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Die
Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzanordnung
Schutz eines Endgerätes
gegen Überspannungen,
gemäß Oberbegriff
des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zum Erstellen einer derartigen
Anordnung.
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Ein
solches Verfahren und auch eine dazugehörige Anordnung ist aus
DE-OS 43 17 191 bekannt.
Dabei sind im Wege einer Spannungswelle zunächst ein Blitzstromableiter
und dem nachgeordnet ein oder mehrere Überspannungsableiter in Reihe hintereinander
geschaltet vorgesehen. An den letzten Überspannungsableiter dieser
Reihe wird das Endgerät
angeschlossen. Es sind die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom
des Blitzstromableiters der zulässigen
Eingangsspannung und dem zulässigen
Eingangsstrom des nächstfolgenden
ersten Überspannungsableiters
angepaßt.
Diese Bedingungen werden bis zu dem zu schützenden Gerät fortgesetzt, wobei die Ausgangsspannung
und der Ausgangs-strom des letzten Überspannungsableiters der zulässigen Eingangsspannung
und dem zulässigen
Eingangsstrom des zu schützenden
Gerätes
angepaßt
sind. Hiermit sollen schädliche Überspannungen,
z.B. aufgrund eines Blitzstromes, von dem zu schützenden Endgerät abgehalten
werden, wobei primär
an den Einsatz bei einem EMV-Blitz-Schutzzonen-Konzept gedacht ist. Hiermit werden
von der sogenannten Feldseite (Blitz-Schutzzone Null) aus Schutzzonen
mit abnehmender Gefährdung
hin-10 sichtlich leitungsgebundener Störungen und sogenannter LEMP-Einwirkungen
geschaffen. Mit der Kürzel
LEMP sind ungedämpfte
elektromagnetische Felder des Blitzes gemeint.
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Bei
dem DE-Fachbuch; P. Hasse: Überspannungsschutz
von Niederspannungsanlagen, 1987, Seite 103, 108, 114 und 115; ist
die Ausbildung von Überspannungsbegrenzern
für informationstechnische
Anlagen gelehrt, wobei allgemein auf Entkopplungsglieder verwiesen
wird, die zwischen Grob- und Feinschutzelementen angeordnet werden.
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Der
dortige Typ LZ enthält
anstelle der Ohm'schen
Längswiderstände Induktivitäten mit
kleinem Gleichstromwiderstand und gibt daher keinerlei Anregung,
eine Luftspule aus einem Widerstandsdraht, bevorzugt aus einer hochohmigen
Legierung zu gestalten.
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Letztendlich
offenbart die
US 4,876,621 ein Schutzgerät für Telekommunikationsgeräte, wobei dort
auf besondere Vorteile beim Einsatz von Widerständen mit einem positiven Temperaturkoeffizienten verwiesen
wird.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiterentwickelte Überspannungsschutzanordnung
zum Schutz eines Endgerätes
gegen Überspannungen
sowie ein Verfahren zum Erstellen einer derartigen Überspannungsschutzanordnung
anzugeben, welche bzw. welches es gestattet, eine schnelle Schutzgeräteauswahl
bei Einsatz der Schutzgeräte
vor Ort durch einen Installateur zu ermöglichen.
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Die
Lösung
der Aufgabe der Erfindung erfolgt anordnungsseitig mit den Merkmalen
nach Patentanspruch 1 sowie bezüglich
dem Verfahren zum Erstellen einer Überspannungsschutzanordnung
in seiner Definition gemäß Lehre
des Patentanspruchs 2.
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Demnach
erfolgt eine energetische Abstimmung und Umsetzung in der Kette
vom Überspannungsschutzgerät zum Endgerät derart,
daß eine
Beschädigung
oder etwa Zerstörung
des Endgerätes vermieden
ist. Durch eine derartige Abstimmung auf die maximale Energieverträglichkeit
des Endgerätes hat
die aufgetretene schädliche Überspannung
keinen nachteiligen Einfluß mehr
auf das Endgerät.
