagenen Dimensionierung bereits entsprechend seinem Ansprechwert bei einer Spannung weit unterhalb der notwendigen Haltespannung ansprechen.
Da der Spannungsabfall aufgrund der geringen Restspannung über den Gasableiter auch sehr niedrig ist, kann die Zündung der Hauptfunkenstrecke selbst bei hohen Triggerströmen fraglich werden, da die Spannungsdifferenz zwischen der Triggerelektrode und der zweiten Hauptelektrode sehr gering ist.
Wenn die Triggerelektrode nicht resistiv mit einer der Hauptelektroden verbunden wird, ergibt sich eine Beeinflussung der Spannungssteuerung durch eine zusätzliche Kapazität. Die Ansprechspannung der Strecke Triggerelektrode und Hauptelektrode muss zudem geringer sein als die Restspannung des Bypasses, da ansonsten eine Aktivierung der Funkenstrecke ausgeschlossen ist. Der Stromfluss und somit auch die Restspannung des Bypasses werden jedoch auch von weiteren parallelen Ableitern beeinflusst, welche eigentlich durch die Zündung der Funkenstrecke geschützt werden sollen.
Es ist also nötig, ein Zünden der Funkenstrecke bei energiearmen Störgrößen zu vermeiden. Weiterhin ist die Wirkung der Spannungssteuerung des Bypasses bis zur angestrebten Haltespannung bei Realisierung des niedrigen Schutzpegels trotz Anschluss der Funkenstrecke sicherzustellen. Auch gilt es, die Zündung der Funkenstrecke auch bei zusätzlichen, parallelen Überspannungsableitern ohne Überlastung des Bypasses bei Überschreiten der Haltespannung zu gewährleisten.
Zur Lösung dieser Probleme ist erfindungsgemäß die Triggerelektrode der Funkenstrecke zwischen den Bauelementen des Bypasses angeschlossen. Die Ansprechspannung dieses Pfades bis zu einer der Hauptelektroden liegt oberhalb des Spannungswertes, bei welchem mindestens 1 mA durch das spannungsbegrenzende Element des Bypasses fließt und deutlich unterhalb der Haltespannung des gesamten Bypasses.
Hierdurch wird erreicht, dass geringe Strombelastungen über den Bypass ohne Ansprechen des Triggerpfades und somit der Funkenstrecke abgeleitet werden können. Erst bei einer höheren Belastung erfolgt ein Stromfluss in den Triggerpfad der Funkenstrecke, wodurch diese rasch gezündet werden kann und den Bypass entlastet.
Bezüglich des angestrebten niedrigen Schutzpegels ist es wesentlich, dass bei einer solchen Dimensionierung der Bypass bis zu seinem Ansprechen sicher von der Funkenstrecke entkoppelt ist. Dies gewährleistet, dass die zusätzliche Spannungssteuerung an den Elementen des Bypasses wirksam bleibt. Bei der Spannungssteuerung ist nur die zusätzliche Kapazität zu berücksichtigen. Die Ansprechspannung der Verbindung zwischen Funkenstrecke und Bypass kann hierbei durch eine alterungsstabile Isolationsstrecke zwischen der Triggerelektrode und einer Hauptelektrode innerhalb der Funkenstrecke bzw. auch durch ein weiteres, diskretes spannungsschaltendes Bauteil in der Verbindung zwischen Bypass und Triggerelektrode realisiert werden.
Die wirksame Anbindung der Funkenstrecke erfolgt somit erst nach Überschreiten der Haltespannung des Bypasses und dann, wenn die Strombelastung des spannungsbegrenzenden Elementes des Bypasses einen hinreichend hohen Wert erreicht. Die zusätzliche Spannungssteuerung des Bypasses wird daher nicht gestört. Die Ansprechspannung des Bypasses wird somit nicht beeinflusst.
Bei Zündung des Triggerstromes in der Funkenstrecke wird das spannungsbegrenzende Element des Bypasses sofort, das heißt noch vor der eigentlichen Zündung der Funkenstrecke entlastet. Hierfür und um die Restspannung der Anordnung gering zu halten, ist eine niedrige Impedanz im Triggerpfad und eine rasche Zündung der Hauptfunkenstrecke erforderlich. Dies ist auch eine Voraussetzung für eine gute Koordination zu weiteren, parallel liegenden Ableitern.
