DE10221714A1

DE10221714A1 - Überspannungsschutz

Info

Publication number: DE10221714A1
Application number: DE2002121714
Authority: DE
Inventors: Eberhard Rimann; Lutz Bergmann
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-27
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: DE10221714B4

Abstract

Es wird ein Überspannungsschutz mit einer Serienschaltung eines BOD-Elementes (3) mit einem Varistor (5) zwischen zwei Gleichspannungsklemmen (1, 2) eines auf einen vorgegebenen Spannungswert zu begrenzenden Netzes vorgeschlagen, wobei nach dem Varistor (5) zusätzlich ein Kondensator (9) in der Serienschaltung angeordnet ist. Die Schaltung ist sowohl für Gleichspannungsnetze als auch - mit Hilfe eines vorgeschalteten Gleichrichters (11) - für Wechselspannungsnetze anwendbar. Die Ansprechspannung des Varistors braucht nur geringfügig höher als die Netzspannung bzw. die Scheitelwerte der Wechselspannung sein. Sie darf sogar geringfügig kleiner sein.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsschutz gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann zur Begrenzung von Gleichspannungsnetzen und Wechselspannungsnetzen auf vorgegebene Spannungswerte verwendet werden.

Aus der DE 197 49 558 C2 ist ein kostengünstiger und langzeitstabiler Überspannungsbegrenzer für einen zu schützenden Stromrichter in Drehstrom-Brückenschaltung bekannt, der eine Drehstrom-Diodenbrücke umfasst, an deren Gleichstromanschlüssen eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung liegt, welche aus einer Reihenschaltung aus einem BOD-Element und einem Varistor besteht.

Die Höhe der Ansprechspannung der Schutzschaltung hängt nicht von der Spannungsklasse des Varistors ab, sondern von der Zündspannung des BOD-Elementes (Break- Over-Diode). Dadurch ist die Wahl der Spannungsklasse des Varistors in dieser Hinsicht frei. Die Ansprechspannung des BOD-Elementes muss in bekannter Weise geringfügig höher sein als die höchste betriebsmäßig vorkommende Gleichspannung oder der höchste betriebsmäßig vorkommende Scheitelwert der Wechselspannung.

Ein Problem besteht darin, dass einerseits die Ansprechspannung des Varistors möglichst niedrig liegen muß, damit die Spannung bei einem kräftigen Stromimpuls, wie er bei Schalthandlungen im Netz oder bei atmosphärischen Störungen (Blitzeinwirkung) auftreten kann, möglichst wenig ansteigt. Andererseits muß die Ansprechspannung des Varistors so hoch sein, daß der Varistorstrom auch bei der höchsten betriebsmäßigen Netzspannung sehr niedrig ist. Andernfalls wird die Schutzschaltung nach einem Ansprechen nicht wieder stromlos. Der Varistor würde sich zu sehr erwärmen und schließlich zerstört werden. Dieser Konflikt schränkt die erzielbare Schutzwirkung bekannter Schutzschaltungen deutlich ein, denn die stromabhängigen Spannungskennlinien verlaufen leider nicht flach genug.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsschutz der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem der vorstehend erläuterte Konflikt der gegensätzlichen Spannungsanforderungen (Ansprechspannung des Varistors) gelöst ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die vorstehend erläuterte Forderung, die Ansprechspannung des Varistors muss höher als die betriebsmäßig vorkommende Netzspannung sein, kann dank des erfindungsgemäß mit dem Varistor in Reihe geschalteten Kondensators entfallen. Die Ansprechspannung des Varistors kann dadurch deutlich kleiner gewählt werden, um seine Schutzwirkung zu erhöhen.

