DE1513448A1 - Schnell ansprechende UEberspannungsschutzeinrichtung - Google Patents

Description

)r. Expi. ι

SIEMEKS-SCHUCKERTWERKE Erlangen, den

Aktiengosell3Chaft Werner-von-Siemens-Str·.

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Schnell ansprechende Uberspannungsschutzeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine schnell ansprechende Überspannungsschutseinrichtung, bei der parallel zum Schutrrobjekt die Schalt-Btrecke eines steuerbaren Schalters liegt.

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Einrichtungen dieser Art werden zum Schutz empfindlicher und kostspieliger Geräte oder Bauteile, wie.beispielsweise zum Schutz der Magnetwicklung eines Zyklotrons, verwendet. Die parallel zum Schutzobjekt liegende Schaltntrecke wird beim Auftreten einer Überspannung geschlossen und die Überspannung · dadurch unwirksam gemacht.

Bei Überspannungsschutzeinrichtungen besteht neben der Forderung, daß sie schnell ansprechen sollen, auch die Forderung, daß sie wartungsfrei sind, und daß sie keine gesonderte Speisespannungsquelle benötigen. Sie sollen auch in Notfällen, beispielsweise bei Ausfall des Netzes, wirksam sein.

Mit den bekannten überspannungaschutzeinrichtungen werden die gestellten Forderungen nicht In ihrer Gesamtheit erfüllt. Es sind mechanische Kurzschließvorrichtungen bekannt, die wartungsfrei sind, aber eine relativ lange Ansprechzeit haben und nur mittels einer gesonderten Spannungsquelle gesteuert werden können. Außerdem sind Schutzeinrichtungen mit Ignitrons bekannt, die zwar schnell ansprechen, aber ebenfalls zur Steuerung eine gesonderte Speisequelle benötigen und außerdem einer laufenden überwachung und Wartung bedürfen. Durch diese Erfindung wird eine Überspannungaschutzeinrichtung, bei der parallel zum Schutzobjekt die Schaltstrecke eines steuerbaren Schalters liegt, vorgestellt, die alle genannten Forderungen erfüllt.

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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter ein steuerbarer Halbleitergleichrjenter (Thyristor) dient, dessen Steuerstrom lediglich von der Überspannung abgeleitet ist·. Der Steuerstrom wird vorzugsweise aus einem zum Schutz-Objekt parallelliegenden Spannungsteiler entnommen, der aus einer Reihenschaltung von ,jeweils parallelgeschalteten ohmschen Widerständen und Kondensatoren (RC-Oliedern) besteht, wobei die RC-Glieder so bemessen sind, da3 sie gleiche Zeitkon3tante haben. Im Steuerkreis noil hierbei eine Ansprechschwelle für die Spannung, z.B. eine Vierschichtdiode, vorgesehen sein. Durch den aus RG-Gliedern gleicher Zei tkonstante bestellenden Spannungsteiler wird ein Spannungssprung ohne Zeitverzögerung getreu dem Spannung^teilerverhältnis abgebildet. Ler abgebildete Spar.nungsr?prun/^T überschreitet die Anr.preohschweile, beispielsweise die Schaltapannung einer Vierschichtdiode und ruft im Steuerkreis einen Stromimpuls hervor. Die Größe dieses Stromimpulses hängt hierbei von der Grrße des im oteuerkreis liegenden Kondensators des Spannungsteilers ab. '

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel anhand einer Figur erläutert.

Die Figur stellt eine schnell ansprechende Überspannungsschutzeinrichtung dar, die parallel zu einem Schutzob^ekt 1, beispielsweise der Magnetwicklung eines Zyklotrons, angeordnet ist. Die Einrichtung enthält zwei gleichartig aufgebaute Schaltungsteile 2 und 3, die antiparallel angeordnet sind. Der Schaltungsteil 2 dient zum Schutz vor Überspannungen der einen und der Schaltungsteil 3 zum Schutz vor Überspannungen der entgegengesetzten

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Polarität. Überspannungen beider Polaritäten treten beispielsweise beim Abschalten einer Magnetspule auf, die mit Strom sowohl in der einen Riehiung, als auch in der anderen Richtung gespeist werden kann. Wegen des gleichartigen Aufbauet? der Schaltungsteile ? und 3 genügt es, für das Verständnis der Erfindung nur den einen Schaltungsteil zn erläutern.

