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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsbegrenzungsvorrichtung.
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Als Überspannung wird eine Spannung definiert, welche den Spitzenwert der Höchstspannung im Dauerbetrieb überschreitet, die in einer Anlage unter normalen Betriebsbedingungen vorhanden ist.
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Überspannungen stellen den Hauptgrund für Schäden bei elektrischen und elektronischen Geräten, insbesondere von Endgeräten, sowie für Unterbrechungen der Produktionstätigkeit dar.
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Die schlimmsten Überspannungen aus energetischer Sicht, welche die schwersten Schäden verursachen können, sind jene, die zur Erde hin aufgrund von Blitzen entstehen, und werden als Überspannungen allgemeiner Art bezeichnet, um sie von jenen zu unterscheiden, die zwischen zwei oder mehreren aktiven Leitern entstehen und dagegen Differenzialüberspannungen genannt werden.
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Die Überspannungen allgemeiner Art stellen im Allgemeinen die wahre Bedrohung für eine empfindliche und unempfindliche elektronische Vorrichtung dar, da sie wahrscheinlicher und energiereicher sind. Typische Fälle entstehen durch eine Erhöhung des Erdpotenzials durch Blitzschlag oder durch das Ansprechen von Überspannungsbegrenzungsvorrichtungen in anderen Anlagen, die sich in der Nähe befinden.
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Um die oben erwähnten Risken zu vermeiden, werden die elektrischen Anlagen mit Überspannungsbegrenzungsvorrichtungen ausgestattet, die auch als SPD („Surge Protective Devices”) bekannt sind.
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Nach dem Stand der Technik erfolgt der Schutz eines Gebäudes vor Überspannungen atmosphärischen Ursprungs im Allgemeinen durch die Installation eines Blitzableiters und einer gewissen Anzahl von SPD, die untereinander koordiniert sind, oder nur durch die Einsetzung von SPD in das elektrische System, die untereinander koordiniert sind.
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Je nach ihrer Funktion unterscheidet man bei den SPD die Anforderungsklasse I, II und III. Die SPD der Anforderungsklasse I leiten den Blitzstrom ab, jene der Anforderungsklasse II eliminieren die vom Blitz erzeugten Überspannungen, indem sie den Strom umleiten, und jene der Anforderungsklasse III schützen die an die elektrische Anlage angeschlossenen Geräte vor den Überspannungen, die durch induktive Kopplung entstehen.
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Das kombinierte Ansprechen von verschiedenen Überspannungsschutzvorrichtungen garantiert, dass das niedrigste zulässige Schutzniveau für das zu schützende Endgerät erreicht wird.
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Im Allgemeinen werden die SPD der Anforderungsklasse I von den Vorschriften vorgesehen, wenn es erforderlich ist, die Brandgefahr oder die Gefahr von Überspannungen auf Anlagen innerhalb und außerhalb des Gebäudes durch direkten Blitzschlag zu reduzieren. Die SPD der Anforderungsklasse II werden dagegen für die Verringerung der Gefahr von Schäden durch indirekten Blitzschlag durch Leitung, Strahlung oder Erhöhung des Erdpotenzials oder durch indirekten Blitzeinschlag in der Zuleitung des Gebäudes verlangt; außerdem können auch Überspannungen durch Umschaltung von induktiven Lasten (Transformatoren, Motoren etc.) von SPD der Anforderungsklasse II begrenzt werden.
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Nach gängiger Praxis wird am Anfang der Leitung nach dem Stromverbrauchszähler ein SPD der Anforderungsklasse I installiert, dann in mindestens 10 m Abstand ein SPD der Anforderungsklasse II und in der Nähe der Endgeräte ein SPD der Anforderungsklasse III, im Allgemeinen eines für jedes Gerät, sodass der Abstand zwischen SPD und geschützter Last reduziert wird.
