DE19623541A1 - Verfahren zum Schutz eines Netzes oder einer Anlage vor Ueberspannungen sowie Spannungsbegrenzungsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Netzes oder einer Anlage vor Überspannungen sowie eine Spannungs­ begrenzungsschaltung.

Aus der EP-A-0 651 491 ist ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, in welchem die Umschaltung zwischen einem ersten, neben einem Schalter nur einen Varistor enthaltenden Strompfad durch Öffnen des Schalters auf einen weiteren Strompfad, welcher in Reihe mit dem Varistor einen Gasentladungsableiter enthält, vorgenommen wird, wenn der Widerstand des Varistors durch Überlastung irreversibel zusammengebrochen und er somit ausgefallen ist. Das offenbar für den Niederspannungsbereich gedachte Verfahren ist nicht geeignet, den Ausfall des Varistors zu verhindern, sondern dient ausschließlich dazu, die Folgen eines solchen Ausfalls mindestens teilweise aufzufangen.

Es ist auch seit langem bekannt, Netze aller Spannungs­ bereiche durch aus Varistoren, insbesondere MOV-Varistoren zusammengesetzte MOV-Überspannungsableiter vor Über­ spannungen zu schützen. Meistens handelt es sich dabei um einfache Serienschaltungen oder Serien-Parallel-Schaltungen von MOV-Varistoren. Derartige MOV-Überspannungsableiter zeigen eine stark nichtlineare Kennlinie und werden bei Erreichen einer festen Grenzspannung sprungartig leitend, während sie unterhalb der Grenzspannung isolieren, so daß die Spannung zwischen den zwei Anschlüssen, zwischen denen der Überspannungsleiter liegt, auf die Grenzspannung beschränkt ist, während unterhalb derselben praktisch keine Leckströme auftreten. Allgemeine Information zu MOV-Über­ spannungsableitern ist z. B. dem Artikel "Funkenstreckenlose MOV-Überspannungsableiter ermöglichen optimalen Über­ spannungsschutz" aus Brown Boveri Technik Nr. 12 (1985) zu entnehmen.

Während derartige MOV-Überspannungsableiter sich hervorragend für die Ableitung von kurzzeitigen, auch hohen Überspannungen, wie sie durch Schaltvorgänge und Blitzschlag verursacht werden oder von schnellen transienten Überspannungen eignen, ist ihre Auslegung bezüglich länger dauernder Überspannungen nicht unproblematisch. Schon verhältnismäßig geringe temporäre Überspannungen, die für die Isolation des Netzes oder der Anlage an sich keine Gefahr darstellen, können größere Leckströme verursachen, so daß der MOV-Überspannungsableiter vor allem bei längerem Andauern der temporären Überspannung zu viel Energie aufnimmt und thermisch überlastet wird, was zu einer Zerstörung des MOV-Überspannungsableiters führen kann.

Aus diesem Grund war man bisher gezwungen, bei der Absicherung von Netzen und Anlagen mit einer beträchtlichen Sicherheitsmarge zu arbeiten und die MOV-Überspannungs­ ableiter so auszulegen, daß die Grenzspannung oberhalb zu erwartender temporärer Überspannungen liegt und die maximale Dauerbetriebsspannung entsprechend hoch ist. Dies hat jedoch zur Folge, daß das Netz oder die Anlage auf entsprechend hohe Spannungen isoliert werden muß, was die Kosten entscheidend erhöht. An sich wäre eine Absicherung, der die normale Netzspannung als maximale Dauerbetriebs­ spannung zugrundeliegt mit einer entsprechenden, knapp oberhalb derselben liegenden Grenzspannung am günstigsten, doch war dies wegen der Gefahr der Überlastung der MOV-Über­ spannungsableiter nicht tunlich.

Um ein Zahlenbeispiel zu geben:
Bei einem Netz mit einer Netzspannung U_m von 144 kV, d. h. einer Spannung zwischen einer Phase und Erde von U_m/√3 = 83 kV ist mit temporären Überspannungen von

U_T = c_e c_l U_mm/√3

zu rechnen, wobei c_e 1,4 den Erdfehlerfaktor und c_l ≈ 1,2-1,5 den Lastabwurffaktor bedeuten. Dies führt auf U_T = 157 kV, wenn c_l = 1,35 angenommen wird.