Die Ansprechspannung der Funkenstrecke zwischen der oberen Hauptelektrode und der Triggerelektrode sowie zwischen den beiden Hauptelektroden liegt deutlich oberhalb des angestrebten Schutzpegels von < 1 kV bevorzugt bei > 4 kV. Die vorgenannte Strecke soll bei Stromfluss über die Triggerelektrode möglichst schnell, zum Beispiel in einer Zeit ≤ 1 µs, ionisiert und überschlagen werden, damit der Bypass schnell entlastet werden kann. Entscheidend hierfür sind unter anderen die Geometrie der Funkenstrecke, der Elektrodenabstand, die Eigenschaften des Gases und die Höhe des Stromes sowie die Spannung zwischen den Elektroden.
Bei der Abzweigung des Anschlusses zur Triggerelektrode zwischen dem Gasentladungsableiter und dem Varistor wird die Spannung zwischen der Triggerelektrode und der oberen Hauptelektrode der Funkenstrecke auf die Bogenspannung des Gasentladungsableiters und den Spannungsabfall im Triggeranschlusspfad und somit gegebenenfalls auf < 20 V begrenzt. Der Stromfluss wird aufgrund der geringen Impedanz kaum begrenzt, wodurch ein weiterer paralleler Ableiter beim Ansprechen des Triggerpfades sofort entlastet werden kann. Ebenso erlischt der Strom über das spannungsbegrenzende Element, also den Varistor im Bypass bei Ansprechen dieses Pfades sofort. Die Impedanz im Pfad kann durch zusätzliche lineare oder auch nicht-lineare Elemente bzw. impedanzbehaftete Verbindungen um einige 10 mΩ erhöht werden. Hierdurch kann die treibende Spannung, welche zur Zündung des Lichtbogens zwischen den Hauptelektroden wirksam ist, erhöht werden, ohne dass der Strom selbst bei einem weiteren parallelen Ableiter unterbunden oder drastisch reduziert wird. Auf diese Weise kann neben der geometrischen Gestaltung der Funkenstrecke die Zündzeit der Funkenstrecke minimal gehalten werden.
Es ist zu beachten, dass beim Einsatz eines Varistors im Anschlusspfad, das heißt im Koppelpfad zur Triggerelektrode, dessen mA-Punkt deutlich unter dem des spannungsbegrenzenden Elementes des Bypasses und eines möglichen parallelen Ableiters liegen muss. Bei einer beispielhaften Funkenstrecke mit divergierenden Hauptelektroden und einem Abstand von bevorzugt < 1,5 mm der Elektroden, ist ein Zünden der Hauptfunkenstrecke ab ca. 50 V sicher möglich. Um eine bevorzugte schnelle Zündung zu bewirken, ist der Einsatz von Varistoren mit einem mA-Punkt von < 100 V ausreichend. Dieser Wert sichert auch die Koordination zu sehr niedrigen parallelen Ableitern, also auch bei geringeren Netzspannungen. Der Bypass selber besitzt aufgrund der geringen Restspannung nach dem Ansprechen eine deutlich geringere Impedanz als mögliche weitere parallele Ableiter auf der üblichen Basis von Varistoren, wodurch ein hoher Anteil eines Impulsstromes sofort in den Bypass kommutiert. Dies sichert beim Ansprechen des Bypasses einerseits die Zündung der Funkenstrecke und andererseits eine nahezu sofortige Entlastung von weiteren möglichen parallel geschalteten Ableitern. Hierdurch wird trotz der hohen TOV-Festigkeit des Ableiters eine sehr gute Koordinationsfähigkeit mit weiteren Ableitern bzw. Überspannungsschutzkomponenten in Endgeräten sichergestellt.
Die Eigenschaften der Funkenstrecke erlauben durch eine einfache Anpassung des Bypasses und gegebenenfalls des spannungsschaltenden Kopplungselementes die Erstellung von TOV-festen Ableitern mit sehr guten Koordinationseigenschaften für verschiedene Nennspannungen im Bereich der Folgestromlöschfähigkeit der Funkenstrecke. Durch eine modulare Anbindung des Bypasses kann in einfacher Weise die Eignung des Ableiters von beispielsweise Nennspannungen von 120 V bis Nennspannungen von 600 V Wechselstrom umgestellt werden. Ebenso ist eine Anpassung für Gleichspannungsnetze möglich. Neben dem modularen Aufbau kann die Anpassung in gewissen Bereichen auch durch Wahlschalter, die einzelne Bauteile brücken, erfolgen.
