DE102011010180B4 - Overvoltage protection device and overvoltage protection device with it - Google Patents

Abstract

Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz eines Verbrauchers (V) gegen eine Überspannung auf einer Versorgungsspannung eines Versorgungsnetzes, die einen Gleichrichter (D1–D6) zum Gleichrichten eines Stromes umfasst, der zum Aufladen eines an ihn angeschlossenen ersten Kondensators (C1) vorgesehen ist, sowie eine dem ersten Kondensator (C1) parallel geschaltete Ballastschaltung (R1), die bei einer auf der Versorgungsspannung liegenden Bemessungsstehstossspannung zum Entladen des ersten Kondensators (C1) vorgesehen ist, sie eine Drossel (DR1, DR2) für jeden Außenleiter (L1, L2) eines Versorgungsnetzes (U) umfasst, welche jeweils in einer Zuleitung angeordnet sind, die vom Versorgungsnetz zum Verbraucher führt, und welche zur Begrenzung des Stromes bei auf der Versorgungsspannung liegender Bemessungsstehstossspannung vorgesehen und so dimensioniert sind, dass sie eine bei der Bemessungsstehstossspannung anliegende Spitzenspannung ohne Überschlag und Schaden verarbeiten, wobei die Ballastschaltung (R1) zumindest einen Widerstand (R2) umfasst, im Normalbetrieb abgeschaltet ist, und bei auf der Versorgungsspannung liegender Bemessungsstehstossspannung durch eine Triggerschaltung (TR1) gestartet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerschaltung (TR1) einen schnellen Schalter (T1) bei Überschreitung einer vorgegebenen Spannung periodisch schaltet, und einen zweiten Kondensator (C2) mithilfe eines zweiten schnellen Schalters (D7) über eine Speicherdrossel (DR3) lädt.An overvoltage protection device for protecting a load (V) against an overvoltage on a supply voltage of a supply network comprising a rectifier (D1-D6) for rectifying a current intended to charge a first capacitor (C1) connected thereto and one of the first Capacitor (C1) connected in parallel ballast circuit (R1), which is provided at a lying on the supply voltage Bemstungsstehstossspannung for discharging the first capacitor (C1), they have a throttle (DR1, DR2) for each outer conductor (L1, L2) of a supply network (U ), which are respectively arranged in a supply line leading from the supply network to the consumer, and which are provided for limiting the current at the rated residual voltage lying on the supply voltage and are dimensioned such that they process a peak voltage applied at the rated standstill voltage without rollover and damage, the Ballast circuit (R1) comprises at least one resistor (R2), is switched off in normal operation, and is started by a trigger circuit (TR1) at lying on the supply voltage by a trigger circuit, characterized in that the trigger circuit (TR1) a fast switch (T1) when exceeded periodically switches a predetermined voltage and charges a second capacitor (C2) via a second fast switch (D7) through a storage choke (DR3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz vor einer nach Blitzeinschlag auftretenden Bemessungsstehstossspannung von 6 KV bis 8 KV für die Dauer von einigen μsec für Betriebsmittel und Geräte der Überspannungskategorie II, Überspannungskategorie III und Überspannungskategorie IV mit Nennspannungen von 230 V bis 400 V Wechselspannung zum Beispiel nach DIN VDE 0100-443.The present invention relates to an overvoltage protection device for protection against occurring after lightning Rated standing surge voltage of 6 KV to 8 KV for a period of a few microseconds for equipment and devices overvoltage category II, overvoltage category III and overvoltage category IV with rated voltages of 230 V to 400 V AC voltage, for example according to DIN VDE 0100-443.

Überspannungskategorie II sind zum Beispiel Steckdosen, Verteilertafeln, Schalter.Overvoltage category II are, for example, sockets, distribution boards, switches.

Überspannungskategorie III sind zum Beispiel Haushaltsgeräte, tragbare Werkzeuge.Overvoltage category III are, for example, household appliances, portable tools.

Überspannungskategorie IV sind zum Beispiel empfindliche Geräte wie Personalcomputer.Overvoltage category IV are, for example, sensitive devices such as personal computers.

Die Versorgungsspannung im Gebäude beträgt 230 V Wechselspannung mit 50 Hz.The supply voltage in the building is 230 V AC with 50 Hz.

In die Umgebung eines Gebäudes oder in den Blitzableiter des Gebäudes schlägt ein Blitz ein. Dieses Blitzereignis führt zu einer Bemessungsstehstossspannung von 6 KV für die Dauer von 50 μsec auf der Versorgungsspannung mit einem verfügbaren Strom von 5 KA. Die derzeitigen Überspannungsschutzvorrichtungen leiten diesen Strom von mehreren Kiloampere zur Erde ab. Die dabei eingesetzten Komponenten müssen diesen Strom verarbeiten können, was aber in der Regel zu vorzeitiger Alterung führt und letztendlich zum Ausfall der Komponenten.

