DE19504123A1 - Schaltung zur Spannungsbegrenzung und Dämpfung in Dreiphasennetzen - Google Patents

Description

Überspannungen, deren Ursachen außerhalb des zu schützenden Systems liegen und die über Verbindungsleitungen in das System gelangen oder durch induktive oder kapazitive Ein­ kopplung auf den Stromversorgungsnetz entstehen, führen, je nach Amplitude und Energie, zur Zerstörung von angeschlosse­ nen elektrischen Geräten. Solche in der Regel nicht periodi­ sche Überspannungen entstehen z. B. aufgrund einer galvani­ schen Koppelung mit höheren Spannungspotentialen, Schaltvor­ gängen z. B. durch andere Verbraucher oder durch das Zu- und Abschalten von Blindleistungskompensationskondensatoren in Versorgungsnetzen sowie Blitzeinschlag in Leitungen, in denen dann eine Wanderwelle hoher Spannung entsteht. Weitere Ursa­ chen sind induktive Beeinflussungen beispielsweise durch Kurzschluß in Versorgungsleitungen, insbesondere bei starrer Sternpunkterdung, wodurch in benachbarte Leitungen starke Ströme induziert werden können, sowie Beeinflussungen durch starke elektromagnetische Felder. Hinzu kommt, daß beispiels­ weise in vielen asiatischen Ländern wie etwa China die Strom­ versorgungsnetze generell starke Schwankungen aufweisen. Sollen nun Verbraucher an solchen Versorgungsnetzen betrieben werden, die empfindlich gegen Spannungsschwankungen sind, so ist ein störungsfreier Betrieb nicht ohne weiteres möglich. Bei direkt am Netz getakteten Pulsumrichtern beispielsweise besteht die Möglichkeit einer Zerstörung des Netzeingangs­ teils durch Netzüberspannungen sowie durch Netzspannungsstö­ rungen mit hohen Spannungssteilheiten dU/dt. Außerdem kann bei einphasig auftretenden Netzstörungen das Spannungspoten­ tial gegen Erde zu hohen Sperrströmen bzw. zu Spannungsüber­ schlägen im angeschlossenen elektrischen Verbraucher führen.

In den einschlägigen nationalen Normen wie beispielsweise der VDE 0160 wird der Nachweis gefordert, daß elektrische Geräte Überspannungen widerstehen. Im Zuge der Harmonisierung des Rechts der Mitgliedsstaaten der Europäischen Union als Folge des politischen Bestrebens, zu einem offenen Europäischen Markt zu kommen, ist eine Richtlinie erlassen worden, welche die Hersteller elektrischer Geräte vom 01.01.1996 an zwingt, daß von ihnen hergestellte und in den Verkehr gebrachte elektrische Geräte in der Richtlinie festgelegte Anforderun­ gen an die elektromagnetische Verträglichkeit, kurz EMV, erfüllen. EMV ist somit die Eigenschaft eines Gerätes, in einer elektromagnetischen Umgebung befriedigend zu funk­ tionieren, ohne selbst mit unzulässig starken elektromagne­ tischen Störungen die Umwelt zu belasten. Neben der aktiven Emission von Störspannungen werden somit auch Anforderungen an die passive Beeinflussung durch Überspannungen an ein elektrisches Gerät gestellt. Eine relevante EMV-Richtlinie ist beispielsweise die EN50178. Somit bestehen neben den einschlägigen Normen der VDE nunmehr auch europäische Richt­ linien, welche erfordern, daß ein elektrisches Gerät Über­ spannungsimpulsen widerstehen kann. Die Erfahrung zeigt je­ doch, daß die bisherige Auslegung elektrischer Geräte nicht in allen Fällen ausreicht.

Dieses Problem wurde bisher durch Glättungsfilter im Gerät gelöst. Diese Glättungsfilter können aber, z. B. aufgrund der bei Pulsumrichtern taktenden Leistungsteile, nur zwischen den Netzphasen eingebaut werden. Auftretende Spannungspotential­ änderungen gegen Erde konnten bisher im Gerät nicht beschal­ tet werden. Auch ist die maximale Ableitenergie aus Dimen­ sionierungsgründen der einzusetzenden Entstörbauteile stark begrenzt. Daher treten durch herkömmliche Schutzmaßnahmen nach wie vor häufig Geräteausfälle auf.

