DE4317191A1 - Verfahren zur Ableitung von schädlichen Überspannungen, sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich zunächst mit einem Verfahren zur Ableitung von schädlichen Überspannungen, wobei in der Richtung der ankommenden Überspannungswelle, in der Regel aufgrund eines Blitzstromes bzw. Blitzteilstromes zunächst ein Blitzstromableiter und diesem in der vorgenannten Rich­ tung nachgeordnet ein oder mehrere Überspannungsableiter in Reihe hintereinander geschaltet sind (Oberbegriff des An­ spruches 1). Der derzeitige Trend, in elektrotechnischen und elektronischen Geräten eine immer größere Leistungsdichte zu realisieren, bringt eine wachsende Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen mit sich. Um die für diese Geräte und Systeme notwendige Versorgungszuverlässigkeit unter allen Umständen zu garantieren, erfolgt in immer stärkerem Maße der Einsatz von Überspannungsschutzmaßnahmen, die sich zum Teil nur an innere Überspannungen, aber auch am direkten Blitzeinschlag orientieren. Hierbei erfolgte bisher die Anwendung derartiger Maßnahmen nur aufgrund der Eigen­ schaften des jeweils vorhandenen Gerätes, nicht aber wurden auch weitere Umstände wie die Bedingungen einer Gesamtanlage hinreichend berücksichtigt. Insbesondere besteht eine Pro­ blematik darin, daß bei Vorhandensein mehrerer Ableiter es dem jeweiligen Installateur überlassen blieb, wie er diese Ableiter innerhalb der Anlage und vor allen Dingen im Hin­ blick auf das zu schützende Gerät anordnet. Dies bedingt für den Installateur in der Praxis die Gefahr von Fehlern, für die er rechtlich zu haften hat. So können unkontrollierte Einsätze von Überspannungsableitern in einem Versorgungsnetz und in bezug auf die zu schützenden Geräte oder auch Anlagen dazu führen, daß sich die Überspannungsschutzableiter gegen­ seitig in ihrer Wirkung blockieren, gegebenenfalls sogar zerstören.

Während in der bisher üblichen Installationstechnik über­ haupt keine Koordination vorhanden war, hat man zu der letztgenannten Problematik in der Praxis zwei Wege entwi­ ckelt. Zum einen hat man zwischen den Ableitern relativ lange Kabel zur Schaffung entsprechender Kabelimpedanzen geschaltet. So waren Kabellängen von z. B. 6 m üblich. Nach­ teilig ist hierbei, daß genaue Vorgaben für den Installateur fehlen und daß der Ersatz eines bestimmten zu schützenden Gerätes durch ein zu schützendes Gerät mit anderen elektri­ schen Daten die bisher gegebene Koordination aller Ableiter unter sich und mit dem zu schützenden Gerät ganz oder teil­ weise aufgehoben wurde. Darüber hinaus ist dieses Verfahren sehr grob, d. h. ungenau. Bedingt durch die ankommende Wel­ lenform 10/350 µs werden für die Koordination des Blitz­ stromableiters und der Überspannungsableiter sehr große Kabellängen (siehe oben) benötigt. Abgesehen von den hiermit verbundenen Kosten ist dies auch aus praktischen Gründen nicht immer zu realisieren.

Ferner ist ein Koordinationsprinzip bekannt, bei welchem die Ableiter mit steigendem Begrenzungspegel hintereinander angeordnet sind. Dieses Verfahren ist nur bei völlig neuen Projekten machbar und erfordert von dem jeweiligen Projek­ tanten relativ große Detailkenntnisse, die aber in der Regel nicht vorhanden sind. Die vorstehend geschilderten Probleme für die praktische Arbeit des Installateurs und seine Ver­ antwortung sind bei dem letztgenannten Verfahren noch grö­ ßer.

Die Aufgaben- bzw. Problemstellung der Erfindung besteht demgegenüber darin, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so zu gestalten, daß eine einwandfreie Koordi­ nation der Ableiter untereinander und auf die Gegebenheiten der jeweiligen Anlage, sowie insbesondere auf das jeweilig zu schützende Gerät in einfacher und sicherer Weise erreicht werden kann.

