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Die Erfindung betrifft, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Überspannungsschutz zwischen zwei oder mehr Leitern unter Einschluss eines Bezugspotentials. Insbesondere ist eine Vorrichtung zum Überspannungsschutz bereitgestellt.
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Für den Überspannungsschutz gemäß Typ 1, beispielsweise zum Grobschutz einer Gebäudeeinspeisung, können Ableiter mit Funkenstrecken dienen. Während Funkenstrecken im Regelbetrieb eine exzellente Isolation bieten und im schützenden Zustand hohe Ströme ableiten, ist deren Schutzpegel, d.h. die Schwelle der Spannung zum Übergang in den schützenden leitenden Zustand, relativ hoch, beispielsweise im Vergleich zu elektronischen Überspannungsschutzeinrichtungen.
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Um mit den Funkenstrecken bessere Schutzpegel zu erzielen, werden diese mit externen Trigger-Kreisen (beispielsweise Zünd-Kreisen) beschaltet, welche das Zünden der Funkenstrecken bei niedrigeren Spannungen ermöglichen. In diesen Trigger-Kreisen werden häufig Gasableiter eingesetzt um eine Isolierstrecke im Zünd-Kreis zu schaffen. Für diese Zündkreisanordnung gibt es verschiedenste Ausführungen. Zu den Ausführungen mit Hochspannungszündung gehört beispielsweise das Produkt „DEHNventil M TNS“ des Herstellers DEHN SE + Co KG. Eine weitere Ausführung ist der von der Anmelderin angebotene Kombinationsableiter „FLT-SEC-ZP-3S“ des Typs 1 für Drehstrom mit einer Nennspannung von 230 V (beziehungsweise einer zwischenphasigen Nennspannung von 400 V).
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Jedoch sind bei diesen bestehenden Überspannungsschutzeinrichtungen Außenleiter (L) und Schutzerdung (PE) über eine Reihenschaltung von zwei oder mehr Funkenstrecken jeweils mit einem Trigger-Kreis gegen Überspannungen geschützt. Dadurch addieren sich die benötigte Zündspannung der erwähnten Gasableiter in den Trigger-Kreisen zu einem größeren Schutzpegel. Dies ist vor allem bei klassischen „N+1”-Schaltungen nachteilig, da aufgrund der Reihenschaltungen von Überspannungsableitern in den N Pfaden L-N und N-PE der Schutzpegel für den Pfad L-PE deutlich größer ist als in den vorgenannten anderen Pfaden. Die Schutzpegel einer Überspannungsschutzeinrichtung mit einer Nennspannung von 230 V beziehungsweise 400 V liegen im Pfad L-PE typischerweise bei 2,5 kV. Einige Ausführungen, beispielsweise der vorgenannte Kombinationsableiter „FLT-SEC-ZP-3S“, erreichen einen Schutzpegel von ca. 2 kV, indem die beiden Gasableiter mit einer zusätzlichen Kapazität gesteuert sind.
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Somit hat die Erfindung die Aufgabe, den Schutzpegel einer Überspannungsschutzeinrichtung mit Funkenstrecken weiter zu verbessern, beispielsweise um einen Schutzpegel im Bereich von 1,5 kV oder weniger zu erreichen. Eine alternative oder zusätzliche Aufgabe ist ein einheitlicher oder gleichermaßen niedriger Schutzpegel für alle Kombinationen von Leiterpaaren oder Anschlüssen der Überspannungsschutzeinrichtung.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung sind im Folgenden unter teilweiser Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überspannungsschutz. Die Vorrichtung umfasst eine erste triggerbare Funkenstrecke, die zwischen einem ersten Leiter und einem Bezugspotential angeschlossen oder anschließbar ist, und eine zweite triggerbare Funkenstrecke, die zwischen einem zweiten Leiter und dem Bezugspotential angeschlossen oder anschließbar ist. Ferner umfasst die Vorrichtung einen mindestens drei Elektroden umfassenden Raum zur Stoßionisation. Eine erste Elektrode des Raums zur Stoßionisation ist mit einer Triggerelektrode der ersten triggerbaren Funkenstrecke elektrisch verbunden, eine zweite Elektrode des Raums zur Stoßionisation ist mit einer Triggerelektrode der zweiten triggerbaren Funkenstrecke elektrisch verbunden, und eine dritte Elektrode des Raums zur Stoßionisation ist mit dem Bezugspotential oder einem Anschluss der Funkenstrecken zum Bezugspotential elektrisch verbunden ist.
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Ausführungsbeispiele der Vorrichtung können aufgrund der mindestens drei Elektroden im Raum zur Stoßionisation bei einer Überspannung zwischen dem oder jedem Leiterpaar oder zwischen einem der Leiter und dem Bezugspotential die Funkenstrecken zünden, vorzugsweise mit einem einheitlichen Schutzpegel und/oder mit einem Schutzpegel, der nur durch einen einzigen Raum zur Stoßionisation (vorzugsweise ohne eine Reihenschaltung mehrerer Räume zur Stoßionisation) bestimmt ist. Dadurch kann ein einheitlicher und/oder niedriger Schutzpegel (d.h. Spannungspegel zum Ansprechen der Schutzfunktion der Vorrichtung) realisiert werden.