Es ist bekannt, daß herkömmliche Schaltungen zur Begrenzung von Überspannungen beispielsweise Überspannungsbegrenzer wie Varistoren und Gasableiter verwenden (vgl. D. Nührmann, Das große Werkbuch Elektronik, Teil A, 5. Aufl. 1989, Franzis-Ver­ lags GmbH, München, S. 696 ff.; Siemens Matushita Compo­ nents GmbH & Co. KG, Marketing, 1992, Best.Nr. B5-P6204, S. 48, Abb. 23a. u. 23b.). Diese sind in der Regel, ein Dreipha­ sensystem vorausgesetzt, in Form einer Dreieckschaltung zwi­ schen die einzelnen Phasen geschaltet. Hinzu kommt, daß für die Begrenzung schneller Überspannungsstörungen mit großem dU/dt aufgrund der speziellen Spannungscharakteristik von Varistoren die Ansprechzeit häufig nicht kurz genug bemessen werden kann. Auch ist von Nachteil, daß im unteren Schutzbe­ reich unter 1000 Volt aufgrund von Varistoren immanenten Nichtlinearitäten keine ausreichende Begrenzung von Über­ spannungen möglich ist.

Weiterhin ist bekannt, zur Begrenzung von Überspannungen am Netzeingang eines beispielsweise Dreiphasensystems RC-Glieder einzusetzen. Die Widerstände werden jeweils in Reihe zu den einzelnen Phasen geschaltet, während die Kondensatoren in Dreieckschaltung zwischen die einzelnen Phasen geschaltet sind. Nachteilig bei dieser Methode ist jedoch, daß durch die Verwendung von Leistungskondensatoren die zu verarbeitenden hohen Energien in der Regel selbst bei sehr großer Dimensio­ nierung nicht vollständig unterdrückt werden können. Solche Maßnahmen sind eher zur Unterdrückung kleinerer aber dafür steilflankiger Überspannungen geeignet. Hinzu kommt, daß niederfrequente Störspannungen von den RC-Gliedern nicht wirksam ausgefiltert werden, sondern auf integriert werden und so doch an das zu schützende elektrischen Gerät gelangen und dieses mit hoher Wahrscheinlichkeit zerstören.

Bei den oben beschriebenen herkömmlichen Schaltungen zur Be­ grenzung von Überspannungen müssen demnach folgende Nachteile in Kauf genommen werden. Bei der Verwendung von Über­ spannungsbegrenzern wie z. B. Varistoren können Spannungsver­ zerrungen auftreten und die Ansprechzeit der Varistoren ist aufgrund deren spezieller Spannungscharakteristik häufig nicht ausreichend kurz für Überspannungen mit großem dU/dt. Zudem verbleibt aufgrund der spezifischen Eigenschaften von Varistoren gerade im kritischen Bereich unter 1000 Volt ein Schutzloch. Bei RC-Gliedern gelangen Überspannungen mit kleinem dU/dt doch an das zu schützende Gerät. Somit ist dadurch nicht gewährleistet, daß die zu dem elektrischen Gerät gelangende Versorgungsspannung auf einem zulässigen Wert verbleibt. Beide Maßnahmen lassen sich bei zu erwarten­ den steilflankigen Spannungsspitzen nur in Dreieckschaltung verwenden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tung zur Spannungsbegrenzung und Dämpfung in Dreiphasennetzen so auszubilden, daß eine Dämpfung eventuell auftretender Überspannungen nicht nur symmetrischer, sondern auch asymme­ trischer Art vorgenommen werden kann. Die Ansprechzeit soll auch bei steilflankig auftretenden Überspannungsimpulsen ausreichend kurz bemessen werden. Gleichzeitig sollen auch Überspannungen mit extrem großem dU/dt wirksam unterdrückt werden. Eventuell auftretende Überspannungsimpulse sollen zu jeder Zeit auf ein Maß begrenzt werden, so daß die an nach­ folgende elektrische Verbraucher gelangende Spannung durch diese sicher verarbeitet werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung und Dämpfung in Dreiphasennetzen mit folgenden Merkmalen gelöst:

• 1.1 zum Schutz des Generators vor Rückwirkungen ist für jede Phase des Leistungskreises eine Vorschaltdrossel in Reihe geschaltet,
• 1.2 zur Filterung symmetrischer Störungen sind Entstörkon­ densatoren in Dreieckschaltung zwischen die Phasen ge­ schaltet,
• 1.3 zur Filterung asymmetrischer Störungen sind zusätzliche Entstörkondensatoren in Sternschaltung an die Phasen ge­ schaltet,
• 1.4 zur Filterung symmetrischer Störungen sind Varistoren in Dreieckschaltung zwischen die Phasen geschaltet,
• 1.5 zur Filterung asymmetrischer Störungen sind zusätzliche Varistoren in Sternschaltung an die Phasen geschaltet.

