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Schaltungsanordnung zum Begrenzen von Uberspannungen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltungsanardnung zum Begrenzen von Uberspannungen an insbesondere
gleichstromführenden Leitungen unter Verver.dung von wenigstens einem Überspannungsbegrenzer>der
einer zu schützenden Einrichtung parallel geschaltet ist.
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Um für den überspannungsschutz von spannungsempfindlichen Einrichtungen
die größtmögliche Sicherung zu erreichen, ist es erforderlich, eine nach der Zündung
auftretende Überlastung von Überspannungsbegrenzern, die zu vorzeitigem Verschleiß
oder zu ihrer Zerstörung führen kann, zu vermeiden. Bei Verwendung von Überspannungsbegrenzern
zum Schutz gegen innere Überspannungen an wechselstromführenden Leitungen ist es
bereits bekannt, den Begrenzerstrom durch Reihenschaltung mit einem Varistor so
zu verringern, daß der zulässige Stromwert nicht überschritten wird.
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Das Löschen von Uberspannungsbegrenzern, die an einer gleichspannungsführenden
Leitung liegen, ist bei kleinen Stoßspannungen bisher nur schwer möglich, falls
die anliegende Gleichspannungn die minimal notwendige Brennspannung der Überspannungsbegrenzer
überschreitet.
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Der nach einem kurzen Überspannungsimpuls, der zur Zündung des Uberspannungsbegrenzers
geführt hat, von einer Gleichspannungsquelle aufrecht erhaltene Folgestrom führt
im allgemeinen schnell zur thermischen Zerstörung des Überspannungsbegrenzers. Die
Verwendung
einer Reihenschaltung von Uberspannungsbegrenzer und
Varistor zur Verbesserung der Löschsicherheit hat den Nachteil, daß der zu zündende
Verbraucher einer erhöhten Stoßansprechspannung ausgesetzt ist. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, daß Varistoren bei schnellem Spannungsanstieg eine Erhöhung ihrer
Stoßspannung aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Überlastungsschttz für
Überspannungsbegrenzer unter Vermeidung von Nachteilen für den zu schützenden Verbraucher
weiter zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß jedem Überspannungsbegrenzer
im Längszweig und/ oder im Querzweig ein nichtlinearer Vorwiderstand in Reihe geschaltet
ist, der nach Zündung des Überspannungsbegrenzers infolge Eigen- oder Fremderwärmung
von einem niederohmigen in einen hochohmigen Widerstandsbereich übergeht. Arbeiten
die zu schützenden Elrr ichtungen mit einem hohen Betriebsstrom und verlangen die-Einrichtungen
eine kleine Begrenzungsspannung, die nicht durch zusätzliche Spannungsabfälle vergrößert
ist, dann wird eine Überlastung der Uberspannungsbegrenzer gemäß der Erfindung dadurch
verhindert, daß jedem Überspannungsbegrenzer ein nichtlinearer Widerstand zugeordnet
ist, der nach Zündung des Uberspannungsbegrenzers einen durch Fremderwärmung eingeleiteten
Schaltvorgang zu dessen Löschung bewirkt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung wird als nichtlinearer Widerstand ein Kaltleiter verwendet, dessen
kritische Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur liegt und so gewählt ist, daß
der Widerstandssprung bei einer Temperatur einsetzt, die Überspannungsbegrenzer
thermisch
noch nicht gefährdet.
