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Diese
Erfindung bezieht sich auf transienten Überspannungs- und Blitzschutz
von Anlagen mit einem Netzanschluss und beschäftigt sich insbesondere mit
der Bereitstellung einer verbesserten Schaltung zur Bereitstellung
eines solchen Schutzes.
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Netztransienten
werden durch Leitungsstörungen,
Schalten induktiver Schaltungen und Kondensatoren zur Blindleistungskompensation,
Blitzüberspannungen
usw. verursacht. Obwohl es viele Verfahren und Vorrichtung gibt,
die verwendet werden, solche Überspannungen
zu begrenzen, gibt es nur wenige Schlüsselparameter, die bei der
Beschreibung ihrer Leistung entscheidend sind. Diese sind die Energieabsorptionsfähigkeit
der Vorrichtung, die Spannungsklemmhöhe für einen gegebenen Stoßstrom,
die Pulspolarität
und Wellenform und die Ansprechgeschwindigkeit.
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Verschiedene
Vorrichtungen sind früher
verwendet worden, um einen Überspannungsschutz
vor Netztransienten zu erreichen. Solche Vorrichtungen umfassen
Siliziumavalanchedioden (SADs), Metalloxidvaristoren (MOVs), Funkenstrecken
und Gasableiter.
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Jede
dieser Vorrichtungen weist ihre eigenen technischen Vorteile und
Nachteile auf, die folgend zusammengefasst werden.
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SADs
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Diese
sind verbesserte Zenerdioden, die einpolige oder zweipolige Vorrichtungen
sein können, denen
eine Wärmeabführung an
dem Substrat hinzugefügt
wurde, um ihre kurzzeitige Energiebelastbarkeit zu verbessern. Sie
sind bekannt für
ihre sehr schnelle Ansprechzeit, wobei der Überschlag in die Lawinenbetriebsart
in ungefähr
1 Nanosekunde geschieht. SADs weisen ein sehr gutes Klemmverhältnis mit
einem Multiplikator von lediglich 1,5 vom Lawinenbeginn bis zum
Spitzennennstrom auf. Zum Beispiel wird eine Diode mit einer Anfangsklemmspannung
bei 36 V lediglich auf 54 V ansteigen, wenn der maximale Nennstoßstrom eingeprägt wird.
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Der
Nachteil der SADs ist, dass ihre Kosten im Vergleich zum Spitzenstromverhältnis hoch
sind, wenn man sie mit anderen Vorrichtungen, wie zum Beispiel MOVs,
vergleicht. Ein weiterer Nachteil ist, dass ihr Spitzennennstoßstrom unabhängig von
den Kosten ziemlich gering ist verglichen mit anderen Technologien.
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MOVs
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Diese
Vorrichtungen können
mehrere Kiloampere an Stoßstrom
handhaben. Sie sind kostengünstige
Vorrichtungen, die in einer Menge zur Parallelschaltung ausgewählt werden
können.
MOVs weisen eine nichtlineare Spannungs-/Stromklemmkennlinie auf
und können
daher normalerweise nicht mit anderen Vorrichtungen, wie zum Beispiel
SADs, parallel geschaltet werden. Das allgemein relativ schlechte
Klemmverhältnis
der MOV-Technologie in einer Parallelschaltung würde bedeuten, dass die SADs
die meiste Energie absorbieren würden
und plötzlich
ausfallen würden,
bevor die hohe Energiebelastbarkeit des MOVs umgesetzt werden kann.
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Funkenstrecken
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Dieses
sind Hochstromvorrichtungen, die bei normalem Luftdruck bei Stoßspannungen
nahe 3 kV überschlagen.
Kleinere Spannungen sind gewöhnlich
nicht zweckmäßig auf
Grund der sehr kleinen erforderlichen Spalte. Kleine Spalte werfen
das Problem von verdampftem Metall auf, das den Spalt überbrückt und
einen vorzeitigen Schaltkreisausfall verursacht. Die Funkenstrecke
weist jedoch den Vorteil einer sehr geringen Lichtbogenspannung
auf, typisch in der Größenordnung
von 50 V. Dies ist hervorragend für die Überspannungsableitung, schließt jedoch
ihre Verwendung in Starkstromkreisen aus, sofern nicht spezielle
Maßnahmen
getroffen werden, den Folgestrom zu begrenzen. Funkenstrecken fallen
in die allgemeine Kategorie, die mit Überspannungsschutzvorrichtungen
durch niederohmigen Lastwiderstand verbunden ist.
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Gasableiter
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Diese
Vorrichtungen sind ebenfalls Funkenstrecken, allerdings innerhalb
eines Mediums aus Niederdruckedelgas. Das Gas ermöglicht,
dass die Zündspannung
in den Bereich von 90–500
V verringert wird. Wenn sie mit Starkstromschaltungen verbunden
sind, weisen sie dieselben Probleme wie gewöhnliche Funkenstrecken auf.
Sie besitzen eine niedrige Lichtbogenspannung, die zu hohen Folgeströmen führt.
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Früher wurden
verschiedene Kombinationen der oben beschriebenen Vorrichtungen
für den Überspannungsschutz
vorgeschlagen. Zum Beispiel ist es möglich, Hochspannungsdioden
parallel über
eine Stromleitung zu verschalten, um Transienten auf der Stromleitung
zu klemmen und einen höheren
Nennstrom bereitzustellen als bei einer einzelnen Hochspannungsvorrichtung.
Jedoch ist dies nicht notwendigerweise eine gute Praxis wegen der
relativ breiten Fertigungsstreuung der Spannungstoleranz. Alternativ
könnten
mehrere Ketten in Reihe geschalteter Niederspannungs-SADs parallel
verschaltet sein, um ihren Spitzennennstrom zu erhöhen, jedoch
zu merklich höheren
Kosten.
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Es
wurde ebenso vorgeschlagen, MOVs parallel mit einer oder mehreren
SADs anzuordnen, um einen Sekundärschutz
bereitzustellen. Diese Maßnahme
wird mit der Kenntnis durchgeführt,
dass der SAD-Primärschutz
bei relativ geringen Energieniveaus fehlschlägt. Innerhalb dieser Technologien
des Stands der Technik gibt es keine Abstufung in der Energieabsorption
beim Übergang
von einer Technologie zu einer anderen. Die durch die SADs gewährte geringe
Schutzspannung geht bei ihrem Ausfall verloren und es erscheint
an der Stelle eine viel höhere Schutzspannungsstufe.
