DE3604049C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-Z-etz, Bd. 106, 1985, Heft 17, S. 910-912).

Überspannungsschutzeinrichtungen werden heute in praktisch allen technischen Bereichen eingesetzt und dienen zum Schutz von Anlagen, Anlagenteilen oder Schaltungen vor unzulässiger Beanspruchung durch auftretende Überspannungen, wie sie beispielsweise durch Blitze hervorgerufen werden können. Dies gilt insbesondere auch für transportable, nachrichtentechnische Betriebsstätten. Denn durch Blitzeinwirkungen können zwischen den Leitern eines Netzanschlusses und den davon durch Schutzisolierung getrennten elektrischen Einrichtung so hohe Spannungen auftreten, daß die Schutzisolierung und die angesprochenen elektrischen Betriebsmittel durch Überschlag zerstört werden.

Die Überspannung auf der Netzanschlußseite müssen deshalb begrenzt werden.

Eine aus der DE-Z-etz, Bd. 106, 1985, Heft 17, Seite 910 bis 912 bekannte Überspannungsschutzeinrichtung sieht deshalb für eine Reihe von Phasenanschlüssen und einem gemeinsamen Nulleiter vor, daß diese Phasenleitungen über Löschfunkenstrecken und einer nachgeordneten Hochfunkenstrecke geschützt werden, die unmittelbar zwischen Netzanschlußstecker und Spannungsspitzenfilter angeordnet sind. Vor und während des Zündens entstehen an der Ableiterordnung Spannungsspitzen, deren Höhe von der Steilheit der Blitzüberspannungen abhängt. Die gesamte Verdrahtung in Netzanschaltkasten ist doppeltthermisch isoliert, um sowohl die thermische als auch die dynamische Belastung im Blitzfall von 80 kA auszuschal­ ten. Zudem kann auch die Verdrahtung des Netzanschlußkastens zu einem nachgeordneten Zwischentrafo über abgeschirmte Schutzschläuche erfolgen.

Den Löschfunkenstrecken nachgeschaltet sind in jedem Phasen- und in dem Nulleiter jeweils eine Drossel, eine Sicherung, eine Strombegrenzung und ein Ausgangstrafo. Auf der Sekundärseite des Trafos sind dann ferner zwischen jedem Energieversorgungs- und dem gemeinsamen Nulleiter ein Varistor zu weiteren Spannungsbegrenzungen geschaltet.

Die bekannte Überspannungsschutzeinrichtung weist aber den Nachteil auf, daß gleichwohl den zu schützenden elektrischen Anlagen im Extremfalle zu hohe Spannungsspitzen beispielsweise bis zu 700 Volt zugeführt werden können. Darüber hinaus muß auch der Ausgangstransformator für entsprechend hohe Spannungen bzw. Spannungsspitzen ausgelegt sein.

Eine Überspannungsschutzeinrichtung ist grundsätzlich auch aus der US 42 59 705 bekannt geworden. Drei Eingangsleitungen werden dabei über einen Überspannungs-Unterdrücker und -Filter eingangsseitig sowie ausgangsseitig über einen weiteren Filter geschützt. Zwischen dem Überspannungs- Unterdrücker und -Filter und dem ausgangsseitigen Filter sind Zweigleitungen zu Anschlußsteckern vorgesehen, in denen jeweils ein weiterer ausgangsseitiger Filter zur Trennung der ausgangsseitig zuschaltbaren Geräte vorgesehen ist.

Der aus dieser Druckschrift bekannte Überspannungs-Unterdrücker und -Filter überbrückt die beiden Phasenleitungen mit der dritten Masseleitung jeweils über einen Varistor und einen parallel geschalteten Kondensator, wobei über einen dritten Varistor die beiden Phasenleitungen in Verbindung stehen.

Auch diese bekannte Überspannungs-Schutzeinrichtung reicht nicht aus, um einen Schutz auch im Extremfall bei sehr hohen Spannungsspitzen bis zu 700 Volt stets zu gewährleisten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher ausgehend von dem bekannten Stand der Technik eine Überspannungsschutzeinrichtung zu schaffen, die demgegenüber auch bei Blitzeinschlag nur erheblich geringere maximale Spannungsspitzen an die angeschlossenen elektrischen Anlagen weitergibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Überspannungsschutzeinrichtung geschaffen, mit der es möglich ist, daß beispielsweise die durch Blitz eingeleiteten hohen Spannungen von etwa 20 kV an die angeschlossenen Verbraucher nur in einer Größe von ca. 120 V weitergeleitet werden. Und dies mit relativ einfachen technischen Mitteln.