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Unter Ausnutzung des scharfen Kennlinienknicks von Kaltleitern wird
mit geringem Aufwand eine sichere Löschung eines gezündeten Überspannungsbegrenzers
erreicht, ohne daß die Restspannung zu Lasten des zu schützenden Verbrauchers unzulässig
hohe Werte annehmen kann. Die im kalten Zustand sehr niederohmigen Kaltleiter verzögern
den Ansprechvorgang eines schnellen Spannungsbegrenzers nicht. Erst bei Erreichen
einer für den Überspannungsbegrenzer gefährlichen Temperatur tritt ein Widerstands
sprung ein, der zum Löschen und zum Überlastungsschutz des Uberspannungsbegrenzers
ausgenutzt werden kann. Die kleine Kapazität eines Überspannungsbegrenzers wird
durch die Schaltungskombination von Überspannungsbegrenzer und Kaltleiter nicht
erhöht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindurgwerden anhand der in den Fig. 1
bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Überspannungsbegrenzeranordnung, die mittels eines
Kaltleiters im Nutzstromkreis durch Energiebegrenzung geschützt ist.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Verwirklichung der thermischen Kopplung
zwischen Überspannungsbegrenzer A und Kaltleiter KL.
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In Fig. 3 sind Kaltleiter in Reihenschaltung mit den vor Überlast
zu schützenden Überspannungsbegrenzern im Querzweig einer Leitung angeordnet.
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In Fig. 4 ist eine Hilfsschaltung mit einem Kaltleiter zum Schutz
des Überspannungsbegrenzers im Prinzip dargestellt.
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Fig. 5 zeigt die Verwendung eines Kaltleiters in Verbindung mit zwei
Überspannungsbegrenzern, von denen einer eine Zenerdiode ist.
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In Fig. 1 verbindet eine gleichstromführende Leitung eine Stromquelle
E mit einer vor Überspannungen zu schützenden Einrichtung (Verbraucher V). Parallel
zu den Anschlußklemmen der Leitung ist ein z.B. als Gasspannungsableiter ausgebildeter
Überspannungsbegrenzer A vorgesehen, der äußere oder innere Überspannungen nach
dessen Zündung auf die Restspannung (Brennspannung) des Überspannungsbegrenzers
begrenzt.
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Überspannungsbegrenzer werden nach Zündung durch einen Uberspannungsimpuls
in der Regel im Brennzustand gehalten, wenn sie an einer Gleichspannung liegen,
welche die minimale notwendige Brennspannung der Spannungsableiter überschreitet.
Das Weiterbrennen der Überspannungsbegrenzer kann infolge Überhitzung zur Zerstörung
der Überspannungsbegrenzer führen. Ein sicheres Löschen nach einem Beeinflussungsvorgang
kann erreicht werden, wenn entsprechend vor dem zu schützenden Überspannungsbegrenzer
A in die Stromversorgungsleitung ein geeigneter Kaltleiter KL eingeschaltet wird.
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Im Falle eines Nachbrennens des Überspannungsbegrenzers A fließt ein
Folge strom 1F über den Kaltleiter KL und den Überspannungsbegrenzer A, so daß sowohl
im Kaltleiter als auch im Überspannungsbegrenzer Wärme erzeugt wird.
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Der Uberspannungsbegrenzer kann dabei in engem Wärmekontakt mit dem
Kaltleiter angeordnet werden, so daß sich ein Teil der im-Uberspannungsbegrenzer
erzeugten Wärme auf den Kaltleiter übertragen kann. Beim Erreichen der kritischen
Temperatur wird der Kaltleiter hochohmig und der Folgestrom so stark verringert,
daß der Uberspannungsbegrenzer löscht. Nach Abkühlen des Kaltleiters ist die zu
schützende Anlage wieder voll betriebsbereit. Während des Abkühlvorgangs bleibt
der Uberspannungsschutz voll erhalten.
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Die Vorteile der Schaltung sind, daß die an der zu schützenden Einrichtung
zu erwartenden Überspannungen nur vom Überspannungsbegrenzer A abhängen, da dieser
unmittelbar parallel zu dem zu schützenden Gerät liegt.
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Die Ansprechspannung des Überspannungsbegrenzers A kann so niedrig,
wie der Betrieb es zuläßt, gewählt werden.