Geht man davon aus, daß der MOV-Überspannungsableiter kurzzeitig, d. h. für einige Sekunden eine Überspannung von erfahrungsgemäß höchstens T·U_c erträgt mit T = 1,45, wobei T ein die Dauer der Belastung berücksichtigender bekannter Faktor und U_c die maximale Dauerbetriebsspannung ist, so muß U_c U_T/T gewählt werden, da mit Überspannungen bis zu einem Spannungsniveau von U_T und einigen Sekunden Dauer zu rechnen ist.

Im Zusammenhang des obigen Zahlenbeispiels führt dies auf U_c ≈ 112 kV, d. h. der MOV-Überspannungsableiter muß für eine maximale Dauerbetriebsspannung ausgelegt werden, die bei 112 kV, also ca. 35% über der Phasenspannung von 83 kV liegt. Bei den üblichen Schutzfaktoren von ca. 3 bedeutet dies, daß die Isolierung des Netzes auf 336 kV ausgelegt werden muß.

Prinzipiell wäre es wünschenswert, das Netz so abzusichern, daß die Netzspannung nicht oder nur knapp überschritten werden kann. Dies war jedoch bisher wegen der Gefahr der Überlastung und Zerstörung der MOV-Überspannungsableiter nicht möglich.

Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz von Netzen und Anlagen vor Überspannungen anzugeben, das es erlaubt, die im Normalbetrieb wirksame Grenzspannung tief zu halten. Außerdem soll eine geeignete Spannungsbegrenzungs­ schaltung angegeben werden.

Durch die Erfindung ist es möglich, die maximale Dauerbetriebsspannung in die Nähe der Netzspannung zu verlegen. Dadurch kann bei der Auslegung der Isolation des fraglichen Netzes oder der Anlage von tieferen Spannungswerten ausgegangen werden, was das Netz bzw. die Anlage entscheidend verbilligt.

Im obigen Zahlenbeispiel reduziert sich U_c im Normalbetrieb auf 83 kV, so daß die Isolation des Netzes auf 249 kV statt auf 336 kV ausgelegt werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Spannungsbegrenzungsschaltung wird die Spannung sowohl im Normalbetrieb, wenn dieselbe einen Grundzustand einnimmt als auch beim Auftreten temporärer Überspannungen, wenn sie in einen Schonzustand umgeschaltet hat, durch einen MOV-Überspannungsableiter begrenzt. Die mit diesen verbundenen Vorteile wie geringer Leckstrom und sehr rasches Ansprechen bleiben in beiden Zuständen gewahrt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 das allgemeine Schaltbild einer erfindungs­ gemäßen Spannungsbegrenzungsschaltung,

Fig. 2a-c Beispiele für die Impedanz in Fig. 1 und

Fig. 3a, b Beispiele für den Schalter in Fig. 2c.

In ihrem grundsätzlichen Aufbau umfaßt die zwischen einem mit z. B. einem Hochspannungsnetz verbundenen ersten Anschluß 1 und einem geerdeten zweiten Anschluß 2 liegende Spannungsbegrenzungsschaltung 3 von Fig. 1 einen ersten MOV-Über­ spannungsableiter 4 und einen zweiten MOV-Über­ spannungsableiter 5 in Reihe. Jeder der beiden MOV-Über­ spannungsableiter 4, 5 ist konventionell z. B. als Serien- Parallelschaltung von MOV-Varistoren aufgebaut, wie sie etwa dem eingangs genannten Artikel entnehmbar sind. Daneben können sie weitere Elemente enthalten, welche ihre Funktion nicht beeinträchtigen wie parallele Funkenstrecken oder in Reihe liegende Widerstände.

Ebenfalls in Reihe mit dem ersten MOV-Überspannungsableiter 4, aber parallel zum zweiten MOV-Überspannungsableiter 5 liegt eine Impedanz 6, deren Eigenschaften durch den Wert Z wiedergegeben sind.

Die Schaltspannung, bei welcher der erste MOV-Über­ spannungsableiter 4 leitend wird, entspricht einer ersten Grenzspannung, welche z. B. bei der normalen Netzspannung liegt. Im eingangs erwähnten Zahlenbeispiel entspräche dies 83 kV. Der zweite MOV-Überspannungsableiter 5 weist eine Schaltspannung auf, welche zusammen mit der ersten Grenzspannung eine weitere Grenzspannung ergibt, die der nach bekannten Prinzipien bestimmten entspricht, im Zahlenbeispiel also 112 kV, d. h. die Schaltspannung des zweiten MOV-Überspannungsableiters 5 beträgt 29 kV entsprechend der Differenz zwischen diesen beiden Werten.

