DE4427032C1 - Schaltungsanordnung mit einem ferngespeisten Gleichspannungsumrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebene Schaltungsanordnung mit einem ferngespeisten Gleichspannungsumrichter.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist bereits aus der DE A1 37 04 368 bekannt. Bei einer Ausführungsform der bekannten Schaltungsanordnung ist ein Gleichspannungswandler über eine hochohmige Speiseleitung an eine speisende Quelle angeschlossen, die z. B. ein Netzgerät sein kann. Maßnahmen zum Überspannungsschutz sind dabei nicht vorgesehen.

Ist bei einer Schaltungsanordnung mit einem ferngespeisten Gleichspannungsumrichter mit Beeinflussungen durch Blitz und/oder Wechselstrom zu rechnen, so können im Hinblick auf empfindliche elektronische Bauteile Maßnahmen zum Überspan­ nungsschutz erforderlich werden. Für derartige Maßnahmen stehen insbesondere Überspannungsableiter und Varistoren zur Verfügung.

Man kann zum Schutz einer Gleichstromfernspeisestrecke mit hoher Stromergiebigkeit parallel zum Fernspeiseweg entweder Varistoren allein oder Serienschaltungen aus Spannungsablei­ tern bzw. Funkenstrecken mit Varistoren verwenden. Die Serienschaltung eines Varistors kann dabei ein Weiterbrennen des Spannungsableiters nach einem Überstromimpuls, gespeist aus der im Normalbetrieb auftretenden liegenden Gleichspan­ nung, verhindern. In einem solchen Fall müssen Überspan­ nungsableiter und Varistoren an die Höhe der Speisegleich­ spannung und die Stromergiebigkeit der Spannungs- bzw. der Beeinflussungsquelle angepaßt werden. Dies kann jedoch zu relativ großen Abmessungen der Varistoren und zu einem un­ vertretbar großen Aufwand für die Schutzelemente führen.

Insbesondere der Schutz gegen vergleichsweise große Wechsel­ strombeeinflussung, die im Vergleich zu einer Blitzbeein­ flussung von wesentlich größerer Dauer sein kann, kann sich dabei wegen des hohen Energieumsatzes in den Varistoren als zu aufwendig erweisen. Da sich bei Varistoren die Ansprech­ spannung mit der Anzahl der Belastungen verändert, können sich darüber hinaus bei Anordnungen mit besonders häufigen großen Belastungen Probleme bezüglich der Gesamtzuverlässig­ keit ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gleichstromfernspeise­ strecke, die eine zwischen einer Fernspeisevorrichtung und einem Gleichspannungsumrichter liegende Fernspeiseleitung aufweist, in wenig aufwendiger Weise vor Blitz und/oder Wechselstrombeeinflussung zu schützen. Dabei soll der Be­ trieb der Fernspeisestrecke nicht in unzulässiger Weise be­ einflußt werden.

Gemäß der Erfindung wird die Schaltungsanordnung zur Lösung dieser Aufgabe in der im kennzeichnenden Teil des Patentan­ spruchs 1 angegebenen Weise ausgebildet.

Aus der DE-OS 14 87 416 ist lediglich eine Überspannungs­ schutzschaltung für gleichstromferngespeiste Transistor-Zwi­ schenverstärker bekannt, bei der zwischen dem Innen- und Außenleiter eines Koaxialkabels die Reihenschaltung zweier Spannungsableiter vorgesehen ist, wobei dem einen Spannungs­ ableiter ein Kondensator parallel geschaltet ist.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß der Aus­ gang der Fernspeisevorrichtung und der Eingang des fernge­ speisten Gleichspannungsumrichters mit Hilfe von Schutz­ schaltungen gegen Überspannungen geschützt sind, die bei ge­ ringem Aufwand eine hohe Zuverlässigkeit gewährleisten.

