DE19503237A1 - Mehrpolige Anordnung von Überspannungsschutzelementen in elektrischen Mehrleitersystemen - Google Patents
Mehrpolige Anordnung von Überspannungsschutzelementen in elektrischen MehrleitersystemenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine mehrpolige Anordnung von Über
spannungsschutzelementen in elektrischen Mehrleitersystemen,
insbesondere in der Niederspannungsversorgung, wobei die
Überspannungsschutzelemente in Leitungszweigen zwischen
jedem aktiven Phasenleiter L und der Erde PE, sowie dem
Neutralleiter N und der Erde vorgesehen sind (Oberbegriff
des Anspruches 1). Die Mehrleitersysteme können Drei- bzw.
Vierleitersysteme und die Niederspannungsversorgung kann
nach dem System T-N oder T-T aufgebaut sein.
Mehrpolige Ableiteranordnungen gehören zum Stand der Technik
(siehe z. B. DE-PS 36 39 533). Dies ist in der Praxis mit
einander gleich ausgelegten Teilpfaden ausgeführt. Durch die
gleiche Auslegung der vorgesehenen überspannungsbegrenzenden
Elemente wird im Stoßstromfall eine gleichmäßige Stoßstrom
aufteilung auf die Teilstrompfade während des Ableitvorgan
ges erreicht. Hieraus ergibt sich eine annähernd gleiche
Strombelastung der in diesen Teilpfaden vorgesehenen Bau
elemente.
Die Aufgaben- bzw. Problemstellung der Erfindung besteht
demgegenüber zunächst darin, eine Anordnung gemäß dem Ober
begriff des Anspruches 1 in ihrem Aufbau und vor allem in
ihrer Funktion zu verändern und zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgaben- bzw. Problemstellung wird aus
gehend vom eingangs genannten Oberbegriff des Anspruches 1
gemäß dessen Kennzeichens zunächst vorgesehen, daß zumindest
einer der ein Überspannungsschutzelement aufweisenden Lei
tungszweige einen im Überschlagsfall geringeren Widerstand
als die anderen Leitungszweige der Anordnung aufweist. Im
Stoßstromfall wird somit der einen geringen Widerstand
aufweisende Leitungszweig einen wesentlich größeren Anteil
des Stoßstromes übernehmen als die Leitungszweige, die einen
demgegenüber höheren Widerstand besitzen. Somit muß nur der
Leitungszweig mit einer entsprechend großen Belastbarkeit
versehen sein, der den größeren Stromanteil führt, während
die Belastbarkeit der übrigen Leitungszweige im Querschnitt
entsprechend geringer sein können. Es erfolgt also im Gegen
satz zum Stand der Technik eine bewußt herbeigeführte unsym
metrische Aufteilung der Stoßströme während des Ableitvor
ganges. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß die nur einen
geringen Teilstrom führenden Leitungszweige einer solchen
Anordnung auch mit Überspannungselementen mit geringerem
Ableitvermögen ausgerüstet werden können, wodurch sich eine
entsprechende Reduzierung der Herstellungskosten ergibt.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gemäß
Anspruch 2 hat der Leitungszweig zwischen dem Neutralleiter
N und der Erde einen geringeren Widerstand als die Leitungs
zweige zwischen den aktiven Phasenleitern L und der Erde, so
daß nur der erstgenannte Leitungszweig zwischen dem Neutral
leiter und der Erde einen relativ starken Leitungsquer
schnitt aufweisen muß; dagegen die Leitungszweige zwischen
den aktiven Phasenleitern und der Erde demgegenüber im Quer
schnitt wesentlich geringer sein können. Im Fall dieser
Ausführung nach Anspruch 2 kommt als weiterer Vorteil hinzu,
daß es nicht durch vom Stoßstrom bedingte Fehlauslösungen
von Sicherungen kommen kann, die sich in den aktiven L-Lei
tern befinden.
Der vergleichsweise niedrige Innenwiderstand in einer ein
Überspannungsschutzelement aufweisenden Leitungszweige kann
als niederimpedantes Bauteil, vorzugsweise eine Funken
strecke, aber auch ein Varistor mit geringer Nennspannung
sein; während in den übrigen Leitungszweigen entsprechend
höherohmige Varistoren vorgesehen sein können.
Gemäß Anspruch 6 kann die Erfindung auch in der Weise ausge
führt werden, daß die unterschiedlichen Widerstände bzw.
