DE20122429U1

DE20122429U1 - Überspannungsschutzsystem

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Publication number: DE20122429U1
Application number: DE20122429U
Authority: DE
Original assignee: Koninklijke KPN NV
Current assignee: Koninklijke KPN NV
Priority date: 1969-05-30
Filing date: 2001-07-09
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2011-07-10

Abstract

Energieversorgungssystem mit einem Transformator und einem Überspannungsschutzsystem bei einem Blitzeinschlag in ein Objekt, das eine Standfläche nicht größer als der Fuß eines Antennenmastes aufweist, wobei das Überspannungsschutzsystem eine Versorgungseinheit aufweist, die über zumindest einen Phasen-Leiter (6) verfügt, von dem jeder über eine Überspannungsschutzvorrichtung eines ersten Typs (4) mit einem Null-Leiter (7) verbunden ist, wobei der Null-Leiter (7) mit einer Erdelektrode des Objektes über eine Überspannungsschutzvorrichtung eines zweiten Typs (9) verbunden ist, wobei die Überspannungsschutzvorrichtung des ersten Typs (4) ein spannungsabhängiger Widerstand oder ein Varistor mit einem vorgegebenen ersten Nennwert ist, wobei die Überspannungsvorrichtung des zweiten Typs (9) ein Funkenstreckenelement mit einem vorgegebenen zweiten Nennwert ist, wobei der erste Nennwert zumindest 4 kA und der zweite Nennwert zumindest 40 kA ist, wobei das System so ausgelegt ist, dass die Bauteile der Versorgungseinheit innerhalb eines einzigen Gehäuses angeordnet sind, und dass der höchste Strom beim Blitzeinschlag durch den Erdleiter (5) und den...

Description

Technischer Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Schutz von Objekten gegen Blitzeinschlag und Überspannung.
Insbesondere kann die Erfindung als System zum Schutz gegen Blitzeinschlag und Überspannung bei einem Objekt angewendet werden, das sich auf einer begrenzten Fläche befindet, auf der Erde oder auf einem Gebäude. Ein Beispiel für solch ein Objekt kann eine Installation mit einer Antenne sein, wie z.B. eine GSM-Basisstation. Überspannungsschutzeinrichtungen für elektrische Stromversorger sind allgemein bekannt.
Die Schutzeinrichtung gemäß der Erfindung kann zum Schutz gegen Überspannungen benutzt werden, die einen hohen Energieinhalt aufweisen, wie z.B. Überspannungen, die durch Blitzeinschlag oder elektromagnetische Impulse (EMP) verursacht werden. Insbesondere bezieht sich die Anmeldung auf den Schutz gegen Überspannungen, die durch Blitzeinschlag in einer Stromversorgungsanlage für elektrische Ausrüstungen verurscht werden, die in Objekten eingebaut sind, wie z.B. Sender/Empfängerstationen für Radio oder Mobilfunk.
Für eine solche Schutzvorrichtung sind zusätzlich zu einer Anzahl von spezifischen Bauteilen und Maßnahmen eine oder mehrere (vorzugsweise zumindest zwei) Erdelektroden vorgesehen, um die Ladung, die in der Überspannung enthalten ist, abzuleiten und sie über die größtmögliche Fläche zu verteilen. Es bedarf keiner Erwähnung, dass diese Erdelektroden den geringstmöglichen Widerstand gegenüber dem Nullpotential haben müssen. Es ist darüber hinaus wichtig, dass die Grundfläche, über die die Ladung des Blitzeinschlages zu verteilen ist, zumindest eine Minimalgrösse aufweist.
Beispielsweise ist im Fall der Energieversorgungen für Basisstationen für Mobilfunk-Telekommunikation eine derartige Minimalfläche oft nicht verfügbar, weil aus wirtschaftlichen Gründen eine solche Fläche vorzugsweise nicht größer gewählt ist, als für die Abmessungen der Standfläche des Antennenmastes erforderlich ist. Im Fall, dass das Objekt auf dem Dach eines Gebäudes positioniert ist, werden üblicherweise nur eine begrenzte Anzahl von Leitungen mit Erdelektroden verwendet.
