NL1015766C2 - Stelsel voor overspanningbeveiliging. - Google Patents

Description

Titel: Stelsel voor overspanningbeveiliging A. Achtergrond van de uitvinding

De uitvinding heeft betrekking op een stelsel voor overspanningbeveiliging in een 5 elektrische voedingseenheid. In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op een stelsel voor overspanningbeveiliging van een op een beperkt grondoppervlak opgestelde elektrische voedingseenheid voor een van een antenne voorzien installatie. Overspanningbeveiligingen voor elektrische voedingseenheden zijn van algemene bekendheid.

10 In het bijzonder heeft de beveiliging volgens de aanvrage betrekking op overspanningen met een grote energetische inhoud, zoals overspanningen veroorzaakt door blikseminslag of Elektromagnetische puls (EMP). Volgens een verder verbijzondering heeft de aanvrage betrekking op de beveiliging tegen overspanning als gevolg van blikseminslag van voedingseenheden voor in niet-overdekte ruimtes opgestelde 15 elektrische apparatuur, zoals zendontvangstations voor radioverkeer.

Voor een dergelijke beveiliging wordt, naast een aantal bijzondere componenten en maatregelen, een of meer aardelektrodes toegepast, om de lading, die inherent is aan de overspanning af te leiden en te verdelen over een zo groot mogelijk aardoppervlak. Het spreekt voor zich dat die aardelektroden een zo gering mogelijke weerstand naar de 20 nulpotentiaal moeten hebben. Daarnaast is het van belang, dat het grondoppervlak waarover de lading van de inslag moet worden verdeeld een bepaalde minimale afmeting heeft.

Bij elektrische voedingseenheden voor basisstations voor mobiele telecommunicatie is een dergelijke oppervlakte van minimale veelal niet beschikbaar omdat om 25 economische redenen het benodigde aardoppervlak, zo mogelijk, niet groter wordt gekozen dan voor de afmetingen van de voet van de antennemast nodig is.

Indien de lading van een blikseminslag of van EMP op de kast waarin de voedingseenheid is opgenomen of op het metalen gestel waarop die kast is bevestigd 30 terechtkomt bestaat het gevaar van parasitaire overslag van de lading naar de elektrische geleiders van de voedingseenheid. Omdat die lading relatief slecht afgevoerd kan worden loopt de spanning binnen de voedingseenheid zodanig hoog op, dat door overslag schade kan optreden aan de componenten van de voedingseenheid, zoals ? ·λ λ 2 schakelaars en dergelijke. Een dergelijke overslag veroorzaakt schade en uitval van de voedingseenheid en daarmede van het basisstation.

Dat deze spanning aanzienlijk kan zijn valt te begrijpen uit het feit dat een directe blikseminslag een piekstroom van 150 kA kan ontstaan, die over een aardelektrode met 5 een impedantie van 2,5 Ohm moet worden afgevoerd.

Dit kan momentaan tot spanningen van meer dan 100 kV leiden. Op een dergelijke piekspanning is een standaard laagspanning voedingseenheid niet berekend.

Een dergelijke parasitaire overslag wordt volgens de stand der techniek vermeden door overspanningbeveiligingen zoals varistors, aan de brengen tussen het gestel en elk der 10 fasen en tussen het gestel en de nulgeleider van de voedingseenheid.

Het gestel wordt rechtstreeks gekoppeld aan een aardverbinding zoals een of meer aardelektrodes.

Zo wordt parasitaire overslag van het deel waarop de inslag heeft plaatsgevonden naar een der geleiders vermeden.

15 De bekende oplossing kan echter niet voorkomen, dat in de voedingseenheid aanzienlijke schade wordt aangericht wanneer er een directe blikseminslag op het gestel plaats vindt, hetgeen in de beschrijving nader zal worden toegelicht.

Hier wordt volstaan met te vermelden dat die schade kan bestaan in het verbranden van een of meer componenten van de voedingseenheid als gevolg van zeer grote stromen.