• – ABB Merkblatt 13 „Die Blitzschutznormen”, DIN EN 62305/VDE 0185-305:2006 Datei: „Blitzschutznorm2006.
• – pdf”, Überspannungs-Schutzeinrichtungen für jede Netzform (erschienen in etz 06/97) von Dipl.-Ing. Gerhard Wolff, Phoenix Contact GmbH & Co (Datei: ”wolff_d002.pdf”).

A lightning strikes the surroundings of a building or the lightning rod of the building. This lightning event results in a rated standstill voltage of 6 KV for the duration of 50 μsec on the supply voltage with an available current of 5 KA. Current overvoltage protection devices dissipate this current of several kiloamps to earth. The components used in the process must be able to process this current, but this usually leads to premature aging and ultimately to the failure of the components.

• - ABB data sheet 13 "The lightning protection standards", DIN EN 62305 / VDE 0185-305: 2006 File: "Lightning protection standard2006.
• - pdf ", overvoltage protection devices for each network form (published in etz 06/97) by Dipl.-Ing. Gerhard Wolff, Phoenix Contact GmbH & Co. (file: "wolff_d002.pdf").

DE 197 51 470 A1 beschreibt eine Überspannungsschutzvorrichtung für ein an eine Versorgungsspannung angeschlossenes elektronisches Gerät mit einer Einrichtung zum Ableiten von Überspannungen und Abschalten der Überspannungsschutzvorrichtung bei Überlast. DE 197 51 470 A1 describes an overvoltage protection device for a connected to a supply voltage electronic device with a device for dissipating overvoltages and switching off the overvoltage protection device in case of overload.

DE 43 42 635 A1 beschreibt eine Überspannungsschutzvorrichtung, die einen Schutz bestehend aus einem Körper Metalloxid-Varistormaterial auf den Netzstecker aufbringt, um die Überspannung an den Netzsteckerstiften durch Kurzschluß abzuleiten. DE 43 42 635 A1 describes an overvoltage protection device which applies a protection consisting of a body metal oxide varistor material on the power plug to derive the overvoltage to the power plug pins by short circuit.

US 5,617,284 A , US 5,038,245 A und DE 20 2008 012 738 U1 beschreiben Überspannungsschutzvorrichtungen, die zur Begrenzung eines bei Auftreten der Bemessungsstehstossspannung fließenden Stromes Varistoren nutzen. US 5,617,284 A . US 5,038,245 A and DE 20 2008 012 738 U1 describe overvoltage protection devices that use varistors to limit a current flowing when the rated standstill voltage occurs.

DE 197 49 558 C2 offenbart einen Gleichrichter in Drehstrom-Brückenschaltung, der als Überspannungsbegrenzer eine Diodenbrücke mit einem Speicherkondensator und einem Entladewiderstand zeigt. DE 197 49 558 C2 discloses a rectifier in three-phase bridge circuit, which shows as a surge limiter a diode bridge with a storage capacitor and a discharge resistor.

Und die US 5,610,793 beschreibt eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einem Kondensator und einer dem Kondensator parallel geschalteten Ballastschaltung zum Entladen des Kondensators. Die Ballastschaltung nutzt einen Thyristor zum Triggern der Überspannung bei Auftreten einer Bemessungsstehstossspannung. Durch die vorliegende Erfindung soll eine verbesserte Überspannungsschutzvorrichtung bereitgestellt werden, die einen langfristigen unterbrechungsfreien Betrieb der angeschlossenen Verbraucher bei Überspannung sicherstellt. And the US 5,610,793 describes an overvoltage protection device with a capacitor and a capacitor connected in parallel ballast circuit for discharging the capacitor. The ballast circuit uses a thyristor to trigger the overvoltage when a rated standstill voltage occurs. The present invention seeks to provide an improved overvoltage protection device which ensures long-term uninterrupted operation of the connected loads in the event of overvoltage.

Die Versorgungsspannung im Gebäude beträgt 230 V Wechselspannung mit 50 Hz.The supply voltage in the building is 230 V AC with 50 Hz.

In die Umgebung eines Gebäudes oder in den Blitzableiter des Gebäudes schlägt ein Blitz ein. Dieses Blitzereignis kann z. B. zu einer Bemessungsstehstossspannung von 6 KV für die Dauer von 50 μsec auf der Versorgungsspannung mit einem verfügbaren Strom von 5 KA führen. Die derzeitigen Überspannungsschutzvorrichtungen leiten diesen Strom von mehreren Kiloampere zur Erde ab. Doch derzeitig erhältliche Geräte mit Schutz durch Varistoren lassen immer noch Spitzenspannungen von 1 kV und mehr am Verbraucher zu, was für empfindliche Geräte immer noch zum Ausfall durch Zerstörung führen kann. Die dabei eingesetzten Komponenten müssen diesen Strom verarbeiten können, was aber in der Regel zu vorzeitiger Alterung führt und letztendlich zum Ausfall der Überspannungsschutzvorrichtung! Danach folgende Blitzeinschläge zerstören dann die an die Überspannungsschutzvorrichtung angeschlossenen Verbraucher.A lightning strikes the surroundings of a building or the lightning rod of the building. This lightning event can z. B. lead to a rated standing surge voltage of 6 KV for a period of 50 microseconds on the supply voltage with an available current of 5 KA. Current overvoltage protection devices dissipate this current of several kiloamps to earth. However, currently available devices with protection by varistors still allow peak voltages of 1 kV and more at the consumer, which can still lead to failure by destruction for sensitive devices. The components used must be able to process this current, which usually leads to premature aging and ultimately to the failure of the overvoltage protection device! Subsequently, the following lightning strikes then destroy the consumers connected to the overvoltage protection device.