Die Impedanz 6 kann auf verschiedenste Weisen realisiert sein. Immer wird sie jedoch ein schalterartiges Element enthalten, welches bei drohender Überlastung des ersten MOV-Überspannungsableiters 4 durch länger dauernde temporäre Überspannungen und dadurch verursachte überhöhte Energieaufnahme mindestens unterhalb einer Grenzfrequenz, welche bei einem Wechselstromnetz nicht tiefer ist als die Netzfrequenz von z. B. 50 Hz sein darf, mindestens bis zu einer Sperrspannung, welche höher ist als die obengenannte weitere Grenzspannung, sperrt, so daß auf den weiteren Strompfad, welcher durch einen weiteren MOV-Überspannungs­ ableiter - in der gezeigten Ausführung der Spannungs­ begrenzungsschaltung von der Reihenschaltung des ersten MOV-Über­ spannungsableiters 4 und des zweiten MOV-Über­ spannungsableiters 5 gebildet - verläuft, umgeschaltet wird.

Die Impedanz 6 kann z. B. als rein passives Element realisiert sein. In der Ausführung nach Fig. 2a ist dies ein PTC-Element 7, das bei niedrigen Strömen ein guter Leiter ist und dessen Widerstand bei Erreichen eines bestimmten Grenzstroms und entsprechender Temperatur sprungartig ansteigt, so daß es praktisch vollständig sperrt. Das PTC-Ele­ ment 7 ist derart auf den ersten MOV-Überspannungs­ ableiter 4 abgestimmt, daß ein übermäßiger Leckstrom, welcher durch denselben und das PTC-Element 7 fließt, dasselbe zum Schalten bringt, d. h. das sprungartige Ansteigen von dessen Widerstand bewirkt, bevor er zu einer Überlastung des ersten MOV-Überspannungsableiter 4 führt. Eine anderes rein passives Element, das statt des PTC-Ele­ ments in Frage kommt, ist eine Sicherung. Diese müßte jedoch nach jeder Schaltung ersetzt werden.

Gemäß Fig. 2b ist in Reihe mit dem PTC-Element 7 ein Trenner 8 angeordnet, welcher, z. B. gesteuert durch den Leckstrom durch das PTC-Element 7, geöffnet wird, nachdem dasselbe geschaltet hat und der Leckstrom auf sehr tiefe Werte gefallen ist. Einen in Reihe geschalteten Trenner vorzusehen, welcher nach dem Sperren der Impedanz 6 geöffnet wird, ist bei jeder Ausbildung derselben möglich.

Gemäß Fig. 2c ist die Impedanz 6 als Parallelschaltung eines Schalters 9, eines Hochpasses 10 und einer Funkenstrecke 11 ausgebildet. Der Hochpaß 10 ist so ausgelegt, daß er für Frequenzen, die oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz, die gegebenenfalls nicht kleiner als die Netzfrequenz sein darf, praktisch durchlässig ist. Er dient der Ableitung von rasch ansteigenden Über­ spannungen, wie sie durch Blitzschlag oder auch durch Schaltvorgänge verursacht werden und von schnellen transienten Überspannungen. Aufgebaut kann er aus rein passiven Elementen - Kondensatoren, Widerständen, linearen oder nichtlinearen Induktivitäten - sein, im einfachsten Fall handelt es sich um einen Kondensator. Die Funkenstrecke 11 wird erforderlichenfalls bei Überlagerungen von temporären Überspannungen mit durch Blitzschlag oder Schaltvorgänge verursachten Überspannungen aktiv.

Der Schalter 9 kann als mechanischer Schalter ausgebildet sein oder auch als Halbleiterschalter oder als Reihenschaltung oder Reihenparallelschaltung von solchen. So ist er z. B. als Parallelschaltung zweier Reihenschaltungen entgegengesetzter Polarität, welche jeweils (Fig. 3a) drei gemeinsam angesteuerte GTOs 12a, b, c umfassen, ausgebildet oder als entsprechende Parallelschaltung von IGBTs 13 (Fig. 3b). Daneben ist auch die Verwendung von photoleitenden Schaltern, MCTs, BODs etc. möglich. Eine weitere Möglichkeit ist ein Piezowiderstand.

Der Schalter 9 bildet jedenfalls in der Regel ein aktives Element - wenn auch der Einsatz eines passiven Elements wie z. B. eines PTC-Elements an seiner Stelle in Fig. 2c durchaus möglich ist - dessen Öffnen von außen ausgelöst werden muß. Für die Auslösung können verschiedene Parameter herangezogen werden, sofern sie die Belastung des ersten MOV-Überspannungsableiter 4 widerspiegeln.