Wenn die Ladung eines Blitzes oder eines elektromagnetischen Pulses das Gehäuse trifft, in dem die Stromversorgung untergebracht ist, oder den metallischen Rahmen, mit dem das Gehäuse verbunden ist, besteht die Gefahr eines parasitären Überschlags der Ladung auf die elektrischen Leitungen der Stromversorgung. Da diese Ladung nur in geringem Umfang abgebaut wird, kann die Spannung in der Stromversorgung auf einen derartigen Wert ansteigen, dass ein Überschlag die Bauteile der Stromversorgung beschädigen kann, wie z.B. Schalter, oder Betriebsstörungen der Stromversorgung bewirken kann. Auch können andere Ausrüstungen des Objektes, wie diejenigen Einrichtungen, die von der Energie versorgt werden, beschädigt werden.
Dass diese Spannung von erheblichem Wert sein kann, geht aus der Tatsache hervor, dass von einem unmittelbaren Blitzeinschlag ein Spitzenstrom von bis zu 150 kA erzeugt werden kann, der über eine Erdelektrode mit einer Impedanz von 2.5 Ohm abgeleitet werden muss (wobei dieser Wert ein Standardwert für Erdelektroden ist, der in der Praxis größer oder kleiner sein kann).
Dies kann augenblicklich zu Spannungen von über 100 kV führen. Für eine derartige Spitzenspannung ist eine Versorgereinrichtung für Niederspannungsverbraucher nicht ausgerüstet.
Ein derartig parasitärer Überschlag wird nach dem Stand der Technik dadurch verhindert, indem Überspannungsschutzvorrichtungen, wie z.B. Varistoren oder Funkenstrecken, zwischen den Rahmen und jeder der Phasenleitungen und zwischen dem Rahmen und jeder der neutralen Leitungen der Stromversorgung geschaltet werden. Der Rahmen ist unmittelbar mit Erdpotential verbunden, z.B. über eine oder mehrere Erdelektroden. Auf diese Art und Weise kann parasitärer Überschlag von denjenigem Teil, der vom Blitzeinschlag getroffen ist, zu einer der Leitungen verhindert werden.
Bei dieser bekannten Lösung kann jedoch nicht verhindert werden, dass in der Stromversorgung wesentlicher Schaden angerichtet wird, wenn ein unmittelbarer Blitzeinschlag auf dem Rahmen auftritt, was in der detaillierten Beschreibung näher erläutert werden wird. Hier reicht es zu erwähnen, dass dieser Schaden auch den Brand einer oder mehrere Bauteile der Stromversorgung beinhalten kann, verursacht durch die sehr großen Ströme. Außerdem kann mechanischer Schaden in der Stromversorgung dadurch entstehen, dass die großen Ströme, die durch die Leitungen von jeder der Phasenleitungen und der neutralen Leitung fließen, dazu führen, dass infolge der elektromagnetischen Felder, die durch die großen Ströme verursacht werden, die Verbindungsleitungen von den Anschlusspunkten abgerissen werden, wodurch eine Unterbrechung in der aktuellen Stromversorgung auftritt.
Es braucht nicht erwähnt zu werden, dass wegen der oben erwähnten peripheren Anordnung der Stromanordnung und der weniger vorteilhaften Zugänglichkeit dieser Anordnung, die Reparatur eines derartigen Schadens sehr zeitaufwendig ist. Demzufolge wird die entsprechende Einrichtung, die von der Stromversorgung versorgt wird, für eine längere Zeit außer Betrieb sein, was zu einem höheren Risiko von nachfolgenden Schäden führt.
Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0 128 344 beschreibt eine Anordnung für Überspannungsableiter in einem Hochspannungstransformator. In dieser Anordnung sind die Überspannungsableiter zwischen jeder Phasen leitung und dem Null-Leiter angeordnet, ebenso zwischen dem Null-Leiter und einer Erdelektrode. Die Überspannungsableiter sind alle vom gleichen Typ. Zusätzlich ist ein Kondensator zwischen den Null-Leiter und eine zweite Erdelektrode geschaltet. Hieraus ergibt sich ein Schutz des Transformators gegen zu hohe Spannungsspitzen, wobei der Kondensator das dynamische Verhalten der Überspannungsableiter steuert. Die Überspannungsableiter sind normalerweise als Funkenstrecken-Elemente ausgelegt, da diese in Hochspannungsanwendungen eingesetzt werden können. Diese Anordnung ist insbesondere zum Schutz des Hochspannungstransformators geeignet.