Durch die hier vorliegenden Erfindung soll eine verbesserte Überspannungsschutzvorrichtung bereitgestellt werden, die weder bei Blitzeinschlag geschädigt wird, noch der angeschlossene Verbraucher bei Blitzeinschlag geschädigt wird. By the present invention, an improved overvoltage protection device is to be provided, which is damaged neither in case of lightning, nor the connected consumer is damaged in lightning strikes.

Die nach einem Blitzereignis entstehende Bemessungsstehstossspannung von 6 KV für die Dauer von 50 μsec auf der Versorgungsspannung mit einem Strom von 5 KA muss auf unschädliche Größen reduziert werden, ohne den Strom von mehreren Kiloampere zur Erde abzuleiten. Durch den Einsatz von Drosseln für jeden Außenleiter kann der Strom auf berechenbare Werte begrenzt werden. Der begrenzte Strom fließt nun zum Verbraucher und über einen Gleichrichter in einen Kondensator. Die Spannung am Kondensator ändert sich nur wenig, da der Strom nur sehr kurzzeitig (ein Blitz dauert nur einige Mikrosekunden) fließt. Über den Gleichrichter wiederum begrenzt der Kondensator die Spannung am Ausgang der Drosseln und damit am angeschlossenen Verbraucher. Die Spannung am Kondensator muss mit einer geeigneten Ballastschaltung auf ungefährliche Werte begrenzt werden.The rated residual surge voltage of 6 KV after a lightning strike for a duration of 50 μsec on the supply voltage with a current of 5 KA must be reduced to harmless values, without diverting the current of several kiloamps to earth. By using chokes for each phase conductor, the current can be limited to predictable values. The limited current now flows to the load and via a rectifier into a capacitor. The voltage across the capacitor changes only slightly, since the current flows only very briefly (a flash lasts only a few microseconds). In turn, the capacitor limits the voltage at the output of the chokes and thus at the connected consumer via the rectifier. The voltage across the capacitor must be limited to safe levels with a suitable ballast circuit.

Es wird die bei einem Blitzereignis entstehende Bemessungsstehstossspannung von 6 KV für die Dauer von ca. 50 μsec auf der Versorgungsspannung mit einem Strom von 5 KA auf unschädliche Größen reduziert, ohne einen Strom von mehreren Kiloampere zur Erde abzuleiten.The rated residual surge voltage of 6 KV for a duration of approx. 50 μsec on the supply voltage is reduced to harmless values with a current of 5 KA, without discharging a current of several kiloamps to earth.

Die Überspannungsschutzvorrichtung umfasst eine erste Drossel für den ersten Außenleiter und eine zweite Drossel für den zweiten Außenleiter, (gekoppelt oder als einzelne Drosseln), einen Gleichrichter, einen ersten Kondensator, eine Ballastschaltung in der prinzipiellen Anordnung nach 1 und eine Triggerschaltung in der prinzipiellen Anordnung nach 2. Für jeden weiteren Außenleiter sind eine weitere Drossel und zwei weitere Dioden für den Gleichrichter erforderlich.The overvoltage protection device comprises a first choke for the first outer conductor and a second choke for the second outer conductor (coupled or as individual chokes), a rectifier, a first capacitor, a ballast circuit in the basic arrangement according to 1 and a trigger circuit in the basic arrangement 2 , For each additional outer conductor, another choke and two additional diodes are required for the rectifier.

Die erste und zweite Drossel liegen in der Zuleitung. Der Strom fließt nun zum Verbraucher und über einen Gleichrichter in einen ersten Kondensator. Über den Gleichrichter wiederum begrenzt der erste Kondensator die Spannung am Ausgang der ersten und zweiten Drossel und damit am angeschlossenen Verbraucher.The first and second throttle are in the supply line. The current now flows to the load and via a rectifier into a first capacitor. In turn, the first capacitor limits the voltage at the output of the first and second throttle and thus the connected consumer via the rectifier.