In jeder der vorgenannten, möglichen
Stufen ist die Energieumsetzung des Überspannungsschutzgerätes der
vorhergehenden Stufe auf die maximal von dem Zwischenüberspannungsschutzgerät der nachfolgenden
Stufe bzw. von dem Endgerät
aufnehmbaren bzw. umsetzbaren Energie abgestimmt. Durch die alternative
Möglichkeit
der Zwischenschaltung von Überspannungsschutzgeräten kann
man Situationen gerecht werden, in denen die zu erwartende Energie der
schädlichen Überspannung
so groß sein
kann, daß sie
nicht von einem einzigen Überspannungsschutzgerät in einem
solchen Umfang in Wärme
umgesetzt werden kann, daß der
Restanteil anschließend
direkt dem Endgerät
zugeführt
werden kann, ohne dieses zu gefährden.
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Erfindungsgemäß ist der
Ausgangsseite des Überspannungsschutzgerätes oder
des betreffenden Zwischen-überspannungsschutzgerätes eine
der Energieumsetzung dienende Impedanz vorgesehen ist, wobei der
Widerstandswert dieser Impedanz wesentlich kleiner als der Widerstandswert
der Eingangsimpedanz des Endgerätes,
sowie wesentlich größer als der
Widerstandswert der Eingangsimpedanz eines gegebenenfalls vorgesehenen
Zwischenüberspannungsschutzgerätes ist.
Während
bei Verfahren und Anordnung nach
DE-OS
43 17 191 man beim Endgerät nur die Extremfälle des
Wertes des Eingangswiderstandes mit entweder "unendlich" oder "Null" in Betracht
zog, ist die Erfindung auf die in der Praxis tatsächlich vorhandenen
Fälle,
nämlich
eines endlichen Eingangswiderstandes des Endgerätes im Bereich von z.B. 100
Ohm bis 1 meg Ohm abgestellt. Oder es ist im Fall von zwischengeschalteten
Zwischenüberspannungsschutzgeräten eine
Abstimmung auf den Widerstandswert deren jeweiligen Eingangsimpedanz
gegeben. So besteht bei der Erfindung der Vorteil der Koordination
der Geräte
auf die tatsächliche
elektromagnetische und thermische Festigkeit des jeweiligen Endgerätes. Dabei
wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß für die beiden vorgenannten Alternativen,
nämlich
direkte Anschaltung des Endgerätes
an das Überspannungsschutzgerät, oder
eine Reihenschaltung aus Überspannungsschutzgerät, einem
oder mehreren Zwischenüberspannungsschutzgerät(en) und
Endgerät
immer das gleiche Überspannungsschutzgerät eingesetzt
werden kann. Der Widerstandswert seiner ausgangsseitigen Impedanz
paßt zu
beiden vorgenannten Alternativen.
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Gemäß einer
baulich und funktionsmäßig vorteilhaften,
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung besteht die Ausgangsimpedanz des Überspannungsschutzgerätes und
der gegebenenfalls vorgesehenen Zwischenüberspannungsschutzgeräten jeweils
aus einem Entkoppelungsglied in Form eines Ohm'schen, induktiven oder Ohm'schen und induktiven
Widerstandes (Impedanz) im Ausgangspfad an der elektrischen Ausgangsseite
des betreffenden Überspannungsschutzgerätes. Entkopplungsglieder sind
zwar für
sich in der Überspannungstechnik
bekannte Bauelemente. Hierauf wird beispielsweise in der eingangs
genannten
DE-OS 43 17 191 hingewiesen.
Auch sind Entkopplungsglieder bei einem Produkt "Blitzductor KT" der Anmelderin zur Koordination der Überspannungsschutzelemente
(Grobschutz, Feinschutz) innerhalb dieses Gerätes vorgesehen. Gemäß
DE 38 12 058 dient ein Entkopplungselement in
Form einer Impedanz zur Erzeugung eines Spannungsabfalles, der den
Ansprechwert des Grobschutzelementes überschreiten und damit dieses
in Funktion setzen kann. Mit der Erfindung ist dagegen das Entkopplungsglied
so ausgelegt, daß an
ihm die erforderliche Energieabsorbung erfolgen kann und ferner
ist es elektrisch so gestaltet, daß seine Ausgangsseite auf die
Eingangsseite des nächstfolgenden Gerätes angepaßt ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind der nachstehenden Beschreibung
und der zugehörigen
Zeichnung von Ausführungsmöglichkeiten
zu entnehmen. In der im wesentlichen schematischen Zeichnung zeigt:
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1 das Prinzip der Erfindung
in einer ersten Ausführung,
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2 die Anordnung nach 1 mit eingetragenen elektrischen
Werten,
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3 das Prinzip der Erfindung
in einer zweiten Ausführung,
einschließlich
eingetragener elektrischer Werte,
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4 die Ausführung einer
Leiterplatte mit einem Entkopplungsglied.
