DE19952004A1 - Verfahren zum Betreiben einer Überspannungsschutzeinrichtung sowie Überspannungsschutzeinrichtung mit mindestens einem Grobschutz- und einem Feinschutzelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Überspannungsschutzeinrichtung sowie eine solche Überspannungsschutzeinrichtung mit mindestens einem Grobschutz- und einem Feinschutzelement, wobei die Überspannungsschutzeinrichtung zwischen Energiequelle und Verbraucher geschaltet ist. Erfindungsgemäß wird zur mittelbaren Bestimmung der energetischen Belastung des Feinschutzelements oder der Feinschutzstufe ein Teilstrom aus der Feinschutzstufe ausgekoppelt, welcher eine Vorionisation des als Funkenstrecke ausgebildeten Grobschutzelements bewirkt, wobei über die Größe der Stromauskopplung das Ansprechen und der Zeitpunkt der Zündung der Funkenstrecke in Abhängigkeit von der Belastbarkeit des Feinschutzelements steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Über­ spannungsschutzeinrichtung, welche mindestens ein Grobschutz­ element und ein Feinschutzelement enthält und wobei die Über­ spannungsschutzeinrichtung zwischen Energiequelle und Ver­ braucher geschaltet ist, sowie eine Überspannungsschutzein­ richtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 4.

Bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen insbesondere für Niederspannungsanlagen besteht die Notwendigkeit, einerseits einen möglichst niedrigen Schutzpegel bei andererseits gleich­ zeitig hohem Stoßstromableitvermögen zu gewährleisten. Dies wird üblicherweise aufgrund der technischen und physikalischen Randbedingungen der zur Verfügung stehenden Überspannungs­ schutzkomponenten durch die Kombination mehrerer, z. B. zwei­ stufiger Ableiteranordnungen erreicht.

Dabei übernimmt eine erste Stufe den sogenannten Grobschutz, d. h. die Ableitung des großen Stoßstroms. Eine nachgeordnete zweite Stufe, nämlich der Feinschutz, kann aufgrund des geringeren Ableitvermögens nur die Reststörungen ableiten, letzterer stellt aber den gewünschten niedrigen Schutzpegel sicher. Demnach ergibt sich eine Funktionstrennung zwischen der Stufe zur Ableitung des Stoßstroms und der weiteren Stufe, die den eigentlichen Schutzpegel gewährleistet.

Als Ableiter der Grobschutzstufe werden in der Regel Funken­ strecken vorgesehen, die entsprechend den Anwendungsfällen ausgelegt sind. Insbesondere finden blitzstromtragfähige bzw. blitzstromtragfähige und folgestromlöschfähige Funkenstrecken Einsatz. Derartige konventionelle Funkenstrecken haben in der Regel jedoch einen sehr hohen Spannungsschutzpegel im Kilo­ voltbereich, der in Relation zur Spannungsfestigkeit der zu schützenden Geräte und Anlagen zu hoch ist. Deshalb wird eine weitere, d. h. die erwähnte Feinschutzstufe ausgebildet, die z. B. einen Varistor umfaßt. Diese Feinschutzstufe gewährleistet den gewünschten Schutzpegel für die Geräte und Anlagen. Ein Entkoppelelement zwischen den Stufen stellt sicher, daß jedes der Ableiterelemente nur so stark an der Ableitung des Stoß­ stroms beteiligt wird, wie es die jeweilige Bemessung vorgibt.

Anwendungsseitig ist es wünschenswert, daß Überspannungs­ schutzeinrichtungen nur im Moment der Überspannungsbegrenzung und -ableitung aktiv sind und in der übrigen Zeit keinerlei Wirkungen auf die zu schützenden Geräte und Anlagen zeigen. Auch während der eigentlichen Ableitung der Überspannung soll die Rückwirkung der Schutzgeräte auf das zu schützende System möglichst gering sein.

Bauelemente mitkontinuierlicher Strom-/Spannungscharakteristik wie Metalloxidvaristoren oder Suppressordioden sind ein bevor­ zugtes Mittel für den Feinschutz, da aufgrund der Impedanz nach Ansprechen und während des Ableitvorgangs es nicht zum Auf­ treten eines kurzschlußähnlichen Zustands kommen kann. Weiter­ hin besitzen derartige Bauelemente eine ideale Schutzkennlinie für nahezu jeden Spannungswert.