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Eine
Möglichkeit
wäre, die
Nennspannung der MOVs zu verringern, damit sie vor dem Ausfall der
SADs mehr von dem Stoß absorbieren.
Wenn dies jedoch geschähe,
würden
die MOVs dann fortwährend
Strom aus der Stromversorgung ziehen und folglich überhitzen.
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Es
ist daher wünschenswert,
eine verbesserte Überspannungs-
und Blitzschutzschaltung und -verfahren zum Schutz elektrischer
Anlagen vor Transienten bereitzustellen, in der wenigstens einige Nachteile
des Stands der Technik behoben sind.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Überspannungsschutzschaltung
bereitgestellt, die umfasst:
wenigstens ein Energie absorbierendes
Modul;
wobei das Energie absorbierende Modul umfasst:
wenigstens
einen Metalloxidvaristor (MOV);
eine Schaltvorrichtung, die
in Reihe mit dem wenigstens einen MOV verschaltet ist, und ein Widerstand oder
eine Impedanz, die parallel zu der Schaltvorrichtung verschaltet
ist, wobei der Widerstand bzw. die Impedanz einen Hochpassfilter
mit der Kapazität
des wenigstens einen MOVs bildet.
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Gemäß einem
anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schutz
elektrischer Anlagen vor Überspannungen,
die durch Transienten auf Stromleitungen einer Wechselspannungsversorgung
hervorgerufen werden, bereitgestellt, welches die Schritte umfasst:
Verschalten wenigstens eines Metalloxidvaristors (MOV) über die
Stromleitungen, um Energie von einem Transienten zu absorbieren, wobei
das Verfahren durch Verschalten einer Schaltvorrichtung in Reihe
mit dem wenigstens einen MOV gekennzeichnet ist, um den wenigstens
einen MOV von der Wechselspannungsversorgung bei Abwesenheit eines
Transienten auf der Stromleitung zu isolieren, und paralleles Verschalten
eines Widerstands bzw. einer Impedanz mit der Schaltvorrichtung
derart, dass ein Hochpassfilter mit der Kapazität des wenigstens einen MOVs
gebildet wird.
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Vorzugsweise
sind in der Überspannungsschutzschaltung
und -verfahren der Erfindung eine Vielzahl in Reihe verbundener
Avalanchedioden über die
Wechselspannungsversorgung verschaltet, um eine anfängliche
Hochgeschwindigkeitsklemmung bereitzustellen, bevor der wenigstens
eine, hohe Energie absorbierende MOV an die Leitung gebracht wird.
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Vorzugsweise
ist die Schaltvorrichtung eingerichtet, den wenigstens einen MOV
mit den Stromleitungen zu verschalten, um eine Sekundärklemmung
bereitzustellen, wenn ein Auslösespannungsschwellwert,
der durch einen Transienten erzeugt wird, auf den Stromleitungen
erreicht wird. Die Spannungscharakteristik des MOVs bzw. der MOVs
ist vorzugsweise derart, dass die Spannung nicht über den
Grenzwert der SADs bei maximalem Spitzenstoßstrom ansteigt. Die Schaltvorrichtung
ist vorzugsweise ebenfalls eingerichtet, den MOV bzw. die MOVs am
Ende des Transienten zu trennen. Die Schaltvorrichtung weist vorzugsweise
einen vorherbestimmten Haltestrom auf, unterhalb dessen sich der
Schalter zurücksetzt
und die MOVs trennt. Dies vermeidet MOV-Ausfälle, die andernfalls aus der
fortwährenden
Stromentnahme aus der Spannungsversorgung resultieren würden.
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Vorzugsweise
sind zwei oder mehr MOVs parallel in dem Energie absorbierenden
Modul verschaltet, um die Lebensdauer zu verbessern, wobei die Schaltvorrichtung
in Reihe mit dem MOVs verschaltet ist.
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Der
MOV bzw. die MOVs können
eine ausreichende natürliche
Kapazität
aufweisen, um den Hochpassfilter mit dem Widerstand bzw. der Impedanz
zu bilden. Alternativ kann eine Kapazität parallel mit dem wenigstens
einen MOV verschaltet sein, um die innere Kapazität des MOVs
bzw. der MOVs zu ergänzen.
Solch eine Hochpassfilteranordnung ist erforderlich, um sicherzustellen,
dass die Netzspannung über
dem Energie absorbierenden Modul nicht über der gesamten Schaltvorrichtung
anliegt, was zur Folge hat, dass die Schaltvorrichtung auslöst und zu leiten
beginnt. Bei geringen Frequenzen, wie zum Beispiel 50 Hz, liegt
eine sehr geringe Spannung über
dem Widerstand bzw. der Impedanz an und folglich über der
Schaltvorrichtung. Bei Vorhandensein eines Transienten mit höherer Frequenz
erhöht
sich jedoch die Spannung über
dem Widerstand bzw. der Impedanz, was zur Folge hat, dass die Schaltvorrichtung
auslöst.
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Die
Anordnung der Schaltkreiskomponenten dieser Erfindung ist ebenfalls
vorteilhaft derart, dass sie ermöglicht,
MOVs mit einer Nennwechselspannung zu verwenden, die kleiner als
die Effektivspannung der Wechselspannungsversorgung ist. Zum Beispiel
weisen der MOV bzw. die MOVs für
eine Wechselspannungsversorgung mit 220–240 V Effektivwert vorzugsweise,
allerdings nicht darauf beschränkt,
eine Nennspannung auf, die im Wesentlichen in den Bereich von 150
V Wechselspannung bis 230 V Wechselspannung fällt. Für eine Wechselspannungsversorgung
mit 110–120
V Effektivwert können
MOVs mit einer Nennspannung von ungefähr 50 V Wechselspannung bis
ungefähr
115 V Wechselspannung verwendet werden. Dies ist auf ähnliche Weise
der Fall für
andere Versorgungsspannungen.
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Vorzugsweise
sind die Avalanchedioden Hochgeschwindigkeits-, Niederspannungsvorrichtungen,
wie zum Beispiel SADs, die typischerweise eine Nennenergie aufweisen,
die im Wesentlichen innerhalb des Bereich von 0,5 bis 15 kW und
bevorzugter ungefähr
1,5 kW fällt.