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Die Vorrichtung zum Überspannungsschutz kann auch als Überspannungsschutzeinrichtung oder Überspannungsschutzvorrichtung bezeichnet werden. Indem der erste Leiter, der zweite Leiter und das Bezugspotential jeweils mit Elektroden im Raum zur Stoßionisation elektrisch verbunden oder verbindbar sind, kann die Vorrichtung einen einheitlichen Schutzpegel gegen eine Überspannung zwischen jeder Paarkombination (d.h. paarweisen Kombination) des ersten Leiters, des zweiten Leiters und des Bezugspotentials aufweisen.
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Der Raum zur Stoßionisation kann jeder Raum sein, der zur Stoßionisation ausgebildet ist. Der Raum zur Stoßionisation kann eine Überschlagstrecke umfassen, beispielsweise zwischen den mindestens drei Elektroden. Beispielsweise kann ein Raum zur Stoßionisation ausgebildet sein, falls ein Stromstoß und/oder eine Überspannung zwischen wenigstens zwei der Elektroden des Raums einen Übergang von einem hochohmigen Zustand in einen niederohmigen Zustand bewirkt (vorzugsweise bezogen auf jedes Paar der Elektroden des Raums). Der oder jeder Raum zur Stoßionisation kann eine Gasentladungsröhre (englisch „gas discharge tube“ oder GDT) oder einen Gasableiter umfassen. Der mindestens drei Elektroden umfassende Raum zur Stoßionisation kann eine die mindestens drei Elektroden umfassende Gasentladungsröhre sein.
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Eine oder jede der triggerbaren Funkenstrecke kann ein Trigatron umfassen. Hierin kann „triggerbar“ (beispielsweise aufgrund einer Spannung an der Triggerelektrode) auslösbar oder aktivierbar bedeuten. Die Triggerelektrode der ersten oder zweiten triggerbaren Funkenstrecke kann auch als erste beziehungsweise zweite Triggerelektrode bezeichnet werden. Die erste oder zweite triggerbare Funkenstrecke kann auch als erste beziehungsweise zweite Funkenstrecke bezeichnet werden. Die erste und/oder zweite Funkenstrecke kann eine Überschlagstrecke umfassen, beispielsweise zwischen einer ersten Lastelektrode, die mit dem jeweiligen Leiter elektrisch verbunden oder verbindbar ist, und einer zweiten Lastelektrode, die mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden oder verbindbar ist.
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Die mindestens drei Elektroden im Raum zur Stoßionisation können (beispielsweise paarweise) äquidistant angeordnet sein. Drei Elektroden können in einer ebenen Anordnung (beispielsweise an Ecken) eines gleichseitigen Dreieckes sein. Vier Elektroden können in einer räumlichen Anordnung (beispielsweise an Ecken) eines gleichseitigen Tetraeders sein.
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Ansprechspannungen zur Stoßionisation (beispielsweise die Schutzpegel) zwischen den mindestens drei Elektroden im Raum zur Stoßionisation können paarweise übereinstimmen.
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Der erste Leiter kann einen Schutzleiter oder Erdungsleiter umfassen. Der zweite Leiter kann oder die zweiten Leiter können jeweils einen Außenleiter einer Wechselspannung oder eines Drehstroms umfassen. Das Bezugspotential kann einen Neutralleiter der Wechselspannung oder des Drehstroms umfassen. Der Außenleiter kann eine Phase (oder Leiter der Phase) der Wechselspannung oder des Drehstroms sein. In einer Variante kann der erste Leiter den Neutralleiter der Wechselspannung oder des Drehstroms umfassen, der zweite Leiter den Außenleiter der Wechselspannung oder des Drehstroms umfassen, und/oder das Bezugspotential den Schutzleiter oder Erdungsleiter umfassen.
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Die erste Elektrode des Raums zur Stoßionisation kann mit der Triggerelektrode der ersten triggerbaren Funkenstrecke über eine erste Impedanz, vorzugsweise einen ersten Varistor, elektrisch verbunden sein. Die zweite Elektrode des Raums zur Stoßionisation kann mit der Triggerelektrode der zweiten triggerbaren Funkenstrecke über eine zweite Impedanz, vorzugsweise einen zweiten Varistor, elektrisch verbunden sein. Die dritte Elektrode des Raums zur Stoßionisation mit dem Bezugspotential über eine dritte Impedanz, vorzugsweise einen dritten Varistor, elektrisch verbunden sein.
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Die erste Impedanz, die zweite Impedanz und/oder die dritte Impedanz können jeweils eine in Reihe geschaltete Sicherung umfassen. Die Sicherung kann mit der jeweiligen Impedanz thermisch gekoppelt sein.