Ein wesentlicher Nachteil derartiger Bauelemente liegt jedoch in der relativ geringen Stoßstromtragfähigkeit, die sich bedingt durch die Leitungsvorgänge im Halbleiter-Festkörper auch nicht wesentlich verbessern läßt.

Auf Funkenstrecken als Grobschutzelemente, die demgegenüber eine sehr große Stoßstromtragfähigkeit besitzen, wurde bereits hingewiesen.

Ein Nachteil derartigen Funkenstrecken ist jedoch das Auftreten eines kurzschlußähnlichen Zustands nach dem Ansprechen aufgrund der gegebenen diskontinuierlichen U/I-Charakteristik. In diesem Sinne ist eine Funkenstrecke quasi mit einem mechanischen Schalter vergleichbar. Die vorhandene geringe Impedanz verur­ sacht einen unerwünschten Kurzschlußzustand, wobei weiterhin nachteilig ist, daß die Schutzkennlinie selbst nicht konstant, sondern eine Funktion der Steilheit der Überspannung ist. Der Wert der Begrenzungsspannung bei Funkenstrecken läßt sich ebenfalls nur mit hohem Aufwand beeinflussen.

Mit den eingangs erwähnten mehrstufigen Überspannungsschutz­ einrichtungen gelingt, wenn auch nur in begrenztem Maße, eine Kombination der vorteilhaften Eigenschaften von Grobschutz- und Feinschutzelementen. Eine solche funktionstrennende Kombination ist beispielsweise aus der DE 38 12 058 A1 bekannt. Dort ist ein Entkopplungsglied in Form einer Induktität oder eines ohmschen Widerstands vorhanden. Die vorbekannte Anordnung realisiert aufgrund der Eigenimpedanz eine dem Impedanzver­ hältnis der Gesamtanordnung, d. h. der Impedanz der Ableiter bezüglich des Entkoppelelements entsprechende Aufteilung des Stoßstroms. Hierdurch soll eine gewisse energetische Koordi­ nation der vorhandenen Ableiterstufen erfolgen. Das Ent­ kopplungsglied muß jedoch eine Reihe von Anforderungen erfül­ len, die eine universelle Anwendung erschweren. Weiterhin geht die in der DE 38 12 058 A1 beschriebene Lösung davon aus, daß bei Überschreiten eines für den Feinschutzzweig definierten Stromscheitelwerts die Teilspannungen über einen Varistor und der erwähnten Impedanz gerade die Höhe der Funkenstrecken- Ansprechspannung erreichen, so daß diese dann zündet.

In eine ähnliche Zielrichtung gehen die Lösungen nach DE 196 40 997 A1, EP 0 186 939 A1 sowie JP 1-26 8427, bei denen bei Überschreiten eines bestimmten Spannungswerts eine vorhan­ dene Triggereinrichtung die Grobschutz-Funkenstrecke aktiviert. Den zitierten Lösungen ist jedoch der Nachteil gemeinsam, daß die Aktivierung der Funkenstrecke auf der Basis eines momen­ tanen Spannungs- oder Stromwerts bzw. der Stromänderungsge­ schwindigkeit erfolgt.

Eine relativ kurze und damit energieschwache Störung kann sowohl den gleichen Scheitelwert als auch die gleiche Anstieg­ geschwindigkeit wie eine energiereiche, langandauernde Über­ spannung besitzen. Damit tritt jedoch beim Stand der Technik das Problem auf, daß selbst bei energieschwachen Störungen, die an sich durch das Feinschutzelement selbst abgeleitet werden könnten, es zu einem Aktivieren der Funkenstrecke mit nachtei­ ligem Elektrodenabbrand und Verschleiß selbiger kommt. Auch entstehen Belastungen des Verbrauchers durch relativ häufige Kurzschlüsse bedingt durch das Verhalten der zündenden Funken­ strecken bzw. Netzausfall. Aus vorliegenden Untersuchungen resultiert, daß über 90% der Überspannungsereignisse energiearm sind, allerdings einen hohen Spannungsscheitelwert besitzen, so daß nach neuen Ansätzen zu suchen ist, wie das unerwünschte Aktivieren des Grobschutzelemente vermieden werden kann.