Zusammenfassend geht die vorgeschlagene Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit einer triggerbaren, nicht ausblasenden Funkenstrecke, insbesondere Hörnerfunkenstrecke, aufweisend zwei Hauptelektroden und mit mindestens einer Triggerelektrode von einem die Funkenstrecke überbrückenden Bypass aus, welcher zum Feinschutz aus einer Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elementes mit einem spannungsbegrenzenden Element besteht.
Erfindungsgemäß ist die Triggerelektrode über einen Koppelzweig mit dem Knotenpunkt der Reihenschaltung des Bypasses stromtragfähig verbunden, wobei der Koppelzweig mindestens ein spannungsschaltendes Element aufweist. Ein Stromfluss zur Triggerelektrode erfolgt erst ab einer definierten Strombelastung des Bypasses.
Die erwähnte Reihenschaltung kann aus einem Gasableiter und einem Varistor bestehen.
Zur Spannungsaufteilung zwischen den Elementen Gasableiter und Varistor der Reihenschaltung ist diesen jeweils mindestens eine Kapazität und/oder ein Widerstand parallel geschalten.
Die Spannungsaufteilung über den Elementen Gasableiter und Varistor der Reihenschaltung ist bei statischer Belastung einerseits und bei dynamischer Belastung andererseits unterschiedlich.
Die Spannungsaufteilung liegt bei statischer Belastung zwischen dem Gasentladungsableiter und dem Varistor bei im Wesentlichen 2:1.
Die Anfangslichtbogenbrennspannung der bevorzugt eingesetzten Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden liegt bei < 200 V, bevorzugt bei < 100 V.
Die Funkenstrecke ist als schnellzündende Luftfunkenstrecke mit geringem Abstand der Hauptelektroden im Zündbereich ausgebildet, wobei der Abstand im Zündbereich bei im Wesentlichen 0,5 bis 1,5 mm liegen kann.
Die Ansprechspannung des Bypass-Kopplungszweigpfades bis zu einer der Hauptelektroden der Funkenstrecke liegt oberhalb des Spannungswertes, bei welchem mindestens 1 mA durch das spannungsbegrenzende Element des Bypasses fließt, jedoch deutlich unterhalb der Haltespannung des Bypasses.
Der Koppelzweig kann ein dem spannungsschaltenden Element in Reihe geschaltetes, spannungsbegrenzendes Element aufweisen, wobei der mA-Punkt dieses Elementes deutlich unter demjenigen des spannungsbegrenzenden Elementes des Bypasses liegt.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass mindestens einzelne Bauteile des Koppelzweiges und/oder des Bypasses durch stromtragfähige Schalter überbrückbar sind. Ebenso besteht die Möglichkeit, die Kapazität und/oder den Widerstand zur Spannungsaufteilung mittels weiterer Schalter zu brücken und dadurch die Spannungssteuerung zu beeinflussen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen sowie von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Überspannungsschutz, die zwischen einer Phase L und dem Neutralleiter N angeschlossen ist und welche eine triggerbare Funkenstrecke nebst Bypass und Kopplungszweig zwischen Funkenstrecke und Bypass aufweist;
2 eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Schaltungsanordnung gemäß 1, wobei die Bauteile Gasableiter und Varistor gemäß 1 in angedeutete Einzelbauteile in Form von Reihenschaltungen gesplittet sind, wodurch sich verschiedene Anbindungsmöglichkeiten ergeben. Die Reihenschaltung kann hier weitere Bauteile, zum Beispiel einen PTC, einen NTC, einen Varistor, aber auch einen linearen Widerstand umfassen, welche bzw. welcher in Reihe zu den Bauteile 9 bzw. 10 jeweils oberhalb oder unterhalb des Knotenpunktes liegen. Hierdurch kann die Stromaufteilung gesteuert werden und eine zusätzliche Schutzfunktion gegeben sein. Alternativ ist der Einbau einer Sicherung denkbar; und
3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gemäß 1 mit automatischer Umstellung bzw. Anpassung des Verhaltens der Funkenstrecke bezüglich Ansprechverhalten, Koordination und Belastungssteuerung durch Einsatz von Schaltern. Diese Schalter können sowohl mechanisch als auch in elektronischer Form realisiert werden und sind in der Lage, spannungsschaltende Bauteile oder Steuerelemente oder Teile hiervon zu brücken.