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Die Sicherung kann eine Abtrenneinrichtung (beispielsweise eine Trennstelle) umfassen. Beispielsweise kann die Sicherung einen Lötpunkt umfassen, der mechanisch vorgespannt ist zur Abtrennung des Lötpunkts oder Unterbrechung eines Stroms durch die jeweilige Impedanz. Der Lötpunkt kann mit der jeweiligen Impedanz thermisch gekoppelt sein (d.h. mit der jeweiligen Impedanz in Wärmekontakt stehen). Der Lötpunkt kann ein Lot umfassen, dessen Schmelzpunkt eine Temperatur der Abtrennung oder Stromunterbrechung bestimmt.
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Die Sicherung der ersten Impedanz kann zwischen der ersten Elektrode des Raums zur Stoßionisation und der Triggerelektrode der ersten Funkenstrecke in Reihe geschaltet sein, beispielsweise zwischen der ersten Impedanz und der ersten Elektrode des Raums zur Stoßionisation oder zwischen der ersten Impedanz und der Triggerelektrode der ersten Funkenstrecke. Alternativ oder ergänzend kann die Sicherung der zweiten Impedanz zwischen der zweiten Elektrode des Raums zur Stoßionisation und der Triggerelektrode der zweiten triggerbaren Funkenstrecke in Reihe geschaltet sein, beispielsweise zwischen der zweiten Impedanz und der zweiten Elektrode des Raums zur Stoßionisation oder zwischen der zweiten Impedanz und der Triggerelektrode der zweiten Funkenstrecke. Alternativ oder ergänzend kann die Sicherung der dritten Impedanz zwischen der dritten Elektrode des Raums zur Stoßionisation und dem Bezugspotential (oder dem Anschluss zum Bezugspotential) in Reihe geschaltet sein, beispielsweise zwischen der dritten Impedanz und der dritten Elektrode des Raums zur Stoßionisation oder zwischen der dritten Impedanz und dem Bezugspotential (oder dem Anschluss zum Bezugspotential).
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Jede bis auf eine Elektrode des Raums zur Stoßionisation kann eine in Reihe geschaltete Impedanz und/oder eine in Reihe geschaltete Sicherung umfassen. Zu jeder bis auf einer der Impedanzen (beispielsweise der ersten, zweiten und dritten Impedanzen) kann eine Sicherung in Reihe geschaltet sein. Optional kann jede der in Reihe geschalteten Sicherungen mit der jeweiligen Impedanz thermisch gekoppelt sein.
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Die Vorrichtung kann eine Mehrzahl von zweiten triggerbaren Funkenstrecken umfassen, die jeweils zwischen einem von mehreren zweiten Leitern und dem Bezugspotential angeschlossen oder anschließbar sind. Die Vorrichtung kann eine entsprechende Mehrzahl von Räumen zur Stoßionisation umfassen, die jeweils mindestens drei Elektroden umfassen. Jeweils die erste Elektrode kann mit der Triggerelektrode der ersten triggerbaren Funkenstrecke elektrisch verbunden sein. Jeweils die zweite Elektrode kann mit der Triggerelektrode einer der zweiten triggerbaren Funkenstrecken elektrisch verbunden sein. Jeweils die dritte Elektrode kann mit dem Bezugspotential oder dem Anschluss zum Bezugspotential elektrisch verbunden sein.
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Die zweite Elektrode jeweils einer der Räume zur Stoßionisation kann mit der Triggerelektrode jeweils einer der zweiten triggerbaren Funkenstrecken elektrisch verbunden sein. Die Triggerelektrode jeweils einer der zweiten triggerbaren Funkenstrecken kann mit der zweiten Elektrode jeweils einer der Räume zur Stoßionisation elektrisch verbunden sein. Die elektrischen Verbindungen zwischen (den jeweiligen zweiten Elektroden) der Mehrzahl von Räumen zur Stoßionisation und (der jeweiligen Triggerelektroden) der entsprechenden Mehrzahl von Funkenstrecken kann eineindeutig sein. Die zweiten Elektroden verschiedener Räumen zur Stoßionisation können mit Triggerelektroden verschiedener Funkenstrecken elektrisch verbunden sein.
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Die zweite Elektrode jedes Raums zur Stoßionisation kann mit der Triggerelektrode der jeweiligen zweiten triggerbaren Funkenstrecke über eine zweite Impedanz, vorzugsweise einen zweiten Varistor, elektrisch verbunden sein. Alternativ oder ergänzend kann jede Elektrode jedes Raums zur Stoßionisation bis auf eine Elektrode des jeweiligen Raums zur Stoßionisation eine in Reihe geschaltete Impedanz und/oder eine in Reihe geschaltete Sicherung umfassen.
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Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eine Mehrzahl von zweiten triggerbaren Funkenstrecken umfassen, die jeweils zwischen einem von mehreren zweiten Leitern und dem Bezugspotential angeschlossen oder anschließbar sind. Der Raum zur Stoßionisation kann eine entsprechende Mehrzahl von zweiten Elektroden umfassen, die jeweils mit der Triggerelektrode einer der zweiten triggerbaren Funkenstrecken elektrisch verbunden sind.
