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Für
moderne komplexe Datenkommunikationssysteme haben sich Forderungen
wie Stör-
bzw. Zerstörfestigkeit
gegen Blitzstörgrößen längst durchgesetzt.
Diese geforderten Schutzmaßnahmen
werden durch den Einsatz von Fang- und Überspannungsschutzeinrichtungen,
Schirmungen und Filtern realisiert.
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Bei dem sogenannten "äußeren Blitzschutz" (Fangeinrichtung)
handelt es sich um eine den weiteren Schutzeinrichtungen vorgelagerte
erste Grobschutz-Einrichtung zur Begrenzung einer Spannung. Dieser
sogenannten äußeren oder
Grob-Überspannungsschutzeinrichtung
ist dann in der Regel ein sogenannter "innerer Blitzschutz" nachgeschaltet, worüber in einer zweiten Stufe
die vorhandenen Überspannungen
auf eine vorgegebene Größe begrenzt
werden können.
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Da es sich bei Blitzentladungen um
ein Naturphänomen
handelt, ist eine absolute Beschreibung nicht möglich. Es besteht daher nur
die Möglichkeit
einer statistischen Be stimmung. Aufgrund von Blitzstrommessungen
ist bekannt, dass etwa 50% aller vorkommenden Blitzströme bei Verwendung
eines Zweikomponentenprüfstromes
mit den nachfolgenden Daten beschreibbar sind.
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Dabei ist die Lebensdauer der Schutzeinrichtung
von folgenden Punkten abhängig:
- – Der
Anzahl von Überspannungen
- – Den
Kenngrößen der
Beanspruchung durch Überspannung
an Netzfolgeströmen
- – Der
Ausfallrate
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Bei der Projektierung von elektrischen
Anlagen geht man bei der Dimensionierung der Überspannungs- bzw. Blitzschutzelemente
meist von der (in der DIN 48810) als "50 Blitz" definierten Bedrohung aus, wobei berücksichtigt
wird, dass keine gleichmäßige Verteilung
des Blitzstromes stattfindet.
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Das bedeutet, dass viele Anlagen,
die Überspannungen
durch Blitzeinwirkung direkt oder indirekt ausgesetzt sind und waren,
mit höheren
Belastungen als den vorgesehenen beaufschlagt wurden. Da sich aber Ausfälle von Überspannungsbauteilen
(Gasableiter, Varistoren und Suppressor-Dioden) sowie Filterbauteilen (Spulen
und Kondensatoren) meist nicht direkt auf die Funktion der Gesamtanlage
auswirken, wird die Zerstörung
der Schutzeinrichtung in diesen Fällen nicht bemerkt. D.h., dass
bei erneuter Beauf schlagung die Anlagen gestört oder sogar zerstört werden
können.
Darüber
hinaus ist unter Umständen
ein Personenschutz (gefährliche
Körperströme) möglicherweise
nicht mehr gewährleistet.
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Von daher kann die beispielsweise
in einen Datenfilter eingebaute Überspannungsschutzeinrichtung das
Auftreten von Überspannungen
innerhalb des nachgeschalteten geschützten Bereiches nur dann unterbinden,
wenn diese Überspannungsschutzeinrichtung
noch funktionstüchtig
ist. Dies erfordert wiederum, dass die beispielsweise als Grobschutz
eingesetzten Gasableiter regelmäßig überprüft werden.
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Aus der gattungsbildenden Literaturstelle
im DE-Fachbuch von Hasse/Wiesinger: Handbuch für Blitzschutz und Erdung, 1989,
S. 207–225
sind Prüfverfahren
und Generatoren für
Blitzschutzbauteile und Schutzgeräte bekannt geworden. Auf den
Seiten 223–225
ist zu entnehmen, dass für
die Simulation von leitungsgebundenen Blitzstoßspannungen und der mit ihrer
Begrenzung durch Überspannungsschutzgeräte verbundenen
Stoßströme in Folge
von fernen Blitzeinschlägen
oder von Induktionseffekten zur Direkteinspeisung in energie- bzw.
informationstechnische Leitungen Störgeneratoren eingesetzt werden,
die im Leerlauf eine definierte Stoßspannung U und im Kurzschluss
einen definierten Stoßstrom
I abgeben. Die Prüfungen
werden dabei üblicherweise
mit beiden Polaritäten
durchgeführt,
wobei die Leerlaufspannung in Stufen bis zum geforderten Endwert
erhöht
wird. Dabei kann die stufenweise Erhöhung progressiv vorgenommen
werden, was insbesondere bei der Prüfung von nichtlinearen Überspannungsschutzgeräten von
Bedeutung ist. Dabei ist auf Seite 220 dieser Vorveröffentlichung
eine Prüfanordnung
beschrieben, bei der der Langzeitstrom nach Art eines Folgestroms,
der sich nach der Zündung
einstellt, in seiner Höhe
begrenzt ist. Dabei wird auch der zeitliche Verlauf des Folgestroms
gemessen, wie sich aus der bildlichen Darstellung 15.3c für einen
Anschluss für
einen Oszillographen zeigt. Ferner wird auch dem Prüfling eine
Spannung zugeführt,
die genau der Bogenbrennspannung entspricht, da nach dem Zünden am
Ableiter diese Bogenbrennspannung anliegt. Mit dieser Prüfanordnung
kann somit ein Blitzeinschlag simuliert wird.