Es wurde erkannt, daß die Faktoren Spannung und Strom bzw. di/dt kein Maß für die energetische Belastung des Feinschutz­ elements darstellen. Vielmehr ist es hier erforderlich, gemäß der Beziehung W = ∫ uidt die Zeitdauer der Einwirkung als wesentlichen Parameter zu berücksichtigen.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Überspannungsschutzeinrichtung sowie eine Überspannungsschutzeinrichtung anzugeben, welche mindestens ein Grobschutzelement und ein Feinschutzelement enthält und wobei die Überspannungsschutzeinrichtung zwischen Energiequelle und Verbraucher geschaltet ist. Aufgabengemäß soll die tatsächlich im Feinschutzelement umgesetzte Energie erfaßt und zum Steuern der Überspannungsschutzeinrichtung genutzt werden, so daß ausgeschlossen ist, daß kurze, ener­ gieschwache Störungen, die einen hohen Scheitelwert bzw. einen hohen Anstieg di nach dt besitzen, bereits die Funkenstrecke verschleißerhöhend aktivieren.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Ver­ fahren, wie es mit dem Patentanspruch 1 definiert ist, sowie mit einer Überspannungsschutzeinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4, wobei die Unteransprüche mindestens zweck­ mäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.

Erfindungsgemäß wird zur Ermittlung der tatsächlichen energetischen Belastung des Feinschutzelements oder der Feinschutzstufe ein Teilstrom aus dieser Stufe ausgekoppelt. Dieser gegebenfalls bewertete Teilstrom wird einer speziellen Funkenstrecke zugeführt, um dort eine Vorionisation zu bewir­ ken. Über die Größe, aber auch die Art der Stromauskopplung und die Menge der gebildeten Ionen kann das Ansprechen und der Zeitpunkt der Zündung der Grobschutz-Funkenstrecke in Abhän­ gigkeit von der Belastbarkeit des Feinschutzelements dann in einer überaschend einfachen Weise gesteuert werden.

Durch die Einstellbarkeit des vorionisierenden Hilfslichtbogens der Grobschutz-Funkenstrecke und der konstruktiven Auslegung der Funkenstrecke ist sichergestellt, daß das zunächst akti­ vierte Feinschutzelement im Rahmen seiner Belastbarkeit Spannungsspitzen und Ströme abbaut, ohne daß die Hauptfunken­ strecke gezündet wird, andererseits aber ist gewährleistet, daß das Feinschutzelement im Rahmen seiner Einsatzparameter zer­ störungsfrei betrieben werden kann.

Durch die Wahl geringer Werte des ausgekoppelten Teilstroms und einer entsprechend gegebenen Ionisationsladungsmenge Qz der Hauptfunkenstrecke des Grobschutzelements wird das erwähnte unerwünschte Zünden bei kurzen Störungen auch großer Steilheit und Anstiegsgeschwindigkeit vermieden.

Die Funkenstrecke des Grobschutzelements besitzt eine Teil­ funkenstrecke niedriger Ansprechspannung, welcher der Teilstrom aus der Feinschutzstufe zugeführt wird. Die gezündete Teilfunkenstrecke und der dort entstehende Lichtbogen setzt Ladungsträger frei, welche der Hauptfunken- oder einer weiteren Teilfunkenstrecke des Grobschutzelements, diese vorionisierend, zugeführt wird.

Die erste Teilfunkenstrecke bildet zusammen mit der Stromaus­ kopplung aus dem Zweig des Feinschutzelements quasi eine Meß­ einrichtung für die energetische Belastung. Der als abge­ zweigter Meßstrom zu betrachtende Stromfluß ionisiert dann über einen Hilfslichtbogen, der sich in der ersten Teilfunkenstrecke ausbildet, den Lichtbogenraum der zweiten oder Hauptfunken­ strecke.

Nach dem Zünden der Hauptfunkenstrecke übernimmt diese voll­ ständig den Strom und entlastet die übrige Anordnung, d. h. das Feinschutzelement, welches in den AUS-Zustand übergeht. Die Entlastung wird bestimmt durch einstellbare Impedanzverhält­ nisse und/oder über die konkrete Dimensionierung der Funken­ strecke, die anordnungsgemäß bevorzugt als Dreielektroden- Funkenstrecke ausgebildet ist.

Die der zweiten oder Hauptfunkenstrecke zugeführte Menge an Ladungsträgern je Zeit ist proportional der im Feinschutzele­ ment umgesetzten Ladung Q = i.t und stellt das gewünschte Abbild der energetischen Belastung des Feinschutzelements im Sinne einer Indikatorfunktion dar.