Die SADs sind vorzugsweise angeordnet, um eine Anfangsklemmspannung oberhalb
der Spitzenspannung der Wechselspannungsversorgung bereitzustellen.
Die durch das Energie absorbierende Modul bereitgestellte Sekundärklemmung
erfolgt bei einer Klemmspannung, die höher ist, als die Anfangsklemmspannung
der in Reihe verschalteten Avalanchedioden.
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Im
Fall einer 220–240
V Wechselspannungsversorgung kann eine ausreichende Anzahl SADs
in Reihe verschaltet sein, um einen Anfangsklemmspannungsschwellwert
von ungefähr
400 V bereitzustellen, ein Wert, der ungefähr 60 V über der Spitzenwechselspannung
von 340 V liegt. In diesem Fall liegt die Sekundärklemmspannung vorzugsweise
innerhalb des Bereichs von 420 V bis 530 V. Die Klemmspannungen
können
für andere
Versorgungsspannungen verändert
werden.
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SADs
sind eine Diodenklasse mit einer bestimmten Nennenergie, die sich
nicht mit dem Klemmniveau verändert.
Dies bedeutet, dass eine Kette von in Reihe verschalteten Niederspannungsdioden
einen höheren
Nennstrom aufweist als eine einzelne Hochspannungsvorrichtung.
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Eine
Alternative wäre,
Hochspannungsdioden parallel zu schalten, um dasselbe Ergebnis zu
erzielen. Dies ist jedoch wegen der relativ breiten Fertigungsstreuung
bei der Klemmspannungstoleranz nicht notwendigerweise eine gute
Praxis. Eine Reihenkette von Dioden kann einen sehr genauen Klemmschwellwert
erreichen, indem ein „Auswählen nach
Prüfen" („select
on test") Fertigungsverfahren eingesetzt
wird, bei dem die letzte eingefügte
Diode für
eine Klemmspannung in Übereinstimmung
mit dem Klemmniveau der gesamten vorausgehenden Dioden ausgewählt wird.
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Solch
eine Diodenkette, die einen Klemmschwellwert von ungefähr 400 V
erzeugt, würde
bei Verwendung von 1,5 kW Dioden zum Beispiel eine obere Klemmbegrenzung
von ungefähr
600 V bei einem maximalen Energiestoß von 200 A × 8/20 μs erzeugen.
Die Verwendung von 5 kW Dioden würde
immer noch eine obere Spannung von 600 V erzeugen, jedoch bei einem
entsprechend höheren
Spitzenstoßstrom.
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Diese
Diodenkette weist den Vorteil der Arbeitsgeschwindigkeit und ein
gutes Klemmverhältnis auf,
der Strom ist jedoch bei dem Spitzenenergieniveau nicht hoch. Um
eine Nennleistung von 3000 A × 8/20 μs zu erreichen,
wären 13
parallele Ketten von 14 in Reihe verschalteten 33 V, 1,5 kW Dioden
erforderlich, von denen alle eine genaue Anpassung der Schwellwertspannung
während
der Fertigung benötigten.
In dem Fall von 5 oder 15 kW Dioden kann die Anzahl der Ketten verringert
werden, jedoch zu Lasten eines beträchtlichen Anstiegs der Diodenkosten.
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Die
Montagekosten einer Reihen-/Parallelanordnung sind relativ hoch,
um eine Nennleistung von 3000 A × 8/20 μs zu erreichen. In dem Fall
der Verwendung von 1,5 kW Dioden wären insgesamt 182 Stück erforderlich,
wobei 13 Arbeitsschritte „Auswählen nach
Prüfen" während der
Montage erforderlich sind. Ähnliche
Bedingungen sind für
Anordnungen anzuwenden, die andere Wellenformen verwenden.
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Die
vorliegende Erfindung aktiviert alle bis auf eine Diodenkette, auf
die verzichtet werden kann; eine Diodenkette wird für die Arbeitsgeschwindigkeit zurückgehalten,
und um eine Anfangsklemmung herzustellen, bevor wenigstens ein Hochenergie
absorbierendes, kostengünstiges
Modul an die Leitung gebracht wird.
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Die
Schaltvorrichtung des wenigstens einen Moduls kann einen Festkörperschalter,
wie zum Beispiel eine Vorrichtung, die als „Sidactor" bekannt ist, umfassen, einen Triac-Schalter
oder einen siliziumgesteuerten Gleichrichter (SCR). Alternativ kann
die Schaltvorrichtung einen Gasableiter umfassen. Vorzugsweise wird
für eine
Wechselspannungsversorgung mit 220–240 V Effektivspannung ein
Gasableiter mit einer Nennüberschlagspannung
im Bereich von 200–400
V verwendet. Ein solcher Ableiter mit einer Überschlagsspannung von ungefähr 230 V
ist von Siemens erhältlich
und kann fast so schnell ansprechen wie ein Festkörperschalter
mit einem höheren
Nennstrom.
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Während die
Schaltung der vorliegenden Erfindung einen wirksamen Überspannungsschutz
bereitstellt, ist es möglich,
dass eine oder mehrere Schaltkreiskomponenten ausfallen könnten. Dementsprechend
können
eine oder mehrere Sicherungen für
die Kette der in Reihe geschalteten Avalanchedioden, die MOVs und/oder
den Gasableiter oder Festkörperschalter
bereitgestellt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
sind eine erste Sicherung, die in Reihe mit der Kette in Reihe geschalteter
Avalanchedioden verschaltet ist, und eine Sicherung oder Sicherungen,
die in Reihe mit dem wenigstens einen MOV verschaltet sind, durch
Sicherungsstrecken auf einer Leiterplatte ausgebildet, wobei die
Sicherungsstrecken durch einen Isolierfilm bedeckt sind, eine durchgehende
Schicht aus leitender Farbe auf dem Isolierfilm über den Sicherungsstrecken
bereitgestellt ist und die Schicht aus leitender Farbe mit einer
Messschaltung verbunden ist, um den Betrieb der Sicherungen zu ermitteln.