Ein Nachteil der Verwendung von Funkenstreckenelementen oder Funkenstrecken, die zwischen die Phasenleitungen und den Null-Leiter geschaltet sind, besteht darin, dass eine Restspannung auftritt, die undefiniert ist und in der Regel zu groß ist. Außerdem halten Funkenstrecken eine undefinierte Restspannung aufrecht, die von der Anstiegszeit des Blitzeinschlagimpulses abhängt, und die in der Größenordnung von 2,5 bis 4 kV ist, die zu hoch für eine Niederspannungsausrüstung ist. Außerdem verursachen die Funkenstreckenelemente einen Kurzschluss und somit einen nachfolgenden Strom, der nahezu unvermeidlich zum Zusammenbrechen der Sicherungen (des Stromversorgers) führt. Der Zusammenbruch der Sicherungen führt zu einer Betriebsausfallzeit der vom Transformator versorgten Ausrüstung.
In einem Konferenzpapier "Bliksem Seminar 1999", 1999, Seite 49, Figur 17, von dem die Ansprüche ausgehen, ist eine Blitzschutzeinrichtung dargestellt, die eine erste Schutzeinrichtung beinhaltet, die die gleiche ist, wie die Blitzschutzeinrichtung, die in der EP-A-0 128 344 gezeigt ist. Allerdings zeigt diese Figur 17 auch eine zusätzliche Schutzeinrichtung, die Varistoren zwischen den drei Phasenleitern und dem Null-Leiter beinhaltet, sowie eine Funkenstrecke zwischen dem Null-Leiter und einer Erdelektrode. Diese zusätzliche Schutzeinrichtung ist der ersten Schutzeinrichtung nachgeschaltet, vom Stromversorger aus gesehen. Über die erste Schutzvorrichtung wird ausgesagt, dass sie Bauteile einer Blitzstromaufnahme der Klasse B beinhaltet, entsprechend einer Blitzschutzklasse von > 50 kA (10/350 μs), > 75 kA (10/350 μs), oder > 100 kA (10/350 μs). Über die zusätzliche Schutzvorrichtung ist ausgesagt, dass sie eine Überspannungsschutzeinrichtung mit Class C Bauteilen ist, die eine Überspannungsstromaufnahme von > 20kA (8/20 μs) aufweisen.
Die vorliegende Erfindung will ein Überspannungsschutzsystem zur Anwendung in Niederspannungsanlagen angeben, das nicht die Nachteile der oben beschriebenen bekannten Systeme aufweist. Die vorliegende Erfindung will auch eine Lösung für dasjenige Problem angeben, dass die Stromversorgungseinrichtung, wie sie im einleitenden Teil oben definiert ist, einen derart begrenzten Ableitungspfad zur Erde hin aufweist, um die im Blitzschlag enthaltene elektrische Ladung abzuleiten, dass die auftretende Spitzenspannung ziemlich hoch ist und relativ langsam abklingt.
Darstellung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Überspannungsschutzsystem, wie im Anspruch 1 beschrieben, bereitgestellt.
Die Überspannungsschutzvorrichtung des ersten Typs ist primär dazu bestimmt, ein gut definiertes Sicherheitslevel (Maximalspannung über seine Verbindungsleitungen) zur Verfügung zu stellen, die Überspannungsschutzeinrichtung des zweiten Typs ist im wesentlichen dafür vorgesehen, hohe Ströme abzuwehren oder abzuleiten.
Durch die Verwendung von verschiedenen Typen von Schutzableitern zwischen den Phasenleitungen und der Null-Leitung und zwischen der Null-Leitung und der Erdelektrode, gewährleistet das System einen sehr wirksamen Überspannungsschutz, insbesondere gegen Blitzeinschlag auf einem Objekt. Eine wesentliche Einsicht, auf der die Lösung gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, besteht darin, dass die Anstiegsflanke des vom Blitz verursachten Stroms durch die Erdelektroden fließt, und die anderen Bestandteile des Blitzstroms durch die miteinander verbundenen Leitungen (insbesondere die Versorgungsleitungen und andere Leitungen) fließen. Es wird davon ausgegangen, dass dieses Phänomen wegen der begrenzten Grundfläche auftritt, mit der die Erdelektrode verbunden ist. Der Null-Leiter zwischen der Stromversorgungseinheit und dem Transformator, mit dem die Stromversorgungseinheit verbunden ist, ist nicht mit einer Selbstinduktion verbunden, wogegen die Phasenleitungen mit einer Selbstinduktion verbunden sind. Diese Selbstinduktion kann aus einer Transformatorspule oder Windung bestehen, oder einer Spule eines Kilowatt-Betriebsstundenzählers. Dadurch wird erreicht, dass der Strom durch den Null-Leiter größer ausfällt als der Strom durch die Phasenleitungen.