Nach dem Abklingen der Netzstörung sorgt der Kondensator erfindungsgemäß dafür, dass die Schutzschaltung sicher wieder stromlos wird. Der Kondensator lädt sich so lange auf, bis der Haltestrom des BOD-Elementes unterschritten wird. Mit der Wahl der Spannungsklasse des Varistors wird festgelegt, wie weit der Kondensator aufgeladen werden muss. Im Interesse einer möglichst niedrigen Spannungsklasse für den Kondensator (damit verbunden ist die vorteilhafte Ersparnis an Kosten und Raumbedarf) ist bezüglich der Spannungsklasse des Varistors ein Kompromiss mit der erzielbaren Schutzwirkung zu finden. Außerdem soll die Energie, die aus dem Störimpuls resultiert, möglichst wenig zur Ladung des Kondensators beitragen und statt dessen in einem möglichst hohen Maß im Varistor in Wärme umgesetzt werden. Mit anderen Worten ist es zusätzlich von Vorteil, wenn der größte Teil der Energie des Überspannungsimpulses im Varistor in Wärme umgesetzt wird und nur ein relativ kleiner Teil den Kondensator auflädt. Hierdurch läßt sich ein kostengünstiger und bezüglich der Anforderung an den Raumbedarf optimierter Kondensator einsetzen.

Vorteilhaft muß beim vorgeschlagenen selbstanpassenden Überspannungsschutz die Ansprechspannung kaum höher als die Netzspannung liegen. Die ausgewählte Spannungsklasse des Varistors kann sogar geringfügig kleiner sein als die Netzspannung, ohne daß hierdurch die Gefahr besteht, dass nach einer BOD-Zündung infolge eines Spannungsstoßes die Schutzschaltung anschließend nicht wieder stromlos wird. Eine vorzeitige Alterung und Zerstörung des Varistors (Verkürzung der Lebensdauer der Schaltung) ist nicht gegeben.

In Erweiterung der oben beschriebenen Schutzaufgabe kann der Überspannungsschutz auch bei Wechselspannungsanwendungen eingesetzt werden. Dies erfolgt durch Vorschalten eines ein- oder mehrphasigen Gleichrichters.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Überspannungsschutzes,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Überspannungsschutzes,
Fig. 3 eine Erweiterung des Überspannungsschutzes auf Wechselspannungsanwendungen.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform des Überspannungsschutzes dargestellt. Zwischen einer ersten Gleichspannungsklemme 1 (vorzugsweise beaufschlagt mit positiver Gleichspannung) und einer zweiten Gleichspannungsklemme 2 (vorzugsweise beaufschlagt mit negativer Gleichspannung bzw. Massepotential) sind ein BOD-Element 3 (Kippdiode, Breakover diode), ein Varistor 5 (vorzugsweise Metalloxidvaristor) und ein Kondensator 9 in Reihe geschaltet. An einen Verbindungspunkt 4 zwischen BOD- Element 3 und Varistor 5 ist eine Impedanz 6 angeschlossen, welche andererseits an der Gleichspannungsklemme 2 liegt. An einen Verbindungspunkt 7 zwischen Varistor 5 und Kondensator 9 ist ein Entladewiderstand 8 angeschlossen, welcher andererseits an der Gleichspannungsklemme 2 liegt.
Ziel des vorgeschlagenen Überspannungsschutzes ist es, die zwischen den Gleichspannungsklemmen 1, 2 anstehende Gleichspannung beim Auftreten eines Überspannungsimpulses auf das Niveau (nachstehend auch Ansprechschwelle oder Kippspannung genannt) des BOD-Elementes 3 zu begrenzen. Dazu ist es nötig, einen Varistor 5 mit niedriger Ansprechschwelle einzusetzen. Um einen solchen Varistor 5 mit niedriger Ansprechschwelle einsetzen zu können, wird zusätzlich zur Reihenschaltung BOD- Element 3 und Varistor 5 ein Kondensator 9 in Reihe geschaltet:

- Das BOD-Element 3 bestimmt die Einsatzschwelle des Überspannungsschutzes.
- Der Varistor 5 begrenzt die Spannung auf einen Wert entsprechend seiner Kennlinie zuzüglich des Spannungsabfalls am BOD-Element und der Kondensatorspannung (Spannung am Kondensator 9), die zunächst (zu Beginn des Überspannungsimpulses) Null Volt beträgt.
- Der Kondensator 9 wird durch den Strom, der durch die Anordnung fließt, aufgeladen, bis der Strom den Haltestrom durch das BOD-Element 3 unterschreitet. Der Kondensator 9 nimmt die Spannungsdifferenz zwischen der Varistorspannung (Spannung am Varistor 5) und der Gleichspannung, die sich aus der angelegten Netzspannung durch Gleichrichtung im ungestörten Betrieb ergibt, auf.