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Jeweils eine der zweiten Elektroden kann mit der Triggerelektrode jeweils einer der zweiten triggerbaren Funkenstrecken elektrisch verbunden sein. Jeweils eine der zweiten triggerbaren Funkenstrecken kann mit der jeweiligen Triggerelektrode mit jeweils einer der zweiten Elektroden elektrisch verbunden sein. Die elektrischen Verbindungen zwischen der Mehrzahl von zweiten Elektroden und (der jeweiligen Triggerelektroden) der entsprechenden Mehrzahl von Funkenstrecken kann eineindeutig sein. Verschiedene zweite Elektroden können mit Triggerelektroden verschiedener Funkenstrecken elektrisch verbunden sein.
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Beispielsweise kann die Vorrichtung, vorzugsweise der Raum zur Stoßionisation, N zweite Elektroden umfassen. Der Raum zur Stoßionisation kann zusammen mit der ersten Elektrode und der dritten Elektrode N+2 Elektroden umfassen. Die N zweiten Elektroden können jeweils mit der Triggerelektrode einer von N zweiten triggerbaren Funkenstrecken elektrisch (vorzugsweise elektrisch leitend) verbunden sein. Die N zweiten triggerbaren Funkenstrecken können jeweils zwischen dem Bezugspotential und einem von N zweiten Leitern angeschlossen sein. Beispielsweise kann N=3 sein (vorzugsweise bei 3 Außenleiter für einen Drehstrom als die 3 zweiten Leiter), sodass der Raum zur Stoßionisation fünf Elektroden umfasst.
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Jede der zweiten Elektroden des Raums zur Stoßionisation kann mit der Triggerelektrode der jeweiligen zweiten triggerbaren Funkenstrecke über eine zweite Impedanz, vorzugsweise einen zweiten Varistor, elektrisch verbunden sein. Alternativ oder ergänzend kann jede der Elektroden (beispielsweise jede der ersten Elektrode, der zweiten Elektroden und der dritten Elektrode) des Raums zur Stoßionisation bis auf eine der Elektroden des Raums zur Stoßionisation eine (vorzugsweise mit der jeweiligen Elektrode) in Reihe geschaltete Impedanz und/oder eine (vorzugsweise mit der jeweiligen Elektrode und/oder mit der jeweiligen Impedanz) in Reihe geschaltete Sicherung umfassen.
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Die mehreren zweiten Leiter (beispielsweise bei einer Vorrichtung mit einem Raum oder mit mehreren Räumen zur Stoßionisation) können die Außenleiter einer Wechselspannung oder eines Drehstroms sein. Eine Wechselspannung der mehreren zweiten Leiter kann zueinander phasenverschoben sein und/oder in einer festen Phasenbeziehung stehen.
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Jeweils eine der zweiten triggerbaren Funkenstrecken (beispielsweise bei einer Vorrichtung mit einem Raum oder mit mehreren Räumen zur Stoßionisation) kann an jeweils einem der zweiten Leiter angeschlossen oder anschließbar sein. Jeweils einer der zweiten Leiter kann an jeweils eine der zweiten triggerbaren Funkenstrecken angeschlossen oder anschließbar sein. Die Anschlüsse der zweiten Leiter können den zweiten triggerbaren Funkenstrecken eineindeutig zugeordnet sein.
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Der Raum zur Stoßionisation kann löschfähig sein, vorzugsweise bei einer (beispielsweise vorbestimmten) Wechselstrom-Spannung von 230 V oder 264 V oder 400 V oder 440 V oder 760 V oder 1 kV oder zwischen 230 V und 264 V oder zwischen 264 V und 400 V oder zwischen 400 V und 440 V oder zwischen 440 V und 760 V oder zwischen 760 V und 1 kV (oder mehr). Alternativ oder ergänzend kann der Raum zur Stoßionisation löschfähig sein bei einer (beispielsweise vorbestimmten) Wechselstrom-Stromstärke von 100 A oder mehr.