Die Überspannungsschutzvorrichtung des ersten Typs ist ein spannungsabhängiger Resistor oder Varistor. Der Widerstandswert eines solchen Elements nimmt abrupt ab, wenn die über ihm liegende Spannung einen vorgegebenen Spannungswert überschreitet. Die Überspannungsschutzvorrichtung des zweiten Typs ist eine Funkenstrecke oder ein Funkenstreckenelement. Diese Elemente bewirken eine Entladung, die auftritt, wenn die über seinen Anschlüssen liegende Spannung über einen vorgegebenen Wert ansteigt, sie werden üblicherweise eingesetzt, wenn hohe Spannungswerte erwartet werden.
Die Überspannungsschutzvorrichtungen des ersten Typs stellen sicher, dass kleinere Ströme durch die Phasenleitungen fließen, aber auch, dass zu hohe Spannungen auf den Phasenleitungen auf einen gut definierten Wert begrenzt werden. Außerdem stellt die Überspannungsschutzvorrichtung des zweiten Typs sicher, dass der große Blitzentladungsstrom über dieses Element in den Null-Leiter fließt, der nicht mit einer Sicherung ausgestattet ist.
Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Überspannungsschutzeinrichtung des ersten Typs und die Überspannungsschutzeinrichtung des zweiten Typs vor einem Schalter in der Versorgungseinheit integriert, gesehen in Richtung des Stromflusses von dem externen Transformator. Diese Anordnung gewährleistet, dass die von einem Blitzschlag verursachten Ströme oder elektromagnetischen Impulse nicht durch die Schalter des Systems fließen, woraus ein besserer Schutz eines der Elemente der Stromversorgung resultiert. In bekannten aktuellen Fällen von Schäden, die durch Blitzeinschläge verursacht wurden, war der Schalter vollständig ausgebrannt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des vorliegenden Systems kann der Schalter mit Hilfe eines Erdstrom-Trennschalters ausgeschaltet werden. Der Erdstrom-Trennschalter wird vom vorliegenden System ebenfalls geschützt. Erdstrom-Trennschalter werden im allgemeinen bei Hoch-Impedanz-Erdschaltkreisen eingesetzt. In einer normalen Umgebung (Überspannungsableiter zwischen Phase und Erde) kann ein Defekt in einem der Überspannungsableiter zu einer zu hohen Spannung des Hochimpedanz-Erdschaltkreises führen und damit auch für die damit verbundene Ausrüstung. Das übliche Schutzsystem kann so nur nach dem Erdstrom-Trennschalter eingesetzt werden, um eine solche unerwünschte Situation zu unterbrechen, folglich kann der Erdstrom-Trennschalter immer noch beschädigt werden, wenn ein Blitz einschlägt. Demgegenüber kann die vorliegende Erfindung vor dem Erdstrom-Trennschalter eingesetzt werden, da wegen der Verwendung einer Funkenkammer keine galvanische Verbindung zwischen dem Null-Leiter und Erde vorhanden ist. Folglich kann die Erdung (und die gesamte mit ihr verbundene Ausrüstung) keine zu hohe Spannung annehmen, wenn einer der Überspannungsableiter ausfällt.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Erdstrom-Trennschalter vom Self-Reset-Typ. Ein derartiger Erdstrom-Trennschalter setzt sich selbst nach einer vorgegebenen Zeit zurück, wodurch die Stromversorgung automatisch wieder verbunden wird. Wenn immer noch ein Fehler der Erdung vorliegt, schaltet der Erdstrom-Trennschalter wieder ab.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Überspannungsschutzvorrichtung des zweiten Typs vom non blowing-off Typ. Die Überspannungsschutzschaltung des ersten Typs ist ein spannungsabhängiger Resistor oder Varistor und die Überspannungsschutzvorrichtung des zweiten Typs ist ein Funkenstreckenelement. Diese Anordnung stellt sicher, dass keine heißen Gase oder hohen Drücke auftreten, die typisch für herkömmliche Funkenstreckenelemente sind, die vom blowing-off-Typ sind.