Hierzu ist zunächst, ausgehend vom Oberbegriff des Anspru­ ches 1, vorgesehen, daß die Ausgangsspannung und der Aus­ gangsstrom des Blitzstromableiters der zulässigen Eingangs­ spannung und dem zulässigen Eingangsstrom des nächstfolgen­ den, ersten Überspannungsableiters angepaßt ist, daß die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom des ersten Überspan­ nungsableiters der zulässigen Eingangsspannung und dem zulässigen Eingangsstrom des nächstfolgenden, zweiten Über­ spannungsableiters (sofern vorhanden) angepaßt ist und so fort, und daß die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom des letzten Überspannungsableiters der Reihe der zulässigen Ein­ gangsspannung und dem zulässigen Eingangsstrom des zu schüt­ zenden Gerätes angepaßt sind. Hiermit braucht der Installa­ teur sich nicht selber die Ableiter zu koordinieren. Die zuvor erläuterten Probleme entfallen. Da das erfindungsgemä­ ße Verfahren auf die Daten der Ableiter selber abstellt, ist deren Koordination und damit die Gesamtkoordination aus diesen Ableitern heraus selber gewährleistet und nicht erst durch externe Maßnahmen. Insbesondere entfällt die kompli­ zierte und in der Regel für den Installateur nicht machbare Systemanalyse zur Sicherstellung der Koordination. Vielmehr übernimmt der Hersteller diese Aufgabe, indem er die ent­ sprechende Kombination der Ableiter zusammenstellt und anbietet, und zwar nach der Lehre des Anspruches 1.

Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der Erfindung ist der Einsatz bei einem EMV-Blitz-Schutzzonen-Konzept. Hier geht es um die Bearbeitung komplexer Anlagen mit umfangreichen fernmelde­ technischen Einrichtungen, wie Fabriken, Rechenzentren und Kraftwerken. Die Erfindung ist also sowohl in Fällen der Energieübertragung als auch der Datenübertragung zur Ein­ richtung eines entsprechenden Überspannungsschutzes einsetz­ bar. Elektronische Einrichtungen müssen dabei in der durch einen direkten oder nahen Blitzeinschlag gestörten elektro­ magnetischen Umwelt überleben oder sogar störungsfrei arbei­ ten können. Hierzu hat man das Gebiet in Schutzzonen unter­ teilt, die durch Schirmen des Gebäudes, der Räume und der Geräte unter Ausnutzung vorhandener metallener Komponenten, wie Metallfassaden, Armierungen, Metallgehäuse usw. gebil­ det werden. Von der sogenannten Feldseite (Blitzschutzzone 0) aus, in der direkte Blitzeinschläge und ungedämpfte elektromagnetische Felder des Blitzes (LEMP) gegeben sind, folgen Schutzzonen mit abnehmender Gefährdung hinsichtlich leitungsgebundener Störungen und LEMP-Einwirkungen. An den Schnittstellen an den Übergängen zwischen den einzelnen Schutzzonen sind Ableiterkombinationen nach der Erfindung in Reihen hintereinander einsetzbar. Sie sind entsprechend der Zonengefährdung auszuwählen und zielgerichtet einzusetzen.

Sollten trotzdem in den Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Ableitern noch geringe Spannungsabfälle bzw. induktive bzw. feldgekoppelte Einflüsse vorhanden sein, so ist dies nach der Lehre des Anspruches 2 mit der Erfindung kompensierbar. Die hier noch auftretenden Impedanzen sollen so klein wie möglich gehalten werden.