Der Teilstrom, welcher aus dem Feinschutzzweig abgeleitet wird, kann über lineare oder nichtlineare Impedanzen eingestellt und vorgegeben werden, wobei die Zeit als weitere Einflußgröße über die Stromflußdauer gegeben ist, welche der Einwirkzeit der momentanen Störung entspricht.

Die erforderlichen Ionisationsladungsmengen Qz zum Zünden der Grobschutz-Funkenstrecke werden durch deren Geometrieparameter festgelegt.

Bei gering gewähltem, ausgekoppelten Meßstrom ergibt sich aufgrund der Beziehung Qz = konstant, da diese eine konstruk­ tionspezifische Größe ist, eine längere Stromflußdauer, bis die zum Zünden erforderliche Ladung Qz erreicht wird. Hierdurch ist es möglich, das Zünden der Funkenstrecke durch in der Dauer kurze Störimpulse zu unterdrücken. Derartige Impulse ener­ gieschwacher Störungen werden durch den Varistor oder ein ähnliches Feinschutzelement abgeleitet.

Erfolgt demgegenüber der Stromfluß durch die Vorionisations­ funkenstrecke relativ lang andauernd, wie dies bei energie­ starker Störung, z. B. Blitz der Fall ist, dann zündet die Funkenstrecke, wenn die notwendige Ladungsmenge Qz eingebracht wurde.

Durch die Wahl des maximalen Ionisationsstroms, der einstellbar ist, läßt sich bei feststehender Zündladungsmenge Qz das Zeit­ fenster der Aktivierung der Hauptfunkenstrecke beliebig vor­ geben.

Konkret besteht die Überspannungsschutzeinrichtung, die Grob­ schutz- und Feinschutzelemente enthält, aus einem Grobschutz­ element in Form einer z. B. gekapselten Dreielektroden-Funken­ strecke, wobei die Elektroden zwei Funkenstrecken mit unter­ schiedlichen Zündspannungen bilden.

Die erste der zwei Funkenstrecken ist mit einem durch das Feinschutzelement fließenden Strom oder einem hieraus abge­ zweigten Teilstrom beaufschlagt. Die erste Funkenstrecke weist eine relativ niedrige Zündspannung auf, wodurch mit einsetzen­ der frühzeitiger Zündung diese erste Funkenstrecke Ionen als Maß und Abbild für die energetische Belastung des Feinschutz­ elements freisetzt und diese der zweiten Funkenstrecken zuge­ führt werden. Diese zweite Funkenstrecke besitzt eine wesent­ lich höhere Ansprech- oder Zündspannung, wodurch in Abhängig­ keit vom Verhältnis der sich ausbildenden Teillichtbögen der Funkenstrecken ein zeitversetztes und gesteuertes Zünden dieser erfolgen kann.

Zur Einstellung des Teilstroms ist zwischen dem Feinschutzele­ ment mit einer gegebenen Impedanz Z₃ und der Elektrode der ersten Funkenstrecke eine erste Impedanz Z₁ vorgesehen, wobei am Knoten zwischen der ersten Impedanz Z₁ und dem Feinschutz­ element eine zweite Impedanz Z₂ gegen Masse geschaltet ist. Durch Einstellung der Impedanzverhältnisse läßt sich nun die Steuerung des Zündverhaltens vorgeben.

In einer Ausführungsform kann die zweite Impedanz als Trans­ formator ausgebildet sein, an dessen Primärkreis die erste Impedanz Z₁ angeschlossen ist und dessen Sekundärkreis den Wert der zweiten Impedanz Z₂ bestimmt.

Die Dreielektroden-Funkenstrecke ist so ausgebildet, daß die Abstände der Elektroden und/oder deren Durchmesser von Lichtbogenkammern zur Bildung unterschiedlicher Teillichtbögen der Teilfunkenstrecken in einem vorgegebenen Verhältnis liegen, welches im wesentlichen 1 : 10 beträgt.

Bei einer Wahl der Impedanz Z₂ mit einem Wert gegen 0 soll die erste Impedanz Z₁ im wesentlichen etwa das Zehnfache der Impe­ danz Z₃ des Feinschutzelements betragen.