Die Bauteile der Stromversorgungseinrichtung sind innerhalb eines geschlossenen Gehäuses angeordnet. Dadurch kann ein kleines und zuverlässiges Gehäuse mit allen Elementen der Stromversorgungseinrichtung (z.B. die Stromversorgungsverbindungen und die Schutzschaltungen) aufgebaut werden, das kosteneffektiv und leicht zusammenbaubar ist. Durch die Verwendung von Überspannungsschutzvorrichtungen des "non blowing-off"-Typs wird das Gehäuse weder hohen Innendrücken, noch heißen Gasen ausgesetzt. Dies hat auch den zusätzlichen Vorteil, dass die Verbindung zwischen dem Null-Leiter und der Überspannungsschutzvorrichtung eine kurze Verbindung sein kann, wodurch weniger mechanische Kräfte infolge von starken elektromagnetischen Feldern auf die Verbindungen ausgeübt werden.
Die Überspannungsschutzvorrichtung des zweiten Typs hat einen Nennwert von zumindest 40 kA, vorzugsweise zumindest 50 kA und besonders bevorzugt zumindest 100 kA. Damit kann ein effektives Überspannungsschutzsystem aufgebaut werden, das gegenüber Strömen zuverlässig Schutz gewährt, die in der Praxis nach Blitzeinschlägen in Objekte mit einer kleinen Standfläche festgestellt wurden.
Die Überspannungsschutzvorrichtung des ersten Typs hat einen Nennwert von zumindest 4 kA, vorzugsweise zumindest 8 kA. Dies ist für die während eines Blitzeinschlags auftretenden Ströme, die durch diese Bauteile fließen, ausreichend.
Die Null-Leitungen des Systems und ihre Verbindungen untereinander haben einen Querschnitt von zumindest 8 mm², vorzugsweise zumindest 16 mm², ebenso haben die Leitungen, die mit den Erdelektroden verbunden sind, und alle Verbindungsleitungen einen Querschnitt von zumindest 8 mm², vorzugsweise zumindest 16 mm². Dies sollte alle diejenigen Verbindungsleitungen einschließen, durch die Strom fließt, einschließlich Verbindungen von Klemmen, mit denen der Null-Leiter oder Erdleitungen verbunden sind. Die höchsten Ströme fließen durch die Null-Leiter und zu den Erdelektroden, folglisch sollte der komplette Weg, durch den diese Ströme fließen, einen vorgegebenen Minimaldurchmesser haben. Vorzugsweise wird zumindest ein Teil der Leitungen, die mit der Erdelektrode verbunden sind, von einer Metallplatte gebildet. Dies erlaubt einen effektiven Stromfluss über den Null-Leiter und die Erdleiter, der zu geringeren elektromechanischen Kräften führt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Systems zum Schutz von Niederspannungsgeräten gemäß dem Stand der Technik ist;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems ist;
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist.
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
In 1, die den Stand der Technik darstellt, ist mit I derjenige Abschnitt bezeichnet, der im Bereich des Elektrizitätsversorgers liegt. Drei Windungen eines Transformators sind durch das Bezugszeichen 1 dargestellt, wobei die Sekundärwindungen des Transformators in Sternkonfiguration aufgebaut sind, wobei der Stempunkt/Null-Punkt geerdet ist. Die Impedanz zwischen dem Null-Punkt und dem Null-Potential ist durch einen Widerstand R_A angedeutet, der normalerweise einen sehr geringen Wert hat, beispielsweise 0,5 Ohm, sowie eine Selbstinduktion von beispielsweise 5 μH. Die Sekundärwindungen des Transformators haben normalerweise einen Widerstandswert von etwa 0,01 Ω und eine Selbstinduktion von 50 μH. In diesem Bereich sind auch die Sicherungen 2 gelegen.
Die Ausrüstung des Abnehmers, in dem Abschnitt, der mit II gekennzeichnet ist, beinhaltet einen Dreiphasen-Schalter 3. Jede der Leitungen (Phase und Null-Leiter) ist hinter dem Schalter 3 mit einer Verbindungsleitung 5 über einen Überspannungsableiter 4 verbunden, wie z.B. einen spannungsabhängigen Widerstand oder einen Varistor.