Die Erfindung will ferner eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 schaffen. Hierzu gehört die Lehre des Anspruches 4, wonach eine zuein­ ander gehörende Reihe von Ableitern vorgesehen ist, die durch ihre angegebenen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Spannungen und Ströme sowohl in ihrem elektrischen Verhalten definiert als auch hieraus koordiniert sind. Hiermit sind diese Ableiter für den Einsatz in der Praxis hinreichend gekennzeichnet, ohne daß es notwendig ist, daß der damit arbeitende Installateur den inneren Aufbau dieser Geräte kennt. Wichtig ist, daß mit den vorgenannten angegebenen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Spannungen und Strömen die für die Durchführung des Verfahrens dieser Erfindung erforderliche Staffelung der Ableiter entsprechend ihrer Leistungsfähigkeit durchzuführen ist. Gemäß Anspruch 1 ist dabei darauf zu achten, daß die ausgangsseitige Leerlauf­ spannung eines vorgeordneten Schutzgerätes kleiner ist als die eingangsseitige Stoßspannung des nachfolgenden Schutzge­ rätes und schließlich am Ende der Kette die eingangsseitige Stoßspannung des zu schützenden Gerätes. Weiterhin ergibt sich, daß der Kurzschlußstrom des vorgeordneten Ableiters kleiner zu sein hat als der maximal zulässige eingangsseiti­ ge Stoßstrom des nachfolgenden Ableiters bzw. des zu schüt­ zenden Gerätes (siehe hierzu auch Anspruch 1).

Solange gewährleistet ist, daß die Störungen, beispielsweise Störungen aus einer Blitz-Schutzzone 0 oder 0/E, auf Pegel begrenzt werden, die unterhalb der Grundfestigkeit der jeweils zu schützenden Geräte bzw. Systeme liegen, ist der Planer frei in der Koordination und Staffelung der Ableiter in bezug auf die zu schützenden Geräte oder Systeme. Auf jeden Fall ist sicherzustellen, daß Blitzströme bzw. Teil­ blitzströme an der Schnittstelle der Blitz-Schutzzonen 0 und 1 abgeleitet werden, so daß für die nachgeordneten Ableiter nur noch mit Störimpulsen, charakterisiert durch Stoßspan­ nungen 1,2/50 µs und Stoßströme 8/20 µs, zu rechnen ist. Diese Aufgabe können insbesondere Gleit- und Gasfunkenstrecken erfüllen, aber auch Ableiter mit Hochpaßeigenschaft. Auch wären Ableiter auf Varistorbasis einsetzbar.

Anspruch 4 beinhaltet eine Beschreibung der Eingangs-Stör­ größen für Ableiter sowie zu schützende Geräte und Systeme und sieht vor, auch die Ausgangspegel von Ableitern durch eine Leerlaufspannung u von 1,2/50 µs (bei offenen Ausgangs­ klemmen) und einen Kurzschlußstrom i von 8/20 µs (bei kurzge­ schlossenen Ausgangsklemmen) zu beschreiben. Mit den so normierten Daten ist eine koordinierte Auswahl der jeweils nachfolgenden Ableiter und die gewünschte Anpassung an die zu schützenden Geräte oder Systeme möglich. Dem Anwender können tabellarische Hilfen in die Hand gegeben werden, die ihm bei vorgegebenen zu schützenden Geräten die Kette der einzusetzenden Ableiter angeben, und zwar sowohl nach den Eingangs- und Ausgangsdaten der Ableiter als auch deren Folge hintereinander. Der Installateur hat dabei die Sicher­ heit, daß hiermit die Vorschriften des EMV-Gesetzes einge­ halten sind und er insoweit von der Verantwortung entlassen ist.