Erfindungsgemäß erfolgt dies durch Anordnung eines Schwingungskreises in Form eines Parallel-Schwingungskreises mit einer Induktivität und einem Kondensator, wobei die Induktivität mit jeweils einer in einer Phasenleitung angeordneten Drossel über einen Eisenkern magnetisch gekoppelt ist. Hierdurch kann erreicht werden, daß im normalen Gegentaktbetrieb die Wirkung der in der Phasenleitung angeordneten Drossel praktisch völlig aufgehoben wird, so daß praktisch kein Spannungsabfall an dieser Drossel festzustellen ist. Beim Blitzeinschlag jedoch wird im Schwingkreis ein Fast-Kurzschluß erzeugt, so daß die Gegenkopplung des Schwingkreises auf die in der Phasenleitung angeordnete Phasendrossel aufgehoben und damit bei der angeschlossenen Wechselspannung die Phasendrossel bei entsprechend großem Widerstand einen gewünschten extrem hohen Spannungsabfall erzeugt.

Diese Wirkung kann in einer Weiterbildung nach Anspruch 2 auch dadurch weiter verbessert werden, daß eine im Nulleiter angeordnete Drossel ebenfalls mit einer lnduktivität eines Schwingkreises magnetisch gegengekoppelt ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform nach An­ spruch 3 ist sowohl die Drossel in der zugehörigen Phasen­ leitung wie in dem Nulleiter gemeinsam über einen Eisenkern mit einer Induktivität eines gemeinsamen Schwingkreises gekoppelt, wobei im normalen Betriebsfalle in beiden Drosseln praktisch durch die Gegentaktsteuerung des Schwingkreises kein Spannungsabfall auftritt.

Als günstig hat sich in einer Weiterbildung nach Anspruch 5 erwiesen, daß der Blindwiderstand im Schwingungskreis kapazitiv-anteilig ausgelegt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 6 ist dabei die Resonanzfrequenz des Schwingkreises entsprechend der Frequenz der Betriebsspannung ±30% ausgelegt, wobei die Bandbreite weniger als 5%, vorzugsweise weniger als 2% der Netzfrequenz entsprechen soll.

Eine weitere verbesserte Schutzfunktion läßt sich gemäß An­ spruch 8 mit einfachen Mitteln dadurch erzielen, daß die vorzugsweise aus Varistoren bestehenden Überspannungsbe­ grenzer nicht auf der Sekundärseite des Ausgangs-Transfor­ mators, sondern zwischen den Schwingungskreisen und der Primärseite des Ausgangs-Übertragungstransformators zuge­ schaltet sind.

Durch die Inreiheschaltung von Thermistoren zu den Varistoren gemäß Anspruch 9 und 10 kann auch noch ein weiterer Schutz bei Dauerbelastung erzielt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Fig. 1 eine Eingangsstufe der Überspannungsschutzein­ richtung;

Fig. 2 die der in Fig. 1 gezeigten Eingangsstufe nachgeschaltete Filter- und Ausgangsstufe.

Anhand von Fig. 1 und 2 wird zunächst der Aufbau der Überspannungsschutzeinrichtung erläutert.

In der in Fig. 1 gezeigten Eingangsstufe sind 4 Anschlüsse 1 gezeigt, über die ein Netzanschluß zur elektrischen Ener­ gieversorgung erfolgt. Dazu sind im gezeigten Ausführungs­ beispiel drei getrennte elektrische Leitungen, im folgenden Phasenleiter 3 und ein Nulleiter 5 vorgesehen.

Über Zweigleitungen 7 sind die Phasenleiter 3 und der Nulleiter 5 über parallel geschaltete Überspannungsableiter 9 geerdet. Die Überspannungsableiter 9 bestehen im gezeigten Ausführungsbeispiel aus parallel zueinander geschalteten Löschfunkenstrecken 9a und einer dazu zwischen einem ge­ meinsamen Anschluß 11 und der Masse bzw. Erde 13 geschal­ teten Hochfunkenstrecke 9b.