Die Verbindungsleitung 5 ist mit dem Rahmen des Schaltergehäuses (oder des Objektes) verbunden. Diese Verbindungsleitung 5 ist mit Hilfe eines Erdleiters geerdet, dessen Impedanz mit R_B gekennzeichnet ist. Die vom Schalter 3 wegführenden Leitungen, die die weitere Ausrüstung mit Energie versorgen, sind mit dem Bezugszeichen 6 für die Phasenleitungen und dem Bezugszeichen 7 für den Null-Leiter angegeben. Die weitere Ausrüstung kann mit eigenen Schutzeinrichtungen versehen sein und hat eine relativ hohe Eingangsimpedanz.
Wenn ein Blitzschlag den Rahmen des Objektes trifft, muss die Leitung über den Erdleiter 5 nach Erde abgeleitet werden. Unter idealen Voraussetzungen hat die Impedanz R_B, über die die Energie des Blitzes abgeleitet wird, den Wert Null. Standardisierte Normen für den Blitzschutz erfordern einen Maximalwert von 2,5 Ohm.
Ein einschränkender Faktor für die Ableitung der Energie infolge des Blitzschlages besteht in der geringen Bodenfläche, auf der das Objekt (oder die Ausrüstung) normalerweise gehalten ist. Die geringen Dimensionen der Bodenfläche verhindern eine schnelle Ableitung einer großen Ladung innerhalb einer kurzen Zeitspanne. Dies erhöht wesentlich die Gefahr einer Erhitzung der Bauteile im Objekt II und auch das Risiko eines Spannungsüberschlags.
Bei einem Blitzeinschlag, bei dem der kurzzeitig erreichte Wert des Stromes bis zu 150 kA erreichen kann, kann eine Spannung auf dem Erdleiter 5 von bis zu 75 kV erreicht werden. Diese Spannung kann leicht auf den Schalter 3 überschlagen, der unter normalen Bedingungen geschlossen ist. In nahezu allen Situationen wird ein solcher Überschlag schweren Schaden bei dem Schalter 3 anrichten und oft zum Schmelzen der Sicherungen 2 führen.
Um die Spitzenspannung so niedrig wie möglich zu halten und die entsprechende Zeitdauer so weit wie möglich zu begrenzen, sind die Überspannungsableiter 4, wie z.B. spannungsabhängige Widerstände, vorgesehen. Der größte Strom wird üblicherweise durch den Null-Leiter 7 fliessen, da dieser den geringsten Impedanzwert aufweist.
Bei einem Blitzeinschlag auf dem Rahmen werden die Widerstände 4 die Gefahr des Überschlages auf die Sicherungen 2 und den Schalter 3 verringern, aber die großen Ströme, die vom Abschnitt II zum Abschnitt I (des Elektrizitätsversorgers) fließen, werden immer noch Werte aufweisen, die wesentlich höher als 40 kA ausfallen können, wodurch weiterhin Branderscheinungen bei den Sicherungen 2 und dem Schalter 3 auftreten können.
Infolge der Anordnung des Objekts II kann dies zu einer verlängerten Zeitspanne führen, in der das Objekt 2 nicht in Betrieb ist, was die Dienstleistungen, die von diesem zur Verfügung gestellt werden, in wirtschaftlich unerwünschter Weise beeinträchtigen.
Die Schaltung nach 2 zeigt eine Lösung dieses Problems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die spannungsabhängigen Widerstände 4, die auf derjenigen Seite angeordnet sind, die mit den Phasenleitern 6 verbunden sind, sind auf der anderen Seite nicht mit dem Erdleiter 5 verbunden, sondern mit dem Null-Leiter 7. Der Null-Leiter 7 verbindet nunmehr einen Blitzschutz 9 mit der Erdleitung 5. Ein derartiger Blitzschutz, der bei einem Überschlag einen Kurzschluss von begrenzter Dauer verursacht, ist bekannt (z.B. aus den Deutschen Patentanmeldungen DE-A-19742302 und DE-A-19755082, sowie der Europäischen Patentanmeldung EP-A-0 128 344, die in der Einleitung schon erwähnt wurde).