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Außerdem ist es zu bevorzugen, ein SPD der Anforderungsklasse I, eine Entkopplungsdrossel und ein SPD der Anforderungsklasse II auf derselben Schalttafel anzubringen und dabei die SPD-Vorrichtungen sehr nahe zueinander anzuordnen, vorzugsweise in engem Kontakt zueinander. Dies erfolgt deswegen, weil die zwischen den Überspannungsbegrenzungsvorrichtungen eingefügte Drossel das Vorhandensein der Störinduktivität durch die Kabel der elektrischen Anlage simuliert.
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Die derzeitige Technik ermöglicht, bis zu einem bestimmten Wert des Blitzstroms ein SPD der Anforderungsklasse I und ein SPD der Anforderungsklasse II in einem einzigen Gerät ohne Hilfe von Drosseln unterzubringen.
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Ein SPD der Anforderungsklasse II ist nicht in der Lage, alles, was sich nach der elektrischen Anlage befindet, zu schützen, sondern schützt nur bis zu einem gewissen Abstand, der je nach der Spannung Up des SPD und der Spannung Uw der daran angeschlossenen Vorrichtungen variiert. Up ist jener Spannungswert, der beim Ausgang an den Enden des SPD während seines Ansprechens auftritt. Uw ist der Belastbarkeitswert gegenüber dem Impuls der angeschlossenen Vorrichtungen, der für die sogenannten „empfindlichen” Vorrichtungen im Allgemeinen 1500 V (vom Hersteller garantiert) entspricht.
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Die Installation eines SPD der Anforderungsklasse III ist erforderlich, wenn ein Gerät an eine Anlage in einem Abstand angeschlossen ist, der größer als der geschützte ist.
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Es ist nämlich bekannt, dass Oszillationserscheinungen, die entlang der Leiter nach dem SPD der Anforderungsklasse II ausgelöst werden, die Verdoppelung der Spannung an den Enden des zu schützenden Geräts bewirken können. Ein typischer Up-wert eines guten SPD beträgt 1,5 kV, und daher kann er aus dem oben genannten Grund eine Spannung von 3 kV an den Enden des zu schützenden Geräts bewirken.
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Außerdem ist es offensichtlich, dass es allgemein erforderlich sein wird, ein SPD der Anforderungsklasse III für jede der Anlage zugeordnete Last vorzusehen, was folglich zu einer beträchtlichen Erhöhung der Herstellungskosten führt.
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Das Patent
US 2009/0073618 beschreibt eine Überspannungsbegrenzungsvorrichtung, die zwei Varistoren und zwei Drosseln aufweist, bei der kein Erdanschluss vorgesehen ist und bei der die in Reihe angeordnete Drossel dazu dient, um eine Oszillation zu erzeugen, wenn die Netzspannung von einer Überspannung betroffen ist. In diesem Dokument werden die Überspannungen allgemeiner Art vernachlässigt, da kein Erdanschluss in Betracht gezogen wird. Der im oben genannten Dokument vorgestellte Schaltkreis ist daher ein SPD der Anforderungsklasse III, der die Geräte nur vor Differenzialüberspannungen schützt, aber nicht vor den Überspannungen allgemeiner Art (Phase-Erde oder Nullleiter-Erde).
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, das Problem zu lösen, wie die elektrischen Geräte geschützt werden können, die an die von der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung geschützten Anlage angeschlossen sind und sich in beliebigem Abstand von dieser Vorrichtung befinden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Überspannungsbegrenzungsvorrichtung vorzusehen, die mit wettbewerbsfähigen Kosten erzeugt werden kann und daher geeignet ist, um industriell in großem Umfang hergestellt zu werden.
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Diese und andere Ziele werden mit der Überspannungsbegrenzungsvorrichtung erreicht, wie in den beiliegenden Patentansprüchen gefordert.
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Die Erfindung sieht drei Varistoren, eine Funkenstrecke oder GDT-Überspannungsableiter und zwei auf die betreffenden Erscheinungen geeichte Drosseln vor.