Als Entkoppelungselemente wurden bisher die Leitungen zwi­ schen den einzelnen Ableitern verwendet. Eine Bestimmung der hierzu jeweils richtigen Leitungsdaten durch den Installa­ teur ist aus den schon erläuterten Gründen schwierig und kann zu Fehlern führen. Demgegenüber können gemäß der Erfin­ dung (Anspruch 7) die Entkoppelungselemente in den Ableitern selber vorgesehen sein. Dies hat mehrere Vorteile. Zum einen spart man hiermit die beim Stand der Technik zur Entkoppe­ lung notwendigen langen Leitungen. Außerdem wird diese Entkoppelung nach der Erfindung fabrikmäßig hergestellt und den Ableitern eingegeben. Der ausführende Installateur braucht sich auch hier nur an die auch die Entkoppelung erfassenden Daten des jeweiligen Ableiters zu halten, nicht aber um eine Festlegung der Größe der jeweiligen Entkop­ pelung zu bemühen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich sowohl aus den weiteren Patentansprüchen als auch aus der nachstehenden Beschreibung und der zugehörigen, im wesentli­ chen schematischen Zeichnung von erfindungsgemäßen Ausfüh­ rungsmöglichkeiten. Dabei betreffen diese Ausführungsmög­ lichkeiten sowohl Verfahrensmaßnahmen als auch Anordnungen.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Anordnung von Ableitern einschließlich des zu schützenden Gerätes,

Fig. 2 ebenfalls schematisch die Darstellung der Anwendung der Erfindung auf ein Blitz-Schutz­ zonen-Konzept,

Fig. 3 eine Anordnung entsprechend Fig. 1, jedoch mit zusätzlichem Querschutz zwischen N und PE.

Die in Fig. 1 von links ankommende Überspannung trifft zunächst auf einen Blitzstromableiter 1, welcher aufgrund dieser Eingangsspannung U_1E gegen Erde ableitet. Hierzu ist der Blitzstromableiter 1 mit einer Funkenstrecke 6 versehen, die in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist. Diese bevorzugte Ausgestaltung des Blitzstromableiters gibt die Möglichkeiten, große Energien abzuführen und ferner, bedingt durch die niedrige Brennspannung, die Koordination zu den nachfolgenden Überspannungsableitern 2, 3 und 4 mit geringem Aufwand zu realisieren.

Für die schematische Darstellung der Anpassung der Eingangs- und Ausgangsspannungen in der Zeichnung gilt:

U_1A < U_1E usw.

sowie:

U_2E = U_1A + U_i1/2 usw.

Ausgehend von der o.g. Beschreibung der Eingangs-Störgrößen für Ableiter sowie zu schützende Geräte und Systeme durch eine Stoßspannung 1,2/50 µs und einen Stoßstrom 8/20 µs sind auch die Ausgangspegel von Ableitern durch eine Leerlauf­ spannung 1,2/50 µs (bei offenen Ableiterklemmen) und einen Kurzschlußstrom 8/20 µs bei kurzgeschlossenen Ausgangsklemmen zu definieren.

Falls an den Ausgängen der Ableiter abweichende Impulsformen auftreten, sind die Wirkungsparameter u_max, ∫ udt, ∫ u²dt und u_max/T₁ sowie i_max, ∫ idt, ∫ i²dt und i_max/T₁ zu bestim­ men. Die mit dem vorgenannten Integral umschriebenen Span­ nungs-Zeitflächen usw. sind ein Maß für die Eingangs- und Ausgangsgrößen der Ableiter, dienen also deren Bewertung. Die erfindungsgemäße Ableiterkombination stellt sicher, daß alle diese Parameter unter den für den Ableiter spezifizier­ ten Kennwerten der Stoßspannung 1,2/50 µs und des Stoßstromes 8/20 µs liegen.

Mit den so normierten Ausgangsdaten ist eine koordinierte Auswahl der jeweils nachfolgenden Ableiter möglich. Insbe­ sondere ist es möglich, diese Koordination bis zum zu schüt­ zenden Endgerät fortzusetzen und auch hierfür zu garantie­ ren. Die für dieses Endgerät relevanten elektrischen Festig­ keitswerte aus der jeweiligen Gerätenorm stellen die Grund­ lage für die Ausgangsgrößen der Ableiter dar. Somit ist eine Überlastung des Endgerätes verhindert. Die vorgenannten Festigkeitswerte, die sogenannte Grundfestigkeit, werden von einem Hybridgenerator bei dem jeweiligen zu schützenden Gerät ermittelt. Sie dürfen nicht überschritten werden. Der vorgenannte Hybridgenerator hat ebenfalls bei kurzgeschlos­ senen Ausgangsklemmen einen Kurzschlußstrom oder Wellenform 8/20 µs und gibt bei offenen Ausgangsklemmen eine Leerlauf­ spannung der Wellenform 1,2/50 µs ab. Die vorgeschalteten Ableiter gewährleisten, daß die Stoßspannungsfestigkeit und die Stoßstromfestigkeit des zu schützenden Gerätes nicht überschritten werden.

