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Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz von Nieder-
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spannungsanlagen Die Erfindung betrifft eine Uberspannungsschutzeiarichtung
mit mindestens einem Uberspannungsableiter und einem parallel geschalteten Metalloxidvaristor
zum Schutz von Niederspannungsanlagen.
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Aus der DE-OS 1 803 770 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt,
die aus einer Reihenschaltung einer Vielzahl von Einzelfunkenstrecken und von spannungsabhängigen
Widerständen besteht und bei der die Funkenstrecken anteilweise mit verschiedenen
Zündspannungen ausgebildet sowie mit die unterschiedlichen Zundspannungen kompensierenden
Einzelsteuerungen versehen sind, wobei die unterschiedlichen Kenndaten der Einzelfunkenstrecken
durch Füllung mit verschiedenen Gasen bewirkt sind. Diese Schutzeinrichtung dient
als Hochspannungsableiter.
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Uberspannungsableiter mit Funkenstrecken und in Reihe mit den Funkenstrecken
geschalteten spannungsabhängigen Widerständen, bei denen parallel zu den Funkenstrekken
spannungsabhängige Steuerwiderstände geschaltet sind, gehen beispielsweise auch
aus der DE-PS 1 192 733 als bekannt hervor. Bei Uberspannungsableitern ist man bestrebt,
die Ansprechspannung unter Beibehaltung der Löschsicherheit möglichst niedrig zu
halten. Die gleichmäßige Spannungsverteilung über die Funkenstrecken eines Hochspannungsableiters
wird allgemein durch ohmsche oder spannungsabhängige Widerstände erzwungen, die
entweder parallel zu Jeder Funkenstrecke oder parallel zu Gruppen von Funkenstrecken
geschaltet sind.
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Spannungsabhängige Widerstände gehen beispielsweise aus der DE-OS
1 765 097 als bekannt hervor. Derartige nichtlineare Widerstände bestehen z.B. aus
einer gesinterten Zinkoxidscheibe, die an ihren gegenüberliegenden Oberflächen mit
Elektroden versehen ist, wobei z.B.
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die eine Elektrode in ohmschem Kontakt und die andere Elektrode in
nichtohmschem Kontakt mit der Scheibe steht. Andere nichtlineare Widerstände sind
z.B. Siliziumcarbid-Varistoren, Selengleichrichter und Germanium-oder Silizium-pn-Flächengleichrichter.
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Fernmeldegeräte und Kabel werden durch Uberspannungen aus atmosphärischen
Entladungen oder Kurzschlüssen in Starkstromnetzen beeinflußt. Die Zerstörung der
Geräte und Kabel durch Uberspannungen wird bekanntlich durch die Beschaltung mit
gasgefüllten Uberspannungsableitern oder Metalloxidvaristoren (MOV) verhindert.
Beispielsweise ist aus der DE-AS 23 55 421 eine Parallelschaltung von einem gasgefüllten
Uberspannungsableiter und einem Metalloxidvaristor bekannt. Schließlich ist aus
der
DE-OS 27 14 411 eine Parallelschaltung von gasgefüllten Uberspannungsableitern mit
Metnlloxidvaristoren und zusätzlichen Reihenwiderständen bekannt.
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Derartige Uberspannungsschutzeinrichtungen sind allerdings relativ
aufwendig und teuer.
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Der Uberspannungsschutz für Fernmeldegeräte und Kabel wurde bisher
durch gasgefüllte Uberspannungsableiter oder Netalloxidvaristoren allein übernommen.
Die Einzelbeschaltung hat jedoch gewisse Nachteile. So können gasgefüllte Uberspannungsableiter
einen nicht ausreichenden Schutzpegel bei großer Stoßspannungssteilheit haben. Metalloxidvaristoren
werden bei großen Stoßstrombelastungen überlastet und schlagen durch.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile
zu beseitigen und eine einfache Überspannungsschutzeinrichtung zu schaffen, mit
der ein wirksamer Schutz sowohl des Metalloxidvaristors als auch der zu schützenden
Anlage gewährleistet ist. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Uberspannungsschutzeinrichtung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Uberspannungsableiter
eine Luftfunkenstrecke ist, deren Ansprechspannung unterhalb der Ansprechspannung
des Metalloxidvaristors liegt.