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Vorteilhafterweise ist gemäß der Erfindung eine erste Schutzstufe vorgesehen, bei der zwei Varistoren vorgesehen sind, die sich an einem gemeinsamen Punkt treffen, von dem sie über eine Gasentladungsröhre in die Erde gehen und im Gesamten eine „Y”-Verbindung bilden. Gemäß der Erfindung ist ebenfalls eine zweite Schutzstufe vorgesehen, bei der ein Varistor vorgesehen ist und die beiden Stufen durch die Zwischenschaltung von geeichten Drosseln entkoppelt sind.
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Vorteilhafterweise ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Bedingung Up/f ≤ Uw/2 aufrechtzuerhalten, wobei:
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Up/f der Wert der Spannung ist, die zwischen den Leitern der Niederspannungsanlage (Niederspannung, das heißt Nennspannung zwischen den elektrischen Phasen gleich oder kleiner als 1 kV) und der Potenzialschiene EBB („Equipotential Bonding Bar”) bei Vorhandensein der Begrenzungsvorrichtung während ihres Ansprechens gemessen wird; und Uw der Belastbarkeitswert gegenüber dem Impuls eines Geräts ist, der vom Hersteller desselben angegeben werden muss.
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Wenn die oben genannte Regel eingehalten wird, ist der Abstand des SPD vom zu schützenden Gerät nicht mehr wichtig, da die Oszillationserscheinungen, die im schlimmsten Fall die Up verdoppeln können, diesen Wert höchstens auf die Uw der Vorrichtung bringen, die daher wegen der Bauart geschützt ist.
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Da die elektronischen Verbrauchsgeräte wie PC, TV, Hi-Fi eine Uw von mindestens 1500 V haben müssen, muss die Begrenzungsvorrichtung eine Up < 750 V haben.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der Varistor und die Drossel so bemessen, dass sie eine Up < 750 V haben, wenn beim Eingang zur Vorrichtung eine Überspannung mit einem Wert bis circa 10 kV auftritt, wobei unter Up der Wert der maximalen Überspannung im Ausgangsabschnitt der Vorrichtung zu verstehen ist.
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Vorteilhafterweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet, um nicht nur empfindliche elektrische Geräte zu schützen, die unmittelbar nach der Vorrichtung angeschlossen sind, sondern im Wesentlichen in beliebigem Abstand davon.
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Vorteilhafterweise sind gemäß der Erfindung in einer einzigen Vorrichtung im Wesentlichen ein SPD der Anforderungsklasse II und ein SPD der Anforderungsklasse III untergebracht, welche durch Drosseln entkoppelt sind, wodurch auf diese Weise im Gesamten ein SPD der Klasse II + III erhalten wird. Während des Ansprechens aufgrund einer Überspannung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung daher eine Ausgangsrestspannung Up, sowohl der allgemeinen als auch der differenziellen Art, die so niedrig ist, dass, auch wenn Erscheinungen wie Wellenreflexion ins Spiel kommen, die zu schützenden Geräte nach der Vorrichtung niemals mehr als 1500 V ausgesetzt sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für den Schutz von elektronischen Geräten wie Personalcomputer, Fernsehgeräte und Stereoanlagen verwendet werden, da vom Hersteller aus eine Garantie für Überspannungen von circa 1,5 kV besteht.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die als Beispiel und nicht beschränkend dargestellt wird, wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben, wobei:
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1 ein Schema des Schaltkreises der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
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2 ein Schema des Schaltkreises von 1 ist, bei dem die Schutzstufe allgemeiner Art eingebaut wurde.