20 Tevens kan mechanische schade ontstaan in de voedingseenheid doordat als gevolg van de grote stromen door de geleiders van elk der fasegeleiders en van de nulgeleider de verbindende geleiders tussen de componenten van de voedingseenheid als gevolg van de elektromagnetische velden, veroorzaakt door de grote stromen, mechanisch uit de aansluitpunten worden gerukt waardoor stroomonderbreking ontstaat.

25 Het behoeft nauwelijks betoog, dat mede als gevolg van de eerder aangeduide perifere opstelling van de voedingseenheid en de minder goede bereikbaarheid daarvan herstel van de schade geruime tijd in beslag kan nemen. Hierdoor zal de door de voedingseenheid bediende installatie buiten dienst langere tijd buiten dienst zijn hetgeen lijdt tot een verhoogd risico op bedrijfsschade.

30 B. Samenvatting van de uitvinding

Aan de onderhavige uitvinding ligt het probleem ten grondslag, dat voor de in de aanhef bedoelde voedingseenheden slechts een zodanig beperkt deel van het aardoppervlak "y - V. < 1 i o o 3 beschikbaar is om de ingeslagen elektrische lading te verwerken, dat de optredende piekspanning relatief hoog is en relatief langzaam aineemt..

De uitvinding beoogt een oplossing voor dit probleem te geven en berust in hoofdzaak op het inzicht, dat de nulgeleider tussen de voedingseenheid en het transformatorstation 5 waarop de voedingseenheid is aangesloten, niet op een zelfinductie, zoals een transformatorspoel of een spoel van een kWh-meter is aangesloten, terwijl de fasegeleiders wel op zelfinductie zijn aangesloten.

De uitvinding wordt daartoe gekenmerkt doordat de voedingseenheid elektrisch wordt gevoed uit een in ster geschakelde inrichting, zoals een transformator, waarvan een met 10 het sterpunt verbonden nulgeleider is geaard en waarbij de fasegeleiders elk door een overspanningsbeveiliging, zoals een varistor worden verbonden met de nulgeleider, terwijl de nulgeleider door bliksemstroomafleider wordt verbonden met de aardelektrode.

Volgens een nader kenmerk van de uitvinding wordt tussen het punt waar de 15 fasegeleiders door middel van een overspanningsbeveiliging, met de nulgeleider zijn verbonden in elk der fasegeleiders een ontkoppelingsweerstand aangebracht.

Volgens een nader kenmerk van de uitvoering worden elk der fasegeleiders en de nulgeleider tussen de voeding en de ontkoppelingsweerstand met de nulgeleider verbonden door een bliksemstroomafleider, waarbij de nulgeleider via een 20 bliksemstroomafleider wordt verbonden met de aardelektrode.

Volgens een ander kenmerk van de uitvinding is de bliksemstroomafleider van het niet uitblazende type. Hierdoor ontstaat het voordeel dat de bliksemstroomafleider kan worden opgenomen in de voedingseenheid omdat een dergelijke bliksemstroomafleider geen schade kan aanrichten door uitstromende hete gassen. Een ander voordeel is, dat 25 de verbinding tussen de nulgeleider en de bliksemstroomafleider kort kan blijven, zodat de mechanische krachten die op de verbindingen ontstaan als gevolg van het sterke elektromagnetische veld zo klein mogelijk blijven.

30 C. Referentie

Europese octrooiaanvrage EP-A-0 874 430 Duitse octrooiaanvrage DE-A-19742302 Duitse octrooiaanvrage DE-A-19755082 4 D. Korte beschrijving van de tekening

De uitvinding zal nu nader worden toegelicht aan de hand van de figuur, waarin:

Fig 1 een weergave is van de stand van de techniek 5 Fig 2 een eerste uitvoeringsvoorbeeld geeft van een stelsel volgens de uitvinding, waarbij de overspanningbeveiligingen en de bliksemstroomafleider gezien in de stroomrichting zijn geplaatst na de hoofdschakelaar.

Fig 3 een tweede uitvoeringsvoorbeeld geeft van een stelsel volgens de uitvoering waarbij de overspanningbeveiligingen en de bliksemstroomafleider gezien in de 10 stroomrichting zijn geplaatst voor de hoofdschakelaar.