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Der Raum zur Stoßionisation kann löschfähig (auch: selbstlöschend) sein, falls nach der Stoßionisation (beispielsweise aufgrund der Überspannung oder des Stromstoßes zwischen zwei der Elektroden) und bei Anliegen einer vorbestimmen Dauerspannung (beispielsweise einer regulären Wechselstrom-Spannung oder einer höchsten Wechselstrom-Spannung) zwischen zwei der Elektroden der Raum zur Stoßionisation wieder in einen hochohmigen, nicht-ionisierten, plasmaarmen oder rekombinierten Zustand übergeht (vorzugsweise ohne das Auslösen der in Reihe geschalteten Sicherung). Beispielsweise kann ein Gasdruck (vorzugsweise ein Partialdruck) eines Löschgases im Raum zur Stoßionisation dazu ausgebildet sein, nach dem niederohmigen, gezündeten, ionisierten und/oder plasmareichen Zustand den Folgestrom zu löschen oder in den hochohmigen, nicht-ionisierten, plasmaarmen oder rekombinierten Zustand überzugehen.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Schaltbild einer herkömmlichen Schutzeinrichtung mit N=4 Leitern und einem Bezugspotenzial;
- 2 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Überspannungsschutz mit mindestens zwei Leitern und einem Bezugspotenzial gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 3 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Überspannungsschutz mit mindestens zwei Leitern und einem Bezugspotenzial gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 4 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Überspannungsschutz mit mindestens zwei Leitern und einem Bezugspotenzial gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
- 5 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Überspannungsschutz mit mindestens zwei Leitern und einem Bezugspotenzial gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel;
- 6 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Überspannungsschutz mit mindestens zwei Leitern und einem Bezugspotenzial gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel;
- 7 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Überspannungsschutz mit mindestens drei Leitern und einem Bezugspotenzial gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel; und
- 8 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zum Überspannungsschutz mit mindestens drei Leitern und einem Bezugspotenzial gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer bestehenden Überspannungsschutzeinrichtung, d.h. mit einer herkömmlichen „N+1“-Schaltung für N Leiter und ein Bezugspotenzial. Die Überspannungsableiter 11 für jeweils drei Außenleiter L und eine Schutzerdung PE umfassen Funkenstrecken (FS), die über Trigger-Kreisen 12 gesteuert sind. Somit sind zwei Funkenstrecken 11 mit ihren jeweiligen Trigger-Kreisen 12 im Pfad L-PE in Reihe geschaltet. Dadurch sind auch die Trigger-Kreise 12 der Pfade L-N und N-PE in Reihe geschaltet, wodurch sich der Schutzpegel des Pfads L-PE erhöht.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer hierin allgemein mit Bezugszeichen 100 bezeichneten Vorrichtung zum Überspannungsschutz.
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Das erste Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 100 umfasst eine erste triggerbare Funkenstrecke (FS) 110 zwischen einem ersten Leiter 111 und einem Bezugspotential 102, und eine zweite triggerbare Funkenstrecke 112 zwischen einem zweiten Leiter 113 und dem Bezugspotential 102. Die Leiter 111 und 113 können beispielsweise einer Schutzerdung (PE, beispielsweise einem Schutzleiter) und einer Phase (L, beispielsweise einem Außenleiter) entsprechen.
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Triggerbar kann hierbei bedeuten, dass die jeweilige FS mittels ihrer Triggerelektrode gezündet oder in den leitenden Zustand gebracht werden kann.
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Ferner umfasst die Vorrichtung 100 einen mindestens drei Elektroden umfassenden Raum 120 zur Stoßionisation. Der Fall dreier Elektroden ist beispielhaft in 2 gezeigt.
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Eine erste Elektrode des Raums 120 zur Stoßionisation ist mit einer Triggerelektrode der ersten triggerbaren Funkenstrecke 110 elektrisch leitend verbunden ist. Eine zweite Elektrode des Raums 120 zur Stoßionisation ist mit einer Triggerelektrode der zweiten triggerbaren Funkenstrecke 112 elektrisch leitend verbunden. Eine dritte Elektrode des Raums 120 zur Stoßionisation ist mit dem Bezugspotential 102 elektrisch leitend verbunden oder verbindbar.
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Vorzugsweise ist in jeder FS, die an einen ersten oder zweiten Leiter angeschlossen ist, die Triggerelektrode räumlich näher an einer ersten Lastelektrode der FS, die an den jeweiligen (ersten oder zweiten) Leiter angeschlossen ist, als an einer zweiten Lastelektrode, die an das Bezugspotential angeschlossen ist. Dadurch kann (beispielsweise bevor die Stoßionisation im Raum 120 einsetzt, beispielsweise solange die Differenz der elektrischen Spannungen zwischen den Elektroden des Raums 120 paarweise kleiner als der Schutzpegel ist) die Triggerelektrode (beispielsweise aufgrund ihrer Position innerhalb eines elektrischen Felds zwischen der ersten und zweiten Lastelektrode) ein Potential des jeweiligen (ersten oder zweiten) Leiters tragen, das auch an der mit der Triggerelektrode elektrischen verbundenen Elektrode des Raums 120 zur Stoßionisation anliegt.
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Im Fall von mehr als einem zweiten Leiter 113 kann die Anzahl der zweiten triggerbaren Funkenstrecken und die (vorzugsweise übereinstimmende) Anzahl der zweiten Elektroden, welche jeweils mit der Triggerelektrode einer (vorzugsweise eineindeutig) zugehörigen zweiten Funkenstrecke elektrisch leitend verbunden sind (um diese zu triggern), entsprechend vergrößert sein.
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Vorzugsweise sind die Elektroden im Raum 120 zur Stoßionisation paarweise äquidistant angeordnet oder näherungsweise paarweise äquidistant. Beispielsweise können drei Elektroden in einer Ebene des Raums 120 exakt paarweise äquidistant angeordnet sein. Ferner können vier Elektroden im Raum 120 exakt paarweise äquidistant angeordnet sein (an Ecken eines gleichförmigen Tetraeders). Fünf oder mehr Elektroden können ausgehend von einem kugelförmigen Gefäß des Raums 120 als fünf oder mehr am Gefäß radial nach innen angeordnete Stifte näherungsweise paarweise äquidistant sein.