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Die erfindungsgemäße Uberspannungsschutzeinrichtung weist den Vorteil
auf, daß der Metalloxidvaristor unabhängig von der Anstiegsgeschwindigkeit der Stoßspannung
einen niedrigen Ansprechpegel garantiert, der auch im Bereich der Wechselspannung
nicht streut. Bei hohen Stoßströmen wird die Luftfunkenstrecke mit der ihr eigenen
ZUndverzdgerung gezündet, da ihre Ansprechspannung
unterhalb der
Begrenzungsspannung des Metalloxidvaristors liegt. Durch die Parallelschaltung wird
also der Metalloxidvaristor vor Uberlastungen durch Stoßstrom geschützt. Der Stoßstrom
fließt also über den Metalloxidvaristor nur bis zur Zündung der LuStSunkenstrecke,
die den Strom übernimmt und zur Erde ableitet.
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Vorzugsweise ist bei einer Uberspannungsschutzeinrichtung gemäß der
Erfindung der Widerstand einer Ubertragungsleitung durch einen in der Schutzeinrichtung
befindlichen ohmschen Widerstand erhöht und die Luftfunkenstrecke auf der Seite
des Widerstandes angeordnet, auf der die Uberspannung auftritt, wobei auf der anderen
Seite des Widerstandes der Metalloxidvaristor die Spannung an der zu schützenden
Niederspannungsanlage begrenzt.
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Es kann auch vorteilhaft sein,statt den ohmschen Widerstand der Übertragungsleitung
zu erhöhen, die Induktivität einer Ubertragungsleitung durch eine in der Schutzeinrichtung
befindlichen Spule zu erhöhen, wobei die Luftfunkenstrecke auf der Seite der Spule
angeordnet ist, auf der die Uberspannung auftritt und auf der anderen Seite der
Spule der Metalloxidvaristor die Spannung an der zu schützenden Niederspannungsanlage
begrenzt. Es kann zweckmäßig sein, in der Spule einen Ferritkern vorzusehen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die Luftfunkenstrecken
und die Spulen in einem Isolierkörper angebracht, wobei in einem Loch des Isolierkörpers
die beiden Luftfunkenstrecken der doppelpoligen Schutzeinrichtung mit einer gemeinsamen
Erdelektrode und außerhalb oder innerhalb des Isolierkörpers die Metalloxid-
varistoren
auf der Seite der zu schützenden Niederspannungsanlage angeordnet sind.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Luftfunkenstrecken
und die Widerstände in Kunststoff eingebettet und die Metalloxidvaristoren außerhalb
der Kunststoffeinbettung auf der Seite der zu schützenden Niederspannungsanlage
zwischen zwei Leitungsschienen und einer gemeinsamen Erdungsschiene angeordnet.
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Da die Ansprechzeit der Metalloxidvaristoren kürzer ist als die der
Luftfunkenstrecken, arbeitet die Parallelschaltung auch noch, wenn die Ansprechgleichspannung
beider Elemente gleich ist. Auf den zusätzlichen Schutzwiderstand kann verzichtet
werden, wenn der ohmsche Widerstand der Metalloxidvaristoren mit der Erhöhung des
Stoßstroms zunimmt, so daß die Ansprechstoßspannung der Luftfunkenstrecke erreicht
wird.
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Die vorgeschlagene Parallelschaltung von Luftfunkenstrecke und Metalloxidvaristor
- gegebenenfalls mit erhöhtem Schutzwiderstand - ist eine zuverlässige Schutzschaltung
der Teilnehmerstation, wenn die Stoßströme 100 A überschreiten. Durch die Zündung
der Luftfunkenstrecken kommutiert der Ableitstrom auf die Luftfunkenstrecken, so
daß die Metalloxidvaristoren vor Uberlastung geschützt sind. Bei kleinen Uberspannungen
und niedrigen Stoßströmen werden nur die Metalloxidvaristoren für die Spannungsbegrenzung
der Uberspannung sorgen. Mit der Parallelschaltung von Luftfunkenstrecke und Metalloxidvaristor,
gegebenenfalls mit erhöhtem Schutzwiderstand, können alle Stoßströme sicher beherrscht
werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Figuren
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispelen näher erläutert werden. In den
Figuren sind einander entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Dabei zeigen: Fig. 1 bis 3 Blockschaltbilder verschiedener Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäßen Oberspannungsschutzeinrichtungen und die Fig. 4 bis 6 schematische
Darstellungen weiterer Ausführungsbei spiele von erfindungsgemäßen tfberspannungsschutzeinrichtungen.
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Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Uberspannungsschutzeinrichtung,
bei der Je eine Luftfunkenstrecke 1 mit Je einem Metalloxidvaristor 2 parallel geschaltet
ist. Die aus Luftfunkenstrecke 1, Metalloxidvaristor 2 und Schutzwiderstand 3 bestehande
Oberspannungsschutzeinrichtung ist zwischen die überspannungsbeeinflußbare Leitung
4 und die zu schützende Niederspannungsanlage 5, wie Telefon, Verstärker oder Amt,
geschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Leitungswiderstand der ttbertragungsleitung
4 durch Je einen Schutzwiderstand 3 erhöht. Die Luftfunkenstrecken 1 sind auf der
Seite der Widerstände 3 angeordnet, auf der die Uberspannung auftritt. Auf der anderen
Seite der Widerstände 3 begrenzen die Metalloxidvaristoren 2 die Spannung am Koppelpunkt.