Um dies genauer auszuführen: Langfristig muß natürlich ein Gleichgewicht zwischen der Aufnahme elektrischer Energie durch den ersten MOV-Überspannungsableiter 4 und ihrer Umsetzung in Wärme einerseits und der Abgabe von Wärme durch Wärmeleitung, Abstrahlung, Konvektion bei einer Betriebstemperatur, bei welcher der erste MOV-Über­ spannungsableiter 4 auch langfristig sicher funktioniert, gegeben sein. Dieses Gleichgewicht darf kurzfristig gestört werden, so daß sich die MOV-Varistoren im ersten MOV-Über­ spannungsableiter 4 über die normale Betriebstemperatur erwärmen. Solche Störungen dürfen jedoch nicht zu stark und langandauernd sein, da sonst die Temperatur Werte erreicht, die eine Änderung der Materialeigenschaften der MOV-Vari­ storen nach sich zieht, die sich auf ihre elektrischen Eigenschaften auswirkt. Dies kann zu einer positiven Rückkopplung zwischen Erhöhung des Leckstroms und der Temperatur führen, was einen Totalausfall des ersten MOV-Über­ spannungsableiter 4 mit Kurzschluß nach sich zieht.

Entscheidende Größe ist die Temperatur des Varistors, die sich direkt oder indirekt messen läßt, allerdings oft nur mit einigem Aufwand. Aus diesem Grund ist meist die Messung einer Größe vorzuziehen, die ein Maß für die Energieaufnahme des ersten MOV-Überspannungsableiters 4 darstellt, z. B. des Leckstroms durch den ersten Strompfad oder eines von demselben abhängigen Parameters wie des Magnetfelds, das z. B. durch eine Hall-Sonde ermittelt werden kann. Möglich ist auch die Messung der Spannung statt des Stroms, z. B. durch Spannungsabgriff an einem der Varistoren. Aus Strom oder Spannung kann mittels der bekannten Kennlinie die Energieaufnahme berechnet werden.

Daneben ist natürlich auch eine direkte oder indirekte Messung der Temperatur nicht ausgeschlossen, z. B. direkt durch ein T-Element, einen IR-Sensor, ein Element aus Bimetall oder einer Gedächtnislegierung oder indirekt über einen Membranschalter, der auf die Expansion von durch den ersten MOV-Überspannungsableiter 4 erwärmtem Gas anspricht.

Der grundlegende Gedanke bei allen Ausführungen ist die Umschaltung von einem ersten Strompfad mit einer ersten Grenzspannung auf einen weiteren Strompfad mit einer höheren weiteren Grenzspannung bei drohender Überlastung des ersten MOV-Überspannungsableiters 4. Dies erfolgt durch Änderung des Impedanzwertes des ersten Strompfades derart, daß er bis zu einer Sperrspannung, welche höher ist als die weitere Grenzspannung, sperrt, jedenfalls bis zu einer gegebenenfalls oberhalb der Netzfrequenz liegenden Grenzfrequenz. Dadurch wird der übermäßige Leckstrom, der zu einer überhöhten Energieaufnahme des ersten MOV-Über­ spannungsableiters 4 geführt hat, praktisch vollständig unterbunden. Dabei ist durch den weiteren Strompfad, der ebenfalls einen MOV-Überspannungsableiter oder eine Reihenschaltung derartiger Überspannungsableiter enthält mit insgesamt einer höheren Grenzspannung als der erste MOV-Über­ spannungsableiter, nach wie vor eine Ableitung kurzzeitiger Überspannungen gesichert.

Auch wenn der weitere Strompfad, wie in den Ausführungs­ beispielen dargestellt, ebenfalls durch den ersten MOV-Über­ spannungsableiter 4 geht, so wird doch die Energieaufnahme desselben auf sehr niedrige Werte gedrosselt, so daß er sich wieder abkühlen kann. Er kann auch vollständig entlastet werden, indem der weitere Strompfad den ersten MOV-Überspannungsableiter 4 völlig vermeidet. Dies ist aber meist wirtschaftlich nicht sinnvoll und technisch nicht nötig.

Das geschilderte Prinzip kann auch gestaffelt werden, d. h es kann neben dem zweiten Strompfad ein dritter Strompfad mit wiederum erhöhter Grenzspannung vorgesehen werden etc.