Wirkungsweise der Überspannungsschutzvorrichtung, Begründung:
Das Herausragende der Überspannungsschutzvorrichtung besteht darin, dass durch die besondere Anordnung dieser Bauelemente eine hohe Spannung mit einem sehr schnellen Spannungsanstieg innerhalb von Nanosekunden bis Mikrosekunden mit anschließend folgenden Spannungsabfall innerhalb von einigen Mikrosekunden nicht zu einem entsprechend hohen Strom führt. Das wird erreicht durch eine Drossel mit ihrer Eigenschaft, auf eine plötzliche Spannungsänderung mit einer allmählichen Stromänderung zu reagieren, der Strom hat zunächst den Wert, den der angeschlossene Verbraucher V aufnimmt und nimmt davon ausgehend exponentiell zu:

mit τ = L/R (Zeitkonstante), L = Induktivität der Drossel, t = Zeit, R = Kupferwiderstand der Spule und I0 = U0/R, U0 = Spannung an der Drossel, i = Strom durch die DrosselOperation of the overvoltage protection device, reason:
The outstanding feature of the overvoltage protection device is that due to the special arrangement of these components, a high voltage with a very rapid voltage rise within nanoseconds to microseconds with subsequent voltage drop within a few microseconds does not lead to a correspondingly high current. This is achieved by a choke with its ability to respond to a sudden change in voltage with a gradual change in current, the current initially has the value that the connected load V receives and assumes it exponentially to:

with τ = L / R (time constant), L = inductance of the choke, t = time, R = copper resistance of the coil and I0 = U0 / R, U0 = voltage at the choke, i = current through the choke

Ist die Zeitdauer, in der eine hohe Spannung anliegt, kurz genug, erreicht der durch die an der Drossel anliegenden Spannung zunehmende Strom nur geringe Werte. In der Praxis ist ein Wert der Stromzunahme in der Größenordnung von einigen Ampere pro Mikrosekunde realisierbar.If the time duration during which a high voltage is applied is short enough, the current increasing due to the voltage applied to the choke will reach only low values. In practice, a value of current increase on the order of a few amperes per microsecond can be realized.

Da ein Blitzereignis nach 10 bis 50 μsec beendet ist, liegt der maximal erreichte Wert des Stromes durch die Drossel, je nach Kurvenform der Bemessungsstehstossspannung bei 10 A bis 50 A. In der Überspannungsschutzvorrichtung sind das die erste Drossel im ersten Außenleiter, bzw. die zweite Drossel im zweiten Außenleiter.Since a lightning event is completed after 10 to 50 microseconds, the maximum value of the current through the choke, depending on the waveform of the rated standing surge voltage at 10 A to 50 A. In the overvoltage protection device that are the first choke in the first outer conductor, and the second Choke in the second outer conductor.

Wird mit diesem Strom ein hinreichend großer Kondensator geladen, dann ändert sich die Spannung am Kondensator innerhalb dieser Zeit nur wenig. In der Überspannungsschutzvorrichtung ist das der erste Kondensator, der über den Gleichrichter mit der ersten Drossel und der zweiten Drossel verbunden ist. Der zwischen der ersten und zweiten Drossel und den ersten Kondensator geschaltete Gleichrichter erfüllt mehrere Aufgaben:
Resonanzen, die zu einer Spannungsüberhöhung führen können, werden vermieden und bei Wechselspannung arbeitet die Anordnung für beide Polaritäten.If a sufficiently large capacitor is charged with this current, then the voltage at the capacitor changes only slightly within this time. In the overvoltage protection device, this is the first capacitor which is connected via the rectifier to the first throttle and the second throttle. The rectifier connected between the first and second choke and the first capacitor fulfills a number of tasks:
Resonances that can lead to a voltage overshoot, are avoided and at AC voltage, the arrangement works for both polarities.

Eine Schaltung zur Spannungsbegrenzung und/oder Entladung des ersten Kondensators arbeitet nur in einer Polarität. A circuit for limiting the voltage and / or discharging the first capacitor operates only in one polarity.

Die Überspannungsschutzvorrichtung umfasst die Ballastschaltung, die aus einem getakteten Schalter besteht, der einen Kondensator mit der Ladung vom ersten Kondensator auflädt, da er bei einem Blitzereignis durch eine Triggerschaltung gestartet wird. Die Ballastschaltung besteht aus folgenden Komponenten: Ein Burstgenerator mit Triggerschaltung und Triggereingang, ein schneller Schalter (zum Beispiel ein MOSFET), eine Speicherdrossel, ein zweiter schneller Schalter, ein zweiter Kondensator, ein Widerstand.The overvoltage protection device comprises the ballast circuit, which consists of a clocked switch which charges a capacitor with the charge from the first capacitor, since it is started by a trigger circuit in a lightning event. The ballast circuit consists of the following components: a burst generator with trigger circuit and trigger input, a fast switch (for example, a MOSFET), a storage choke, a second fast switch, a second capacitor, a resistor.

Wirkungsweise der getakteten Ballastschaltung nach 2:
Die getaktete Ballastschaltung überträgt in Millisekunden die nach einem Blitzereignis in dem ersten Kondensator gespeicherte Ladung zum zweiten Kondensator. Der zweite Kondensator kann dann relativ hochohmig mit geringer Leistung über einen längeren Zeitraum entladen werden, zum Beispiel über einen Widerstand kleiner Leistung.Operation of the clocked ballast circuit after 2 :
The clocked ballast circuit transmits, in milliseconds, the charge stored in the first capacitor after a lightning event to the second capacitor. The second capacitor can then be discharged relatively high impedance with low power over a longer period, for example, via a resistor of low power.