Wenn ein Blitz in den Rahmen des Objekts II einschlägt, wird nunmehr die Spitzenspannung auf den Phasenleitungen 6 im wesentlichen durch die spannungsabhängigen Widerstände 4 unterdrückt. Der Strombegrenzer 9 bewirkt einen nahezu vollständigen Kurzschluss zwischen dem Null-Leiter 7 und der Erdleitung 8, wodurch der vom Blitz hervorgerufene Strom nur teilweise vom Objekt II zu dem Transformator im Abschnitt I über die Phasenleitungen 6 abgeleitet wird.
Der abzuleitende Spitzenstrom wird nun über die Parallelschaltung der Erdwiderstände RA und RB abgeleitet. Natürlich spielen die Widerstände der Phasenleitungen 6 und des Null-Leiters 7 zwischen dem Objekt II und dem Transformator in Abschnitt I weiterhin eine Rolle, aber in praktischen Situationen wird diese Verbindung wegen der niedrigen Impedanz nicht zu Problemen führen.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der der Schalter 3, gesehen in Richtung des Energieflusses zu den Bauteilen im Abschnitt II, hinter denjenigen Komponenten angeordnet ist, die zur Strom- und Spannungsunterdrückung vorgesehen sind. Dies reduziert weiter das Risiko der Überlastung des Schalters 3 durch große Ströme. Die einzigen Bauteile in diesem System oberhalb des Schutzsystems sind die Sicherungen 2 des Elektrizitätsversorgers. Obwohl Tests gezeigt haben, dass die vom Blitzeinschlag induzierten Ströme durch die Phasenleitungen 6 relativ gering sind, kann es immer noch vorkommen, dass die Sicherungen 2 zusammenbrechen. Um sicherzugehen, dass die Ausfallzeit durch die durchgeschlagenen Sicherungen 2 minimiert wird, werden die Sicherungen 2 vorzugsweise vom automatischen Typ gewählt, da diese besser den blitzinduzierten Strömen widerstehen können als Sicherungen 2 vom Schmelz-Typ. Außerdem können Sicherungen 2 des automatischen Typs manuell oder auch ferngesteuert wieder zurückgesetzt werden.
Die Überspannungsschutzeinrichtung 9 des zweiten Typs hat einen Nennwert von zumindest 40 kA, vorzugsweise zumindest 50 kA und weiter bevorzugt zumindest 100 kA. Dadurch wird ein wirksames Überspannungsschutzsystem etabliert, das Schutz gegenüber Strömen bietet, die in der Praxis beobachtet wurden, wenn Blitzeinschläge in Objekten mit geringer Standfläche auftreten. Die Überspannungsschutzeinrichtungen 4 des ersten Typs haben einen Nennwert von zumindest 4 kA, vorzugsweise zumindest 8 kA. Dies ist für die Ströme ausreichend, die nach einem Blitzeinschlag durch diese Bauteile fließen.
Alle Elemente der oben beschriebenen Ausgestaltungen sind in einem einzigen Gehäuse integriert. Bei Verwendung eines Überspannungsschutzes 9 des "non-blowing-off"-Typs kann dieser ebenso in dem gemeinsamen Gehäuse integriert sein, da keine heißen Gase oder hohe Drücke auftreten können. Um den hohen Strömen, die durch ihn fließen, widerstehen zu können, sind/ist der Null-Leiter 7 und/oder der Erdleiter 5 des Systems und die Ver bindungen zwischen ihnen (wie z.B. Klemmen, usw.) alle aus einem Material mit einem Querschnitt von zumindest 8 mm² gefertigt, vorzugsweise zumindest 16 mm². Dies sollte alle Verbindungen einschließen, über die Strom fließt, einschließlich Verbindungen von Klemmen, mit denen der Null-Leiter 7 und/oder die Erdleitung 5 verbunden sind. Die höchsten Ströme fließen durch den Null-Leiter 7 und den Erdleiter 5, und deswegen sollte der vollständige Weg, durch den diese Ströme fließen, einen vorgegebenen Minimalquerschnitt aufweisen.