Die Figuren zeigen grundsätzlich eine Überspannungsschutzeinrichtung 1, die zwischen einer Phase L und dem Neutralleiter N angeschlossen ist.
Die Überspannungsschutzeinrichtung 1 umfasst eine triggerbare Funkenstrecke 2, welche die Hauptelektroden 5 und 6 aufweist. Weiterhin ist ein Bypass 3 und ein Kopplungszweig 4 zwischen Funkenstrecke 2 und Bypass 3 vorgesehen.
Die Hauptelektroden 5, 6 der Funkenstrecke 2 weisen einen geringen Abstand 7 auf. Weiterhin besitzt die Funkenstrecke 2 eine Triggerelektrode 8.
Zur Folgestromlöschung bzw. zur Vermeidung können verschiedene Maßnahmen entsprechend dem bekannten Stand der Technik vorgesehen werden. Beispielsweise kann bei Ausgestaltung eines Lichtbogenlaufbereiches auch eine Lichtbogenlöschkammer (nicht dargestellt) vorgesehen werden.
Wird der Bypass 3 in der Ausführungsform nach 1 als Reihenschaltung von einem spannungsschaltenden Element 9, zum Beispiel einem Gasableiter, und einem spannungsbegrenzenden Element 10, zum Beispiel einem Varistor, ausgeführt, befindet sich die Anbindung des Kopplungszweiges 4 zur Triggerelektrode 8 am Knotenpunkt zwischen diesen Elementen.
Bei einer einfachen Ausführung eines Gasableiters 9 und eines Varistors 10 ist bevorzugt eine Steuerbeschaltung in der Form umgesetzt, dass bei dynamischen Spannungsbelastungen eine Gleichverteilung der Spannung auf beide Elemente erzwungen wird. Die Beschaltung kann unter Beachtung des Einflusses der Eigen- und geometrischen Kapazitäten im einfachsten Fall durch die Reihenschaltung von Kapazitäten 11 erfolgen.
Die Spannungsverteilung bei statischen Spannungsbelastungen kann von der Gleichverteilung abweichen und durch Widerstände 12 unterstützt werden.
Bei der statischen Spannungsverteilung darf die Spannung, welche am Varistor 10 anliegt, den Spannungswert, welcher dem mA-Punkt entspricht, nicht überschreiten, sondern sollte darunter liegen.
Der mA-Punkt des Varistors 10 muss zur Gewährleistung einer guten Koordination zu einem möglichen weiteren parallelen Ableiter (nicht dargestellt) unterhalb des mA-Punktes eines solchen Ableiters liegen, wenn auch in diesem Fall zumindest kleine Störgrößen ohne Ionisation der Funkenstrecke 2 über den Bypass 3 abgeleitet werden sollen.
Im Bypass 3 sollte bei einer Nennspannung des Netzes von 230 VAC ein Varistor 10 mit einem mA-Punkt von höchstens 360 V eingesetzt werden, damit das gewünschte Verhalten der Schaltungsanordnung erreichbar ist.
Die statische Spannungsbelastung am Varistor 10 sollte < 360 V betragen. Die für eine temporäre Überspannung (TOV) von beispielsweise 440 V sich ergebende statische Belastung für den Bypass kann ca. 620 V betragen.
Sollte die Spannungsbelastung am Varistor nur 200 V entsprechen, muss der Gasentladungsableiter 9 eine statische Spannungsbelastung von > 420 V beherrschen. Aufgrund von Restladungen und Umladungsprozessen ist beim Übergang von dynamischen Belastungen, beispielsweise bei Schaltvorgängen, mit einer kurzzeitigen höheren Belastung zu rechnen, wodurch der Gleichansprechwert des Gasentladungsableiters 9 mit einer gewissen Sicherheit oberhalb dieses Wertes liegen sollte.
Der Gleichansprechwert des Bypasses 3 liegt für die Netzspannung 230 V Wechselstrom somit oberhalb von 620 V, jedoch unterhalb von 700 V, wodurch ein Ansprechen des Bypasses 3 auch bei parallelen Ableitern mit niedrigem mA-Punkt wie 390 V bei Belastungen im unteren kA-Bereich, also ohne Überlastungsgefahr erfolgt. Die Ansprechspannung der Anbindung bzw. des Koppelzweiges der Triggerelektrode der Funkenstrecke sollte oberhalb der Spannungsbelastung des Varistors (> 200 V) und möglichst oberhalb des mA-Punktes, also > 360 V liegen, damit kleine Störungen ohne Ionisierung der Funkenstrecke abgeleitet werden können.