Die zuvor erläuterte Funkenstrecke 6 bewirkt eine Reduzie­ rung des vom Blitzstromeinschlag oder dergleichen erzeugten, ursprünglichen 10/350 µs Impulses auf einen Impuls, der etwa der Wellenform 8/20 µs der Funkenstrecke entspricht. Hiermit wird also gegenüber dem nachgeordneten Verbraucher in vor­ teilhafter Weise die langgestreckte Wellenform der Blitz­ stromwelle mit dem Zünden der Funkenstrecke auf einen Bruch­ teil ihrer Länge reduziert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die bisher von den Leitungen zu bildenden Entkoppelungselemente sich in den Ableitern selber befinden, also durch deren Gestaltung ab Fabrik ebenso wie ihre Eingangs- und Ausgangs­ daten elektrisch festliegen. Der Installateur kann mit Ableitern, die ihm solche Daten bieten, schnell und dabei sicher arbeiten. Derartige Entkoppelungselemente können beispielsweise sein: Widerstände, Induktivitäten, Kombina­ tionen aus zumindest einem Widerstand und zumindest einer Induktivität, sowie Bauelemente mit nicht linearer Charakte­ ristik, wie Kaltleiter.

Fig. 2 zeigt schematisch die Blitzschutzzonen 0, 1 und 2 mit dem Blitzstromableiter 1 und zwei Überspannungsableitern 2, 3 sowie dem zu schützenden Gerät G. Dies zeigt, daß die erfindungsgemäße Ableiterkombination sich an den Schnitt­ stellen der jeweiligen Blitz-Schutzzonen problemlos einset­ zen läßt und zugleich den Schutz eines Endgerätes oder eines entsprechenden Systemes sicherstellt. Der Anwender (Instal­ lateur) hat lediglich die Ableiter in der angegebenen Rei­ henfolge 1 - 2 - 3 einzusetzen. Gegebenenfalls kann auch ein Ableiter weggelassen werden, z. B. der Ableiter 2. In diesem Fall ist der Ableiter 1 direkt mit dem Ableiter 3 verbunden. Bei dem vorgenannten Blitzschutzzonenkonzept kann die er­ läuterte Hybridbeanspruchung für die dort eingesetzten Ableiter simuliert werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit der Anordnung des Blitzstromableiters 1 und der Überspannungsableitern 2 bis 7. Der Blitzstromableiter ergibt einen Schutz von L, N/PE, während die nachfolgenden Überspannungsableiter 2 bis 7 mit dem zu schützenden Gerät G auf der Steckdosen-Geräteebene zwischen L/N und N/PE einen Querschutz bilden.

In Fig. 3 ist ebenfalls das Prinzip der Erfindung verwirk­ licht, indem Ausgangsspannung und Ausgangsstrom des Blitz­ stromableiters 1 der zulässigen Eingangsspannung und dem zulässigen Eingangsstrom der nächstfolgenden Kombination der Überspannungsableiter 2 und 5 angepaßt sind; deren Ausgangs­ daten den Eingangsdaten der nächstfolgenden Kombination der Überspannungsableiter 3 und 6 angepaßt sind usw. und schließlich Ausgangsspannung und Ausgangsstrom der Kombi­ nation der Überspannungsableiter 4 und 7 der zulässigen Eingangsspannung und dem zulässigen Eingangsstrom des zu schützenden Gerätes angepaßt ist. Die beiden in Fig. 3 rechts jeweils mit "Geräte" bezeichneten Komponenten bilden zusammen das zu schützende Gerät.