Die schnelle Triggerschaltung kann die Übertragung der Ladung vom ersten Kondensator zum zweiten Kondensator noch während des Blitzereignisses starten. Im Normalbetrieb ist der schnelle Schalter geöffnet und der zweite Kondensator ist entladen (wegen des Widerstandes). Sobald durch ein Blitzereignis ausgelöst die Triggerschaltung eine wesentliche Überschreitung der am ersten Kondensator vorgegebenen Spannung feststellt, schaltet sie periodisch den schnellen Schalter und lädt über die Speicherdrossel und mithilfe des zweiten schnellen Schalters, der als Diode ausgebildet ist, den zweiten Kondensator (ähnlich wie in einem Schaltnetzteil). Die Energie hierzu stammt vom ersten Kondensator und entlädt damit den ersten Kondensator soweit, bis die maximal vorgegebene Spannung wieder unterschritten wird oder bis der zweite Kondensator die Spannung vom ersten Kondensator erreicht hat. Anschließend wird der zweite Kondensator durch den Widerstand wieder entladen. Damit unterscheidet sich die Funktion dieser Ballastschaltung wesentlich von üblichen Ballastschaltungen und von elektronischen Lasten.The fast trigger circuit may start transferring the charge from the first capacitor to the second capacitor during the lightning event. In normal operation, the fast switch is open and the second capacitor is discharged (because of the resistance). Once triggered by a lightning event, the trigger circuit detects a significant overshoot of the predetermined voltage on the first capacitor, periodically switches the fast switch and loads the second capacitor via the storage inductor and the second fast switch, which is designed as a diode (similar to a switching power supply). The energy for this comes from the first capacitor and thus discharges the first capacitor until the maximum predetermined voltage is again fallen below or until the second capacitor has reached the voltage of the first capacitor. Subsequently, the second capacitor is discharged by the resistor again. Thus, the function of this ballast circuit differs significantly from conventional ballast circuits and electronic loads.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz empfindlicher Geräte vor Blitzeinschlag bereitgestellt.In accordance with the present invention, an overvoltage protection device is provided to protect sensitive equipment from lightning.

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in exemplarischer Weise mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:Embodiment of the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

1 die prinzipielle Schaltung der Überspannungsschutzvorrichtung ist, und 1 the principal circuit of the overvoltage protection device is, and

2 die prinzipielle Schaltung der getakteten Ballastschaltung zeigt. 2 the basic circuit of the clocked ballast circuit shows.

Es wird eine voll funktionsfähige Überspannungsschutzvorrichtung beschrieben, die sich in Ihrer Darstellung auf 1 u. 2 bezieht.A fully functional overvoltage protection device is described which is reflected in your presentation 1 u. 2 refers.

Mit dem Pfeil 1 ist ein Eingang der Schaltung, mit dem Pfeil 2 ein Ausgang bezeichnet. Das Versorgungsnetz ist im Folgenden mit U bezeichnet, ein Verbraucher im Folgenden mit V. Eine auf der Versorgungsspannung liegende Bemessungsstehstossspannung von mehreren Kilovolt ist am Eingang 1 durch ein erstes Symbol, das mit einem Pfeil 3 bezeichnet ist, schematisch dargestellt. Eine begrenzte Überspannungsspitze am Ausgang 2 ist durch ein zweites Symbol, das mit einem Pfeil 4 bezeichnet ist, schematisch dargestellt.With the arrow 1 is an input of the circuit, with the arrow 2 an output called. The supply network is referred to below as U, a consumer hereinafter with V. A lying on the supply voltage Rated substation voltage of several kilovolts is at the entrance 1 by a first symbol, that with an arrow 3 is designated, shown schematically. A limited overvoltage peak at the output 2 is by a second icon, that with an arrow 4 is designated, shown schematically.

Wesentliche Bestandteile der Überspannungsschutzvorrichtung sind eine erste und eine zweite Drossel DR1, DR2 für jeden Außenleiter L1, L2 (gekoppelt oder als einzelne Drosseln), ein Gleichrichter D1–D6, ein erster Kondensator C1 und eine Ballastschaltung R1. Für jeden weiteren Außenleiter sind eine weitere Drossel und zwei weitere Dioden für den Gleichrichter erforderlich.Substantial components of the overvoltage protection device are a first and a second choke DR1, DR2 for each outer conductor L1, L2 (coupled or as individual inductors), a rectifier D1-D6, a first capacitor C1 and a ballast circuit R1. For each additional outer conductor, another choke and two additional diodes are required for the rectifier.

Der besondere Schutz wird wie folgt erreicht.The special protection is achieved as follows.