Am Ausgang der Fernspeisevorrichtung und/oder am Eingang des ferngespeisten Gleichspannungsumrichters liegt zweckmäßiger­ weise ein spannungsbegrenzendes Element, insbesondere ein Kondensator mit großer Kapazität, eine Z-Diode oder eine Se­ rienschaltungung mit mehrerer Z-Dioden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den ab­ hängigen Ansprüchen 2 bis 7 hervor.

Die Erfindung wird anhand der in den Fig. 1 bis 7 gezeig­ ten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung mit zwei über eine Fernspeiseleitung miteinander verbundenen und gegen Überspannungen geschützten Schaltreglern. Aus den

Fig. 2 bis 7 gehen Abwandlungen der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 hervor. Dabei zeigt

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung mit Parallelschaltung mehrerer Adern einer Fernspeiseleitung,

Fig. 3 die Parallelschaltung eines Kondensators zu einem der Überspannungsableiter,

Fig. 4 die Parallelschaltung mehrerer Adern einer Fernspeiseleitung in Verbindung mit einer Parallelschaltung eines Kondensators zu einem der Überspannungsableiter,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung mit zwei Serienschaltungen von Überspannungsableitern,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung, bei der parallel zu einem Überspannungsableiter einer Überspannungsableiter- Serienschaltung ein Kondensator liegt und

Fig. 7 eine Schaltungsanordnung mit Parallelschaltung zweier Adern einer Fernspeiseleitung und Parallelschaltung eines Kondensators zu einem Überspannungsableiter einer Überspannungsableiter-Serienschaltung.

Fig. 1 zeigt eine Gleichstromfernspeisestrecke. Der Schalt­ regler 9 ist über die Adern 11 und 12 einer Fernspeiselei­ tung an den Schaltregler 1 angeschlossen. Der Schaltregler 1 dient als Fernspeisevorrichtung, der Schaltregler 9 als Gleichspannungsumrichter zur Speisung der Last 10, die ins­ besondere eine ferngespeiste nachrichtentechnische Einrich­ tung ist. Beide Schaltregler 1 und 9 weisen jeweils zwischen ihrem Eingangs- und Ausgangskreis eine Schutzisolierung auf.

Der Schaltregler 1 wird aus einer Wechselspannungsquelle ge­ speist und gibt an seinem Ausgang eine Gleichspannung an die Fernspeiseleitung ab. Am Ausgang des Schaltreglers 9 liegt die Last 10, die für eine Versorgungsspannung von z. B. 12 V ausgelegt ist und deren Leistungsbedarf von dem Ausbauzu­ stand der ferngespeisten Einrichtung abhängt.

Der Schaltregler 9 ist über die Fernspeiseleitung an den Schaltregler 1 angeschlossen. Der Gleichstromwiderstand der Ader 11 ist mit 4, der Gleichstromwiderstand der Ader 12 mit 5 bezeichnet.

Am Ausgang des Schaltreglers 1 liegt der Varistor 2, am Ein­ gang des Schaltreglers 9 der Varistor 7.

Bei den beiden Schaltreglern 1 und 9 sind jeweils ein ein­ gangsseitiger und ein ausgangsseitiger Schaltungsteil durch eine Schutzisolation voneinander getrennt. Beim Schaltregler 1 ist der eingangsseitige Teil, beim Schaltregler 9 der aus­ gangsseitige Teil mit Erdpotential verbunden.

Die Ader 12 der Fernspeiseleitung ist am Ausgang des Schaltreglers 1 über den Überspannungsableiter 3 und am Ein­ gang des Schaltreglers 9 über den Überspannungsableiter 8 mit Erdpotential verbunden. Die beiden Überspannungsableiter 3 und 8 sind jeweils durch einen Gasspannungsableiter gebil­ det. Die Überspannungsableiter 3 und 8 bilden jeweils eine Überspannungsableiterschaltung, die keinen Varistor oder dergleichen enthält.