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Mit dem Überspannungsschutz befasst
sich auch die weitere Vorveröffentlichung
DE-Fachbuch von Hasse: Überspannungsschutz
von Niederspannungsanlagen, 1987, S. 73–75, 103. Aus Seite 103 ist
zu entnehmen, dass Schutzschaltungen Überspannungsimpulse durch Hintereinanderschaltung
von überspannungsbegrenzenden
Bauelementen und Entkopplungsgliedern in Stufen abbauen. Die überspannungsbegrenzenden
Elemente werden dabei mit abnehmender Begrenzungsspannung und Energiebelastbarkeit
aneinandergereiht. Entkopplungsglieder können Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten oder
Filter sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es von daher ausgebend vom gattungsbildenden Stand der Technik
ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, um die Funktionsfähigkeit
einer sogenannten Überspannungsschutzanlage,
in der Regel einer sogenannten "äußeren Überspannungsschutzanlage" insbesondere unter
Verwendung von Gasableitern oder anderen Funkenstrecken-Schutzgeräten zu ermöglichen
und dies unter anderem in eingebautem Zustand (z.B. in einem Datenleitungsfilter),
wobei das Verfahren und die Vorrichtung auch beim Fließen kleiner
Ströme
wirksam sein soll.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des
Verfahrens entsprechend den im Anspruch 1 und bezüglich der
Vorrichtung entsprechend den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die
Stromversorgung eine Spannung zumindest geringfügig oberhalb der Bogenbrennspannung
der Überspannungsschutzeinrichtung
abgibt. Dabei ist der Maximalwert des Folgestroms so eingestellt
oder so gewählt,
dass dieser wesentlich kleiner ist als der für die zu überprüfende Spannungsschutzeinrichtung
maximal zulässige
Strom. Die Auswertung bzgl. der Funktionstauglichkeit kann erfindungsgemäß mittels
der Überspannungsschutzeinrichtung
im Hinblick auf eine Mindestzeit erfolgen, für die der Folgestrom aufrecht
erhalten bleibt.
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Entsprechend ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
aufgebaut.
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Insbesondere bei der Überprüfung von
Datenleitungsfiltern kann es beispielsweise nicht nur durch Kurzschluss
ohne Unterbrechung zu einem Totalausfall, sondern auch zu einem
sogenannten "Änderungsausfall" dann kommen, wenn
nämlich
der Durchgangswiderstand zu groß oder
der Isolationswiderstand zu klein geworden ist, oder sich aber eine
veränderte
Filtercharakteristik eingestellt hat.
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Aus dem erläuterten Verfahren bzw. der
Vorrichtung ergibt sich, dass das physikalische Netzfolgestromverhalten
(und gegebenenfalls auch das Verhalten der Bogenbrennspannung) von
Gasableitern benutzt wird, um die Funktion des Grobschutzelementes
nachzuweisen.
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Die erläuterte Prüfungsmethode ermöglicht es
dabei auch, bei Feinschutzelementen (innerer Blitzschutz) mit einer
Ansprechspannung unter der dynamischen Zündspannung des Primärelementes
die Funktion des Grobschutzelementes nachzuweisen. Ebenso werden
Fehler in der Isolationskoordination (Überschlag) wegen des fehlenden
Netzfolgestroms registriert.
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Das beschriebene Verfahren basiert
darauf, dass auf geeignetem Wege eine Zündspannung bereitgestellt bzw.
erzeugt wird, die oberhalb der dynamischen Ansprechspannung des
zu überprüfenden Systems liegt.
Anschließend
wird die Spannung auf einen Wert in der Größenordnung zumindest geringfügig oberhalb der
Bogenbrennspannung eines Gasableiters eingestellt, wobei der Netzfolgestrom
untersucht wird. Aus den charakteristischen Daten dieses Netzfolgestroms
lässt sich
dann ableiten, ob das Grobschutzelement (Gasableiter oder allgemeine
Schutzelemente, die auf dem Prinzip der Lichtbogen-Entladung arbeiten)
noch funktionstüchtig
ist.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und
Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den anhand von
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
Dabei zeigen im einzelnen:
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1:
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2:
ein Blockschaltbild bezüglich
einer typischen Anordnung der Schutzelemente bei einer nach dem
Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzanlage.