Zur Erfüllung der einschlägigen Anforderungen aus der VDE0160, wonach die in Leistungskondensatoren gespeicherte Ladung innerhalb von 5 Sekunden auf eine Spannung von 60 Volt begrenzt werden muß, besitzt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung folgendes Merkmal:

• 2.1 parallel zu den Entstörkondensatoren sind Ableitwider­ stände geschaltet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung verhindert, daß die zur Spannungsbegrenzung getroffenen Maßnahmen dazu führen, daß elektrische Schwingungen entstehen. Sie besitzt folgendes Merkmal:

• 3.1 in Reihe zu den Entstörkondensatoren der Dreieckschaltung sind Dämpfungswiderstände geschaltet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung verhindert, daß bei Auftreten eines Kurzschlusses der dabei fließende Kurzschluß­ strom die zulässige Amperezahl des verwendeten Leitungsquer­ schnitts übersteigt. Sie besitzt folgendes Merkmal:

• 4.1 die Beschaltung der Entstörkondensatoren und Varistoren ist über einen Sicherungsabgang an der jeweiligen Vor­ schaltdrossel vorgenommen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesonde­ re darin, daß elektrische Verbraucher wirksam vor in Versor­ gungsnetzen auftretenden Überspannungsimpulsen geschützt werden können. Darüber hinaus lassen sich durch die erfin­ dungsgemäße Vorgehensweise die Anforderungen der einschlägi­ gen Normen wie VDE und der EMV-Richtlinie mit geringem Auf­ wand und besonderer Qualität erfüllen. Hinzu kommt, daß die Ansprechzeit vor allem beim Auftreten von steilflankigen Überspannungsimpulsen ausreichend kurz bemessen werden kann. Außerdem werden sowohl symmetrische als auch asymmetrische Überspannungen, also solche zwischen einzelnen Phasen sowie zwischen Phase und Erde, gleichzeitig wirksam mit vergleichs­ weise geringem Schaltungsaufwand gedämpft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltung zur Spannungsbegrenzung und Dämpfung in einem Dreiphasen­ versorgungsnetz.

In der Darstellung ist ein Blockschaltbild der erfindungsge­ mäßen Schaltung zur Spannungsbegrenzung und Dämpfung in einem Dreiphasenversorgungsnetz gezeigt. Dazu ist an die drei Leistungsphasen L1, L2 und L3 jeweils eine Vorschaltdrossel D1, D2 und D3 in Reihe geschaltet. Daran anschließend wird jede der Phasen über einen Sicherungsabgang S1, S2 und S3 abgegriffen. Zwischen die einzelnen, durch die Sicherungs­ abgänge geschützten Phasen sind Varistoren V12, V13 und V23 in Form einer Dreiecksschaltung geschaltet. Gleichzeitig sind Kondensatoren C12, C13 und C23 mit in Reihe geschalteten Dämpfungswiderständen R12, R13 und R23 in Form einer Drei­ ecksschaltung zwischen diese Phasen geschaltet. Zusätzlich ist jede dieser Phasen über einen Varistor V1, V2 und V3 in Form einer Sternschaltung gegen Potential Erde PE geschaltet. Weiterhin sind Kondensatoren C1, C2 und C3 von jeder der durch den jeweiligen Sicherungsabgang S1, S2 und S3 geschütz­ ten Phasen in Form einer Sternschaltung gegen Erdpotential PE geschaltet. Alle eingesetzten Kondensatoren C1, C2, C3, C12, C13 und C23 besitzen jeweils einen parallel geschalteten Ab­ leitwiderstand RA zu ihrer Entladung.