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In
der Darstellung gemäß 1 kommt über die Leitung 1 eine
z.B. von einem Blitzeinschlag herrührende Überspannung gemäß Pfeil 2 an.
Sie soll in ihrer energetischen Auswirkung soweit als notwendig von
dem zu schützenden
Endgerät 3 ferngehalten werden.
In diesem Beispiel sind hierzu ein erstes Überspannungsschutzgerät 4 und
ein weiteres, dem nachgeschaltetes Zwischenüberspannungsschutzgerät 5 vorgesehen.
In ihnen befinden sich jeweils nur schematisch angedeutete Überspannungsschutzelemente 6 und
Entkopplungselemente 7. Die Entkopplungselemente 7 sind
jeweils eine Impedanz, in der eine bestimmte Menge der von der Überspannung
herrührenden
Energie vernichtet, d.h. in Wärme umgesetzt
wird, bis die dem Endgerät 3 noch
zufließende
Energie so klein geworden ist, daß sie das Endgerät nicht
mehr beschädigt.
Hierzu ist gemäß der Erfindung
wesentlich, daß der
Widerstandswert der Impedanz des Entkopplungselementes 7 der
jeweiligen Ausgangsseite A des betreffenden Überspannungsschutzgerätes so dimensioniert
ist, daß im Zusammenwirken
mit der nachgeschalteten Impedanz der jeweiligen elektrischen Eingangsseite
E des nachfolgenden Gerätes
eine Energieaufteilung derart bewirkt wird, daß der Hauptanteil der Energie
an der Impedanz der jeweils vorgeschalteten Ausgangsseite umgesetzt
wird. Ab Fabrik sind derart koordinierbare Überspannungsschutzgeräte herstellbar.
Die Angaben über
die elektrischen Werte der jeweiligen Ausgangs- und Eingangsseite
können
durch eine Kennzeichnung erfolgen, z.B. durch einen Typenschlüssel für die Energiebelastbarkeit.
Auch können Kennzeichnungssymbole
für die
jeweils zueinanderpassenden Ausgänge
und Eingänge
vorgesehen werden.
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Die
energetische Bedrohung des Endgerätes durch einen Blitzstrom
bzw. durch Überspannung erzeugten
Strom wird in mehreren Stufen abgebaut. 2 zeigt eine dreistufige Anordnung. Ein
Zahlenbeispiel der Koordination der Überspannungsschutzgeräte 4, 5 und
des Endgerätes 3 einer
solchen Reihe ist 2 zu
entnehmen. Hierin bedeutet: Der durch einen Blitzschlag verursachte
Blitzteilstrom 5 kA (10/350 us) wird durch ein erstes Überspannungsschutzgerät 4 abgeleitet.
Die am Ausgang dieses ersten Überspannungsableiters
auftretenden Extremwerte sind: Spannung 1 kV bei hochohmigem nachgeschalteten
Endgerät 3 bzw.
maximaler Strom 5 kA (8/20 us) bei niederohmigem nachgeschalteten
Gerät.