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Verschiedene
Ausführungsformen
der Erfindung werden nun lediglich mittels Beispielen mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
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1 ein
Schaltbild einer ersten Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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2 ein
Schaltbild einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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3 ein
Schaltbild ähnlich
dem in 2 einschließlich
einer Sicherungsausfallmess- und Anzeigeschaltung darstellt;
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4 ein
Schaltbild einer anderen Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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5 einen
Graphen darstellt, der die Wirkung der Schaltung aus 4 veranschaulicht,
wenn ein Einschaltstoß eingesetzt
wird;
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6 einen
Graphen darstellt, der Spannungs-/Stromkennlinien für Überspannungsschaltungen
der Erfindung mit unterschiedlichen Stufen der Hochenergievorrichtungen
veranschaulicht;
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7 ein
Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
in Übereinstimmung
mit der Erfindung darstellt;
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8 ein
Schaltbild einer alternativen Ausführungsform in Übereinstimmung
mit der Erfindung darstellt; und
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9 ein
Schaltbild einer noch anderen Ausführungsform darstellt.
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Die Überspannungsschutzschaltung 1 in 1 umfasst
eine Vielzahl oder eine Kette von Avalanchedioden 10, die
in Reihe über
Wechselspannungsversorgungsleitungen 11 und 12 für elektrische Anlagen
verschaltet sind, und ein Hochenergie absorbierendes Modul 13,
das parallel zu der Avalanchediodenkette über die Versorgungsleitungen
verschaltet ist.
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Jede
der Avalanchedioden 10 ist vorzugsweise eine Niederspannungs-SAD
mit einer Nennenergie zwischen ungefähr 0,5 kW bis 15 kW. Für eine 220–240 V Wechselspannungsversorgung
umfasst die Diodenkette vorzugsweise eine ausreichende Anzahl SADs,
um einen Klemmschwellwert von ungefähr 400 V bereitzustellen, etwa
60 V über
der Spitze der Wechselspannungsversorgung von ungefähr 340 V.
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In
einem praktischen Fall können
zum Beispiel 11 × 36
V Dioden mit einer Spitzennennstoßleistung von 1500 W in Reihe
verschaltet sein, um einen Klemmschwellwert von 396 V bereitzustellen.
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Das
Hochenergiemodul 13 in der Schaltung in 1 umfasst
eine Vielzahl Metalloxidvaristoren MOVs 14, die parallel
verschaltet sind, und einen Festkörperavalancheschalter 15,
der in Reihe mit der Vielzahl der MOVs verschaltet ist. Jeder MOV
weist bevorzugt eine Nennspannung von ungefähr 175 V Wechselspannung auf.
Der Festkörperavalancheschalter 15 umfasst
eine Vorrichtung, die als „Sidactor" bekannt ist, hergestellt
durch Teccor Industries, mit einem minimalen Schwellwert von ungefähr 140 V,
einem maximalen Schwellwert von ungefähr 220 V und einer typischen
Nennleistung von 3000 A bei einem 8/20 μs Stoß. Ähnliche Bauelemente und Erzeugnisse,
die in dieser Erfindung verwendet werden können, sind von anderen Herstellern
erhältlich.
Ein Widerstand bzw. eine Impedanz 16 in Gestalt eines Widerstands
oder einer Induktionsspule oder Widerstands-/Induktionsspulenkombination
ist parallel mit dem Schalter 15 verschaltet, um so einen
Hochpassfilter mit den MOVs 14, die etwas natürliche Kapazität aufweisen,
zu bilden.
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Eine
Schaltvorrichtung, wie ein Sidactor, wird allgemein als eine Vorrichtung
mit einer Kurzschließeigenschaft
klassifiziert. Dies rührt
daher, dass, wenn ein vorgegebener Schwellwert erreicht wird, die
Vorrichtung von einem Hochimpedanzzustand in einen Zustand mit sehr
niedriger Impedanz wechselt. Das Zurücksetzen erfolgt, wenn der
Reststrom unter ein bestimmtes Minimum fällt. Es ist nicht möglich, diese Art
von Vorrichtung getrennt zu verwenden, da sie die Spannungsversorgung
gewissermaßen
kurzschließt.
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Wie
oben beschrieben ist, ist eine Anzahl von parallelen 175 V Wechselspannungsmetalloxidvaristoren
oder Überspannungsableitern 14 in
Reihe mit dem Festkörperschalter 15 angeordnet.
Eine Eigenschaft der Kombination ist, dass bei 50 mA die Klemmspannung
der MOVs 14 310 V beträgt,
was bedeutet, wenn man dieses zu den 140 V Schwellwert des Schalters 15 addiert,
dass 450 V erforderlich sind, um ein Auslösen hervorzurufen. Es ist eine
Eigenschaft des Schalters 15, dass er einen oberen Lawinenschwellwert
von 220 V aufweisen kann. Deshalb wird das Modul 13 in
einem Fenster leitend, das zwischen 450 V und 530 V liegt. Diese
Schaltniveaus verbleiben innerhalb des Klemmbereichs der Diodenkette 10.
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Sobald
das Modul leitet, befindet sich der Schalter 15 in dem
Zustand niedriger Impedanz mit lediglich einem 5 V Abfall während des
Durchgangs eines 3000 A × 8/20 μs Stoßes. Die
175 V Wechselspannungs-MOVs 14 sind nun tatsächlich über einer 240
V Wechselspannungsschaltung verschaltet. Sie klemmen bei einem Spannungsniveau,
das von dem eingeprägten
Spitzenstrom abhängt.
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Obwohl
es möglich
ist, einen einzelnen MOV in Reihe mit dem Festkörperschalter 15 zu
verwenden, werden bevorzugt zwei oder mehr MOVs 14 für eine verbesserte
Lebensdauer parallel verschaltet. Für einen einzelnen 175 V, 20
mm Scheiben-MOV ist die Klemmungen wie folgt:
50 mA = 310 V
100
mA = 350 V
1 A = 380 V
10 A = 400 V
100 A = 460 V
1000
A = 580 V
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Da
der Schalter 15 das Leiten unter 50 mA nicht aufrechterhalten
kann, führt
jede Spannung unter 310 V zum Beenden des Leitens. In den wenigen Millisekunden,
in denen die Versorgungsspannung zwischen 310 V und dem Spitzenwert
von ungefähr 340
V liegt, beträgt
der maximale Spitzenstrom weniger als 100 mA, ein Wert, der gut
innerhalb der MOV-Nennleistung liegt. Ebenso führt, wenn 5 MOVs 14 parallel
verschaltet sind, um die Lebensdauer zu verbessern, wie in 1 dargestellt
ist, jeder MOV 14 weniger als 100 mA. Der Gesamtstromfluss
bei der Spitzenversorgungsspannung von 340 V liegt in Abwesenheit
des Stoßstroms
unter 500 mA.