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Der Raum 120 zur Stoßionisation kann eine Gasentladungsröhre oder ein Gasableiter sein. Der Raum 120 kann auch mit der englischen Bezeichnung „gas discharge tube“ oder deren Abkürzung GDT bezeichnet werden. Natürlich kann anstelle einer GDT auch eine anderweitig ausgeführte Überschlagsstrecke mit mindestens drei Elektroden verwendet werden.
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In jedem Ausführungsbeispiel kann der die mindestens drei Elektroden umfassende Raum 120 zur Stoßionisation zusammenhängend sein. Dadurch kann ein Überschreiten des Schutzpegels (d.h. eines Spannungspegels) zwischen einem beliebigen Paar von zwei der mindestens drei Elektroden ein Plasma in dem zusammenhängenden Raum erzeugen, sodass die Leitfähigkeit zwischen allen Elektroden erhöht wird. Beispielsweise kann zwischen den zwei der mindestens drei Elektroden ein Plasma erzeugt werden, dass sich (beispielsweise aufgrund eines Temperaturgradienten oder Entropiedrucks) expansiv, diffusiv und/oder konvektiv im zusammenhängenden Raum ausbreitet und/oder jede der mindestens drei Elektroden elektrisch leitend kontaktiert.
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Indem Ausführungsbeispiele der Vorrichtung 100 im zusammenhängenden Raum 120 zur Stoßionisation mindestens drei Elektroden aufweisen (beispielsweise je eine Elektrode, die mit L, N und PE verbunden ist, und nicht nur zwei Elektroden für eine Funkenstrecke im Pfad L-N), addieren sich die Ansprechspannungen (d.h. die Schutzpegel) nicht, da bei der Stoßionisation des Raums 120 (beispielsweise beim Zünden der GDT) direkt eine Spannungsbegrenzung für jeden Schutzpfad (d.h. jede Kombination aus dem ersten Leiter, dem mindestens einen zweiten Leiter und dem Bezugspotential) hergestellt wird, vorzugsweise indem die Stoßionisation im Raum 120 die Triggerelektroden auf das Bezugspotential zieht und dadurch eine ionisierende Feldstärke in der jeweiligen FS zwischen der ersten Lastelektrode und der Triggerelektrode die FS zündet.
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Vorteilhafterweise ist der Raum 120 zur Stoßionisation dazu ausgebildet, zwischen allen Elektroden die gleiche Ansprechspannung zur Stoßionisation aufzuweisen. Alternativ oder ergänzend ist der Raum 120 zur Stoßionisation löschfähig. Vorzugsweise ist der Raum 120 zur Stoßionisation dazu ausgebildet, zwischen der ersten Elektrode und der (mit dem Bezugspotential 102 verbundene) dritten Elektrode (beispielsweise zwischen der mit N verbundenen Elektrode und der mit der Triggerelektrode der FS für PE verbundenen Elektrode), eine Löschfähigkeit von mindestens 100 A Wechselstrom (AC) aufzuweisen.
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Der Raum 120 kann zwischen der ersten Elektrode und der (mit dem Bezugspotential 102 verbundene) dritten Elektrode (beispielsweise zwischen der mit N verbundenen Elektrode und der mit der Triggerelektrode der FS für PE verbundenen Elektrode) eine Löschfähigkeit von mind. 100 A aufweisen oder einen anderen Wert beispielsweise in Übereinstimmung mit normativ Bestimmungen für einen Pfad zwischen N und PE. Sollte der Raum 120 in der Lage sein diesen Strom zu löschen, kann auf einen Varistor, beispielsweise auf einen Metalloxid-Varistor (kurz: MOV), an der ersten Elektrode des Raums 120 und/oder an der dritten Elektrode des Raums 120 (beispielsweise auf einen Varistor im Triggerpfad zwischen N und PE) verzichtet werden. Alternativ oder ergänzend kann die FS 110 (beispielsweise die FS zwischen N und PE) ebenfalls in der Lage sein, den Strom (beispielsweise von 100 A oder dem anderen normativ bestimmten Wert) zu löschen.
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Ein weiterer Vorteil eines Ausführungsbeispiels (beispielsweise jedes hierin beschriebenen Ausführungsbeispiels) der Vorrichtung 100 ist, dass zum Auslösen oder Zünden (d.h. zur Triggerung) der Funkenstrecken 110 für den ersten Leiter 111 (beispielsweise der FS im Pfad N-PE) kein separater Raum zur Stoßionisation (beispielsweise keine weitere GDT) benötigt wird, da deren Funktion von dem mindestens drei Elektroden umfassenden Raum 120 (beispielsweise einer Drei-Elektroden-GDT) übernommen werden kann.
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Dieses Prinzip ist auch auf mehrere L-N-Funkenstrecken erweiterbar, wobei der Raum 120 (beispielsweise die GDT) entsprechend mehr Elektroden aufweist.
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Zusätzlich zum Raum 120 (beispielsweise dem Gasableiter) kann es vorteilhaft sein, zusätzliche Elemente wie z.B. einen oder mehrere Varistoren im Trigger-Kreis einzusetzen.