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In 1 ist die erfindungsgemäße Überspannungsbegrenzungsvorrichtung im Gesamten mit der Referenznummer 11 angegeben. Diese Vorrichtung 11 umfasst einen Eingangsabschnitt 13, der mit Eingangsklemmen 13a, 13b für den Anschluss der Vorrichtung 11 an eine elektrische Energiequelle 15 ausgestattet ist, und einen Ausgangsabschnitt 17, der mit Ausgangsklemmen 17a, 17b für den Anschluss der Vorrichtung 11 an eine elektrische Anlage 19 ausgestattet ist, der Lasten verschiedener Art zugeordnet werden können und im Besonderen elektrische Verbrauchsgeräte wie Personalcomputer, Fernsehgeräte, Haushaltsgeräte etc.
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Gemäß der Erfindung umfasst die Vorrichtung 11 eine erste Schutzstufe 11a, eine Zwischenstufe zur Entkopplung 11b und eine zweite Schutzstufe 11c.
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Der Eingangsabschnitt 11a umfasst eine Reihe von Varistoren 21a, 21b, die parallel zur Last angeordnet sind, und einen Erdanschluss 23, der mit den Varistoren 21a, 21b gemäß einem „Y”-Schema verbunden ist.
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Gemäß der Erfindung umfasst der Schaltkreis 23 einen Überspannungsableiter oder Funkenstrecke 25 mit Gasentladungsröhre („Gas Discharge Tube”), der zwischen den Varistoren 21a, 21b und dem Erdanschluss angeordnet ist, der in der Zeichnung mit der Referenznummer 27 angegeben ist.
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Gemäß der Erfindung bietet die Präsenz der Gasentladungsröhre 25 nicht nur den Schutz der allgemeinen Art, indem sie die galvanische Isolierung gewährleistet, sondern verhindert auch den Erdübergang des Leckstroms der Varistoren, der für ihre Funktion typisch ist, wenn sie gespeist werden.
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Die erste Stufe, die durch die Y-Verbindung mit Gasentladungsröhre gekennzeichnet ist, spricht bei Überspannungswerten an, die größer als die zweite sind.
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Die „Y”-Anordnung erweist sich als besonders vorteilhaft, da die Gasentladungsröhre, sobald sie gezündet hat, den elektrischen Lichtbogen auch bei einer niedrigen Spannung an den Enden aufrechterhält. Der Varistor hilft beim Löschen des Bogens in der Gasentladungsröhre, indem er seinen hohen Widerstandswert bei Verringerung des abgeleiteten Überstroms wiederherstellt. Dank dieser „Y”-Anordnung tritt dieser Effekt vorteilhafterweise für beide Varistoren ein.
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Die Zwischenstufe zur Entkopplung 11b umfasst zwei Entkopplungsdrosseln 29a, 29b, und der Ausgangsabschnitt 11c umfasst einen Varistor 31, der parallel zur Last angeordnet ist.
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Während einer Überspannung verhält sich der Schaltkreis 11 auf folgende Weise.
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Im Allgemeinen können die Varistoren und die Überspannungsableiter unter idealen Bedingungen mit variablen Widerständen verglichen werden, deren Wert während des normalen Betriebs des Schaltkreises sehr hoch ist, um sich dann während einer Überspannung deutlich abzusenken. Der Varistor variiert stufenweise den Wert des Isolationswiderstands beim Ansteigen der Spannung an seinen Enden ab einer Mindestarbeitsspannung, während im Fall der Ableiter diese Änderung abrupt erfolgt, sobald an seinen Enden die Ansprechspannung erreicht ist.
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Die Varistoren 21a, 21b beginnen bei einer minimalen Arbeitsspannung V1 zu arbeiten und sehen eine Sperrspannung (Vclamp) V2 > V1 vor, wenn der Varistor von einem vorher festgelegten Strom durchquert wird.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der der Schutz vor Überspannungen allgemeiner Art bevorzugt wird, weist der Ableiter 25 eine solche Ansprechspannung V3 auf, dass V1 < V3 < V2.
