DE19503237C2 - Mehrpolige Anordnung von Überspannungsschutzelementen in elektrischen Mehrleitersystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrpolige Anordnung von Über­ spannungsschutzelementen in elektrischen Mehrleitersystemen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mehrpolige Ableiteranordnungen gehören zum Stand der Technik (siehe z. B. DE-PS 36 39 533). Diese sind 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 Ableitvorganges erreicht. Hieraus ergibt sich eine annähernd gleiche Strom­ belastung der in diesen Teilpfaden vorgesehenen Bauelemente.

Aus der DE 32 28 471 C2 ist ein Überspannungsschutzgerät bekannt, welches aus mindestens einem Varistor und einer dazu elektrisch parallel geschalteten, bevorzugt blitzstromtrag­ fähigen Funkenstrecke besteht, wobei letztere als Luft-Gleit- Überschlags-Funkenstrecke ausgebildet sein kann. In dem den Varistor enthaltenden Zweig der Parallelschaltung ist eine Überwachungseinrichtung für das Einhalten der Strom-Spannungs- Kennlinie des Varistors vorgesehen, so daß eine dauernde, auch im Überspannungsfall wirksame Abschaltung des Varistors erfol­ gen kann. Gemäß DE 32 28 471 C2 ist den aktiven Phasen L1, L2 und L3, d. h. den jeweiligen Funkenstrecken, jeweils ein Varistor parallelgeschaltet. Bezüglich der Widerstandsver­ teilung ist dort davon auszugehen, daß der Widerstand im Zweig des N-Leiters größer als in den Phasenleitern ist, wobei dies sowohl für den Normalbetrieb als auch für das Stadium gilt, in dem nur geringe Überspannungen auftreten, die vom Varistor übernommen werden können und noch nicht hoch genug sind, um die Funkenstrecken zum Überschlag zu bringen. Im Überschlagsfall spielen für die Widerstandsbemessung der einzelnen Über­ schlagspfade die Varistoren keine oder nur eine unwesentliche Rolle. Im übrigen sind die dortigen Widerstandswerte in sämt­ lichen Überschlagspfaden gleich.

In Hasse, Peter: Überspannungsschutz von Niederspannungs­ anlagen: Einsatz elektronischer Geräte auch bei direkten Blitzeinschlägen, Verlag TÜV Rheinland 1987, wird allgemein auf Bauelemente und Geräte für den Überspannungsschutz sowie deren Wirkungsweise und Einsatzbereiche verwiesen. Konkret werden Entladungsstrecken in Form von Gasentladungsableiter sowie Luftfunkenstrecken vorgestellt. Des weiteren wird auf die Vorteile der Verwendung von Varistoren als bipolare, nicht­ lineare Widerstände abgestellt, wobei deren Widerstandswerte mit steigender Spannung abnehmen. Letztendlich wird auf sogenannte Suppressordioden verwiesen, welche als schnelle, stoßstromtragfähige Zenerdioden bekannt sind. Aufgrund des schnellen Ansprechverhaltens werden Suppressordioden zum Schutz von Halbleiterbauelementen empfohlen.

Aus ELEKTRIE, Berlin 48 (1994) 5/6, Seiten 117 bis 181, sind bestimmte Problemfälle beim Einsatz von Blitzstrom- und Überspannungs-Ableitern bekannt. In dem genannten Artikel wird auf die engen Wechselwirkungen zwischen den Überspannungs­ schutz- und anderen Maßnahmen zur Sicherung der elektromagne­ tischen Verträglichkeit eingegangen. Weiterhin wird deutlich gemacht, daß die Wirksamkeit des Überspannungsschutzes nicht nur aus der Sicht des Einzelgeräts zu bewerten ist, sondern eine Systembetrachtung erforderlich wird.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte mehrpolige Anordnung von Überspannungs­ schutzelementen in elektrischen Mehrleitersystemen anzugeben, welche in der Lage ist, eine vorteilhafte Aufteilung der insgesamt entstehenden Ströme zu erreichen, und mit deren Hilfe Fehlauslösungen von Sicherungen in den aktiven Phasenleitern verhindert werden können.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Gegen­ stand nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Im Stoßstrom­ fall wird somit der einen geringen Widerstand aufweisende Leitungszweig einen wesentlich größeren Anteil des Stoßstroms übernehmen als die Leitungszweige, die einen demgegenüber höheren Widerstand besitzen. Somit muß nur der Leitungszweig mit einer entsprechend großen Belastbarkeit versehen sein, welcher den größeren Stromanteil führt, während die Belast­ barkeit der übrigen Leitungszweige im Querschnitt entpsrechend geringer sein kann. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt eine bewußt herbeigeführte unsymmetrische Aufteilung der Stoß­ ströme während des Ableitvorgangs. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß die nur einen geringen Teilstrom führenden Lei­ tungszweige einer solchen Anordnung auch in Überspannungs­ elementen mit geringerem Ableitvermögen ausgerüstet werden können, wodurch sich eine entsprechende Reduzierung der Herstellungskosten ergibt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 2 hat der Leitungszweig zwischen dem Neutralleiter N und der Erde einen geringeren Widerstand als die Leitungszweige zwischen den aktiven Phasenleitern L und der Erde, so daß nur der erstgenannte Leitungszweig zwischen dem Neutralleiter und der Erde einen relativ starken Leitungsquerschnitt aufweisen muß; dagegen die Leitungszweige zwischen den aktiven Phasen­ leitern und der Erde demgegenüber im Querschnitt 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 nungsschutzelement 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 11 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 des 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 A1 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 in der Niederspannungsver­ sorgung, wobei die Überspannungsschutzelemente in Leitungs­ zweigen zwischen jedem aktiven Phasenleiter (L) und der Erde, sowie dem Neutralleiter (N) und der Erde (PE) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Ableitfall der ein Überspannungsschutzelement (5) auf­ weisende Leitungszweig (4) des N-Leiters einen geringeren Widerstand als jeweils ein ein Überspannungsschutzelement (UC1, UC2 und UC3) aufweisender Leitungszweig (1, 2, 3) der Phasen­ leitungen (l1, L2, L3) besitzt.

2. Mehrpolige Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Phasenleiter (L1, L2, L3) Überspannungs­ schutzelemente mit relativ hohem Innenwiderstand und der Neutralleiter (N) ein Überspannungsschutzelement 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.