Der äußere Beeinflussungskreis, in den bei Gewittertätigkeit oder bei Bahn- oder Starkstrombeeinflussung hohe Beeinflus­ sungsströme erzeugt werden können, verläuft von einem Erdan­ schluß über den Überspannungsableiter 3, die Gleichstromader 12 und den Überspannungsableiter 8 zum anderen Erdanschluß. Zwischen den Erdanschlüssen ist die Beeinflussungsspan­ nungsquelle 6 wirksam. In Serie zu den Überspannungsablei­ tern angeordnete Varistoren sind vermieden.

Bei Normalbetrieb baut sich infolge des Fernspeisestromes I und des Gleichstromwiderstandes 51 der Ader 12 entlang der Ader 12 eine Gleichspannung U₅ auf. Von dieser Gleichspan­ nung U₅ ist bei Normalbetrieb an den Ableitern jeweils etwa die halbe Größe wirksam aufgrund der an ihnen ständig wirk­ samen Gleichspannung bestünde an sich nach einem Beeinflus­ sungsfall die Gefahr des Weiterbrennens der Ableiter. Der Gleichstromwiderstand 51 der Ader 12 und der Fernspeisestrom I sind jedoch derart bemessen, daß die aufgrund des Fern­ speisestromes I am Gleichstromwiderstand 51 abfallende Gleichspannung kleiner ist als die Löschspannung der aus den beiden Überspannungsableitern 3 und 8 bestehenden Serien­ schaltung.

Die Einhaltung der angegebenen Spannungsbedingungen ist ins­ besondere dann ohne wesentlichen zusätzlichen Aufwand mög­ lich, wenn relativ hohe Leistungen zu übertragen und die elektrischen Verbindungen bereits deshalb sehr niederohmig ausgeführt sind. Es muß ja angestrebt werden, die verfügbare Leistung möglichst verlustfrei zum Verbraucher hin zu über­ tragen.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 sind die Überspan­ nungsableiter 3 und 8 jeweils zwischen der Ader 12 und Erd­ potential angeordnet. Eine zweckmäßige Abwandlung der Schal­ tungsanordnung besteht darin, die Überspannungsableiter 3 und 8 jeweils zwischen der Ader 11 und dem Erdpotential an­ zuordnen. Wesentlich dabei ist, daß die beiden Überspan­ nungsableiter 3 und 8 an ein und dieselbe Ader bzw. elektri­ sche Verbindung angeschlossen sind.

Bei dem vorgesehenen Überspannungsschutz mit den Gasspan­ nungsableitern 3 und 8 ohne Serienvaristor ist die Beziehung

U₅ = 2 _* U_L

einzuhalten, wobei U₅ die gesamte Längsspannung der Ader 12 darstellt, U_L die Löschspannung ist, die für den verwendeten Ableitertyp gilt und _* das mathematische Zeichen für die Multiplikation ist.

Diese Löschbedingung läßt sich insbesondere dadurch einhal­ ten, daß der Leitungswiderstand und der Speisestrom so be­ messen sind, daß die aufgrund des Gleichstromwiderstandes 51 der Ader 12 und des Speisestromes 1 auftretende Spannung U₅ kleiner als das Doppelte der Löschspannung des verwendeten Ableitertyps ist, die z. B. 25 V beträgt.

Wesentlich ist, daß nur eine der beiden elektrischen Verbin­ dungen mit den Überspannungsableiterschaltungen beschaltet ist. Würde man auch für die andere elektrische Verbindung eine gleiche Beschaltung vorsehen, so würde an den beiden Enden der Fernspeiseleitung jeweils über die Erdverbindung zwei Überspannungsableiter in Serie an der Fernspeisespan­ nung liegen. Zündet die Überspannungsableiter im Beeinflus­ sungsfall, so läge nach dem Ende der Beeinflussung die Spei­ sespannung an den gezündeten Überspannungsableitern. Die Fernspeiseleitung wäre kurzgeschlossen und ein Folgestrom aus der Fernspeisequelle, z. B. in Höhe von 12 A, würde bis zum Auslösen der Sicherung weiterfließen. Dies wird durch die in den Figuren gezeigten unsymmetrischen Anordnungen vermieden.