Eine Ansprechspannung von 400-500 V ist also für eine Anwendung bei 230 V Wechselstrom für die beschriebene Funktionsweise hinreichend.
Nach dem Ansprechen des Gasableiters 9 im Bypass 3 bestimmt die Ansprechspannung der Anbindung der Triggerelektrode 8 und das gegebenenfalls vorhandene spannungsbegrenzende Element in diesen Zweig die Koordinierbarkeit zu einem möglicherweise eingesetzten parallelen Ableiter. Das spannungsbegrenzende Element des Bypasses, also entsprechend 1 der Varistor 10, ist nur bezüglich der Höhe der Strombelastung des Bypasses 3 bis zur Zündung der Hilfsfunkenstrecke von Bedeutung. Je höher die Differenz zwischen dem mA-Punkt des Varistors 10 und der Ansprechspannung der Anbindung der Triggerelektrode 8 ist, desto größere Störgrößen können ohne Zündung der Funkenstrecke 2 bei entsprechender Leistungsfähigkeit der eingesetzten Bauteile abgeleitet werden.
Die Ansprechspannung der Anbindung des Koppelzweigs kann durch eine Isolationsstrecke zwischen der Triggerelektrode 8 und einer der Hauptelektroden der Funkenstrecke, zum Beispiel 6, und/oder durch ein spannungsschaltendes Element 13, zum Beispiel einen Gasableiter, einer Suppressordiode, einer Diode oder dergleichen im Koppelzweig 4 realisiert werden.
Zum Einstellen der Impedanz im Koppelzweig 4, welche die Zündung der Hauptfunkenstrecke zwischen den Elektroden 5 und 6 unterstützt, kann das Material und die Dimensionierung der Anbindung selbst aber auch eine diskrete lineare oder nicht-lineare Impedanz, beispielsweise ein Varistor 14, genutzt werden.
Maßgeblich für die erfindungsgemäße Lehre ist die direkte Kopplung zwischen dem gesteuerten Bypass 3 und der Funkenstrecke 2 über den Koppelzweig, welcher als stromtragfähige Verbindung ausgeführt ist. Es liegt also insofern eine Stromtriggerung der Funkenstrecke vor.
Wie in der 2 dargestellt, können die Bauteile 9 und 10 auch durch Einzelbauteile gleicher Art in Form von Reihenschaltungen unterteilt sein, wodurch sich weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben.
Die Reihenschaltung kann hier weitere Bauteile, beispielsweise einen PTC, einen NTC, einen Varistor, aber auch einen linearen Widerstand umfassen, welcher zum Beispiel in Reihe zum Bauteil 9 oder 10 jeweils oberhalb oder unterhalb des Knotenpunktes in 1 liegt. Hierdurch kann die Stromaufteilung gesteuert werden, wodurch auch eine ergänzende Schutzfunktion realisierbar ist. In Ergänzung kann eine Sicherung eingesetzt werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, einstellbare Widerstände einzusetzen, welche eine manuelle Verstellbarkeit schaffen. Wenn die erwähnten Bauteile in Reihe zum Gasableiter 9, also oberhalb des Knotenpunktes eingesetzt werden, kann dies den Varistor 14 im Koppelzweig ergänzen oder ersetzen.
Die erwähnten zusätzlichen Bauteile sind durch die gestrichelt dargestellten Elemente 15 und 16 in 2 repräsentiert. Aber auch hier ist die Anbindung des Koppelzweiges 4 immer so ausgeführt, dass eine aktiv stromtragfähige Verbindung vom Knotenpunkt des Bypasses 3 zur Triggerelektrode 8 der Funkenstrecke 2 besteht.
Um unter allen Umständen eine sichere und schnelle Zündung der Funkenstrecke 2 zu gewährleisten, besteht die Möglichkeit, die Impedanz des Strompfades so auszugestalten, dass bei Stromfluss ein zusätzlicher Spannungsabfall erzeugt wird, ohne die Koordination zu behindern.