Durch die Schaltung wird erreicht, daß der Strom nach dem Abklingen des Überspannungsimpulses sicher verlöscht und nicht vom treibenden Netz aufrecht erhalten wird. Durch geeignete Größe des Kondensators 9 ist der umgesetzte Energieinhalt des Überspannungsimpulses an die Erfordernisse anpassbar.
Die Impedanz 6 wird vorzugsweise aus einem hochohmigen Widerstand sowie einem parallel dazu liegendem Hilfskondensator gebildet. Der hochohmige Widerstand der Impedanz 6 führt bei ungestörter Gleichspannung (es tritt kein Überspannungsimpuls auf) den geringen Leckstrom des BOD-Elementes 3. Der Hilfskondensator der Impedanz 6 dient als Zündhilfe für das BOD-Element 3, indem er beim Eintreffen eines gefährlichen Spannungsstoßes einen temporären Kurzschluß bildet und den Zündstrom für das BOD-Element 3 kurzzeitig aufnimmt, ohne daß ein nennenswerter Spannungsanstieg erfolgt. Die Spannung an diesem Hilfskondensator verfälscht daher nicht die Zündspannung der Schutzschaltung. Da das BOD-Element 3 sehr schnell zündet, braucht der Hilfskondensator nur sehr kurzzeitig Strom aufzunehmen. Seine Kapazität kann daher sehr klein sein.
Der Entladewiderstand 8 dient der Entladung des nach Ansprechen des Überspannungsschutzes aufgeladenen Kondensators 9.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des Überspannungsschutzes dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist ein Thyristor 10 zwischen Gleichspannungsklemme 1 und Verbindungspunkt 4 geschaltet. Das BOD-Element 3 ist zwischen Anode und Steuerelektrode dieses Thyristors 10 geschaltet. Die übrige Anordnung ist wie unter Fig. 1 erläutert. Durch die gezeigte Kombination von BOD-Element 3 und Thyristor 10 wird vorteilhaft die Stromtragfähigkeit der Schaltung erhöht.
In Fig. 3 ist eine Erweiterung des Überspannungsschutzes auf Wechselspannungsanwendungen - wie beispielsweise bei Summenbeschaltungen in Stromrichtergeräten, Wechselrichtern oder Transformatoren - dargestellt. Ein n-strängiger (n ist eine ganze positive Zahl, vorzugsweise n = 3) Gleichrichter 11 (Brückengleichrichter) liegt wechselspannungsseitig über Wechselspannungsklemmen 12 an einem gegen Überspannungsimpulse zu schützenden Wechselspannungsnetz und ist gleichspannungsseitig mit den Gleichspannungsklemmen 1, 2 verbunden. An diesen Gleichspannungsklemmen 1, 2 liegt andererseits der Überspannungsschutz gemäß erster oder zweiter Ausführungsform - siehe hierzu die Erläuterungen unter den Fig. 1 und 2.

Claims

1. Überspannungsschutz mit einer Serienschaltung eines BOD-Elementes (3) mit einem Varistor (5) zwischen zwei Gleichspannungsklemmen (1, 2) eines auf einen vorgegebenen Spannungswert zu begrenzenden Netzes, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Varistor (5) zusätzlich ein Kondensator (9) in der Serienschaltung angeordnet ist.

2. Überspannungsschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entladewiderstand (8) parallel zum Kondensator (9) angeordnet ist.

3. Überspannungsschutz nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das an der ersten Gleichspannungsklemme (1) angeschlossene BOD- Element (3) über eine Impedanz (6) mit der zweiten Gleichspannungsklemme (2) verbunden ist.

4. Überspannungsschutz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des BOD-Elementes ein Thyristor (10) in der Serienschaltung angeordnet ist, wobei das BOD-Element (3) zwischen Anode und Steuerelektrode dieses Thyristors (20) geschaltet ist.

5. Überspannungsschutz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Gleichspannungsklemmen (1, 2) ein n-strängiger Gleichrichter (11) vorgeschaltet ist, welcher über seine Wechselspannungsklemmen (12) an ein auf vorgegebene Spannungswerte zu begrenzendes Wechselspannungsnetz angeschlossen ist.