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In 2 ist
die typische Anordnung von Schutzelementen bei einer Überspannungsschutzanlage
gemäß dem Stand
der Technik gezeigt.
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Einem Eingang 1, an welchem über eine
dort angeschlossene Leitung entsprechende Daten zuführbar sind,
ist unmittelbar ein sogenannter Grob- oder äußerer Blitzschutz 3,
eine Kopplungs-Einheit 5 und dann der sogenannte Fein-
oder innere Blitzschutz 7 nachgeschaltet. Darauf folgt
eine Datenfiler-Einrichtung, an welcher durch geeignete Maßnah men
der Übergang
von der sogenannten Schutzzone O/E zur Schutzzone 1 realisiert
wird.
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Anhand von 1 ist eine Schaltungsanordnung mit einer Überprüfungs-Vorrichtung 13 gezeigt,
mittels der die Funktionstüchtigkeit
des sogenannten äußeren oder
Grobschutzes 3 überprüft werden
kann.
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Diese Überprüfungs-Vorrichtung 13 umfasst
dabei einen Zündimpuls-Generator 15,
eine Stromversorgung 17 (im gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Gleichstrom-Versorgung), eine Messeinrichtung 19 zur
Messung der Spannung wie aber auch der Stromstärke und schließlich ein
Koppelnetzwerk 21.
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Zur Durchführung der Überprüfung wird zunächst am
Eingang 1 das an die Überspannungs-Schutzeinrichtung
angeschlossene Datenkabel entfernt und die vorstehend erläuterte Überschutz-Vorrichtung 13 mittels
eines Ausgangskabels 27 angesteckt.
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Das in der Überschutz-Vorrichtung 13 vorgesehene
Koppelnetzwerk 21 dient einmal zum Verkoppeln der von dem
Zündimpuls-Generator 15 erzeugten
Zünd-Spannung
bzw. zum Einkoppeln der von der Stromversorgung 17 zu einem
bestimmten nachfolgend noch erläuterten
Zeitpunkt erzeugten und bereitgestellten Messstromes bzw. der Messspannung
für den
Nachfolgestrom, um auf diesem Weg letztlich auch die gewünschten
Messergebnisse zu erhalten.
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Die Funktionsweise ist derart, dass
zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit
der Grobschutzeinrichtung 3 in Form eines Gasableiters 29 (der
in der Darstellung gemäß 1 zwischen der internen
Datenleitung 27' und
Masse 28 geschaltet ist) mittels des Zündimpuls-Generators 15 ein
Zündimpuls
von beispielsweise ca. 700 Volt erzeugt wird. Der Zündimpulsgenerator 15 kann
von einem regelbaren Hoch spannungsnetzteil gespeist werden.
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Nach dem Zünden des Gasableiters begrenzt
dieser die Spannung auf die Lichtbogenbrennspannung (beispielsweise
auf ca. 10 bis 40 Volt) und es fließt ein von dem Stromversorgungs-Netzteil 17 (DC-Netzteil) gespeister
Netzfolgestrom, der in seinem Maximalwert begrenzt ist. Dabei soll
der Strom so niedrig wie möglich und
die Stromdauer so kurz wie möglich
gewählt
werden, um die zu prüfenden
Gasableiter so wenig als notwendig zu belasten. Denn derartige Messungen – insbesondere
wenn hohe Netzfolgeströme
mit vergleichsweise langer Dauer gewählt werden – würden ansonsten zu einer Verkürzung der
natürlichen
Lebensdauer eines derartigen Schutzelementes führen.
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Der Netzfolgestrom nach dem Zünden des
Gasableiters wird mittels des Meßwertaufnehmers 19 gemessen
und entsprechend ausgewertet (beispielsweise mittels eines nicht
näher dargestellten
Computers, insbesondere eines PC's),
da die Größe des Netzfolgestromes
ein Bewertungskriterium für
die Funktionsfähigkeit des
Gasableiters ist. Die Prüfung
gilt als bestanden, wenn der Stromfluss eine Mindestzeit erreicht
hat.
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Die Messung kann dabei derart durchgeführt werden,
dass beispielsweise in kurzem zeitlichen Abstand fünf Messwerte
zur Übermittlung
des Messfolgestromes erfasst werden. Diese fünf Messwerte werden im Sinne
der vorstehend genannten Ausführungen
als Kriterium zur Prüfung
der Funktionsfähigkeit
des Gasableiters herangezogen. Sollten während des Messzyklus keine
fünf Messwerte
erhalten werden (z. B. weil der Messfolgestrom zu früh abbricht),
so kann das Testverfahren so eingestellt sein, dass automatisch
zumindest einmal, vorzugsweise zumindest zweimal der Testversuch
wiederholt wird. Sollten auch dann noch nicht die gewünschten
fünf Messwerte
zur Ermittlung der Stroms tärke
vorliegen, so ergibt sich auch daraus, dass der zu prüfende Ableiter
nicht mehr funktionstüchtig
ist und ersetzt werden muss.