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3 zeigt ein schematisches Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 zum Überspannungsschutz. Merkmale des zweiten Ausführungsbeispiels können für sich oder in Ergänzung eines der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere in Ergänzung des ersten Ausführungsbeispiels, realisiert sein. Zwischen den Ausführungsbeispielen übereinstimmende oder austauschbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Optional ist zu mindestens einer der mindestens drei Elektroden des Raums 120 zur Stoßionisation eine Impedanz in Reihe geschaltet.
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In einer Realisierung kann der mit der Triggerelektrode der zweiten FS 112 des zweiten Leiters 113 (beispielsweise einem Außenleiter L) verbundenen zweiten Elektrode eine Impedanz 122 (z.B. ein Varistor) in Reihe geschaltet sein. Mit anderen Worten, die elektrische Verbindung zwischen der zweiten Elektrode des Raums 120 zur Stoßionisation und der Triggerelektrode der FS 112 des zweiten Leiters 113 kann eine Impedanz 122 umfassen. Im Fall mehrerer zweiter Leiter kann zwischen jede der zweiten Elektroden des Raums 120 zur Stoßionisation und der Triggerelektrode des jeweiligen zweiten Leiters eine Impedanz 122 geschaltet sein.
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4 zeigt ein schematisches Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 zum Überspannungsschutz. Merkmale des dritten Ausführungsbeispiels können für sich oder in Ergänzung eines der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere in Ergänzung des zweiten Ausführungsbeispiels, realisiert sein. Zwischen den Ausführungsbeispielen übereinstimmende oder austauschbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Sollte der Raum 120 zur Stoßionisation (beispielsweise die GDT) keine Löschfähigkeit aufweisen, kann zwischen dem ersten Leiter 111 (beispielsweise dem Schutzleiter PE) und dem Bezugspotential 102 (beispielsweise dem Neutralleiter N) eine zusätzlichen Impedanz 123 (z.B. ein Varistor) in Reihe geschaltet sein.
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In einer ersten Realisierung kann der mit der Triggerelektrode der ersten FS 110 des ersten Leiters 111 (beispielsweise des Schutzleiters PE) verbundenen ersten Elektrode eine Impedanz (z.B. ein Varistor) in Reihe geschaltet sein. Mit anderen Worten, die elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode des Raums 120 zur Stoßionisation und der Triggerelektrode der ersten FS 110 des ersten Leiters 111 kann eine Impedanz umfassen.
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In einer zweiten Realisierung (die mit der ersten Realisierung kombinierbar sein kann und die beispielhaft in 4 gezeigt ist) kann zwischen dem Bezugspotential 102 (oder dem Anschluss zum Bezugspotential, beispielsweise dem Schutzpotential PE) und der dritten Elektrode des Raums 120 zur Stoßionisation eine Impedanz 123 (z.B. ein Varistor) in Reihe geschaltet sein. Mit anderen Worten, die elektrische Verbindung zwischen der dritten Elektrode des Raums 120 zur Stoßionisation und dem Bezugspotential 102 kann eine Impedanz 123 umfassen.
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Zur Erreichung der Löschfähigkeit durch die Reihenschaltung des Raums 120 zur Stoßionisation (beispielsweise der GDT) mit einer Impedanz (beispielsweise einem Varistor) kann es gleichgültig sein, wo in der Reihenschaltung die Impedanz angeordnet ist.
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In jedem Ausführungsbeispiel und jeder Realisierung kann der Varistor (VDR), einer der Varistoren oder jeder Varistor eine Abtrenneinrichtung zur Sicherung gegen Überhitzung (beispielsweise des jeweiligen Varistors) umfassen. Die Abtrenneinrichtung kann mit dem jeweiligen Varistor thermisch gekoppelt sein. Alternativ oder ergänzend kann der Varistor, einer der Varistoren oder jeder Varistor ein Metalloxid-Varistoren (MOV) sein.
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5 zeigt ein schematisches Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 zum Überspannungsschutz. Merkmale des vierten Ausführungsbeispiels können für sich oder in Ergänzung eines der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere in Ergänzung des dritten Ausführungsbeispiels, realisiert sein. Zwischen den Ausführungsbeispielen übereinstimmende oder austauschbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei der Verschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann die Anordnung der Impedanzen den Schutzpegel beeinflussen. In dem Pfad, in welchem die beiden Impedanzen in Reihe geschaltet sind, kann sich je nach Bemessung der Impedanzen ein schlechterer Schutzpegel einstellen. Dies kann das vierte Ausführungsbeispiel vermeiden, indem jede der drei oder mindestens drei Elektroden mit jeweils einer Impedanz in Reihe geschaltet ist. Vorzugsweise entspricht die einzelne Impedanz der Hälfte der Impedanz eines Pfades (beispielsweise einem halb bemessenen Varistor), um im jeweiligen Pfad den besten oder einheitlichen Schutzpegel zu erreichen.