In dem Fall, wenn die zweite Impedanz Z₂ einen sehr großen Wert annimmt und hingegen die erste Impedanz Z₁ gegen 0 geht, erfolgt eine Steuerung allein über die Gestaltung der Teilfun­ kenstrecken, wobei hier die zweite Teilfunkenstrecke eine Ansprechspannung aufweisen soll, die wesentlich größer als die Ansprechspannung der ersten Teilfunkenstrecke ist.

Wie dargelegt, soll das Grobschutzelement mindestens zwei Teilfunkenstrecken aufweisen mit einer ersten Hilfsfunken­ strecke, die nach ihrer Zündung mittels der ionisierten Gase des Vorlichtbogens Ladungsträger produziert, die in die Hauptfunkenstrecke eingebracht werden, so daß letztere vor­ ionisiert wird.

Die über die Vorionisation der Hilfsfunkenstrecke zündbare Hauptfunkenstrecke muß in der Lage sein, den gesamten Stoßstrom zu führen und abzuleiten.

Ein solches Verhalten läßt sich durch unterschiedliche Elek­ trodenabstände erreichen, so daß ein günstiges Verhältnis der Teillichtbögen mit optimaler Steuerwirkung für das zeitver­ setzte Zünden der Teilfunkenstrecken gegeben ist. Speziell bei Funkenstreckenanordnungen mit ausgebildeten Lichtbogenkammern läßt sich ein ähnliches Verhalten durch eine Variation des Kammerdurchmessers erreichen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine prinzipielle Schaltungsvariante einer Überspan­ nungsschutzeinrichtung mit Dreielektroden-Funken­ strecke;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild mit einer Steuerung allein über die Ausbildung der Funkenstrecke und einer Impedanz Z₂ gegen ∞ bei Z₁ im Milliohm-Bereich;

Fig. 3 eine Steuerung der Teillichtbögen über die Einstellung der Impedanzverhältnisse sowie einer Variante der Impedanz Z₂ unter Anwendung eines Transformators oder Übertragers;

Fig. 4 ein Grobschutzelement in Form einer Dreielektroden- Funkenstrecke und

Fig. 5 ein Grobschutzelement in Form von Lichtbogenkammern mit unterschiedlichem Kammerdurchmesser D₁ und D₂.

Die in der Fig. 1 gezeigte prinzipielle Schaltungsvariante geht von einer gestuften Überspannungsschutzeinrichtung mit Grob­ schutzelement 1 nach Art einer Dreielektroden-Funkenstrecke sowie einem parallel geschalteten Feinschutzelement 2 aus. Das Feinschutzelement 2 kann ein Varistor, ein ohmscher Widerstand, eine Suppressordiode oder ein ähnliches bekanntes Element sein, wie dies symbolhaft dargestellt ist.

Über eine Impedanz Z₁ (Bezugszeichen 3) in Form eines Wider­ stands oder einer Induktivität oder aber auch über einen Varistor kann der Dreielektroden-Funkenstrecke 1 als Grob­ schutzelement ein Vorionisationsstrom zugeführt werden. Die Impedanz Z₁ ist an einem Knotenpunkt einer Reihenschaltung von Feinschutzelement 2 mit einer zweiten Impedanz Z₂ (Bezugs­ zeichen 4) angeschlossen. Die Überspannungsschutzeinrichtung wird in bekannter Weise in eine Niederspannungsanlage eingesetzt, wobei beide Stufen als einander parallelgeschaltene Leitungszweige zwischen Zuleitungen ausgebildet sind, die eine Energiequelle und einen Verbraucher miteinander verbinden.

Die Impedanz Z₂ kann als ohmscher Widerstand, aber auch als Transformator oder Übertrager bzw. reine Induktivität ausge­ bildet sein.

Bei einem gezeigten Beispiel nach Fig. 2 wird davon ausge­ gangen, daß die Impedanz Z₂ sehr hoch ist, hingegen Z₁ im Milliohmbereich liegt. In diesem Fall erfolgt eine Steuerung der Teillichtbögen der Dreielektroden-Funkenstrecke allein über deren geometrische Ausführung, wobei die Ansprechspannung e₁ wesentlich kleiner als die Ansprechspannung e₂ zu wählen ist.

Bei einer Impedanzsteuerung nach Fig. 3 wird im Fall eines Werts Z₂ gegen 0, z. B. im mΩ-Bereich liegend, Z₁ so gewählt, daß diese etwa den zehnfachen Wert der Impedanz Z₃ des Fein­ schutzelements annimmt.