Impedanzen in den Leitungszweigen Funkenstrecken mit ent
sprechend unterschiedlichen Bogenspannungen sind.
Es empfiehlt sich, die Überspannungsschutzelemente blitz
stromtragfähig auszulegen.
Zusätzlich können auch mit einem Überspannungsschutzelement
versehene Ableitungszweige zwischen den aktiven Leitern L
und dem Neutralleiter N vorgesehen sein und gemäß der Lehre
der Erfindung mit Überspannungsschutzelementen aufweisenden
Leitungszweigen zusammenwirken, die zwischen den aktiven
Leitern L, sowie dem Neutral-N-Leiter einerseits und der
Erde (PE) andererseits vorgesehen sind.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den weite
ren Unteransprüchen, sowie der nachstehenden Beschreibung
und der zugehörigen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausfüh
rungsmöglichkeiten zu entnehmen. In der im wesentlichen
schematischen Zeichnung zeigt:
Fig. 1-3: Ausführungsbeispiele von Mehrleitersystemen mit
mehreren Überspannungsschutzelementen und dabei
mit einer niederimpedanten, ein Überspannungs
schutzelement aufweisenden Zweigleitung
zwischen dem Neutralleiter und der Erde,
Fig. 4: eine Anordnung nach Fig. 1-3, wobei zusätz
liche Überspannungsschutzelemente zwischen den
Leitern L und N, sowie N und PE vorgesehen sind,
Fig. 5: das Beispiel einer baulichen Ausführung einer
Anordnung nach der Erfindung.
In den Fig. 1 bis 3 bezeichnen L1, L2 und L3 die jeweils
aktiven Phasen eines Mehrleitersystemes, sowie N den zugehö
rigen Neutralleiter. Diese Phasenleiter und der Neutrallei
ter sind über Leitungszweige 1, 2, 3 und 4 an die Erde PE
geführt. In jedem dieser Leitungszweige 1-4 befindet sich
ein Überspannungsschutzelement. In den vorliegenden Beispie
len sind dies Varistoren 6, 6′ und Funkenstrecken 5. Hiervon
hat im Stoßstrom- und damit Überschlagsfall das Überspan
onungsschutzelement des vom Neutralleiter N her führenden
Ableitungszweiges 4 den kleinsten Innenwiderstand. Dieser
Leitungszweig 4 ist also gegenüber den Leitungszweigen 1-3
niederimpedant. Im Beispiel der Fig. 1 ist in diesem nieder
impedanten Leitungszweig 4 eine der o.g. Funkenstrecken 5
vorgesehen, während die Leitungszweige 1-3 demgegenüber
höherimpedante Überspannungsschutzelemente in Form von
Varistoren 6 aufweisen. Es sind in Fig. 1 die jeweils im
Stoßstromfall in den Leitungszweigen fließenden Ströme I1,
I2, I3 und I4, sowie die an den jeweiligen Überspannungs
schutzelementen bestehenden Spannungen Uc1, Uc2, Uc3 und Uc4
angegeben. Es gelten für die Werte dieser Ströme und Span
nungen untereinander folgende Bedingungen:
Uc1 = Uc2 = Uc3 < Uc4
I1 = I2 = I3 < I4
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 könnte man vom Prinzip her
auch noch einem der Leitungszweige 1, 2 oder 3 einen gerin
gen Innenwiderstand als den übrigen dieser Leitungszweige
geben, sofern dies bei bestimmten Anwendungsfällen erforder
lich sein sollte. So kann beispielsweise über den Leitungs
zweig 4 kleineren Widerstandes etwa zwei Drittel des ge
samten Stoßstromes fließen, während sich das restliche
Drittel des Stoßstromes auf die Leitungszweige 1, 2 und 3
höheren Widerstandes verteilt. Hieraus ist besonders er
sichtlich in wie starkem Maße die Auslegung der Leitungs
zweige größeren Widerstandes reduziert werden können.
Im Beispiel der Fig. 2 ist in dem Leitungszweig 4 des N-Lei
ters ein Varistor 6′ vorgesehen, der einen geringeren Innen
widerstand und damit eine geringere Bemessungsspannung hat
als die übrigen Varistoren 6 in den Leitungszweigen 1-3.