Zusammengefaßt ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Ablei­ terkombination im Prinzip zwei Funktionen ausübt, nämlich zum einen das Reduzieren der von einem Blitzeinschlag einer durch Schaltungen entstandenen Überspannung und dergleichen her einlaufenden Strom-/Spannungspegeln. Im zweiten das erläuterte Koordinieren jedes der als Schutzgerät dienenden Ableiter zum Strom-/Spannungspegel des in Richtung zum Endgerät hin nächsten Ableiters, sowie letztlich zum zu schützenden Gerät selber.

Alle erläuterten und dargestellten Merkmale, sowie ihre Kombinationen untereinander, sind erfindungswesentlich.

Claims (9)

1. Verfahren zur Ableitung von schädlichen Überspannungen, wobei im Wege der Spannungswelle zunächst ein Blitzstrom­ ableiter und dem nachgeordnet eine oder mehrere Überspan­ nungsableiter in Reihe hintereinander geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U_1A) und der Ausgangsstrom (I_1A) des Blitzstromableiters (1) der "zulässigen Eingangsspannung" (U_2E) und dem "zulässigen Eingangsstrom" (I_2E) des nächstfolgenden, ersten Überspan­ nungsableiters (2) angepaßt ist, daß die Ausgangsspannung (U_2A) und der Ausgangsstrom (I_2A) des ersten Überspan­ nungsableiters der zulässigen Eingangsspannung (U_3E) und dem zulässigen Eingangsstrom (I_3E) des nachfolgenden, zweiten Überspannungsableiters (sofern vorhanden) ange­ paßt ist und so fort, und daß die Ausgangsspannung (U_4A) und der Ausgangsstrom (I_4A) des letzten Überspannungsab­ leiters (4) der zulässigen Eingangsspannung (U_EG) und dem zulässigen Eingangsstrom (I_EG) des zu schützenden Gerätes (G) angepaßt ist, wobei die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom des vorgeordneten Ableiters entweder klei­ ner oder gleich der Eingangsspannung und dem Eingangs­ strom des nachfolgenden Ableiters oder des zu schützenden Gerätes (G) gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Anpassung der Eingangsspannung des nächstfolgen­ den Ableiters an die Ausgangsspannung des ihm vorgeordne­ ten Ableiters der Spannungsabfall (U_i) insbesondere der durch induktive Beeinflussung erzeugte Spannungsabfall der Verbindungsleitung zwischen den beiden vorgenannten Ableitern berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Vergleich der Leerlaufspannung und des Kurzschluß­ stromes des vorhergehenden mit den Werten der Stoßspan­ nung und des Stoßstromes des nachfolgenden Ableiters.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Ableiterkombination bildenden Ableiter (1-4) jeweils eingangsseitig durch ihre "Stoßspannung" und ihren "Stoß­ strom", sowie ausgangsseitig durch ihre Leerlaufspannung und ihren Kurzschlußstrom definiert und in ihrer Reihen­ folge in der Kombination aufeinander abgestimmt sind.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schaltung des Blitzstromab­ leiters (1), welche die Überspannung zur Erde ableitet (L, N/PE) und durch eine Schaltung der Überspannungsablei­ ter (2 bis 7), welche die Überspannung zwischen den Leitungsanschlüssen (L/N und N/PE) ableiten und damit einen Querschutz darstellen.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Blitzstromableiter (1) als Überspannungsableit­ mittel eine Funkenstrecke (6) aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke eine Reduzierung des ursprünglichen 10/350 µs Impulses auf einen Impuls etwa der Wellenform 8/20 µs bewirkt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im jeweiligen Ableiter (1-4) Ent­ koppelungselemente vorgesehen sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkoppelungselemente Widerstände, Induktivitäten, Kombinationen aus zumindest einem Widerstand und einer Induktivität oder Bauelemente mit nicht linearer Charak­ teristik sind.