Die im unteren Teil der Fig. 3 gezeigte Ausführungsform stellt eine Variation der zweiten Impedanz Z₂ dar, welche einen Transformator 5 umfaßt. Im Primärkreis des Transformators 5 ist die erste Impedanz Z₁ angeschlossen, wobei der Sekundärkreis des Transformators 5 den Wert der zweiten Impedanz Z₂ bestimmt.

Bei der Dreielektroden-Funkenstrecke nach Fig. 4 werden zwei Teilfunkenstrecke FS1 und FS2 gebildet, wobei der Abstand der Elektroden für die Teilfunkenstrecke FS1, nämlich 11, wesent­ lich kleiner als der Abstand 12 zwischen den Elektroden der Teilfunkenstrecke FS2 ist. Die erste Impedanz Z₁ führt auf die zweite Elektrode der ersten Teilfunkenstrecke FS1. Im Fall eines Störimpulses fließt zunächst ein Strom durch das Fein­ schutzelement 2 mit einem resultierenden Teilstrom über die Impedanz Z₁ hin zur Elektrode der Teilfunkenstrecke FS1. Auf­ grund einer entsprechend niedrigen Ansprech- oder Zündspannung zündet nun diese erste Teilfunkenstrecke FS1 und setzt Ladungsträger frei, welche der zweiten Teilfunkenstrecke FS2 zu deren Vorionisation zugeführt werden.

Das Verhältnis der Elektrodenabstände 11 und 12 beträgt bevor­ zugt etwa 1 : 10, so daß sich ein entsprechendes Verhältnis der Teillichtbögen mit optimierter Steuerwirkung und dem gewünsch­ ten zeitversetzten Zünden der Teilfunkenstrecken ergibt.

Die in der Teilfunkenstrecke FS1 erzeugten ionisierten Gase respektive der entstehende Vorlichtbogen produziert Ladungs­ träger, die ein Maß für die energetische Belastung des Fein­ schutzelements 2 darstellen. Nach Zünden der Hauptfunken­ strecke, welches über die Vorionisation erfolgt; übernimmt die Dreielektroden-Funkenstrecke den gesamten Stoßstrom, so daß im Fall entsprechend großer Störungen das Feinschutzelement 2 geschützt ist. Die erforderlichen Ionisationsladungsmengen Qz zum Zünden der Funkenstrecken werden durch die Geometriepara­ meter festgelegt, so daß sich entsprechende Möglichkeiten zur energetischen Koordination der Wirkungen bzw. des Ansprechens von Feinschutzelement und Grobschutzelement ergeben.

Bei der Variante nach Fig. 5 wird von einer Funkenstreckenan­ ordnung mit Lichtbogenkammern ausgegangen, wobei die Einstel­ lung des Ansprechverhaltens der Teilfunkenstrecken durch eine Variation des Kammerdurchmessers D₁ und D₂ gegeben ist. Beim Beispiel nach Fig. 5 ist vorausgesetzt, daß Z₂ einen sehr großen Wert annimmt, so daß sich eine Steuerungswirkung, wie zur Fig. 2 erläutert, ergibt.

Die Funkenstrecke FS1 bildet gemeinsam mit der Impedanz Z₁ bzw. dem Verhältnis der Impedanzen Z₁, Z₂ und den Eigenschaften des Feinschutzelements 2 ein Meßmittel, wobei der aus dem Strompfad des Feinschutzelements 2 abgezweigte Meßstrom einen Hilfs­ lichtbogen in der Teilfunkenstrecke FS2 erzeigt, der wiederum den Lichtbogenraum der Teilfunkenstrecke FS2 vorionisiert. Der Ladungsträgerfluß von der Teilfunkenstrecke FS1 in den Raum der Teilfunkenstrecke FS2 vollzieht sich so lange, bis die Funken­ strecke durchzündet. Nach diesem vollständigen Zünden von FS2 übernimmt diese vollständig den Störstrom und entlastet in gewünschter Weise das Feinschutzelement, so daß dieses geschützt ist. Das Maß der Entlastung wird, wie beschrieben, durch die Impedanzverhältnisse in den Teilkreisen bestimmt und kann über deren Dimensionierung gesteuert werden.