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Unter der Annahme, dass der Varistor 21a zwischen Phase und Ableiter 25 angeschlossen ist und der Varistor 21b zwischen Nullleiter und Ableiter 25 angeschlossen ist, ergibt sich, dass der Varistor 21b bei einer Spannung V1 zu arbeiten beginnt und dass er bei der Spannung V3 (das heißt bei der Ansprechspannung des Ableiters 25) noch nicht die Sperrspannung erreicht, da V3 < V2. Beim Spannungswert V3 ist der Isolationswiderstand des Varistors 21b daher noch relativ hoch im Vergleich zu jenem des Ableiters 25, und daher wird ein Großteil des Stroms in den Ableiter 25 fließen, der, wenn er anspricht, aufgrund seiner Natur unvermittelt einen sehr niedrigen Widerstand annimmt.
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Beim Test differenzieller Art wird die Spannung an den Enden dieser beiden Bauteile, das heißt Varistor 21b und Ableiter 25, im Wesentlichen identisch sein, während auf dem Gasableiter 25 eine rund doppelt so hohe Stromspitze im Vergleich zu jener von jedem Varistor 21a, 21b erhalten wird.
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Ein ähnliches Verhalten zeigt sich beim Varistor 31 in der zweiten Schutzstufe 11c. Dieser Varistor weist eine Sperrspannung V5 > V2 auf, das heißt größer als die Sperrspannung der Varistoren 21a, 21b der ersten Stufe, und beginnt bei einer Mindestarbeitsspannung V4 zu arbeiten, wobei V1 < V3 < V4 < V2 < V5. Die oben genannte Bedingung bietet sich insbesondere dann an, wenn man einen Schutz gegen Überspannungen der allgemeinen Art bevorzugen möchte. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der man den Schutz gegen Überspannungen differenzieller Art bevorzugen möchte, hätte man dagegen V1 < V4 < V2 < V3 < V5.
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Die Drosseln 29a, 29b, die der Zwischenstufe zur Entkopplung 11b zugeordnet sind, simulieren einen elektrischen Abstand von einigen Metern Kabel und ermöglichen das Ansprechen des Varistors 31 in der zweiten Schutzstufe 11c nach dem Ansprechen der ersten Stufe 11a. Die Drosseln 29a, 29b sind auf einen vorher festgelegten Wert geeicht, sodass für die Vorrichtung die Bedingung Up < 750 V eingehalten wird, wenn beim Eingang eine Überspannung von einem kombinierten Generator mit einem Wert von 10 kV angelegt wird, wobei unter Up der Wert der maximalen Überspannung im Ausgangsabschnitt der Vorrichtung zu verstehen ist.
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Die Drosseln haben Werte von ein paar Dutzend uH, beispielsweise zwischen circa 20 und 40 uH.
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Unter Bezugnahme auf 2 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise ein Paar Kondensatoren 33a, 33b, die untereinander in Reihe und parallel nach dem dritten Varistor 31 angeordnet und mit einer „Y”-förmigen Abzweigung für den Schutz der allgemeinen Art der sensiblen Vorrichtungen geerdet sind.
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Die Parameter der Bauteile der beschriebenen Vorrichtung können je nach Anwendung variieren.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Schutz gegen Überspannungen der allgemeinen Art bevorzugt wird, wurde die Vorrichtung 11 vorgesehen, um von einer 230 V Wechselspannung 50 Hz gespeist zu werden, und es wurden die folgenden Bauteile verwendet.
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Als Varistoren 21a, 21b wurde das Modell S20K175 von EPCOS mit einer Mindestspannung von 270 V und einer Sperrspannung von 455 V verwendet, wenn 100 A zirkulierender Strom im Varistor erreicht werden.
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Als Ableiter 25 wurde eine Gasentladungsröhre Modell EC350X von EPCOS mit Ansprechspannung 350 V und Betriebswiderstand < 1 Ω verwendet.
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Als Varistor 31 wurde das Modell S20K275 von EPCOS mit einer minimalen Arbeitsspannung von 430 V und einer Sperrspannung von 710 V verwendet, wenn 100 A zirkulierender Strom im Varistor erreicht werden.