Fig 4 een derde uitvoeringsvoorbeeld geeft van een stelsel volgens de uitvinding, waarbij de overspanningsbeveiliging, en de bliksemstroomafleider tezamen met de ontkoppelingsweerstanden en vier toegevoegde bliksemafleiders gezien in de stroomrichting zijn geplaatst voor de hoofdschakelaar.

15 E. Beschrijving van een uitvoeringsvoorbeeld

In Fig 1, die de stand der techniek weergeeft, wordt met I het gedeelte aangegeven, dat zich bevindt in de ruimte van de elektriciteitsleverancier. Daarin is wordt met 1 de drie wikkelingen van een transformator aangegeven, waarvan de secundaire wikkeling in 20 ster is geschakeld, waarvan het sterpunt is geaard. De impedantie die bestaat tussen het sterpunt en de het punt van de nulpotentiaal wordt weergegeven door Ra, die doorgaans een zeer geringe waarde heeft, bijvoorbeeld 0,5 Ohm en een zelfinductie van bijvoorbeeld 5 μΗ. De secundaire wikkelingen van de transformator hebben doorgaans een weerstandswaarde in de orde van grootte van 0,01 Ω bij een zelfinductie van 50 μΗ. 25 Tevens zijn in die ruimte de smeltveiligheden 2 opgesteld.

De inrichting van de gebruiker omvat de driepolige schakelaar 3. Elk der geleiders is na de schakelaar via een spanningsafhankelijke weerstand 4, zoals een varistor, verbonden met een verbinding 5 die met het gestel van de schakelkast is verbonden. Deze leiding is geaard via een aardleiding waarvan de impedantie wordt weergegeven door Rb. De van 30 de schakelaar afgaande leidingen, die de achterliggende apparatuur voorzien van energie, zijn aangeduid met respectievelijk 6 voor de fasegeleiders en 7 voor de nulgeleider. De achterliggende apparatuur is voorzien van eigen beveiligingen en heeft een relatief grote ingangsimpedantie.

5

Treedt nu een blikseminslag op op het gestel van de achterliggende inrichting, dan dient de lading via de aardleiding 8 naar aarde te worden afgevoerd. Idealiter heeft de impedantie Rb, via welke de bliksemenergie wordt afgevoerd, een waarde 0. Zoals hierboven aangeduid eist de elektriciteitsleverancier veelal een waarde van ten hoogste 5 2,5 Ohm.

Een beperkende factor voor de afvoer van de door blikseminslag ontstane energie is het geringe grondoppervlak waarop deze apparatuur veelal moet worden opgesteld. De kleine afmetingen van het grondoppervlak staan een snelle afvoer van een grote hoeveelheid lading binnen een kort tijdsbestek in de weg. Hierdoor wordt de kans op 10 opwarming van de in de inrichting II opgenomen apparatuur en het risico van spanningsoverslag aanzienlijk vergroot.

Bij een inslag waar een momentane waarde van de stroom 150 kA kan zijn zal dan op de aardleiding 8 een spanning van 75 kV op kunnen treden. Deze spanning kan gemakkelijk overslaan naar de schakelaar 3, die in normaal bedrijf gesloten is. Een 15 dergelijke overslag leidt in nagenoeg alle gevallen tot ernstige beschadiging van de schakelaar 3 en veelvuldig tot het doorslaan van de smeltveiligheden 2.

Om de piekspanning zo laag mogelijk te houden en de duur zoveel mogelijk terug te brengen, is voorzien in de spanningsafhankelijke weerstanden 4.

Bij blikseminslag op het gestel zullen de weerstanden 4 wel het gevaar van 20 overslagspanning op de smeltveiligheden 2 en de schakelaar 3 verminderen, doch de grote stromen die gaan lopen van de inrichting II naar de inrichting I van de elektriciteitsleverancier zullen nog waardes aannemen, die de 40 KA aanzienlijk kunnen overschrijden waardoor zich alsnog verbrandingsverschijnselen voordoen op de smeltveiligheden 2 en de schakelaar 3.

25 Door de, vaak perifere, opstelling van de inrichting II kan dit leiden tot het gedurende langere tijd buiten gebruik zijn van de inrichting II, hetgeen de dienstverlening door de achterliggende apparatuur op economisch onaantrekkelijke wijze verstoort.