Zum Schutz des Objektes 1 int, wenn man zunächst von der Dresse] A absieht, dem Schutzobjekt die Schaltatrecke eines steuerbaren Halbleitergleichrichters (Thyristor) 5a parallelgeKchaltet. Der Steuer:-ι.7"-π für dienen Halbleitergleichrichter wird leiirlich von xev Überspannung abgeleitet. Zu diesem Zweck sind ein Spannungsteiler und eine Ansprechschwelle vorgesehen. Der Spannung:; te i i er liegt sum Schutzobjekt parallel und besteht aus einer Reihenschaltung von jeweils parallel geschalteten ohmschen WI!erständen Ca bzw. 7a und Kondensatoren 8a bzw. 9<ί ίHC-jliedern), die so bemessen rind, daß sie gleiche Zeitkonstanten haben. Als Ansprechschwelle dient eine Vierschichtdiode 10a. Im vorliegenden Fall ist die Steuerelektrode 11a des steuerbaren Halbleitergleichrichters nicht unmittelbar mit dem Steuerkreis verbunden, sondern mittels einea Impulsübertragers 12a galvanisch von diesem getrennt.

Es sei zur Erklärung der Wirkungsweise der bisher beschriebenen Schaltung angenommen, daß im normalen Betriebsfall am Schutzobjekt eine Spannung von 500 V liegt und eine überspannung von 100 V zur Auslösung der Schutzeinrichtung führen soll.

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Die RC-Grlieder des Spannungsteilern sind fo gewählt, daß die Spannung zwischen dein Abgriff und dem Fußpunkt, die zugleich an der Vierschichtdiode 10a liegt, im normalen Betriebsfall kleiner als die Schaltspannung dieser Diode ist. Erhöht oioh die Spannung am Schutzobjekt, wie im vorliegenden Fall, um 20 Jd so steigt auch die Spannung zwischen dem Abgriff den Spannungsteilers und dem Fußpunkt um 20 ?». Hierdurch wird die Schaltspannung der Vierschichtdiode iiberschritten. Ss fließt im Steuerkreis ein Stromimpuls, dessen Grüße im wesentlichen von der Größe den Kondensators 9a abiringt, und der über den Impulsübertrager 12a zur Steuerelektrode 1 la den Thyristors 5a Übertragen wird. Der Thyristor wiri hi erlurch gezündet und schließt die Spannung an dom Schut;*nb,|ekt kurz. Wenn, wie im vorliegenden Fall, die Zeitkonstanten :ier H'J-Gl leder foa/Öa und 7a/9a gleich groß cind - :"ir einen praktischen Fall wurden 100 kOhm · 0,2 ,uF und 3,4 kOhm · S 9 ,u? gewühlt - so wird ein

am Spannungsteiler auftretender· üpamr.aigsnprung praktisch ohne Zeitverzögerung fo ringe treu am Abgriff abgebildet. Die Steuerung des Thyristors ^cja erfolgt, da auch die Vierschichtdiode 10a praktisch trägheitslos schaltet, praktisch ohne Zeitverzögerung. Die Ansprechzeit der gesamten Schutzschaltung war bei einer ausgeführten Schaltung kleiner als 2 usec.

Wenn die Größe der zulässigen Überspannung einstellbar sein soll, so wird man den Spannungsteiler entweder mit Abgriffen versehen oder, wie C3 bei dem AusfUhrungsbeispiel angedeutet ist, ein RC-Glied veränderlich ausbilden. Hierbei muß lediglich darauf geachtet werden, daß in allen Fällen die Zeitkonstante

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zwischen dem Abgriff und dei:. Fu.3punkt der, üpannun^ntellers so gro.3 ii3t ViLe die ZeL 'konstante zwischen «lern Abgriff und dem oberen Ende-des Spannungsteilers.

Die dargestellte Schaltung Iüf3t no:;h einige Schaltungselemente erkennen, deren Bedeutung im i'l^er. ien erläutert wird.

Der Schal tn tre -'ke Jen Thyristor» ^r>a int eine Drosselspule <l vor- und die Reihemicnaltun*' ann uinem iVidoratan·! 13 und einem Kondensator ¹Λ parni ielge^chaitel:. Hierd iroh wird gewährleistet, daß die filr ien Thyr lr:t ir ::m1\:::; i/en Kenirlaton eingehalten werden. liekannt 1L 'h i'ir:'en lie Ütron- und die iJpumiun^.;^; _:nderun^ pro Zeiteinhol". an ier Gcnal i:-. t.rocko ler. Thyristor:; einen vorge^ebonon V/ert ni ·ίΓ- ii Der ^ an ve L ten. Sin '.Yi ier.-. *. and l ^cia dient aln ij tr mcerrt)n::i*i:.;iv.7: !err *ar: i zum ür::iut.;· i>.>r 7 ier:;chi mi*, iiode. Eine horjh.iporrcnde Jiüde :> >a veriiindert bei οϊηοτ» Poi.arititn— wechnel a;n JpaninniiTitellur, JaJ die Viernchi':h*.d iode ir: Bperrrichtun.t; duron-ohai tet und eine iJioie 17a, ri'3 reim durehge-εοΐΐαΐίοίοη Thyristor 5a ein Teil den Lartntromon über den Impuln'ibertrager fließt.