Dieser Spannungsabfall kann durch einen zusätzlichen Varistor oder auch durch eine Materialwahl der ohnehin vorhandenen Verbindungen oder Bauteile realisiert werden.
Die Dimensionierung des Varistors 14 entweder im Koppelzweig 4 oder unterhalb des Gasableitungsableiters 9, jedoch oberhalb des Knotenpunktes, wurde bereits erläutert.
Zur Impedanzerhöhung kann neben diskreten Elementen auch Material mit erhöhtem Widerstand im Strompfad genutzt werden. Hierfür sind Materialien mit einem spezifischen Widerstand ab zum Beispiel dem Vierfachen von Kupfer bereits geeignet.
Neben Kupferlegierungen, Eisen und Stahl sowie deren Legierungen können auch leitfähige Polymere oder Keramiken verwendet werden.
Als derartige Teile können die Triggerelektrode 8, die Verbindung des Bypasses 3 mit der Funkenstrecke 2, zum Beispiel über Federelemente oder Kontaktelemente, aber auch Leiterbahnen einer Platine, welche zum Beispiel den Bypass umfasst, entsprechend ausgeführt werden.
Wird hier beispielsweise ein zusätzlicher Wert von 10 mΩ realisiert, so ergibt sich pro 1000 A Stromfluss eine zusätzliche Spannung von 10 V.
Bei einer bekannten Hauptfunkenstrecke kann beispielsweise für die maximal zulässige Impulsstrombelastung die Zündung mit einer bevorzugten Zeitdauer von < 1 µs realisiert werden.
Ausgehend von der in 1 dargestellten grundsätzlichen Ausbildung der Schaltungsanordnung sind zahlreiche Möglichkeiten für eine schnelle und automatische Umstellung bzw. Anpassung des Verhaltens der Funkenstrecke bezüglich Ansprechverhalten, Koordination und Belastungssteuerung möglich.
3 zeigt diesbezüglich Varianten, welche durch Betätigung von Schaltern 17; 18 sehr schnelle Umstellungen, auch durch entsprechende Steuerungen für die Schalter (nicht dargestellt) erlauben.
Als Schalter kommen sowohl mechanische Schalteinrichtungen als auch elektronische Schalter, zum Beispiel Halbleiterschalter, in Frage.
Die Schalter 17; 18 können dabei sowohl spannungsschaltende Bauteile wie 9 und 13, gegebenenfalls auch die Strecke zwischen 8 und 9, brücken, wodurch die Ansprechwerte der Gesamtanordnung verändert, aber auch ein unmittelbares Zünden der Funkenstrecke 2 bewirkt wird.
Die spannungsschaltenden Bauteile können einzeln, aber auch gemeinsam gebrückt werden.
Die spannungsschaltenden Bauteile können auch als Reihenschaltung, von beispielsweise mehreren Gasentladungsableitern aufgebaut werden, wobei die Brückung nur von einzelnen Bauteilen eines solchen Stapels möglich ist.
In gleicher Weise können auch die spannungsbegrenzenden Bauteile unterteilt und gebrückt werden. Alternativ können die Reihenschaltungen durch analog wirkende Parallelschaltungen von Bauteilen und Schaltern ersetzt werden.
Die Schalter 17 zur Brückung der Bauteile im Koppelzweig weisen eine Stromtragfähigkeit auf, welche mindestens der Strombelastung des Bypasses 3 bzw. dem für die Zündung der Funkenstrecke 2 notwendigen Teilstrom im Koppelzweig 4 entspricht.
Es ist alternativ auch möglich, durch Schalter 18 die Spannungssteuerung des Bypasses 3 zu beeinflussen.
Hierfür können die steuernden Elemente 11 oder 12, das heißt die Kapazitäten 11 und die Widerstände 12, oberhalb oder unterhalb des Knotenpunktes vollständig gebrückt werden.
Es ist jedoch auch denkbar, diese Bauteile als Reihenschaltung von mehreren Bauteilen auszuführen und nur einzelne dieser Bauteile zu brücken.
In Analogie der bezweckten Wirkungsweise ergeben sich auch andere Schaltungsmöglichkeiten. Es ist nämlich ebenso das Zuschalten von weiteren Bauteilen möglich, um die beschriebene Spannungsteilung dynamisch oder transient zu verändern und somit das Verhalten der Gesamtanordnung schnell anzupassen.