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Die gesamte Testdauer kann dabei
beispielsweise in einer Größenordnung
von unter 1 sec, insbesondere unter 0,5 oder sogar 0,3 sec liegen,
beispielsweise bei um 0,2 sec.
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Während
der Messung der Stromstärke
kann zumindest ergänzend
auch noch der Spannungsverlauf der Lichtbogenspannung gemessen werden,
um noch weitere Informationen über
die Funktionstüchtigkeit
des Gasableiters zu erhalten.
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Nach der vorgegebenen Messzeit wird
das Netzteil abgeschaltet und das Prüfsystem entladen.
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Spannungsüberschläge an anderen Stellen im Datenleitungsfilter
haben keinen anhaltend gleichmäßigen Stromfluss
zur Folge und können
eindeutig erkannt werden.
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Die vorstehend erläuterte Prüfung erfolgt
für positive
und negative Polarität
und wird an allen Gasableitern des Datenfilters nacheinander durchgeführt.
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Wie in der Zeichnung nicht näher dargestellt
aber bereits vorstehend näher
erläutert
und beschrieben ist, kann die Durchführung des Testverlaufes wie
die Protokollierung der Zündspannung
und der für
die Auswertung bedeutenden Daten bezüglich Größe und Dauer des Netzfolgestroms
mittels eines Computers erfasst, protokolliert und automatisch ausgewertet
werden.
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Anstelle des oben erwähnten Eingangs 1 der Überspannungsschutzeinrichtung
können
dort eine Vielzahl von Eingangssteckern vorgesehen sein, die zu
mehreren Gasableitern (oder allgemeinen Lichtbogen-Schutzeinrichtungen) führen. Über einen
erwähnten
die Testschleifen durchführenden
Computer (PC) können
nacheinander die einzelnen in der Überspannungsschutzeinrichtung
vorgesehenen Grobschutzeinrichtungen, wie oben erläutert, getestet
werden.
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Mit der vorstehend erläuterten
Vorrichtung ist es in der Praxis also möglich mit den zum Prüfsystem gehörenden Adapterkabeln
einen Datenfilter ein- und ausgangsseitig an das erläuterte Prüfgerät 13 anzuschließen. Diese
geschirmten Adapterkabel sind bevorzugt mit den originalen Gegensteckern
der Datenleitungsfilter bestückt
und entsprechend dem zu prüfenden
Filtertyp ausgewählt.
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Vor Durchführung der eigentlichen Gasableiterprüfung empfiehlt
sich zunächst
eine sogenannte Durchgangsprüfung
und dann eine sogenannte Isolationsprüfung durchzuführen.
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Die Durchgangsprüfung erfolgt um eventuelle
Unterbrechungen der Datenleitungen im Filter festzustellen. Dazu
wird der Ausgang der zu prüfenden
Leitung mit der Bezugsmasse verbunden und am Eingang 1 z.B.
eine 30 V Gleichspannung angelegt. Aus dem resultierenden Strom
wird dann der Widerstand der Datenleitung bestimmt und mit dem gespeicherten
Referenzwert verglichen. Liegt der Widerstand in der vorgegebenen
Toleranz, dann gilt die Prüfung
als bestanden. Die Prüfung
wird nacheinander an allen Leitungen des Datenfilters durchgeführt und
das Ergebnis für
das abschließende
Protokoll gespeichert.
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Die danach durchzuführende Isolationsprüfung dient
der Überprüfung der
Qualität
eines Datenleitungsfilters. Ein wichtiges Kriterium für die Qualität eines
Datenfilters ist der Isolationswiderstand zwischen den Leitungen
und der Masse. Er sollte mindestens 2 MΩ betragen. Liegt der gemessene
Wert mehr als 2% unter dem Sollisolationswiderstand, dann ist die
Prüfung
nicht bestanden. Die Messung basiert auf der Auswertung des sehr
geringen Spannungsabfalls über
der möglichen
Kriechstrecke. Sie wird nacheinander an allen Datenleitungen durchgeführt.
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Das Ausführungsbeispiel ist für den Fall
erläutert
worden, dass eine Strom- und Spannungsversorgung für Gleichstrom
verwendet wird. Das genannte Verfahren ist ebenso im Falle einer
Wechselstrom-Stromversorgung durchführ- und anwendbar.