Zur gleichzeitigen Begrenzung und Dämpfung von symmetrischen sowie asymmetrischen Überspannungen, also beispielsweise durch Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Phasen oder Kurz­ schlüsse einer einzelnen Phase gegen Erde verursachte Span­ nungsspitzen, werden erfindungsgemäß Vorschaltdrosseln D1, D2 und D3 mit jeder Leistungsphase L1, L2 und L3 in Reihe ge­ schaltet. Diese bilden zusammen mit darauffolgend zwischen die einzelnen Phasen geschalteten RC-Gliedern C12 und R12, C13 und R13 sowie C23 und R23, wobei Widerstände und Konden­ satoren jeweils in Reihe liegen, ein gedämpftes Filter in Form eines R-L-C-Kreises. Durch dieses Filter, welches auf­ grund der Dämpfungswiderstände R12, R13 und R23 gedämpft ist und somit nicht in Schwingung geraten kann, werden symmetri­ sche Störungen in Form von beispielsweise Überspannungen, welche zwischen den einzelnen Phasen auftreten, wirksam unterdrückt.

Ebenso wirken die Vorschaltdrosseln D1, D2 und D3 in Verbin­ dung mit in Sternschaltung von jeder einzelnen Phase gegen Erdpotential PE geschalteten Kondensatoren C1, C2 und C3. Da aufgrund der Anschaltung in Form einer Sternschaltung die durch die Kondensatoren C1, C2 und C3 produzierte Störener­ gie, welche auf den Generator zurückgekoppelt wird, eine ge­ ringere Leistung aufweist, weil eine geringere Spannung über ihnen abfällt - die Leistung steigt quadratisch mit der Span­ nung -, reicht die verwendete Vorschaltdrossel zur Verhinde­ rung einer Rückkopplung, da sie die rückgekoppelte Störspan­ nung wie ein Spannungsteiler wirksam herunterteilt. Aus diesem Grunde werden für die Anschaltung der Kondensatoren C1, C2 und C3 in Form der Sternschaltung keine Dämpfungswi­ derstände benötigt.

In Verbindung mit den in Form einer Dreieckschaltung ange­ schalteten RC-Gliedern C12 und R12, C13 und R13 sowie C23 und R23 bilden die Vorschaltdrosseln D1, D2 und D3 ebenfalls einen ausreichenden Schutz des Generators vor Rückwirkung durch die in den Kondensatoren der Dreiecksschaltung gespei­ cherte höhere Leistung auf den Generator. Bei Verwendung bei­ spielsweise eines Pulsumrichters als elektrischem Verbraucher hat letzterer zur Folge, daß der Umrichter kurzzeitig kurzgeschlossen wird und sich in den Vorschaltdrosseln D1, D2 und D3 jeweils ein Magnetfeld aufbaut, welches, wenn es zu­ sammenbricht, die für den elektrischen Verbraucher benötigte Energie durch den dabei induzierten Strom liefert. Da die Verwendung von RC-Gliedern, sowohl in Dreieck- als auch in Sternschaltung, wie in der Beschreibungseinleitung bereits erwähnt, in erster Linie zur Unterdrückung von niedrigeren Störspannungen mit großem dU/dt geeignet sind, werden erfin­ dungsgemäß zur Dämpfung extrem hoher Überspannungen zusätz­ lich Varistoren als überspannungsbegrenzende Elemente ver­ wendet. Aus diesem Grunde sind Varistoren V12, V13 und V23 in Form einer Dreiecksschaltung zwischen die einzelnen Phasen geschaltet sowie weitere Varistoren V1, V2 und V3 in Form einer Sternschaltung von jeder Phase gegen Erdpotential PE geschaltet. Diese Varistoren begrenzen zum einen in Drei­ eckschaltung hohe symmetrische Überspannung zum anderen in Sternschaltung hohe asymmetrische Überspannungen. Darüber hinaus besitzen sie den Vorteil, daß durch sie Überspannungen mit sehr kleinem dU/dt wirksam begrenzt werden können, da solche Überspannungen durch RC-Glieder nicht unterdrückt werden, sondern vielmehr aufintegriert werden und so an den Eingang des angeschlossenen elektrischen Verbrauchers ge­ langen würden. Somit bildet die gleichzeitige Verwendung von Varistoren und RC-Gliedern sowohl in Dreieck- als auch in Sternschaltung einen wirksamen Schutz vor extrem hohen sowie niedrigeren Überspannungen, solchen mit großem und kleinem dU/dt und vor asymmetrischen sowie symmetrischen Störungen.