Durch geeignete Wahl der Widerstände 3 können Luftfunkenstrecken 1 mit einer Ansprechspannung
unter der Ansprechspannung der Metalloxidvaristoren 2 verwendet werden, die den
Stoßstrom nach Zündung übernehmen und den Metalloxidvaristor entlasten.
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Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ohmschen
Widerstaiide durch Spulen 6 ersetzt, die Ferritkerne aufweisen können. Bei Verwendung
kleiner Induktivitäten, die die Ubertragungsfrequenz ungehindert durchlassen, der
Uberspannung aber einen großen Widerstand entgegensetzen, so daß sie einem Tiefpaß
gleichkommen, kann die Überspannung vorteilhafterweise die Luftfunkenstrecke 1 schnell
zünden und somit eine Uberlastung der Metalloxidvaristoren 2 vermieden werden.
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Schließlich ist bei der Verwendung von sehr schnell sprechenden Luftfunkenstrecken
1 die direkte Parallelschaltung von Metalloxidvaristoren 2 und Luftfunkenstrecken
1 möglich. Durch Einsparung der Reihenwiderstände oder induktivitäten ist dies die
kostengünstigste Lösung, die Jedoch sehr schnell ansprechende Luftfunkenstrecken,
wie sie z.B. bei iCohleüberspannungsableitern zur Verfügung stehen, erfordert (Fig.
3).
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Der Uberspannungsschutz gegenüber Wechselspannungen wird in den drei
Ausführungsbeispielen direkt vom Metalloxidvaristor übernommen, da diese Spannungen
im allgemeinen niedriger sind.
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In Fig. 4 ist die einfachste konstruktive Lösung der Parallelschaltung
einer Luftfunkenstrecke 1 mit einem Metalloxidvaristor 2 für eine einpolige Schutzschaltung
dargestellt. Die Fixierung des Elektrodenabstandes der Luftfunkenstrecke 1 erfolgt
dadurch, daß die beiden Zuleitungsdrähte 4 des Metalloxidvaristors 2 in einen Ring
1' aus Isolierstoff eingepreßt sind, so daß sie im Innern einen definierten Elektrodenabstand
bilden.
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Auf der Funkenstreckenseite wird die Leitung angeschlossen, auf der
Uberspannungen auftreten können und auf der Metalloxidvaristorseite die zu schützende
Niederspannungsanlage .
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Bei dem in Fig. 5 dargestellteL Ausführungsbeispiel sind die Spulen
6 und die Luftfunkenstrecken 1 in einem Isolierkörper 7, vorzugsweise Plastikkörper,
gemeinsam angebracht, wobei in einem Loch 8 des Isolierkörpers 7 die beiden Luftfunkenstrecken
1 der doppelpoligen Schutzeinrichtung mit einer gemeinsamen Erdelektrode 9 angeordnet
sind. Außerhalb oder innerhalb des Isolierkörpers 7 werden auf der zu schützenden
Anlagenseite die Metalloxidvaristoren 2 angebracht. Die von Uberspannungen beeinflußbaren
Leitungen 4 oder Kabel sind auf der Seite der Luftfunkenstrecken 1 angeordnet.
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In Fig. 6 ist eine doppeipolige Uberspannungsschutzeinrichtung in
Schienenausfhrung dargestellt, wobei die überspannungsbeeinflußbare Leitung auf
der Seite der Luftfunkenstrecken 1 und die zu schützende Anlage auf der Seite der
Metalloxidvaristoren 2 angeschlossen werden. Die Schienenausführung ist für den
Einbau in entsprechende Fassungen von Fernmeldegeräten vorgesehen.
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Zweckmäßigerweise werden die Widerstände 3 und die Luftfunkenstrecken
1 in einer Kunststoffeinbettung 10 angeordnet. Die Metalloxidvaristoren 2 können
wegen der thermischen Verlustenergie außerhalb der Kunststoffeinbettung 10 zwischen
den zwei Leitungsschienen 11 und einer gemeinsamen Erdungsschiene 12 eingebaut sein.
Die Ausführungsform der Fig. 6 kann auch einpolig ohne
Widerstand
als direkte Parallelschaltung von Luftfunkenstrecke und Metalloxidvaristor entsprechend
Fig. 3 und Fig. 4 aufgebaut sein.
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6 Patentansprüche, 6 Figuren.