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Es
ist möglich,
dass ein oder mehrere Hochenergiemodule 13 parallel angeordnet
sind, um die Spitzenstromgesamtkapazität zu erhöhen. Obwohl ihr Schwellwert
entsprechend der Vorrichtungsfertigungsstreuung variieren kann,
sollte dies den Betrieb nicht beeinträchtigen. Dies rührt daher,
da eine Erhöhung
des Spitzenstroms eine Erhöhung
der Klemmspannung zur Folge hat. Das Modul mit dem geringsten Kippschwellwert
wird zuerst in Betrieb gehen und der Rest wird der Reihe nach entsprechend
seines Kippspannungsniveaus an die Leitung gehen.
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Es
gibt eine Reihe von Schaltungsvariationen, die ebenfalls den Grundsätzen dieser
Erfindung entsprechen. Eine solche Änderung ist in 2 dargestellt.
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Die Überspannungsschutzschaltung 2,
die in 2 dargestellt ist, ist insofern ähnlich der
aus 1, dass sie eine Kette aus Avalanchedioden 20, die
in Reihe über
Wechselspannungsversorgungsleitungen 21 und 22 verschaltet
sind, und ein Hochenergie absorbierendes Modul 23, das
parallel zu der Avalanchediodenkette verschaltet ist, umfasst, wobei das
Modul 23 eine Vielzahl an MOVs 24 umfasst, die parallel
verschaltet sind.
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Die
Schaltung in 2 unterscheidet sich von jener
aus 1 insofern, dass das Modul 23 einen Triac-Schalter 25 anstatt
eines Sidactors 15 des Moduls 13 aus 1 beinhaltet.
Der Triac-Schalter 25 ist in Reihe mit den parallelen MOVs 24 verschaltet
und ist ebenfalls mit einem Widerstand 26 in Reihe mit
der Kette aus Avalanchedioden 20 verschaltet. Parallel
mit dem Schalter 25 ist ein Widerstand bzw. eine Impedanz 27 (2), 37 (3),
verschaltet, der einen Hochpassfilter mit den MOVs 24 bildet,
die etwas natürliche
Kapazität
aufweisen. Der Widerstand 26 weist typischerweise einen
niedrigen Wert auf, zum Beispiel 0,1 Ohm. Die Spannungsquelle zum
Auslösen
des Triac-Schalters 25 wird von dem Widerstand 26 abgeleitet.
Zwei oder mehr Triac-Schalter, die parallel angeordnet sind, können den einzelnen
Triac-Schalter in 2 ersetzen. Es ist ebenso möglich, einen
oder mehrere siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) mit umgekehrter
Polung anstatt des Triac-Schalters 24 oder einer Vielzahl
parallel angeordneter Triac-Schaltern zu verwenden. Dies kann den
Vorteil eines größeren Nennstoßstroms
bieten, zum Beispiel 5 kA, 8/20 μs.
Jedoch sind zusätzliche
externe Bauelemente zum Auslösen bei
höheren
Kosten erforderlich.
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Ein
Merkmal der Schaltung in 2 ist, dass ein genauerer Auslöseschwellwert
eingestellt werden kann. Zum Beispiel kann ein 50 A Stoß durch
die Diodenkette 20 einen 5 V Abfall über dem 0,1 Ohm Widerstand 26 erzeugen.
Dies ist ausreichend, den Triac 25 auszulösen. Die
Eingangsstoßspannung
zu diesem Zeitpunkt würde ungefähr 460 V
betragen, mit 5 × 20
mm paralleler Scheiben-MOVs 24 würde jedoch jeder 10 A aufnehmen
und das Klemmniveau sofort auf 400 V senken. Das Modul 23 nimmt
nun die Last der Diodenkette 20 auf, die unter ihren Leitungsschwellwert
zurückkehren.
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Eine
fortlaufende Erhöhung
des Stoßstroms auf
5000 A würde
jeden MOV 24 1000 A aufnehmen und ein Klemmniveau von 580
V erzeugen lassen. Bei dieser Spannung würde die Diodenkette nahe, allerdings
nicht über
der maximalen Betriebsspannung sein.
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In
der Schaltung aus 2 gibt es drei mögliche Formen
von Bauteilausfall, die einen Sicherheitsschutz erfordern. 3 stellt
eine veränderte Schaltung
mit Sicherungsschutz und einem verbesserten Verfahren zur Ermittlung
des Sicherungsbetriebs dar. 3 ist der 2 ähnlich und
entsprechende Bezugsziffern sind auf entsprechende Teile angewendet
worden.
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Die
erste Quelle für
Bauteilausfall ist eine kurzgeschlossene Diode in der Kette der
Avalanchedioden 20, was die übrigen Dioden einer größeren Belastung
aussetzt. Dies kann einen Dominoeffekt erzeugen und dazu führen, dass
alle Dioden 20 kurzgeschlossen werden. Dies wird durch
Verschalten einer ersten Sicherung 30 in Reihe zwischen
der Versorgungsleitung 21 und der Kette der Avalanchedioden 20 verhindert.
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Die
MOVs 24 können
trotz einer geschätzten Nennlebensdauer
von 10.000 Stößen bei
einem Spitzenstoßstrom
ebenfalls in einen niederohmigen Zustand fallen. Dies kann durch
Verschalten einer entsprechenden Sicherung 34 zwischen
jedem MOV 24 und der Spannungsversorgungsleitung 21 verhindert werden.
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Das
dritte Bauteil, das überlastet
werden könnte
und ebenfalls in einen niederohmigen Zustand fallen könnte, ist
der Festkörperschalter 25.
In diesem Fall könnten
220–240
V dauerhaft an den MOVs 24 anliegen, die für 175 V
bemessen sind. Dies würde
dazu führen,
dass sie einen kontinuierlichen Strom ziehen würden und überhitzen. Dies kann durch
Bereitstellen einer Temperatursicherung 35 in der Reihenleitung,
die den Schalter 25 und die parallel angeordneten MOVs
verbindet, überwunden werden.