Die erste und zweite Drossel DR1, DR2 liegen in der Zuleitung L1, L2 und begrenzen den maximalen Strom. Diese Drosseln DR1, DR2 sind in ihrem Aufbau so beschaffen, dass sie die an ihnen auftretende Spitzenspannung ohne Überschlag und Schaden verarbeiten können. Der begrenzte Strom fließt nun zum Verbraucher V und über einen Gleichrichter D1–D6 in einen ersten Kondensator C1. Die Spannung am ersten Kondensator C1 ändert sich nur wenig, da der Strom nur sehr kurzzeitig (ein Blitz dauert nur einige Mikrosekunden) fließt.The first and second throttle DR1, DR2 are in the supply line L1, L2 and limit the maximum current. These chokes DR1, DR2 are designed in their construction so that they can handle the peak voltage occurring to them without rollover and damage. The limited current now flows to the load V and via a rectifier D1-D6 in a first capacitor C1. The voltage at the first capacitor C1 changes only slightly, since the current flows only very briefly (a flash lasts only a few microseconds).

Über den Gleichrichter D1–D6 wiederum begrenzt der erste Kondensator C1 die Spannung am Ausgang der ersten und zweiten Drossel DR1, DR2 und damit am angeschlossenen Verbraucher V. Die Netzspannung an Phin (Phase) und Mpin (Mittelpunktleiter) gelangt über die erste Drossel DR1 und die zweite Drossel DR2 als Phout und Mpout zum Verbraucher V, also Betriebsmittel und/oder Geräte der Überspannungskategorie II bis IV wie eingangs erwähnt. Via the rectifier D1-D6, in turn, the first capacitor C1 limits the voltage at the output of the first and second choke DR1, DR2 and thus at the connected load V. The mains voltage at Phin (phase) and Mpin (center conductor) passes through the first choke DR1 and the second choke DR2 as Phout and Mpout to the consumer V, ie resources and / or devices of overvoltage category II to IV as mentioned above.

Über den Gleichrichter D1–D6 kommen Phout und Mpout ebenfalls zum ersten Kondensator C1 und zur Ballastschaltung R1.Via the rectifier D1-D6 Phout and Mpout also come to the first capacitor C1 and the ballast circuit R1.

Im Normalbetrieb ist die Ballastschaltung abgeschaltet und der erste Kondensator C1 wird auf den Spitzenwert Uss der Netzspannung geladen (Uss = Netzspannung x √2, bei 230 V Netzspannung sind das etwa 326 V).In normal operation, the ballast circuit is switched off and the first capacitor C1 is charged to the peak value Uss of the mains voltage (Uss = mains voltage x √2, at 230 V mains voltage this is about 326 V).

Es fließt anschließend nur der Strom, der vom Verbraucher V selbst aufgenommen wird und der geringe Standby-Strom der Triggerschaltung TR1 für die Ballastschaltung R1.It then flows only the current that is absorbed by the consumer V itself and the low standby current of the trigger circuit TR1 for the ballast circuit R1.

Nach Blitzeinschlag gemäß DIN VDE 0100-443 kann nun die Netzspannung mit einer Bemessungsstehstossspannung 3 von 6 KV bis 8 KV für die Dauer von einigen μsec überlagert werden mit Strömen in der Größenordnung von 5 KA.After lightning strikes in accordance with DIN VDE 0100-443, it is now possible to superimpose the mains voltage with a rated standstill voltage 3 of 6 KV to 8 KV for a period of a few μsec with currents of the order of magnitude of 5 KA.

Bei geeigneter Dimensionierung begrenzen die erste Drossel DR1 und die zweite Drossel DR2 den Strom auf Werte unter 50 A und laden über den Gleichrichter D1–D6 mit diesem Strom für einige μsec den ersten Kondensator C1 auf.With suitable dimensioning, the first choke DR1 and the second choke DR2 limit the current to values below 50 A and charge via the rectifier D1-D6 with this current for a few microseconds the first capacitor C1.

Der erste Kondensator C1 ist hinreichend groß bemessen, sodass sich seine Spannung lediglich um etwa 100 V ändert. Da der erste Kondensator C1 über den Gleichrichter D1–D6 auch mit dem Ausgang Phout und Mpout zum Verbraucher V verbunden ist, gelangt auch zum Verbraucher V nur diese zusätzliche Spannungserhöhung von etwa 100 V für die Dauer von einigen msec.The first capacitor C1 is dimensioned sufficiently large, so that its voltage changes only by about 100 V. Since the first capacitor C1 is also connected to the consumer V via the rectifier D1-D6 to the output Phout and Mpout, only this additional voltage increase of approximately 100 V for the duration of a few msec reaches the consumer V.