Ist die Löschbedingung insbesondere bei vorgegebenem Lei­ tungstyp und/oder bei vorgegebenem Fernspeisestrom nicht oh­ ne weiteres einzuhalten, so findet zweckmäßigerweise eine der in den Fig. 2 bis 7 gezeigten Schaltungsanordnungen Verwendung. Diese Schaltungsanordnungen ermöglichen eine einfach realisierbare Verbesserung des Löschverhaltens, ohne daß Varistoren in den Hauptbeeinflussungsweg geschaltet wer­ den brauchen.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 weicht von der nach Fig. 1 dadurch ab, daß parallel zu der Ader 12 der Fernspeiselei­ tung die weitere Ader 121 angeordnet ist. Die Gleichstromwi­ derstände 51 und 52 der beiden Adern 12 und 121 liegen daher zueinander parallel. An die Stelle der Ader 12 nach Fig. 1 tritt somit eine elektrische Verbindung, die aus mehreren Adern besteht.

In besonderen Fällen kann so die Ader 12, die mit den gegen Erde geschalteten Gasspannungsableitern 3 und 8 versehen ist, durch Parallelschalten einer zusätzlichen freien Ader des verwendeten Kabels im Widerstand soweit verringert wer­ den, daß die durch die Spannungsableiterlöschbedingung vor­ gegebene höchstzulässige Gleichspannung eingehalten wird.

Wie aus Fig. 1 ferner hervorgeht, kann die Fernspeiseleitung mit einem Schirm 13 versehen sein. Dieser Schirm ist am Orte der beiden Umrichter 1 und 9 jeweils entweder an Erdpoten­ tial oder an die elektrische Verbindung bzw. Ader anzu­ schließen, an der die Überspannungsabaleiterschaltung liegt. Der Schirm hat einen niedrigeren Gleichstromwiderstand als die Adern der Fernspeiseleitung. Hieraus resultiert, daß bei einer Blitzbeeinflussung der Schirm die eingekoppelten Span­ nungen erheblich reduziert.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei der die beiden einander parallel geschalteten Adern 121 und 12 als elek­ trische Verbindung dienen. Gegebenenfalls können mehrere freie Adern oder zusätzliche Leiter zu der elektrischen Ver­ bindung parallel geschaltet sein, die mit den Überspannungs­ ableitern beschaltet ist.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 lediglich dadurch, daß parallel zu einem der beiden Überspannungsableiter 3 und 8 ein Kondensator ange­ ordnet ist. Im gezeigten Beispiel liegt parallel zum Über­ spannungsableiter 8 der Kondensator 80.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung wird das Lö­ schen der Spannungsableiter auch dadurch erleichtert, daß die zwischen der Ader 12 und Erde liegenden Ableiter 3 und 8 zu der durch den Leitungswiderstand 5 gebildeten Gleichspan­ nungsquelle in Serie liegen und dies wegen der nicht ganz identischen Eigenschaften zweier Ableiter das Löschen der Ableiter 3 und 8 begünstigt.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 werden im Hinblick auf die vorliegende Konstantspannungseinspeisung die Lösch­ eigenschaften der beiden in Serie geschalteten Ableiter 3 und 8 dadurch zusätzlich verbessert, daß einem der Ableiter 8 der Kondensator 80 parallel geschaltet und somit die dyna­ mische Löschcharakteristik der Ableiter 3 und 8 verändert ist.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 sind - ausgehend von der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 - die beiden in den Fi­ guren 2 und 3 gezeigten zusätzlichen Maßnahmen gemeinsam an­ gewendet. Die beiden Adern 12 und 121 sind parallel zueinan­ der angeordnet. Parallel zum Überspannungsableiter 8 liegt der Kondensator 80.