Durch ein solches Gerät,
hier in Form des o.g. Zwischenüberspannungsschutzgerätes 5,
wird eine weitere Reduzierung erreicht auf: Maximale Spannung 500
V bei hochohmigem nachgeschalteten Gerät bzw. maximaler Strom 250
A (8/20 us) bei niederohmigem nachgeschalteten Gerät. Durch
ein weiteres, in der Zeichnung nicht dargestelltes Überspannungsschutzgerät könnte noch
eine weitere Reduzierung auf eine maximale Spannung von beispielsweise
20 V erreicht werden. Es kann aber auch, wie in diesem Ausführungsbeispiel
dargestellt, die Ausgangsseite des Zwischenüberspannungsschutzgerätes 5 mit
der Eingangsseite des Endgerätes 3 verbunden
werden, sofern das Endgerät 3 als
letzte Stufe in der Lage ist, ohne Beschädigung die ihm vom Zwischenüberspannungsschutzgerät 5 gelieferte
Energie und Spannung aufzunehmen und die Energie in Wärme umzusetzen.
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3 zeigt eine Ausführungsform,
bei der nur das Überspannungsschutzgerät 4 und
das ihm hier direkt nachgeschaltete Endgerät 3 vorgesehen sind.
Die Energieumsetzung erfolgt hierbei in erster Linie am Entkopplungselement 7 des Überspannungsschutzgerätes 4 und
nur zu einem Restanteil am bzw. im Endgerät 3.
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Es
ist ersichtlich, daß im
erstgenannten Ausführungsbeispiel,
bei dem zumindest ein Zwischenüberspannungsschutzgerät 5 vorgesehen
ist, der Widerstandswert des Entkopplungselementes 7 des ersten Überspannungsschutzgerätes 4 von
0,4 Ohm wesentlich größer ist
als der Widerstandswert von 0,2 5 Ohm (1 kV:5 kA) der Eingangsimpedanz
des Zwischenüberspannungsschutzgerätes 5.
Dagegen ist in der Ausführungsform
nach 3 der Widerstandswert
von 0,4 Ohm des Entkopplungselementes 7 des Überspannungsschutzgerätes 4 wesentlich
kleiner als der Widerstandswert von 100 Ohm (1 kV:10 A) der 10 Eingangsimpedanz
des Endgerätes 3.
In beiden vorgenannten Fällen
ist ein und dasselbe Überspannungsschutzgerät 4 an
der Eingangsseite der Gesamtanordnung einsetzbar.
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Nachfolgend
wird ein Zahlenbeispiel für
die Dimensionierung eines Entkopplungselementes 7 gegeben:
Angenommen
wird eine Energie von 450 Ws am Eingang eines Überspannungsschutzgerätes, die
durch die Bedrohung durch einen Blitzstrom von 2,5 kA (10/350 us)
verursacht wird. Am Ausgang dieses Überspannungsschutzgerätes soll
maximal eine Energie von 45 Ws an ein nachgeschaltetes Überspannungsschutzgerät bzw. den
zu schützenden
Verbraucher abgegeben werden. Erreicht werden kann dies durch die
Dimensionierung des Entkopplungselementes (im vorliegenden Beispiel
die o.g. 0,4 Ohm) bei einem bestimmten zu verwendenden Überspannungsschutzelement
(z.B. Begrenzungsspannung = 500 V). Diese beiden Parameter bestimmen
den Energieumsatz im Überspannungsschutzgerät. Somit gilt:
Energie
verursacht durch den Blitzstrom – Energieumsatz im Überspannungsschutzgerät = Verbleibende
Energie am Ausgang des Überspannungsschutzgerätes.
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Das
Leistungsvermögen
des Entkopplungselementes soll größer sein als die weitergeführte Energie
(z.B. 45 Ws). Dies ist bei der Dimensionierung des Entkopplungselementes
zu berücksichtigen.
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Der
Anwender kann sich mit der Erfindung die notwendige Anordnung zum
Schutz seines Endgerätes
durch entsprechende Zusammenstellung der Überspannungsschutzgeräte schaffen.
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Das
Entkopplungselement muß so
dimensioniert sein, daß es
eine hinreichende Menge an Energie absorbiert bzw. umsetzt und nur
noch die Energie an das nachfolgende Gerät weitergibt, die von diesem übernehmbar
ist. Das Entkopplungselement muß sowohl
die zu vernichtende Energie des Stromimpulses aufgrund eines Blitzschlages
oder dergleichen in Wärme
umsetzen, als auch den bei einem solchen Stromimpuls auftretenden
mechanischen Kräften
standhalten können.
In einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung besteht das Entkopplungselement aus einem Drahtwickel 8 in Form
einer sogenannten Luftspule. Dies hat gegenüber einer Spule mit Eisenkern
den Vorteil, daß keine
Sättigungserscheinungen
auftreten können.
Diese Drahtwickel sind bevorzugt in Art von Schraubenfedern schraubenförmig aus
einem Draht gewickelt. Dabei liegen ihre Windungen zwecks Erhöhung der
mechanischen Festigkeit und Stabilität bevorzugt dicht aufeinander.
Sie können
gemäß 4 auf einer Trag- oder Leiterplatte 9 vorgesehen
sein, die gleichzeitig die Überspannungsschutzelemente 10 trägt. In den 1–3 ist
zur zeichnerischen Vereinfachung nur eine einpolige Darstellung
gewählt.
In Wirklichkeit sind solche Anordnungen aber zweipolig und daher empfiehlt
es sich gemäß 4, auf der Trag- oder Leiterplatte 9 die
beiden Drahtwickel 8 dieser beiden Leitungen dicht nebeneinander
anzuordnen. Das gleiche gilt für
die beiden Überspannungsschutzelemente 10.
Hiermit ist eine sehr raumsparende Anordnung der Entkopplungselemente 8 und
der Überspannungsableiter 10 einschließlich deren
Beschaltung mit Hilfe einer Leiterplatte möglich. Hiermit kann man eine
sehr kleine Bauweise erreichen, wobei eine solche Leiterplatte nur
einige Zentimeter Kantenlänge
haben muß.
Sie ist in einen entsprechenden Schutzbaustein kleinerer Abmessungen
gemäß dem Modul 11 der Überspannungsschutzgeräte 4, 5 einbringbar,
wobei die Module 11 in Unterteile 12 einsteckbar
sind.
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Die
elektrisch wirksame Dimensionierung des jeweiligen Entkopplungselementes
in Form einer Impedanz wird so ausgelegt, daß nur ein Teil der gesamten
Energie, vorzugsweise ein Drittel, an ein nachgeschaltetes Gerät weitergegeben
wird.
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Die
mechanische Impulsbelastbarkeit, d.h. Standhalten auch größerer mechanischer
Stromkräfte,
wird – wie
bereits erwähnt – durch
die schraubenförmige
Wicklung des Entkopplungselementes verstärkt. Auch wird hierdurch die
thermische Belastbarkeit aufgrund des Impulsstromes der Überspannung verbessert,
da die einzelnen Windungen des Wickels eine relativ große Oberfläche haben
und damit im Belastungsfall eine entsprechend große Wärmeabstrahlung
nach außen
und auch in das Innere der Spule erfolgen kann. Erwähnt sei,
daß eine
Blitzbedrohung von beispielsweise 10/350 us erfordert, ein solches
Entkopplungselement für
eine Impulsbelastung von 160 kW und einen Energieumsatz von 45 Ws
zu dimensionieren. Die Entkopplungselemente können aus Draht von einer speziellen
Legierung, bevorzugt einer relativ hochohmigen Legierung wie Chrom-Nickel
bestehen. Ergänzend
sei noch darauf hingewiesen, daß die
vorzugsweise vorgesehenen Spulen sich durch eine niedrige elektrische
Kapazität auszeichnen.
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Die
Drähte
solcher Spulen sollen zur Schaffung einer entsprechenden mechanischen
Festigkeit bzw. Stabilität
gegen 30 die auftretenden Stromkräfte keinen zu kleinen Drahtdurchmesser
aufweisen. Es empfiehlt sich, Drähte
mit einem Durchmesser von 1 mm oder größer zu wählen.
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Ein
besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Erfindung besteht in
Geräten
mit einer hohen Eingangsimpedanz, wie sie speziell in der Informationstechnik,
in Computernetzwerken, steuertechnischen Regelanlagen und dergleichen
vorkommen. Da hier große
Eingangsimpedanzen vorliegen, kann die Ausgangsimpedanz des vorgeschalteten Überspannungsschutzgerätes relativ
hoch sein, da sie dann immer noch gemäß der Erfindung kleiner als
die nachfolgende Eingangsimpedanz des Endgerätes ist.