Vorzugsweise ist zumindest ein Teil des Erdleiters 5 aus einer Metallplatte gebildet. Dies gestattet einen wirksamen Stromfluss über den Erdleiter 5, der zu niedrigeren elektromechanischen Kräften führt. Außerdem sollten die Verbindungen zu den Erdelektroden (in Richtung RA und RB in 2,3) einen Minimaldurchmesser aufweisen. Im geschlossenen Gehäuse sollte spezielle Aufmerksamkeit der Montage des Strombegrenzers 9 gewidmet werden, da die höchsten Ströme bei einem Blitzeinschlag durch dieses Bauteil fließen. Diese Ströme können große elektromagnetische Kräfte hervorrufen, die die Halterung des Bauteils 9 beschädigen können.
Es ist einsichtig, dass die Wirkungen gemäß der vorliegenden Erfindung auch erreicht werden, wenn die Eingangsleitungen mit einem Kilowattstunden-Strommesser verbunden sind, der im Bereich I angeordnet ist.
Es ist ebenso klar, dass die von der Erfindung vorgeschlagene Lösung auch bei einer einphasigen Versorgungsleitung Anwendung finden kann.

Claims

Energieversorgungssystem mit einem Transformator und einem Überspannungsschutzsystem bei einem Blitzeinschlag in ein Objekt, das eine Standfläche nicht größer als der Fuß eines Antennenmastes aufweist, wobei das Überspannungsschutzsystem eine Versorgungseinheit aufweist, die über zumindest einen Phasen-Leiter (6) verfügt, von dem jeder über eine Überspannungsschutzvorrichtung eines ersten Typs (4) mit einem Null-Leiter (7) verbunden ist, wobei der Null-Leiter (7) mit einer Erdelektrode des Objektes über eine Überspannungsschutzvorrichtung eines zweiten Typs (9) verbunden ist, wobei die Überspannungsschutzvorrichtung des ersten Typs (4) ein spannungsabhängiger Widerstand oder ein Varistor mit einem vorgegebenen ersten Nennwert ist, wobei die Überspannungsvorrichtung des zweiten Typs (9) ein Funkenstreckenelement mit einem vorgegebenen zweiten Nennwert ist, wobei der erste Nennwert zumindest 4 kA und der zweite Nennwert zumindest 40 kA ist, wobei das System so ausgelegt ist, dass die Bauteile der Versorgungseinheit innerhalb eines einzigen Gehäuses angeordnet sind, und dass der höchste Strom beim Blitzeinschlag durch den Erdleiter (5) und den Null-Leiter (7) fließt, indem er durch dieses Funkenstreckenelement innerhalb des Gehäuses fließt, wobei der/die Phasenleiter (6) und der Null-Leiter (7) und die Verbindungen zwischen ihnen aus einem Material mit einem Querschnitt von mindestens 8 mm² sind, und wobei der Phasenleiter (6) und der Null-Leiter (7) insbesondere über einen Schalter (3) direkt mit den Leitungen verbunden sind, die von den Sekundärwicklungen des Transformators kommen, wobei die Versorgungseinheit das einzige System zum Überspannungschutz zwischen dem Transformator und dem zu schützenden Objekt ist.
System nach Anspruch 1, in dem die Überspannungschutz-Vorrichtung des ersten Typs (4) und die Überspannungschutz-Vorrichtung des zwei ten Typs (9) vor einem Schalter (3) in der Versorgungseinheit positioniert sind, von der Richtung des Energieflusses eines externen Transformators (1) gesehen, dessen Sekundärausgang mit der Versorgungseinheit verbunden ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schalter (3) mit Hilfe eines Erdstrom-Trennschalters ausgeschaltet werden kann.
System nach Anspruch 3, in dem der Erdstrom-Trennungsschalter sich automatisch zurücksetzt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Überspannungsschutzeinrichtung des zweiten Typs (9) vom "non blowing-off"-Typ ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Überspannungsschutz-Vorrichtung des zweiten Typs (9) einen Nennwert von zumindest 50 kA aufweist, vorzugsweise von zumindest 100 kA, und wobei die Überspannungsschutz-Vorrichtung des ersten Typs (4) einen Nennwert von zumindest 8 kA aufweist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Null-Leiter (7) des Systems und die Verbindungen mit dem Null-Leiter einen Querschnitt von mindestens 16 mm² aufweisen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leitungen, die mit den Erdelektroden (5) des Systems verbunden sind, und die Verbindungen zwischen den Leitungen einen Querschnitt von mindestens 16 mm² aufweisen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil der Leitungen, die mit der Erdelektrode (5) verbunden sind, von einer Metallplatte gebildet sind.