Es gelten also hierzu die gleichen Bedingungen für die Werte
der Spannungen und der Ströme zueinander wie vorstehend zu
Fig. 1 angegeben.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 sind in den Leitungszwei
gen 1-4 als Überspannungsschutzelemente einander gleiche
Funkenstrecken 5 vorgesehen. Zusätzlich sind in den Lei
tungszweigen 1-3 zwischen den aktiven Phasenleitern L und
der Erde PE noch Strombegrenzungselemente 7 mit diesen
Funkenstrecken 5 in Reihe geschaltet. Hiermit sind die
Leitungszweige 1-3 jeweils hochohmiger als der Leitungs
zweig 4, in dem sich nur die entsprechende Funkenstrecke 5
befindet, die im Überschlagsfall relativ niederohmig ist.
Für die Werte der Spannungen Uc1 usw. und der Ströme I1 usw.
gilt das gleiche wie vorstehend zu Fig. 1 angegeben. Auch
somit werden eine unsymmetrische Stromaufteilung in den
Zweigleitungen 1 -4 und damit die erläuterten Vorteile
erreicht. Die Strombegrenzungselemente 7 können lineare oder
nichtlineare sein, wie ein Varistor, ein komplexer Wider
stand oder andere nichtlineare Widerstände (PTC).
In Abänderung des Ausführungsbeispieles der Fig. 3 kann man
bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung so vor
gehen, daß man jeden der Leitungszweige 1 bis 4 mit Funken
strecken versieht, die unterschiedliche Bogenspannungen
haben, wobei die gesonderten Strombegrenzungselemente 7
gemäß Fig. 3 in Fortfall gekommen sind. Eine Funkenstrecke
kleinerer Bogenspannung hat im Überschlagsfall eine relativ
kleine Impedanz, d. h. es fließt ein größerer Strom, während
eine Funkenstrecke von demgegenüber größerer Bogenspannung
eine entsprechend größere Impedanz hat, so daß im Überspan
nungsfall an einer solchen Funkenstrecke ein kleinerer Strom
fließt. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung,
wonach bei Vorhandensein mehrerer Phasenleiter L1, L2 und L3
und einem Neutralleiter N die Phasenleiter-Überspannungs
schutzelemente einen relativ hohen Innenwiderstand aufweisen
und der Neutralleiter ein Überspannungsschutzelement mit
einem demgegenüber relativ niedrigen Innenwiderstand be
sitzt, werden somit für die Leitungszweige zwischen den
Phasenleitern L1, L2 und L3 und der Erde PE Funkenstrecken
mit einer relativ hohen Bogenspannung und für den Leitungs
zweig zwischen dem N-Leiter und PE eine Funkenstrecke mit
einer demgegenüber niedrigeren Bogenspannung vorgesehen.
Diese Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung nicht
gesondert dargestellt. Sie ergibt sich zeichnerisch aus Fig.
3, sofern man die Strombegrenzungselemente 7 weg läßt und
die Bemessung der Funkenstrecken wie vorstehend erläutert
vornimmt. Diese unterschiedlichen Bogenspannungen sind durch
bekannte konstruktive Maßnahmen, wie Kühlung, Elektroden
abstand usw. erreichbar.
Die vorstehend erläuterte unsymmetrische Stromaufteilung in
den Leitungszweigen zwischen den Phasenleitern sowie dem
Neutralleiter einerseits und der Erde andererseits kann
ferner dazu dienen, geräteseitig zwischen den Phasenleitern
und dem Neutralleiter, oder zwischen dem Neutralleiter und
der Erde vorgesehene Überspannungsableiter in vorteilhafter
Weise mit der o.g. unsymmetrischen Stromaufteilung zu koor
dinieren. Fig. 4 zeigt hierzu eine unsymmetrische Ableiter
kombination A1, A2, die im einzelnen gemäß den vorhergehen
den Ausführungsbeispielen gestaltet sein kann und in Wech
selwirkung mit den nachgeordneten Ableitern A3 und A4 steht.
Dabei liegt der bevorzugt als Varistor ausgebildete Ableiter
A3 zwischen der aktiven Phase L und dem Neutralleiter N,
während der Ableiter A4, der bevorzugt ein Gasableiter ist,
zwischen dem Neutralleiter N und der Erde PE geschaltet ist.