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Auf das Löschverhalten des Überspannungsbegrenzers A braucht keine
Rücksicht genommen zu werden. Man kann daher Uberspannungsbegrenzer mit sehr niedriger
Stoßansprechspannung, deren Löschverhalten meist nicht ausreichend ist, verwenden.
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Bei stärkerer Beeinflussung über längere Zeit könnte am Eingang der
Schutzschaltung die Überspannung sehr hohe Werte annehmen, do daß dies zu Überschlägen
fuhren würde. Die Überschläge können verhindert werden, wenn vor den Kaltleiter
eine billige Grobfunkenstrecke G geschaltet wird, die hoch belastbar ist und sicher
löscht. In diesem Fall kann auch der Überspannungsbegrenzer A selbst dann sicher
vor Überlastung geschützt werden, wenn seine Belastbarkeit nur gering ist, da bei
jeder unzulässigen Erwärung des Überspannungsbegrenzers der Kaltleiter KL hochohmig
wird und den Beeinflussungsstrom verringert.
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Der Betriebsstrom verursacht am Kaltleiter einen Spannungsabfall und
erzeugt in ihm Wärmeenergie. Die Gleichstromquelle E muß die am Kaltleiter abfallende
Spannung liefern. Die durch Eigenerwärmung bestimmte Betriebstemperatur des Kaltleiters
muß noch unterhalb einer kritischen Temperatur liegen. Die maximal zulässige Verlustleistung
im Kaltleiter bestimmt den Anwendungsbereich dieser einfachen Schutzschaltung.
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Bei höheren Betriebsgleichströmen, de eine Verwendung der Schaltung
nach Fig. 1 nicht mehr zulassen, kann die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ein Löschen
der Spannungsableiter bei geringer Stoßansprechspannung sicherstellen und eine Überlastung
der Ableiter verhindern.
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Die Schaltung benutzt parallel zu den Eingangsklemmen des Verbrauchers
V mehrere Gasspannungsableiter Al, A2, denen je ein niederohmiger Kaltleiter KL1,
KL2 im Querzweig in Serie geschaltet ist. Den Serienschaltungen ist eine Grobfunkenstrecke
G parallel geschaltet. Die Gasspannungsableiter Al und A2 weisen zweckmäßig sehr
kleine Stoßansprechspannungen auf. Ihre Nennansprechspannung kann unterschiedlich
gewählt werden. Die Ansprechspannung der Grobfunkenstrecke G ist höher als die der
Gasspannungsableiter Al, A2. Die Gasspannungsableiter Al, A2 können in direktem
Wärmekontakt mit den Kaltleitern KL1, KL2 angeordnet werden. Die Verringerung der
Beeinflussungsspannung nach Zünden des Uberspannungsbegrenzers wird vom Leitungsinnenwiderstand
RL und vom Widerstand der Kaltleiter RKL bestimmt.
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Der Leitungsinnenwiderstand ist groß gegen den Kaltleiterwiderstand.
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Die Schaltung kann als Uberspannungsbegrenzungseinrichtung für Schaltungen
eingesetzt werden, für die eine hohe Betriebssicherheit gewünscht wird. Im Beeinflussungsfall
wird die Restspannung am Eingang der Einrichtung V vom Ableiter mit der geringsten
Stoßansprechspannung bestimmt. Mit zunehmender Belastung werden nacheinander infolge
des Spannungsabfalles an den Kaltleitern auch die übrigen Überspannungsbegrenzer
ansprechen. An der leitung der Überspannung sind dadurch also mehrere Überspannungsbegrenzer
beteiligt, so daß die Energie, die ein Uberspannungsbegrenzer aufzunehmen hat nur
ein Teil der Gesamtenergie ist. Infolge der Eigenerwärmung des Kaltleiters und der
Wärmeübertragung vom Überspannungsbegrenzer zum Kaltleiter, wird der über spannungsbegrenzer
vor Überlastung geschützt und ein Kurzschluß durch Verschweißen der Überspannungsbegrenzerelektroden
vermieden. Nach dem Beeinflussungsvorgang ist daher die Schutzeinrichtung wieder
betriebsfähig.