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Wie
in 3 dargestellt ist, gibt es in dem Fall der ersten
zwei Ausfallarten sechs Sicherungen 30, 34 in
Reihe mit der Diodenkette 20 und den 5 MOVs 24.
Es ist wünschenswert
zu wissen, ob eine Sicherung ausgelöst hat und dem Benutzer anzuzeigen,
dass die Vorrichtung beeinträchtigt
ist. Ein raumsparender Gesichtspunkt dieser Erfindung ist, eine
aufgedruckte Stromkreisstrecke zu verwenden, die als Sicherungen 30, 34 arbeitet,
wie in 3 dargestellt ist.
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Das
Verfahren zur Ermittlung der Sicherungsauslösung umfasst das Sieben eines
Isolierfilms aus Epoxidharz über
Kupfersicherungsstrecken für
die Sicherungen 30, 34 auf die Leiterplatte. Danach
kann eine durchgehende Lage leitender Farbe 32 über alle
Sicherungen derart gesiebt werden, dass das Auslösen irgendeiner Sicherung das
Brechen der leitenden Deckfarbe verursacht. Diese durchgehende leitende
Schicht wird dann in Reihe mit einer Mess- und Anzeigeschaltung 36 angeordnet,
die jedes Brechen der Farbe, hervorgerufen durch das Auslösen einer
Sicherung 30, 34, erkennt. Der Epoxidfilm unter
der leitenden Farbe dient zum Isolieren der Farbe von den Sicherungsstrecken
und ermöglicht,
dass die Mess- und Anzeigeschaltung 36 bei jeder gewünschten
Spannung arbeiten.
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Eine
andere bevorzugte Ausführungsform für eine Überspannungsschutzschaltung
ist in 4 dargestellt. Die Schaltung 4 umfasst
eine Kette aus Siliziumavalanchedioden (SADs) 40, die in
Reihe über
Wechselspannungsversorgungsleitungen 41 und 42 verschaltet
sind und eine Vielzahl an Hochenergie absorbierenden Modulen 43a, 43b und 43c, die
parallel zu der Avalanchediodenkette 40 verschaltet sind.
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Jede
der SADs 40 ist vorzugsweise eine Niederspannungsdiode
mit einer Nennenergie von ungefähr
0,5 kW bis ungefähr
15 kW, bevorzugter ungefähr
1,5 kW. Vorzugsweise ist die Kette der SADs für eine 220–240 V Wechselspannungsversorgung
derart angeordnet, dass sie die Klemmung nicht beginnt, bevor ein
Spannungsstoß ungefähr 400 V
erreicht, ausreichend oberhalb der Spitzenbetriebsspannung von ungefähr 340 V,
um Schwankungen zu berücksichtigen
wie zum Beispiel jene, die durch eine schlechte Spannungsregelung
verursacht werden. In einer praktischen Ausführungsform kann eine Kette aus
elf 36 V Dioden 40 in Reihe verschaltet sein, um einen
Klemmschwellwert von 396 V bereitzustellen. Wenn Dioden mit einer
Nennspitzenstoßenergie
von 1,5 kW verwendet werden, könnte
jede Diode einen maximalen Strom von 28 A bei maximaler Klemmenspannung
von 54 V führen.
Diese Nennstromstärke basiert
auf einer Testwellenform von 10/1000 μs. Der äquivalente Spitzenstrom bei
Verwendung einer 8/20 μs
Wellenform wäre
220 A. Dies sind sehr kleine Werte im Maßstab des Transientenschutzes.
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Früher wurde
vorgeschlagen, mehrere Ketten dieser SADs parallel zu verschalten,
um den Spitzennennstrom zu erhöhen.
Eine solche Anordnung weist jedoch erhebliche Kostenauswirkungen
auf. Die Anordnung von MOVs mit einer Nennwechselspannung von zum
Beispiel 275 V, die parallel über die
Dioden verschaltet sind, stellt keine alternative Lösung dar.
Die Dioden werden bei ihrer Spitzenklemmspannung von 54 × 11 bzw.
594 V zerstört.
Da ein 20 mm Scheiben-MOV
lediglich ungefähr
1 A bei dieser Spannung ziehen kann, bieten MOVs den SADs praktisch
keine Energieentlastung.
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In
der Ausführungsform
der Erfindung, die in 4 dargestellt ist, umfasst jedes
der Hochenergie absorbierenden Module 43a, 43b, 43c eine
Vielzahl an Metalloxidvaristoren MOVs 44, die parallel
verschaltet sind, und eine Schaltvorrichtung in Gestalt eines Gasableiters 45,
der in Reihe mit den MOVs 44 verschaltet ist. Für eine 220–240 V Wechselspannungsversorgung
weist jeder MOV vorzugsweise eine uneinheitliche Nennspannung zwischen
ungefähr
150 V Wechselspannung bis ungefähr
230 V Wechselspannung auf. Dieses Bemessungsniveau verringert die
MOV-Spitzenstoßspannung
auf einen Wert nahe oder unterhalb des maximal zulässigen Werts
der SADs.
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Jeder
Gasableiter 45 (oder Festkörperschalter in den 1 bis 3)
hat den Effekt, die MOVs 44 von dem Hauptstromkreis zu
isolieren bis ein Einschaltstoß ankommt.
Der Gasableiter 45 arbeitet daher als ein Schalter, die
MOVs 44 zu verbinden und zu trennen. Die Schalttätigkeit
des Gasableiters 45 stellt die Trennung der MOVs 44 nach
Durchgang eines Einschaltstoßes
sicher, wodurch der MOV-Ausfall auf Grund der kontinuierlichen Stromaufnahme aus
der Stromversorgung verhindert wird.
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In Übereinstimmung
mit einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist eine
Impedanz, wie zum Beispiel ein Widerstand 46, eine Induktionsspule
oder eine Induktionsspulen-/Widerstandskombination parallel zu jedem
Gasableiter 45 verschaltet, um so einen Hochpassfilter
mit den MOVs 44 zu bilden, die etwas natürliche Kapazität aufweisen.