Wären die inneren Widerstände der Ableiter A1 und A2 einan
der gleich, wie es beim Stand der Technik der Fall ist, so
hätte dies zur Folge, daß der Spannungsabfall über A1 gleich
dem Spannungsabfall über A2 wäre. In diesem Falle wäre die
Spannung über den Ableiter A3 gleich Null, womit die volle
Restspannung der Ableiter A1 und A2 am Ableiter A4 anliegen
würde, was eine entsprechend hohe und nachteilige Strombe
lastung des Ableiters A4 zur Folge hätte. Ist dagegen der
Widerstand des Ableiters A1 kleiner als der des Ableiters
A2, oder aber ist der Widerstand des Ableiters A1 größer als
der des Ableiters A2, so ergeben sich entsprechend unter
schiedliche Spannungsabfälle an diesen beiden Ableitern.
Dann liegt am Ableiter A4 nur noch die Spannung gemäß der
Differenz zwischen den Spannungsabfällen an den Ableitern AI
und A2 an, wodurch die Strombelastung des Ableiters A4
entsprechend verringert wird. Dabei ist vorausgesetzt, daß
die Ansprechspannungen der Ableiter A1 und A2 größer sind
als die Ansprechspannungen der Ableiter A3 und A4. In vor
stehendem Zusammenhang ist zu beachten, daß die Ableiter A1
und A2 einerseits von den Ableitern A3, A4 andererseits in
der Regel räumlich getrennt sind, indem sich die Ableiter A1
und A2 im Verteilungsbereich und die Ableiter A3 und A4 im
Gerätebereich befinden. Aus Gründen der zeichnerischen
Vereinfachung ist in Fig. 4 nur eine Leitung L dargestellt.
Es versteht sich, daß dies die übliche Zahl von Phasenlei
tungen L1, L2 usw. ist.
Die notwendigen Schutzpegel der Ableiter 1-4 müssen zur
Isolationskoordination hierbei konform nach DIN VDE 0110
ausgelegt werden. Hieraus ergibt sich, daß die Ableiter A1
und A2, wie vorstehend bereits ausgeführt, eine höhere An
sprechspannung als der Ableiter A3 und A4 aufweisen.
Um den Einsatz der Schutzgeräte (Ableiter A1-A4) den
unterschiedlichen Entstehungs- und Wirkungsmechanismen der
verschiedenen Überspannungen anzupassen hat es sich als
vorteilhaft erwiesen, daß die äußeren Überspannungen (her
vorgerufen z. B. durch den Blitz) mittels der Ableiter A1 und
A2 gegen Erdpotential abgeleitet werden und die inneren
Überspannungen eines Netzes (z. B. hervorgerufen durch
Schaltvorgänge) sowohl zwischen den Leitern als auch gegen
Erdpotential mit den Ableitern A3 und A4 abgeführt werden.
Die Stoßstromtragfähigkeit der Ableiter A3 und A4 ist sehr
viel kleiner als die der Ableiter A1 und A2.
Die in den Fig. 1 bis 3 schematisch erläuterten Ausführungen
der Erfindung werden in der Praxis so gestaltet, daß die
verschiedenen Überspannungselemente und Spannungsbegrenzer
an einem Ort, d. h. zumindest in räumlicher Nähe zusammen
vorgesehen sind. Dies kann in einer kompakten und bevorzug
ten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 5 erfolgen.
Fig. 5 zeigt hierzu den mechanischen Aufbau einer Anordnung,
bestehend aus einem Gehäuse 8 mit den Anschlüssen N, L1, L2,
L3 und PE. Hierin sind steckbar ein Basismodul 9 und drei
Steckmodule 10 einzubringen. Dabei entspricht das Basismodul
9 dem Leitungsweg mit einer geringeren Impedanz und die
Steckmodule 10 den Leitungswegen mit einer demgegenüber
größeren Impedanz. Entsprechende Strombegrenzungselemente
bzw. Überspannungsschutzelemente mit entsprechenden höheren
Widerständen sind dabei in den Steckmodulen 10 vorgesehen.
Auch ist es möglich, daß ein zweiteiliges Gehäuse vorgesehen
ist, wobei ein Gehäuseunterteil das Basismodul mit dem
Leitungszweig oder den Leitungszweigen geringer Impedanz und
ein Oberteilsteckmodul mit den Leitungszweigen größerer
Impedanz aufweist (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Alle dargestellten und beschriebenen Merkmale, sowie ihre
Kombinationen untereinander, sind erfindungswesentlich.