Die Schalter 18, welche die Steuerelemente 11; 12 oder Teile davon brücken, müssen im Gegensatz zu den Schaltern 17 im Koppelzweig 4 oder im stromdurchflossenen Bypasszweig 3 keinen nennenswerten Strom tragen, sondern sind nur bezüglich der notwendigen Spannungsanforderungen auszulegen.
Es können also hier Schalter mit Reedkontakten oder auch sehr schnelle MEMs mit geringer Stromtragfähigkeit eingesetzt werden.
Die Positionierung der gestrichelt angedeuteten Schalter 17 und 18 gemäß 3 ist lediglich beispielhaft zu verstehen.
Die Schalter 17 und 18 können von einer entsprechenden Steuerung betätigt werden. Durch die Schalter 17; 18 kann das Verhalten der Schaltungsanordnung nahezu in Echtzeit durch eine interne Steuerung oder aber auch durch eine externe Ansteuerung neben der rein manuellen Anpassung geändert werden. Dies erlaubt eine Änderung des statischen oder dynamischen Ansprechverhaltens, aber auch eine sofortige Aktivierung der Funkenstrecke bei sehr niedrigen Spannungen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016125899 A1 [0002, 0004, 0008]

Claims

Schaltungsanordnung zum Überspannungsschutz mit einer triggerbaren, nicht ausblasenden Funkenstrecke (2), aufweisend zwei Hauptelektroden (5; 6) und mindestens eine Triggerelektrode (8), wobei die Hauptelektroden (5; 6) einerseits mit dem Netz und andererseits mit dem zu schützenden Verbraucher in Verbindung stehen sowie mit einem, die Funkenstrecke (2) überbrückenden Bypass (3), welcher zum Feinschutz aus einer Reihenschaltung eines spannungsschaltenden Elementes (9) mit einem spannungsbegrenzenden Element (10) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerelektrode (8) über einen Koppelzweig (4) mit dem Knotenpunkt der Reihenschaltung des Bypasses (3) stromtragfähig verbunden ist, wobei der Koppelzweig (4) mindestens ein spannungsschaltendes Element (13) aufweist, und ein Stromfluss zur Triggerelektrode (8) erst ab einer definierten Strombelastung des Bypasses (3) erfolgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung aus einem Gasableiter (9) und einem Varistor (10) besteht.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Spannungsaufteilung zwischen den Elementen Gasableiter (9) und Varistor (10) der Reihenschaltung diesen jeweils mindestens eine Kapazität (11) und/oder ein Widerstand (12) parallel geschalten ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsaufteilung über den Elementen Gasableiter (9) und Varistor (10) der Reihenschaltung bei statischer Belastung einerseits und dynamischer Belastung andererseits unterschiedlich ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsaufteilung bei statischer Belastung zwischen dem Gasentladungsableiter (9) und dem Varistor (10) bei im Wesentlichen 2:1 liegt und bei dynamischer Belastung bei im Wesentlichen 1:1 liegt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangslichtbogenbrennspannung der Funkenstrecke zwischen den Hauptelektroden (5; 6) < 200 V, bevorzugt bei < 100 V liegt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecke als schnellzündende Luftfunkenstrecke mit geringem Abstand der Hauptelektroden (5; 6) im Zündbereich ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand im Zündbereich beim im Wesentlichen 0,5 - 1,5 mm liegt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansprechspannung des Bypass-Kopplungszweigpfades bis zu einer der Hauptelektroden (5; 6) der Funkenstrecke (2) oberhalb des Spannungswertes liegt, bei welchem mindestens 1 mA durch das spannungsbegrenzende Element (10) des Bypasses (3) fließt, jedoch deutlich unterhalb der Haltespannung des Bypasses (3).
Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelzweig (4) ein dem spannungsschaltenden Element (13) in Reihe geschaltetes spannungsbegrenzendes Element (14) aufweist, wobei der mA-Punkt dieses Elementes (14) deutlich unter demjenigen des spannungsbegrenzenden Elementes (10) des Bypasses (3) liegt.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkenstrecke (2) als Hörnerfunkenstrecke ausgebildet ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einzelne der Bauteile des Koppelzweiges (4) und/oder des Bypasses (3) durch stromtragfähige Schalter (17) überbrückbar sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten (11) und/oder die Widerstände (12) zur Spannungsaufteilung mittels weiterer Schalter (18) überbrückbar sind.