Dies kann durch Verwendung von Widerständen 46 in der Größenordnung
von 100 kOhm erreicht werden. Bei niedrigen Frequenzen, wie zum
Beispiel 50 Hz, ist der Strom durch die R/C-Reihenschaltung so gering, dass
sehr wenig Spannung über
dem Widerstand 46 und dem Gasableiter abfällt. Bei
Vorhandensein eines Transienten erzeugt die Kapazität des MOVs eine
geringe Impedanz, was einen höheren
Strom und die Erhöhung
der Spannung über
dem Widerstand 46 ermöglicht,
um den Gasableiter 45 zu zünden. In manchen Umständen kann
eine zusätzliche, konzentrierte
Kapazität 47 parallel über den
MOVs verschaltet sein, wie in Module 43c dargestellt ist.
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Wie
in 4 dargestellt ist, kann ein Widerstand 48 in
Reihe mit der Kette der SADs 40 verschaltet sein. Während starker
Spitzenstoßströme kann
die Spannung, die sich über
der MOV-/Gasableiterkombination entwickelt, das Klemmniveau der SAD-Kette übersteigen.
Die SADs 40 würden
dann einen erheblichen Teil des Stoßes leiten, möglicherweise
ihre Nennenergie überschreiten
und einen Ausfall verursachen. Durch Einfügen eines kleinen Widerstands 48,
typischerweise ungefähr
1–2 Ω, in Reihe
mit der SAD-Kette kann der Strom durch die SADs 40 auf
ein Niveau unterhalb ihrer maximalen Bemessung begrenzt werden.
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Mit
dem Hochpassfilter liegt der Hauptteil der angelegten Netzspannung über den
MOVs an. Dies stellt sicher, dass der Gasableiter nicht zündet, verursacht
allerdings einen Nebeneffekt. Die MOV-Kapazität lädt sich und entlädt sich
mit der Netzspannungsfrequenz. Daher addiert sich, falls ein Spannungsstoß auftritt,
wenn die MOV-Kapazität
vollständig
geladen ist, die Überschlagspannung
des Gasableiters zu der MOV-Kapazitätsspannung, was eine höhere Durchlassspannung
erzeugt.
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Um
diesen Nebeneffekt zu überwinden,
kann ein nichtlineares Element 49 in den Hochpassfilter eingefügt werden,
wie in Modul 43c dargestellt ist. Typischerweise ist dieses
Element entweder in Reihe gegeneinander geschaltete Zenerdioden
oder eine kleine Zweirichtungssiliziumavalanchediode, die Durchbrucheigenschaften
einer Zenerdiode in beiden Richtungen aufweist.
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Das
Ergebnis ist, dass, bis die Spannung über der Vorrichtung die Kippspannung
des nichtlinearen Elements erreicht, die Spannung über dem
Gasableiter anstatt über
den MOVs abfällt.
Nachdem die angelegte Spannung die Kippspannung des nichtlinearen
Elements überschreitet,
fließt
Strom durch den Hochpassfilter, was folglich Spannung über den MOVs
entwickelt. Das Endergebnis ist, dass das Verhältnis der Netzfrequenzspannung,
die über
den MOVs anliegt, verringert wird, was folglich die Spannung verringert,
die sich zu der Durchlassspannung addiert.
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Das
Endergebnis der mehrstufigen Schaltung 4 in 4 ist
in 5 dargestellt. Linie A in 5 ist eine
Oszilloskopspur der Restspannung, die an der Anlage, die durch die
Schaltung in 4 geschützt ist, angliegt, wenn die
Schaltung in 4 einem 3000 A Einschaltstoß unterliegt.
Jedes Quadrat für
die Spur A stellt 0,1 μs
entlang der x-Achse und 100 V entlang der y-Achse dar. Linie B ist
eine Spur des 3000 A Einschaltstoßes, der auf die Schaltung
in 4 angewendet wird. Jedes Quadrat für die Spur
B stellt 0,1 μs
entlang der x-Achse und 500 A entlang der y-Achse dar.
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In 5 haben
die SADs ihre Klemmtätigkeit bei 51 begonnen,
da sie viel schneller in ihrer Wirkung sind als die Gasableiter 45.
An Punkt 52 hat der erste Gasableiter 45 des Moduls 43a in
einen niederohmigen Zustand gezündet
und leitet den Stoß in
die MOVs 44 des ersten Moduls. Letztere weisen eine erhebliche
Kapazität
auf und stellen so eine niedrige Anfangsimpedanz dar. Die Folge
ist, dass die Anfangsrestspannung gering ist. Wie erwartet steigt
die MOV-Spannung an, wenn ein ansteigender Strom durch die MOVs 44 fließt. Dies
ist ihr nichtlinearer Widerstandseffekt. Wenn die Spannung weiter
ansteigt, zündet
der Gasableiter 45 des zweiten Moduls 43b bei 53 und
verringert die Spannung weiter. Der Ablauf fährt entsprechend der Anzahl
eingebauter Stufen fort.
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Es
ist nicht entscheidend, in welcher Reihenfolge die Gasableiter 45 zünden. Folglich
ist ihre Herstellungstoleranz unwesentlich.
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Es
ist anzumerken, dass die Restspannung bei Leitung der drei dargestellten
Stufen in der Größenordnung
von 450 V bei angewendetem Transienten von 3000 A verblieben ist.
Dies liegt gut unter der maximal zulässigen Spannung für die SADs.
Die sehr geringe Restspannung, die durch diese Schaltung erzeugt
wird, ist ebenso für
die geschützte
Anlage sehr günstig.
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6 stellt
Spannungs-/Stromkennlinien für unterschiedliche
Stufenzahlen von Hochenergiemodulen in der Schaltung aus 4 dar.
Linie 61 ist die Spannungs-/Stromkennlinie für eine Schaltung mit einem
einzelnen Hochenergiemodul; Linie 62 ist die Spannungs-/Stromkennlinie
für eine
Schaltung mit zwei Hochenergiemodulen, die parallel verschaltet sind;
und Linie 63 ist die Spannungs-/Stromkennlinie für eine Schaltung
mit drei Hochenergiemodulen, die parallel verschaltet sind. Aus 6 ist
zu sehen, dass die Spitzenklemmspannung selbst bei Stoßniveaus
von 50 kA durch Verwendung einer mehrstufigen Anordnung mit wenigstens
drei Hochenergiemodulen unter 600 V gehalten werden kann, wobei
jedes eine oder mehrere MOVs und eine Schaltvorrichtung, wie zum
Beispiel einen Gasableiter oder Sidactor, aufweist. Diese progressive
Klemmanordnung wäre
mit dem Stand der Technik nicht möglich gewesen, da der Ausfall
der SADs lediglich einen 275 V MOV hinterlassen hätte, der
bei 50 kA eine Restspannung von ungefähr 1500 V erzeugen würde.