Claims (12)
1. Mehrpolige Anordnung von Überspannungsschutzelementen
in elektrischen Mehrleitersystemen, insbesondere in der
Niederspannungsversorgung, wobei die Überspannungs
schutzelemente in Leitungszweigen zwischen jedem akti
ven Phasenleiter (L) und der Erde, sowie dem Neutral
leiter (N) und der Erde (PE) vorgesehen sind, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest einer (4) der ein Über
spannungsschutzelement (5, 6, 6′) aufweisenden Lei
tungszweige (1-4) einen im Überschlagsfall geringeren
Widerstand als die anderen Leitungszweige der Anordnung
aufweist.
2. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß bei Vorhandensein mehrerer Phasenleiter
(L1, L2, L3) und einem Neutralleiter (N) die Phasenlei
ter Überspannungsschutzelemente mit relativ hohem
Innenwiderstand und der Neutralleiter ein Überspan
nungsschutzelement mit einem demgegenüber relativ
niedrigen Innenwiderstand aufweist.
3. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet
durch die Anordnung von Varistoren (6) hoher Impedanz
und damit hoher Nennspannung in den Leitungszweigen
(1-3) zwischen den Phasenleitern (L) und der Erde (PE),
sowie einer Funkenstrecke (5) demgegenüber niedriger
Impedanz im Leitungszweig (4) vom Neutralleiter (N) zur
Erde (PE).
4. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet
durch Varistoren (6) hoher Nennspannung in den Lei
tungszweigen (1-3) der Phasenleiter (L1, L2, L3) zur
Erde (PE) und durch einen Varistor (6′) niedrigerer
Nennspannung im Leitungszweig (4) vom Neutralleiter (N)
zur Erde (PE).
5. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß in den Leitungszweigen (1-3) zwischen
den Phasenleitern (L1, L2, L3) und der Erde (PE), als
auch im Leitungszweig (4) zwischen dem Neutralleiter
(N) und der Erde (PE) sich die gleichen Überspannungs
schutzelemente, z. B. Funkenstrecken (5), mit dem glei
chen Innenwiderstand befinden und daß in den Leitungs
zweigen (1-3) zwischen den Phasenleitern und der Erde
mit den betreffenden Überspannungsschutzelementen
strombegrenzende Elemente (7) in Reihe geschaltet sind.
6. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß in den Leitungszweigen Funken
strecken unterschiedlicher Bogenspannungen vorgesehen
sind.
7. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß in den Leitungszweigen zwischen den Pha
senleitern (L1, L2, L3) und der Erde (PE) Funkenstrecken
mit einer relativ hohen Bogenspannung und in dem Lei
tungszweig zwischen dem Neutralleiter (N) und der Erde
(PE) eine Funkenstrecke mit einer demgegenüber niedri
geren Bogenspannung vorgesehen ist.
8. Mehrpolige Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß Ableiter (A1, A2) mit von
einander unterschiedlichen Innenwiderständen im Ein
gangsbereich einer Anlage angeordnet und kombiniert
sind mit Ableitern (A3, A4) am zu schützenden Gerät,
wobei die einen Ableiter (A3) zwischen den aktiven
Phasen (L) und dem Neutralleiter (N) geschaltet sind,
während die weiteren Ableiter (A4) zwischen dem Neu
tralleiter (N) und der Erde (PE) geschaltet sind.
9. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ableiter (A1, A2) im Eingangsbereich
der Anlage eine größere Ansprechspannung aufweisen als
die Ableiter (A3, A4) am zu schützenden Gerät.
10. Mehrpolige Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ableiter und Leitungs
zweige unterschiedlichen Innenwiderstandes und damit
unterschiedlichen Spannungsabfalles als Basismodul (9)
und Steckmodule (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (8)
untergebracht sind.
11. Mehrpolige Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiteiliges Gehäuse
vorgesehen ist, wobei ein Gehäuseunterteil das Basis
modul mit dem Leitungszweig oder den Leitungszweigen
geringer Impedanz und ein Oberteilsteckmodul mit den
Leitungszweigen größerer Impedanz aufweist.
12. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß Basismodul und Steckmodul in das
jeweilige Gehäuse einsteckbar sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1995103237 DE19503237C2 (de) | 1995-02-02 | 1995-02-02 | Mehrpolige Anordnung von Überspannungsschutzelementen in elektrischen Mehrleitersystemen |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20130903 |