Alles in allem gelingt es mit der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Überspannungsschutzeinrichtung sowie eine solche Einrichtung anzugeben, die eine optimale Auslastung von Grobschutz- und Feinschutzelement dadurch ermöglicht, indem eine mittelbare Bestimmung der energetischen Belastung des Feinschutzelements oder der Feinschutzstufe erfolgt, so daß nur dann ein mit Verschleiß einhergehendes Auslösen der Grobschutz-Funkenstrecke eingeleitet wird, wenn ein Überschreiten der Schutzparameter des Feinschutzelements droht.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Überspannungsschutzeinrich­ tung, welche mindestens ein Grobschutzelement und ein Fein­ schutzelement enthält und wobei die Überspannungsschutzein­ richtung zwischen Energiequelle und Verbraucher geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur mittelbaren Bestimmung der energetischen Belastung des Feinschutzelements oder der Feinschutzstufe ein Teilstrom aus der Feinschutzstufe ausgekoppelt wird, welcher eine Vorioni­ sation des als Funkenstrecke ausgebildeten Grobschutzelements bewirkt, wobei über die Größe der Stromauskopplung das An­ sprechen und der Zeitpunkt der Zündung der Funkenstrecke in Abhängigkeit von der Belastbarkeit des Feinschutzelements steuerbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Vorgabe geringer Werte des ausgekoppelten Teilstroms und gegebener Ionisationsladungsmenge Qz der Funkenstrecke des Grobschutzelements ein unerwünschtes Zünden desselben bei kurzen Störimpulsen auch großer Steilheit und Anstiegsge­ schwindigkeit unterbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke des Grobschutzelements eine Teilfunkenstrecke niedriger Ansprechspannung aufweist, zu welcher der Teilstrom fließt, wobei die gezündete Teilfunkenstrecke Ladungsträger freisetzt, welcher einer Hauptfunkenstrecke des Grobschutz­ elements zur Vorionisation zugeführt wird.

4. Überspannungsschutzeinrichtung, welche mindestens ein Grobschutzelement und ein Feinschutzelement enthält und wobei die Überspannungsschutzeinrichtung zwischen Energiequelle und Verbraucher geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß
das Grobschutzelement eine Dreielektroden-Funkenstrecke ist, wobei die Elektroden zwei Funkenstrecken mit unterschiedlichen Zündspannungen bilden,
die erste der zwei Funkenstrecken mit einem durch das Fein­ schutzelement fließenden oder von diesem abgeleiteten Strom beaufschlagt ist und diese erste Funkenstrecke eine niedrige Zündspannung aufweist, wodurch mit Zündung Ionen als Maß und Abbild für die energetische Belastung des Feinschutzelements freigesetzt und der zweiten der Funkenstrecken mit höherer Ansprechspannung zugeführt werden, wodurch in Abhängigkeit vom Verhältnis der sich ausbildenden Teillichtbögen ein zeitver­ setztes und gesteuertes Zünden der Teilfunkenstrecken erfolgt.

5. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Feinschutzelement mit einer gegebenen Impedanz Z₃ und der Elektrode der ersten Funkenstrecke eine erste Impedanz Z₁ vorgesehen ist, wobei am Knoten zwischen erster Impedanz Z₁ und der Elektrode der ersten Funkenstrecke eine zweite Impedanz Z₂ gegen Masse geschaltet ist und die Steuerung des Zündver­ hältnisses über das Impedanzverhältnis einstellbar ist.

6. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Impedanz als Transformator ausgebildet ist, an dessen Primärkreis die erste Impedanz Z₁ angeschlossen ist und dessen Sekundärkreis den Wert der zweiten Impedanz Z₂ bestimmt.

7. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Elektroden und/oder der Durchmesser von Lichtbogenkammern der Funkenstrecke zur Bildung unterschied­ licher Teillichtbögen der Teilfunkenstrecken in einem vorge­ gebenen Verhältnis liegen, welches im wesentlichen 1 : 10 beträgt.

8. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, wenn die Impedanz Z₂ gegen 0 geht, die Impedanz Z₁ ungefähr den zehnfachen Wert der Impedanz Z₃ beträgt.

9. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer sehr großen, gegen unendlich gehenden Impedanz Z₂ und einer Impedanz Z₁ gegen 0 gehend die zweite Teilfunkenstrecke eine wesentlich größere Ansprech- oder Zündspannung als die erste Teilfunkenstrecke aufweist.