Die Spannungsbegrenzungsschaltung 3 kann meist so ausgelegt werden, daß die Spannung in jedem Betriebszustand zum größten Teil vom ersten MOV-Überspannungsableiter 4 aufgefangen wird. Die weiteren Elemente, der zweite MOV-Über­ spannungsableiter 5 und die Impedanz 6 werden nur verhältnismäßig geringen Spannungen ausgesetzt und können daher etwa im obigen Zahlenbeispiel als Mittelspannungs­ komponenten ausgeführt sein, was ihren Preis und damit den der ganzen Spannungsbegrenzungsschaltung wesentlich senkt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Schutz eines Netzes oder einer Anlage vor einer Überspannung, wobei zur Begrenzung der Spannung zwischen einem ersten Anschluß (1) und einem zweiten Anschluß (2) von einem den ersten Anschluß (1) mit dem zweiten Anschluß (2) verbindenden ersten Strompfad mit einem ersten MOV-Überspannungsableiter (4), der bei einer ersten Grenzspannung leitend wird, auf einen gleichfalls den ersten Anschluß (1) mit dem zweiten Anschluß (2) verbindenden weiteren Strompfad, der bei einer weiteren Grenzspannung leitend wird, in Abhängigkeit von mindestens einem vom Zustand des ersten MOV-Überspannungsableiters (4) abhängigen Parameter vom ersten Strompfad auf den weiteren Strompfad umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung auf den weiteren Strompfad, dessen weitere Grenzspannung höher liegt als die erste Grenzspannung, genau dann erfolgt, wenn der Wert des mindestens einen Parameters eine drohende Überlastung des ersten MOV-Überspannungsableiters (4) durch eine längerdauernde Überspannung anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Netz oder der Anlage um ein Mittel- oder Hochspannungsnetz bzw. eine Mittel- oder Hochspannungs­ anlage handelt.

3. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) zum Schutz eines Netzes oder einer Anlage, mit, zwischen einem ersten Anschluß und einem zweiten Anschluß, einem ersten Strompfad, welcher einen ersten MOV-Überspannungs­ ableiter (4) enthält, welcher in einem Grundzustand der Spannungsbegrenzungsschaltung (3) bei einer ersten Grenzspannung leitend wird, dadurch gekennzeichnet, daß sie, gleichfalls zwischen dem ersten Anschluß (1) und dem zweiten Anschluß (2), einen weiteren Strompfad aufweist, welcher einen weiteren MOV-Überspannungs­ ableiter enthält und der bei einer höheren weiteren Grenzspannung leitend wird und daß bei drohender Überlastung des ersten MOV-Überspannungsableiters (4) die Spannungsbegrenzungsschaltung in einen Schonzustand umschaltet, in dem der erste Strompfad mindestens unterhalb einer Grenzfrequenz, welche gegebenenfalls oberhalb der Netzfrequenz liegt, bis zu einer oberhalb der weiteren Grenzspannung liegenden Sperrspannung sperrt.

4. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Strompfad in Reihe mit dem ersten MOV-Überspannungsableiter (4) eine variable Impedanz (6) enthält, deren Wert im Grundzustand niedrig ist und im Schonzustand mindestens für unterhalb der Grenzfrequenz liegende Frequenzen bis mindestens zur Sperrspannung hoch ist.

5. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Impedanz (6) eines der folgenden Bauelemente oder eine Parallelschaltung mehrerer solcher Bauelemente umfaßt:
Schalteinrichtung (9), Sicherung, PTC-Widerstand (7), Piezowiderstand, Hochpaß (10), Funkenstrecke (11).

6. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (9) mindestens einen mechanischen Schalter oder Trenner oder einen Halbleiterschalter wie z. B. GTO (12a, b, c), IGBT (13) oder photoleitenden Schalter umfaßt.

7. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Strompfad ebenfalls den ersten MOV-Über­ spannungsableiter (4) und einen zur variablen Impedanz (6) parallelen zweiten MOV-Überspannungsableiter (5) enthält.

8. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß allfällig drohende Überlastung des ersten MOV-Über­ spannungsableiters (4) mittels Überwachung der Aufnahme elektrischer Energie durch denselben festgestellt wird.

9. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme elektrischer Energie durch den ersten MOV-Überspannungsableiter (4) aus einer mit derselben verknüpften gemessenen Größe wie Strom, Magnetfeld, Spannung, bestimmt wird.

10. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß allfällig drohende Überlastung des ersten MOV-Über­ spannungsableiters (4) mittels Überwachung der Temperatur desselben festgestellt wird.