Ersetzt man die beiden Überspannungsableiter 3 und 8 der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 jeweils durch eine Überspan­ nungsableiterschaltung mit zwei zueinander in Serie angeord­ neten Überspannungsableitern, so ergibt sich die Schaltungs­ anordnung nach Fig. 5. Die Ader 12 der Fernspeiseleitung ist auf seiten des Schaltreglers 1 über die aus den Überspan­ nungsableitern 31 und 32 bestehende Serienschaltung und auf seiten des Schaltreglers 9 über die aus den Überspannungsab­ leitern 81 und 82 bestehende Serienschaltung mit Masse ver­ bunden. Insbesondere in Verbindung mit Schaltreglern mit un­ terschiedlicher Schutzisolation kann es zweckmäßig sein, an einem der beiden Schaltregler einen einzigen Überspannungs­ ableiter und am anderen Schaltregler eine Serienschaltung zweier Überspannungsableiter vorzusehen.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 6 unterscheidet sich von der nach Fig. 5 dadurch, daß bei einer der beiden Überspan­ nungsableiterschaltungen parallel zu einem der beiden Über­ spannungsableiter ein Kondensator angeordnet ist. Im gezeig­ ten Beispiel liegt parallel zum Überspannungsableiter 82 der Kondensator 81.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 7 unterscheidet sich von der nach Fig. 6 dadurch, daß parallel zur Ader 12 der Fern­ speiseleitung die weitere Ader 120 angeordnet ist. Die Lei­ tungswiderstände 51 und 52 der Adern 12 und 120 liegen daher parallel zueinander.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge der Fernspeiseleitung 2 km und der Widerstand 51 hat den Wert 7Ω. Bei einer in Serie zu den Ableitern liegenden Beein­ flussungsspannung von 5 kV fließt dann im Beeinflussungs­ kreis ein Strom von etwa 70 A.

Der Fernspeisestrom beträgt bei einer Speisespannung im Be­ reich von etwa 50 bis 100 V und einer Speiseleistung von 200 W etwa 4 bis 2 A. Die aufgrund des Fernspeisestromes am Gleichstromwiderstand 51 abfallende Spannung beträgt höch­ stens 28 V. Diese Spannung ist kleiner als die Löschspannung der Serienschaltung der beiden Überspannungsableiterschal­ tungen, die etwa zweimal 25 V beträgt.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung mit einem Gleichspannungsumrichter (9), der über einen aus zwei elektrischen Verbindungen (11, 12) bestehende Fernspeiseleitung an eine Fernspeisevorrich­ tung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine der beiden elektrischen Verbindungen (12; 12, 120) an ihren beiden Enden über je eine Überspannungsablei­ terschaltung (3, 8; 31, 32; 81, 82) mit Bezugspotential ver­ bunden ist und daß der Widerstand der mit den Überspannungs­ ableiterschaltungen versehenen elektrischen Verbindung (12; 12, 120) und/oder der Fernspeisestrom (I) derart bemessen ist, daß die aufgrund des Fernspeisestromes (I) an der elek­ trischen Verbindung (12; 12, 121) abfallende Gleichspannung kleiner ist als die Löschspannung der aus den beiden Über­ spannungsableiterschaltungen (3, 8; 31, 32; 81, 82) beste­ henden Serienschaltung.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Fernspeisevorrichtung (1) und/oder am Eingang des ferngespeisten Gleichspannungsumrichters (9) je­ weils ein Varistor liegt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 der 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fernspeisevorrichtung (1) und/oder der Gleichspan­ nungsumrichter (9) schutzisoliert sind.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fernspeiseleitung (11, 12; 11, 12, 121) als wenig­ stens zweiadrige geschirmte Leitung ausgebildet ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Überspannungsableiterschaltung (3, 8; 31, 32; 81, 82) versehene elektrische Verbindung aus wenigstens zwei einander parallel geschalteten Adern (51, 52) besteht.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Überspannungsableiterschaltungen (3, 8) je­ weils aus einem Überspannungsableiter (3, 8) bestehen und daß parallel zu einem der beiden Überspannungsableiter (8) ein Kondensator (80) angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Überspannungsableiterschal­ tungen (81, 82) durch eine aus zwei Überspannungsableitern (81, 82) bestehende Serienschaltung gebildet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem Überspannungsableiter (82), der Seri­ enschaltung (81, 82) ein Kondensator (81) angeordnet ist.