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Das Austauschen von Überspannungsbegrenzern ist nur in sehr seltenen
Fällen erforderlich. Bei langdauernden stromstarken Beeinflussungsvorgängen wird
infolge Ansteigens der Spannung an der Schutzeinrichtung die Grobfunkenstrecke G
bei ihrer Nennansprechspannung ansprechen. Grobfunkenstrecke können überlastungssicher
und löschsicher gebaut werden.
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Die Schaltung nach Fig. 3 ist nicht auf die Verwendung von zwei Uberspannungsbegrenzern
beschränkt; die Schaltung ist sowohl mit nur einem wie auch mit mehr als zwei Überspannungsbegrenzern
mit zugehörigem Kaltleiter betriebsfähig.
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Wird bei sehr großem Betriebsstrom eine kleine Restspannung an der
zu schützenden Einrichtung verlangt,
dann empfiehlt sich eine Schaltung
nach Fig. 4.
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Diese Schaltungsanordnung benutzt eine Hilfsschaltung, die von einem
Kaltleiter KL3, der mit einem Uberspannungsbegrenzer A3 thermisch gekoppelt ist,
gesteuert wird. Der Überspannungsbegrenzer A3 ist der zu schützenden Einrichtung
über den Ruhekontakt r eines Relais R der Hilfsschaltung parallel geschaltet.
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Beim Auftyeter einer Überspannung ist der Verbraucher V nur von der
Stoßansprechspannung des Überspannungsbegrenzers beansprucht. Ist die Belastung
des Überspannungsbegrenzers so groß, daß er sich auf eine unzulässige hohe Temperatur
erwärmt, dann wird ein Kaltleiter KL3 im Steuerkreis eines Transistors T infolge
der thermischen Kopplung mit dem Uberspannungsbegrenzer in seinen hochohmigen Zustand
übergeführt.
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Gleichzeitig steigt die Spannung in der Zenerdiode Z an und steuert
nach Erreichen ihrer Zenerspannung den Transistor leitend. Das im Kollektorkreis
angeordnete Relais R wird erregt, öffnet seinen Kontakt r und schaltet dadurch einen
Kaltleiter KL4 in Reihe mit dem Überspannungsbegrenzer A3, so daß dieser löscht.
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Durch die Verwendung des zusätzlichen Kaltleiters KL4 wird verhindert,
daß die Einrichtung V nach dem Öffnen-des Kontaktes r für eine gewisse Zeit völlig
schutzlos ist. Wenn es die Betriebsbedingungen zulassen, kann der Kontakt r auch
so angeordnet sein, daß der Überspannungsbegrenzer durch Kurzschließen gelöscht
wird.
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Bestehen die Überspannungsbegrenzer aus einem Halbleiterelement, z.B.
Zenerdiode, weil eine Begrenzung auf sehr kleine Spannungen erforderlich ist, dann
kann ein Uberlastungsschutz entsprechend der Schaltung nach Fig. 5 ausgebildet werden.
Zwischen zwei im Querzweig der an den
zu schützenden Verbraucher
V führenden Leitung angeordneten Überspannungsbegrenzern, von denen der erste als
Entladungsstrecke und der zweite als Zenerdiode ausgebildet ist, ist im Längszweig
ein Kaltleiter KL5 angeordnet, der thermisch mit dem löschsicheren Überspannungsbegrenzer
A4 und/oder mit der Zenerdiode gekoppelt ist. Bei Erreichen der kritischen Temperatur
des Kaltleiters wirkt diese als Schutzwiderstand für die Zenerdiode. Gleichzeitig
bietet diese Schaltung den Vorteil, daß Zenerdioden mit kleiner Verlustleistung
verwendet werden können.
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7 Patentansprüche 5 Figuren