Eine bisher nicht mögliche Anschaltung von Kondensatoren sowie Varistoren in Form einer Sternschaltung aufgrund der beispielsweise durch die taktenden Leistungsteile eines elektrischen Pulsumrichters erzeugten Spannungspotential­ änderung gegen Erde läßt sich nun erfindungsgemäß über die Vorschaltdrosseln D1, D2 und D3 an die Leistungsphasen L1, L2 und L3 doch durchführen. Die Vorschaltdrosseln besitzen somit erfindungsgemäß eine doppelte Funktion, da sie neben der Ermöglichung einer Anschaltung in Sternschaltung gemeinsam mit den verwendeten RC-Gliedern, sowohl in Stern- als auch in Dreiecksschaltung, wirksame R-L-C- bzw. L-C-Glieder zur Filterung von Überspannungen bilden.

Zur Erfüllung der in der VDE0160 geforderten Entladung von Leistungskondensatoren innerhalb von 5 Sekunden auf eine daran abfallende Spannung von 60 V, werden parallel zu den in der Vorrichtung verwendeten Kapazitäten C1, C2, C3, C12, C13 und C23 Ableitwiderstände RA parallel geschaltet.

Um die erfindungsgemäße Schaltung möglichst klein und kompakt aufbauen zu können, dürfen die verwendeten Leitungs­ querschnitte ein bestimmtes Maß nicht übersteigen. Aus diesem Grunde werden zwischen die Vorschaltdrosseln D1, D2 und D3 und die daran anschließende Beschaltung durch die Varistoren und RC-Glieder Sicherungsabgänge S1, S2 und S3 geschaltet. Diese bilden einen effektiven Kurzschlußschutz und können beispielsweise in Form von Schmelzsicherungen realisiert werden. So ist gewährleistet, daß im Falle eines Kurzschlus­ ses die durch den Querschnitt der verwendeten Leitung be­ dingte Amperezahl nicht überschritten werden kann.

Durch die geschilderten Maßnahmen wird erreicht, daß durch die in den Kapazitäten sowie den eingesetzten Vorschalt­ drosseln gespeicherte Energie das Netz symmetriert wird und somit angeschlossene elektrische Verbraucher vor beispiels­ weise durch einen schlecht stabilisierten Generator mit großen Spannungsschwankungen verursachten Störungen geschützt werden.

Zur Dimensionierung der einzelnen Bauteile ergeben sich bei Auslegung für einen Generator mit 200 kW bei einem Strom von 300 A folgende Bauteilwerte. Die Vorschaltdrosseln weisen einen Wert von 30 µH auf oder liegen im Bereich der Netz­ induktivität. Die Kondensatoren C1, C2 und C3, welche für die Sternschaltung eingesetzt werden, besitzen einen Wert von 15 µF, die für die Dreieckschaltung eingesetzten Kondensatoren C12, C13 und C23 einen Wert von 47 µF. Die Dämpfungswider­ stände der RC-Glieder in Dreieckschaltung weisen einen Wert von 1 Ohm auf. Die Ableitwiderstände RA besitzen einen Wert von 30 kohm.

Claims (4)

1. Schaltung zur Spannungsbegrenzung und Dämpfung in Dreipha­ sennetzen mit folgenden Merkmalen:

• 1.1 zum Schutz des Generators vor Rückwirkungen ist für jede Phase des Leistungskreises (L1, L2, L3) eine Vorschalt­ drossel (d1, D2, D3) in Reihe geschaltet,
• 1.2 zur Filterung symmetrischer Störungen sind Entstörkon­ densatoren (C12, C23, C13) in Dreieckschaltung zwischen die Phasen geschaltet,
• 1.3 zur Filterung asymmetrischer Störungen sind zusätzliche Entstörkondensatoren (C1, C2, C3) in Sternschaltung an die Phasen geschaltet,
• 1.4 zur Filterung symmetrischer Störungen sind Varistoren (V12, V23, V13) in Dreieckschaltung zwischen die Phasen geschaltet,
• 1.5 zur Filterung asymmetrischer Störungen sind zusätzliche Varistoren (V1, V2, V3) in Sternschaltung an die Phasen geschaltet.

2. Schaltung nach Anspruch 1 mit folgendem Merkmal:

• 2.1 parallel zu den Entstörkondensatoren sind Ableitwider­ stände (RA) geschaltet.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2 mit folgendem Merkmal:

• 3.1 in Reihe zu den Entstörkondensatoren (C12, C23, C13) der Dreieckschaltung sind Dämpfungswiderstände (R12, R23, R13) geschaltet.

4. Schaltung nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit folgendem Merkmal: 4.% die Beschaltung der Entstörkondensatoren und Varistoren ist über einen Sicherungsabgang (S1, S2, S3) an der je­ weiligen Vorschaltdrossel (D1, D2, D3) vorgenommen.