De schakeling volgens Fig. 2 biedt hier volgens de uitvinding een oplossing voor. De spanningsafhankelijk weerstanden, die enerzijds verbonden zijn met de fasegeleiders 30 worden nu anderzijds niet meer gekoppeld met de aardleiding 8, doch met de nulgeleider 7.

De nulgeleider 7 verbindt nu met een bliksemstroomafleider 9 met de aardleiding 8.

1015766 6

Een dergelijke bliksemstroomafleider, die bij doorslag een kortstondige kortsluiting veroorzaakt, is uit de techniek bekend. In het bijzonder wordt een dergelijke bliksemstroomafleider beschreven in een of meer van de twee laatst genoemde referenties.

5 Bij blikseminslag op het gestel van de inrichting zal nu de piekspanning op de fasegeleiders 6 grotendeels worden onderdrukt door de spanmngsafhankelijke weerstanden 4. De bliksemstroomafleider 9 zal een vrijwel volledige kortsluiting bewerkstelligen tussen de nulgeleider 7 en de aardleiding 8, waardoor de stroom die door de inslag wordt veroorzaakt nog slechts zeer gedeeltelijk via de fasegeleiders 6 van 10 de inrichting II wordt afgevoerd naar de inrichting I.

De af te voeren piekstroom zal nu worden afgevoerd via de parallelschakeling van de aardweerstanden Ra en Rb. Natuurlijk speelt de weerstand van de fasegeleiders en de nulgeleider tussen de inrichtingen I en II ook nog een rol, doch in de praktijk levert deze verbinding als gevolg van de geringe impedantie geen problemen op.

15 Fig 3 toont een andere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding, waarbij de schakelaar, gezien in de stroomrichting achter de componenten voor stroom- en spannings- onderdrukking en -afleiding is gemonteerd. Hierdoor wordt het risico van overbelasting van de schakelaar door grote stromen nader beperkt.

Het spreekt voor zich, dat het volgens de uitvinding optredende effect zal optreden 20 wanneer de inkomende geleiders zijn aangesloten op een in de ruimte aangeduid met I opgenomen ki lo wattuurmeter.

Tevens moge duidelijk zijn dat de oplossing volgens de uitvinding eveneens bruikbaar is voor een eenfasevoeding.

25

Claims (6)

1. Stelsel voor overspanningbeveiliging van het gestel van een elektrische voedingseenheid, die is gekoppeld aan de secundaire uitgang van een externe transformator, gekenmerkt doordat de secundaire windingen van de externe 5 transformator in ster zijn gekoppeld, het sterpunt van de transformator direct is verbonden met een afgaande nulgeleider en een nabij de transformator opgenomen aardelektrode, waarbij in de voedingseenheid tenminste een fasegeleider door middel van een spanningsafhankelijke weerstand is verbonden met de nulgeleider, terwijl de nulgeleider aan een in de nabijheid van de 10 voedingseenheid opgenomen aardelektrode is verbonden doormiddel van een bliksemstroomafleider.

2. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk dat, in de stroomrichting gezien, de spanningsafhankelijke weerstand en de bliksemstroomafleider voor een in de voedingseenheid opgenomen schakelaar zijn opgenomen.

3. Stelsel volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat in tenminste een fasegeleider een ontkoppelimpedantie is opgenomen en waarbij, gezien in de stroomrichting, tenminste een fasegeleider tussen een ingang van de voedingseenheid en de ontkoppelimpedantie via een bliksemstroomafleider is verbonden met de nulgeleider en waarbij het gedeelte van de fasegeleider tussen de 20 ontkoppelimpedantie en de schakelaar door middel van een spanningsafhankelijke weerstand is verbonden met de nulgeleider.

4. Stelsel volgens een of meer der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de schakelaar uitgeschakeld kan worden door middel van een aardlekschakelaar.

5. Stelsel volgens conclusie 5 met het kenmerk, dat de aardlekschakelaar 25 zelfherstellend is.

6. Stelsel volgens een of meer der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de bliksemstroomafleider geheel gesloten is.