Palln der Kurznchluiäotron duroh die Thyristoren 5a und 5b zu groß ist, kann ein zusätzlicher Strombe^renzun^swiderntand im KurzschiieierzweLt' vor^enehen werden.

Pall3 dao kurzzeitige V/ärmerj-ihluckvermü^en (1^t-We rt) der Thyristoren Sa und 5b nicht ausreicht, um den Kurzfichlufintrom bis zu neiner Abschaltung durch den Hauptschalter zu führen,

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kann eine I^;ara.i Ιοί erhaltung mehrerer Thyristoren vorgesehen werden. Unter Umst'inien kann auch, wie bereitr. bekannt ist, ein anderes Kurzr.chließereleinent Mi mit größerem W-irmesehluckvermögen den Thyristoren parallelgeschaltet werden, dan bei Auftreten einer Überspannung dan S^hut::,;b,;ol:t 1 kurzschließt. Solche KurcsohlieSerelemente niellen z.h. Ignitronn oder meehaniijjhe Kur.'iiuihli e,V.er dar. liic Bolantungcdauer für den kurzoohlioßenden Tliyri trtor int z.B. bei I'arallelnchaltung eines mechanischen Schneiikurzschl ieüerr? mit einer Verzu^nzeit von ca. 1 mr.ec praktiiscli durch diene gegeben. In dieser Korabination wird dan :u:hnelle o'"haltvernii"fen de?> Thyri ntnrn mit dem großen 7/^:irriies jhluekvermi^en der mechan.i t-cnen iiciir.ellkurKscliJ ie'ßero ausgenutzt.

Wenn die 3etriebri-T:-ai.nunr den zn :uihutzenden Ger-'ites die Nennnperrfipaijiiunf; eine:; T:;y ri rrtorel enioriter UiHjr^tel^t, kann eine SerieriBchaltuii£ von mehreren Thi'ri stören■ vrr_t'^resehen werden.

Zur schnellen Abschal Lung der Betriebsspannung nach Ansprechen der Überspannungsschutzeinrichtung kann ein Signal von den Zündübertragern 12a und 12b abgeleitet werden.

1 Figur

7 Patentansprüche

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Claims (1)

1. Γatentanspräche

   ι. 'j Schnell ansprechende Überspannungnschutzeinri chtung, bei der parallel zum ScrutsoVgekt die Schaltstrecke eines steuerbaren Schalters liegt, dadurch gekennzeichnet, daß als Schalter ein . steuerbarer Halbleitergleichrichter (Thyristor ^a) dient, dessen Steuerstrom ."lediglich ve η der Überspannung abgeleitet

   "*:.erf:pannunri---hu t.;:e i ::r i oht.un,* nach Anspruch 1, daduroli t^rekennr.e :'"'hnet, da..- der Steuorr". rorr. au:: einem :rm o':hu'.zobjekt *( 1 ) parallel liegenden Spannungnt ei 1 or {ha lic 9a) entnommen wird, der au;· einer Hei henrchal tun,^ von jev/eil:- parallel^enclialteten

   hmtichen "/:.ierrtänden und Kondensatoren (HC-jlieder 6a/8a, "a'9a) besteh¹;, w/.boi die RC-Gleider no bemessen nind, daß sie /'leiche Zei t konstant en liaben, und daß im Steuerkrein eine I Ie [V>a) für die Spannung vorgesehen ist.

   3. Überspannungsschutzeinrichtung: nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ansprechschwelle eine Vierschichtdiode (1Ca) dient.

   4. Überspannun^snchutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (11a) des Halbleiterfjleichri'.-hters mittels eines Übertragers (12a) galvanisch vorn Steuerkreis getrennt i::t.

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   5. .Überspannungnachutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1

   bis 4, dadurch gekennzeichnet, daü der Schal te trecke den steuerbaren Halbleitergleichrichters eine Drosselspule (4) vor-, unJ die Reihenschaltung aus einem Widerstand (13) und einem Kondenaator (14) parallelgeschaltet int.

   6. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bia 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz vor Überspannungen umgekehrter Polarität dem steuerbaren Halbleitergleichrichter ein weiterer steuerbarer Halbleitergleichrichter (5b) antiparallel^enahaltet ist, der in analoger Weise wie der erste Halbleitergleichrichter gesteuert wird.

   7. überspannungnnchutzetnrichtung nach einem der Ansprüche bia α, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Schutzobjekt zusätzlich ein mechanischer Kurzschließer (13) angeordnet l3t,

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