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Die auf diese Weise konfigurierte Vorrichtung 11 wurde einem Test differenzieller Art – AC unterzogen, bei dem das zu schützende Gerät durch eine Last von 3 kΩ simuliert und eine Überspannung von 10 kV zwischen Phase und Nullleiter angelegt wurde.
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Der zwischen Nullleiter und Gasentladungsröhre angeschlossene Varistor 21b beginnt bei circa 270 V zu arbeiten, erreicht jedoch bei 350 V noch nicht die Sperrspannung (455 V bei 100 A), daher ist sein Isolationswiderstand noch relativ hoch im Vergleich zu jenem des Ableiters 25, weswegen ein Großteil des Stroms in den Ableiter fließt, der beim Ansprechen einen Isolationswiderstand < 1 Ω hat.
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Die Spannung an den Enden dieser beiden Bauteile (Varistor 21b und Ableiter 25) ist identisch (circa 530 V Spitzenwert bei diesem Ausführungsbeispiel), während man dagegen eine Stromspitze von circa 4000 A auf dem Ableiter 25 gegenüber den rund 1800 A des Varistors erhält.
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Zwischen Phase und Erde beim Eingang der Vorrichtung werden circa 1100 V und zwischen Phase und Nullleiter circa 1150 V gemessen.
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Der Varistor 31 in der zweiten Schutzstufe beginnt bei 430 V zu arbeiten und die Spannung zu sperren, sobald der Strom, der durch ihn fließt, 100 A beträgt (Sperrspannung 710 V).
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Dieselbe Vorrichtung 11 wurde einem Test mit Überspannung der allgemeinen Art – AC unterzogen. Auch bei diesem Test wurde eine Überspannung von 10 kV eingestellt.
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In diesem Fall wird die Überspannung zwischen Phase und Erde angelegt, und der Schaltkreis verhält sich folgendermaßen.
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Der GDT-Gasableiter 25 spricht bei 350 V an, und während der zur Erreichung der nominalen Ansprechspannung erforderlichen Zeit fließt kein Strom in der Gasentladungsröhre, folglich bleibt der Varistor 21a, der zwischen Ableiter 25 und Phase angeschlossen ist, inaktiv. Die Spannung an den Enden des Varistors 21a beginnt erst nach dem Ansprechen des Ableiters 25 zu steigen, und so steigt auch der Strom, nachdem die Ansprechspannung des Ableiters 25 erreicht worden ist.
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Wenn die Spannung auf dem Ableiter 25 wegen seines Ansprechens sinkt, beginnt Strom zu fließen, und folglich aktiviert sich auch der Varistor 21a, der zwischen Phase und Ableiter 25 angeschlossen ist. Der Strom im Ableiter steigt, bis er den Übergang desselben zum Bogenmodus bewirkt. Die Spannung an den Enden des Varistors steigt abhängig vom entladenen Strom.
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Wenn der Strom, der den Varistor 21a und den Ableiter 25 durchquert, den Wert von 100 A erreicht, wird auch die Sperrspannung des Varistors erreicht. Für das verwendete Bauteil hat man eine maximale Sperrspannung von 455 V bei 100 A.
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Bei den beiden Bauteilen (Varistor 21a und Ableiter 25b) ist der Strom derselbe, da sie in Reihe angeschlossen sind, während die Spannung zwischen Phase und Erde, die vom Varistor 21a und der Funkenstrecke 25 begrenzt wird, sich auf circa 1300 V beläuft.
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Der Varistor 31, der parallel zur Last in der zweiten Schutzstufe angeordnet ist, spricht mit einer vernachlässigbaren Wirkung an, da er von einem Strom < 100 mA durchquert wird. Die auf der Last gemessene maximale Spannung betrug circa 740 V.
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Die Vorrichtung kann, so wie sie beschrieben und dargestellt ist, zahlreiche Varianten und Änderungen aufweisen, die unter dasselbe erfinderische Prinzip fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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