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In
der veränderten
Schaltung in 7 ist das Energie absorbierende
Modul insofern ähnlich
dem in 4, da es eine Vielzahl an MOVs 74, die
parallel verschaltet sind, einen Gasableiter 75 in Reihe
mit dem MOVs 74 und einen Widerstand 76 parallel
zu dem Gasableiter 75 aufweist, die einen Hochpassfilter
mit der natürlichen
Kapazität
der MOVs 74 bilden. Falls erforderlich kann eine zusätzliche
Kapazität
parallel über
die MOVs 74 verschaltet werden, um die natürliche Kapazität der MOVs
zu ergänzen.
Die veränderte
Schaltung in 7 unterscheidet sich von der
in 4 darin, dass ein Schaltbauelement 71 in Reihe
mit der Kette der SADs 70 verschaltet ist und eine Impedanz,
wie zum Beispiel ein Widerstand 72, parallel zu dem Schaltbauelement 71 und
in Reihe mit einer Kapazität 73 verschaltet
ist, um einen Hochpassfilter zu erzeugen. In dem dargestellten Beispiel wird
ein Sidactor als Schaltbauelement 71 verwendet. Dies könnte jedoch
ebenfalls ein Gasableiter, eine Funkenstrecke oder ein ähnliches
Schaltbauelement sein.
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Diese
Topologie würde
eine SAD-Kette niedrigerer Spannung ermöglichen, bei der das Schaltbauelement
ausgewählt
ist, nicht bei der maximalen kontinuierlichen Betriebsnennspannung
(MCOV) der Vorrichtung zu arbeiten. Ein Spannungsstoß würde jedoch
das Schaltbauelement veranlassen zu arbeiten, was die SAD-Kette
leitend macht. Auf Grund der sehr kleinen Kapazität der SAD-Kette
ist die zusätzliche
Kapazität 73 erforderlich,
um einen wirksamen Hochpassfilter zu erzeugen.
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In 8 ist
eine alternative Ausführungsform dargestellt,
in der eine Kette SADs 80 in einem Energie absorbierenden
Modul 83 enthalten ist, das über Wechselspannungsversorgungsleitungen 81 und 82 verschaltet
ist. Wie in 4 enthält das Energie absorbierende
Modul 83 eine Vielzahl an parallel verschalteten MOVs 84,
eine Schaltvorrichtung 85, wie zum Beispiel einen Gasableiter,
der in Reihe mit den MOVs verschaltet ist, und eine Impedanz 86,
wie zum Beispiel einen Widerstand, eine Induktionsspule oder eine
Widerstands-/Induktionsspulenkombination,
die parallel zu der Schaltvorrichtung 85 verschaltet ist,
um einen Hochpassfilter mit der natürlichen Kapazität der MOVs
zu bilden. Die SAD-Kette
ist über
der Schaltvorrichtung angeordnet, um Spannungsüberschwingen bei schnell ansteigenden
Transienten in der Zeit vom Schaltungsbeginn bis zur vollen Leitung
der Schaltvorrichtung zu begrenzen.
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Eine
einfachere, alternative Ausführungsform
ist in 9 dargestellt, in der die SAD-Kette vollständig entfernt
ist. Folglich umfasst die Schaltung eine Kette parallel verschalteter
MOVs 94, eine Schaltvorrichtung, wie zum Beispiel einen
Gasableiter 95, der in Reihe mit den MOVs verschaltet ist,
und eine Impedanz 96, wie zum Beispiel einen Widerstand,
der parallel zu der Schaltvorrichtung 95 verschaltet ist,
um einen Hochpassfilter mit der natürlichen Kapazität der MOVs 94 zu
bilden. Obwohl nicht so wirksam wie die Ausführungsform in 4,
könnte
diese Anordnung für
Anwendungen verwendet werden, in denen großes Überspannungshandhabungsvermögen erforderlich
ist, die Ansprechgeschwindigkeit jedoch nicht kritisch ist.
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Es
ist zu verstehen, dass in der vorliegenden Erfindung MOVs und eine
Schaltvorrichtung (Festkörperschalter
oder Gasableiter) und in den meisten Ausführungsformen SADs in einer
bestimmten und einzigartigen Zusammenstellung gebildet werden, die
die Nachteile jeder Komponente überwindet, während die
Vorteile jeder erhalten bleibt. Die vorliegende Erfindung bietet
höhere
elektrische Leistung als Anordnungen des Stands der Technik. Sie
weist die Schaltgeschwindigkeit der Avalanchedioden auf; sie weist
einen höheren
Nennstoßstrom
auf als das Diodenmatrixkonzept des Stands der Technik; und sie
weist sowohl eine niedrigere Klemmspannung als auch niedrigere Erstellungskosten
auf. Sie stellt ebenso ein integriertes Verfahren bereit, vor Überstrom
und thermischer Beanspruchung zu schützen und diese zu erkennen.
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Die
vorliegende Erfindung kann bei Vorhandensein von hohen Netzversorgungsspannungen
in Ruhe verbleiben, während
sie Transienten auf niedrige Niveaus klemmt. Ein Beispiel sind die
vorliegenden UL 1449 Prüfstandards in
den USA. Überspannungsentstörer, die
für 120
V Effektivspannung bemessen sind, müssen 240 V Effektivspannung
7 Stunden lang widerstehen, ohne Feuer zu fangen. Gewöhnliche
Technologien erfordern MOVs mit 250 V Nenneffektivspannung, um die
Prüfung
zu bewältigen,
wohingegen vor dieser Prüfung
Vorrichtung mit 130 V Effektivspannung ausreichend gewesen wären. Die
frequenzempfindliche Schalteigenschaft dieser Erfindung ermöglicht die
fortdauernde Verwendung von 130 V Vorrichtung mit ihren Niederspannungsschutzniveaus,
während
die Fähigkeit
bewahrt wird, 240 V Effektivspannung 7 Stunden lang ohne Betrieb
einer Schutzvorrichtung zu widerstehen.
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Es
ist ebenso zu verstehen, dass die Schaltungen der 4, 7, 8 und 9 verändert werde
könnten,
um einen Sicherungsschutz zu enthalten, wie er mit Bezug auf 3 beschrieben
ist.