Bei einem Blitzereignis wird über eine Triggerschaltung TR1 ein Verbraucher, hier bezeichnet mit Ballastschaltung R1, parallel zum ersten Kondensator C1 eingeschaltet, um die von ihm aufgenommene Ladung sofort wieder abzubauen. Die Ballastschaltung R1 kann im einfachsten Fall aus einem Widerstand bestehen, der allerdings einige Kilowatt Impulsleistung verarbeiten muss.In a lightning event, a consumer, referred to here with ballast circuit R1, parallel to the first capacitor C1 is turned on via a trigger circuit TR1, to reduce the charge absorbed by him immediately. The ballast circuit R1 can in the simplest case consist of a resistor, which, however, has to process several kilowatts of pulse power.

Die in der hier vorliegenden Erfindung verwendete Ballastschaltung R1 wird bei einem Blitzereignis ebenfalls durch eine Triggerschaltung TR1 gestartet und besteht aus einem getakteten Schalter, der einen zweiten Kondensator C2 mit der Ladung vom ersten Kondensator C1 auflädt.The ballast circuit R1 used in the present invention is also started by a trigger circuit TR1 in a lightning event and consists of a clocked switch which charges a second capacitor C2 with the charge from the first capacitor C1.

In 1 wird die Ballastschaltung mit R1 angegeben und besteht aus folgenden Komponenten:
Ein Burstgenerator BG1 mit Triggerschaltung TR1 und Triggereingang TRE, ein schneller Schalter T1, zum Beispiel ein MOSFET, eine Speicherdrossel DR3, ein zweiter schneller Schalter D7, hier eine Diode, ein zweiter Kondensator C2, ein Widerstand R2.In 1 the ballast circuit is indicated by R1 and consists of the following components:
A burst generator BG1 with trigger circuit TR1 and trigger input TRE, a fast switch T1, for example a MOSFET, a storage choke DR3, a second fast switch D7, here a diode, a second capacitor C2, a resistor R2.

Wirkungsweise der getakteten Ballastschaltung R1 nach 2.Operation of the clocked ballast circuit R1 after 2 ,

Die getaktete Ballastschaltung R1 überträgt in Millisekunden die nach einem Blitzereignis im ersten Kondensator C1 gespeicherte Ladung zum zweiten Kondensator C2.The clocked ballast circuit R1 transmits in milliseconds the charge stored in the first capacitor C1 after a lightning event to the second capacitor C2.

Der zweite Kondensator C2 kann dann relativ hochohmig mit geringer Leistung über einen längeren Zeitraum entladen werden, zum Beispiel über einen Widerstand R2 kleiner Leistung.The second capacitor C2 can then be discharged relatively high impedance with low power over a longer period of time, for example via a resistor R2 low power.

Eine schnelle Triggerschaltung TR1 kann die Übertragung der Ladung vom ersten Kondensator C1 zum zweiten Kondensator C2 noch während des Blitzereignisses starten.A fast trigger circuit TR1 can start the transfer of the charge from the first capacitor C1 to the second capacitor C2 during the lightning event.

Im Normalbetrieb ist der schnelle Schalter T1 geöffnet und der zweite Kondensator C2 ist entladen (wegen des Widerstandes R2). Sobald durch ein Blitzereignis ausgelöst die Triggerschaltung TR1 eine wesentliche Überschreitung der am ersten Kondensator C1 vorgegebenen Spannung feststellt, schaltet sie periodisch den schnellen Schalter T1 und lädt über die Speicherdrossel DR3 und mithilfe des zweiten schnellen Schalters, hier die Diode D7, den zweiten Kondensator C2 (ähnlich wie in einem Schaltnetzteil). Die Energie hierzu stammt vom ersten Kondensator C1 und entlädt damit den ersten Kondensator C1 soweit, bis die maximal vorgegebene Spannung wieder unterschritten wird oder bis der zweite Kondensator C2 die Spannung vom ersten Kondensator C1 erreicht hat. Anschließend wird der zweite Kondensator C2 durch den Widerstand R2 wieder entladen.In normal operation, the fast switch T1 is open and the second capacitor C2 is discharged (because of the resistor R2). As soon as triggered by a lightning event the trigger circuit TR1 detects a significant excess of the predetermined voltage on the first capacitor C1, it periodically switches the fast switch T1 and loads the storage capacitor DR3 and the second fast switch, here the diode D7, the second capacitor C2 ( similar as in a switching power supply). The energy for this comes from the first capacitor C1 and thus discharges the first capacitor C1 until the maximum predetermined voltage is reached again or until the second capacitor C2 has reached the voltage from the first capacitor C1. Subsequently, the second capacitor C2 is discharged again through the resistor R2.

Damit unterscheidet sich die Funktion dieser Ballastschaltung R1 wesentlich von üblichen Ballastschaltungen und von elektronischen Lasten.Thus, the function of this ballast circuit R1 differs significantly from conventional ballast circuits and electronic loads.