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6 zeigt ein schematisches Schaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 zum Überspannungsschutz. Merkmale des fünften Ausführungsbeispiels können für sich oder in Ergänzung eines der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere in Ergänzung des vierten Ausführungsbeispiels, realisiert sein. Zwischen den Ausführungsbeispielen übereinstimmende oder austauschbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Sind zu jeder der drei oder mindestens drei (beispielsweise 5) Elektroden des Raums 200 zur Stoßionisation jeweils eine Impedanz (beispielsweise die Impedanzen 121, 122 bzw. 123) in Reihe geschaltet, kann es ausreichend sein, bei jeder bis auf einer der Impedanzen (beispielsweise bei zwei der drei Impedanzen oder bei vier der fünf Impedanzen) jeweils eine eigene Abtrenneinrichtung vorzusehen. Für die Impedanz (beispielsweise die Impedanz 121 in 6) ohne eigene Abtrenneinrichtung (beispielsweise den dritten Varistor) kann die Abtrenneinrichtung entfallen, da diese Impedanz immer in Reihe mit einer weiteren Impedanz (beispielsweise entweder der Impedanz 122 oder 123) betrieben wird, welcher eine Abtrenneinrichtung in Reihe geschaltet ist.
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7 zeigt ein schematisches Schaltbild eines sechsten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 zum Überspannungsschutz. Merkmale des sechsten Ausführungsbeispiels können für sich oder in Ergänzung eines der anderen Ausführungsbeispiele realisiert sein. Zwischen den Ausführungsbeispielen übereinstimmende oder austauschbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die Vorrichtung 100 kann eine Mehrzahl von zweiten triggerbaren Funkenstrecken 112, 114 und 116 umfassen, die jeweils zwischen einem von mehreren zweiten Leitern 113, 115 und 117 sowie dem Bezugspotential 102 angeschlossen oder anschließbar sind. Die Vorrichtung 100 kann eine entsprechende Mehrzahl von Räumen 120, 130 und 140 zur Stoßionisation umfassen, die jeweils mindestens drei Elektroden umfassen. Die erste Elektrode jedes der Räume 120, 130 und 140 ist mit der Triggerelektrode der einen ersten triggerbaren Funkenstrecke 110 elektrisch leitend verbunden. Die zweite Elektrode jedes der Räume 120, 130 und 140 ist mit der Triggerelektrode einer der mehreren zweiten triggerbaren Funkenstrecken 112, 114 und 116 elektrisch leitend verbunden. Die dritte Elektrode jedes der Räume 120, 130 und 140 ist mit dem Bezugspotential 102 oder dem Anschluss zum Bezugspotential 102 elektrisch verbunden.
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Optional sind in der elektrischen Verbindung der zweiten Elektrode jedes der Räume 120, 130 und 140 jeweils eine Impedanz 122, 124 bzw. 126 in Reihe zur zweiten Elektrode geschaltet. Dadurch kann eine beliebige Anzahl von N+1 Leitern (beispielsweise die N Leiter 113, 115 und 117 zusammen mit dem Leiter 112) mit einem einheitlichen Schutzpegel geschützt sein.
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8 zeigt ein schematisches Schaltbild eines siebten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 100 zum Überspannungsschutz. Merkmale des siebten Ausführungsbeispiels können für sich oder in Ergänzung eines der anderen Ausführungsbeispiele realisiert sein. Zwischen den Ausführungsbeispielen übereinstimmende oder austauschbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der Raum 120 zur Stoßionisation (beispielsweise die GDT 120) umfasst mehr als drei Elektroden im Fall von mehr als einem zweiten Leiter (beispielsweise den Außenleitern 113, 115 und 117 eines Drehstroms). Für N+1 Leiter kann der Raum 120 zur Stoßionisation N+2 Elektroden umfassen, die vorzugsweise paarweise äquidistant oder möglichst paarweise äquidistant im Raum 120 angeordnet sind, beispielsweise in einer Tetraeder-Anordnung der Elektroden für N=2 oder äquidistant auf der Innenseite einer Kugel, welche den Raum 120 zur Stoßionisation begrenzt oder gasdicht umschließt.
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Beim Einsatz mehrerer L-N Funkenstrecken 112, 114 und 126 (z.B. in einem 3-phasigen System, vorzugsweise für Drehstrom) kann auf weitere Bauteile oder mehrere Zünd-Kreise verzichtet werden, indem der Raum 120 zur Stoßionisation (beispielsweise die GDT) statt der genannten drei Elektroden weitere Elektroden umfasst.
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Obwohl die Erfindung in Bezug auf exemplarische Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, ist es für einen Fachmann ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente als Ersatz verwendet werden können. Ferner können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehre der Erfindung anzupassen. Folglich ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst alle Ausführungsbeispiele, die in den Bereich der beigefügten Patentansprüche fallen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung zum Überspannungsschutz
- 102
- Bezugspotential, vorzugsweise Neutralleiter
- 110
- Erste Funkenstrecke
- 111
- Erster Leiter, vorzugsweise Schutzleiter oder Erdungspotential
- 112
- Zweite Funkenstrecke
- 113, 115, 117
- Zweiter Leiter, vorzugsweise Phase oder Außenleiter
- 120, 130, 140
- Raum zur Stoßionisation
- 121 bis 126
- Impedanz, vorzugsweise Varistor, optional mit Abtrenneinrichtung