Bei der hier vorliegenden Erfindung ist die Überspannungsschutzvorrichtung z. B. für den störungsfreien Dauereinsatz von Datenverarbeitungsanlagen einsetzbar. Bei einem Blitzereignis ist der störungsfreie Betrieb sichergestellt. Bei einem Ausfall der Netzspannung kann die Anlage über eine unterbrechungsfreie Stromversorgung weiter betrieben werden. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung wird ebenfalls über eine Überspannungsschutzvorrichtung gemäß beschriebener Erfindung betrieben.In the present invention, the overvoltage protection device z. B. for the trouble-free continuous use of data processing systems. A lightning event ensures trouble-free operation. If the mains voltage fails, the system can continue to operate via an uninterruptible power supply. The uninterruptible power supply is also operated via an overvoltage protection device according to the invention described.

Claims (6)

Überspannungsschutzvorrichtung zum Schutz eines Verbrauchers (V) gegen eine Überspannung auf einer Versorgungsspannung eines Versorgungsnetzes, die einen Gleichrichter (D1–D6) zum Gleichrichten eines Stromes umfasst, der zum Aufladen eines an ihn angeschlossenen ersten Kondensators (C1) vorgesehen ist, sowie eine dem ersten Kondensator (C1) parallel geschaltete Ballastschaltung (R1), die bei einer auf der Versorgungsspannung liegenden Bemessungsstehstossspannung zum Entladen des ersten Kondensators (C1) vorgesehen ist, sie eine Drossel (DR1, DR2) für jeden Außenleiter (L1, L2) eines Versorgungsnetzes (U) umfasst, welche jeweils in einer Zuleitung angeordnet sind, die vom Versorgungsnetz zum Verbraucher führt, und welche zur Begrenzung des Stromes bei auf der Versorgungsspannung liegender Bemessungsstehstossspannung vorgesehen und so dimensioniert sind, dass sie eine bei der Bemessungsstehstossspannung anliegende Spitzenspannung ohne Überschlag und Schaden verarbeiten, wobei die Ballastschaltung (R1) zumindest einen Widerstand (R2) umfasst, im Normalbetrieb abgeschaltet ist, und bei auf der Versorgungsspannung liegender Bemessungsstehstossspannung durch eine Triggerschaltung (TR1) gestartet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Triggerschaltung (TR1) einen schnellen Schalter (T1) bei Überschreitung einer vorgegebenen Spannung periodisch schaltet, und einen zweiten Kondensator (C2) mithilfe eines zweiten schnellen Schalters (D7) über eine Speicherdrossel (DR3) lädt.An overvoltage protection device for protecting a load (V) against an overvoltage on a supply voltage of a supply network comprising a rectifier (D1-D6) for rectifying a current intended to charge a first capacitor (C1) connected thereto and one of the first Capacitor (C1) connected in parallel ballast circuit (R1), which is provided at a lying on the supply voltage Bemstungsstehstossspannung for discharging the first capacitor (C1), they have a throttle (DR1, DR2) for each outer conductor (L1, L2) of a supply network (U ), which are each arranged in a supply line leading from the supply network to the consumer, and which are provided for limiting the current at the rated standstill voltage lying on the supply voltage and are dimensioned such that they process a peak voltage applied at the rated standstill voltage without rollover and damage, the Ballast circuit (R1) comprises at least one resistor (R2), is switched off in normal operation, and is started by a trigger circuit (TR1) at lying on the supply voltage by a trigger circuit, characterized in that the trigger circuit (TR1) a fast switch (T1) when exceeded periodically switches a predetermined voltage and charges a second capacitor (C2) via a second fast switch (D7) through a storage choke (DR3). Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (C1) dem Gleichrichter (D1–D6) parallel geschaltet ist.Overvoltage protection device according to claim 1, characterized in that the first capacitor (C1) is connected in parallel with the rectifier (D1-D6). Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (C1) über den Gleichrichter (D1–D6) die Spannung am Ausgang der Drosseln (DR1, DR2) und am Verbraucher (V) begrenzt.Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the first capacitor (C1) via the rectifier (D1-D6) limits the voltage at the output of the chokes (DR1, DR2) and the load (V). Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ballastschaltung (R1) aus der Triggerschaltung (TR1) mit einem Triggereingang (TRE), dem schnellen Schalter (T1), der Speicherdrossel (DR3), dem zweiten schnellen Schalter (D7), dem zweiten Kondensator (C2) sowie dem Widerstand (R2) besteht.Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the ballast circuit (R1) from the trigger circuit (TR1) with a trigger input (TRE), the fast switch (T1), the storage choke (DR3), the second fast switch (D7), the second capacitor (C2) and the resistor (R2) consists. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zweite Kondensator (C2) über den Widerstand (R2) entlädt.Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the second capacitor (C2) discharges via the resistor (R2). Überspannungsschutzanordnung mit einer Überspannungsschutzvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, einem Verbraucher und einem Versorgungsnetz (U), wobei die in den Außenleitern (L1, L2) angeordneten Drosseln (DR1, DR2) zwischen dem Versorgungsnetz (U) und dem Verbraucher (V) angeordnet sind.Overvoltage protection arrangement with an overvoltage protection device according to one of the preceding claims, a consumer and a supply network (U), wherein in the outer conductors (L1, L2) arranged chokes (DR1, DR2) between the supply network (U) and the consumer (V) are arranged ,

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