Die Phasen- und Nulleiter 3 bzw. 5 sind über Zwischensteck­ kontakte 17 und gegebenenfalls einem dazwischen angeordne­ ten geschirmten nicht näher gezeigten weiteren Leitungskabel mit der in Fig. 2 gezeigten Filter- und Varistorkombination verbunden.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist in jedem Phasenleiter 3 eine Drossel 19 vorgesehen. Darüber hinaus sind entsprechend der Zahl der Phasenleiter 3, im gezeigten Ausführungsbeispiel also der insgesamt drei Netzkabel drei parallel zueinander geschaltete weitere Drosseln 21 in dem Nulleiter 5 vorgesehen.

Für jeden Phasenleiter 3 ist ein Parallel-Schwingkreis 23 bestehend aus einer Schwingkreisdrossel bzw. Induktivität 25 und einem Schwingkreiskondensator 27 vorgesehen, wobei die Schwingkreisdrossel 25 lediglich über einen Eisenkern mit der jeweiligen Drossel 19 in der betreffenden Phasenleitung 3 und der Drossel 21 im Nulleiter 5 magnetisch gekoppelt ist.

Darüber hinaus sind jeweils zwischen einem Phasenleiter 3 und dem Nulleiter 5 zwischen den Drosseln 19 bzw. 21 und der Primärseite eines nachgeordneten Ausgangs-Übertragungs­ transformators 29 ein Varistor 31 und ein Thermistor 33 in Reihe geschaltet.

Schließlich und endlich können ferner in jeder Leitung noch zusätzliche Sicherungen 35 vorgesehen sein.

Dem Ausgangs-Übertragungstransformator 29 sind an der Sekun­ därseite u. a. noch HF-Durchführungsfilter 39 und Anschlüsse 37 zum Anschluß der vor Blitzüberspannung zu schützenden elektrischen Geräte vorgesehen.

Nachfolgend wird die Funktionsweise im normalen Betrieb er­ läutert.

Da in jedem Schwingungskreis 23 die vorgesehene Schwingungsdros­ sel 25 auf einem Eisenkern magnetisch jeweils mit der zuge­ hörigen Drossel 19 bzw. Drossel 21 im Gegentakt geschaltet ist, wird dadurch eine Gegenspannung auf die Drossel 19 bzw. 21 derart induziert, daß dem an sich bei zugeführter Wechselspannung an der Drossel 19 bzw. 21 zwangsläufig auftretenden Spannungsabfall entgegengewirkt wird. Dabei kann der Schwingkreis 23 so ausgelegt werden, daß an der Drossel 19 bzw. 21 praktisch kein Spannungsabfall im üblichen Betrieb auftritt. Vor allem dann, wenn die Induktivität und die Kapazität in dem Schwingkreis 23 mit gering kapazitiv­ anteiligem Blindwiderstand gewählt wird, so kann schließlich auch die an der Drossel 21 im Nulleiter auftretende Span­ nungsdifferenz ausgeglichen werden.

Bei einem möglichen Blitzeinschlag nun können beispielsweise Spannungsspitzen bis zu 80 kV auf der Netzseite der Über­ spannungsschutzeinrichtung auftreten.

Diese hohen Spannungen werden zum einen durch die Lösch­ funkenstrecke 9a bzw. die damit in Reihe geschaltete Hoch­ funkenstrecken 9b auf einen bestimmten Maximalwert be­ schränkt. Diese Überspannungsableiter werden dabei bei­ spielsweise so ausgelegt, daß die Ansprechspannung der ge­ samten Ableiteranordnung 12,5 kV (effektiv) ist.

Die noch vorhandenen energiereichen Störspannungen werden weiter über das Netz über die Phasenleiter 3 bzw. Nulleiter 5 auf die nachgeschalteten Drosseln und die Schwingkreise 23 weiter geleitet. Durch die durch den Eisenkern bedingte nicht lineare Induktanz geht die jeweilige Schwingkreisdrossel 25 in ihre Sättigung über, d.h., daß die Induktivität L kleiner wird. Der Blindwiderstand wird somit ebenfalls insge­ samt kleiner, kann aber aufgrund der Störfrequenz geringfügig zunehmen.

Dadurch ist eine Spannungsbegrenzung analog zu Z-Dioden- Schaltungen die Folge.

Bei zunehmender Störfrequenz aber wird auch der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators 27 im Schwingkreis 23 klei­ ner. Über die Drossel werden somit Amplituden auf beispiels­ weise 400 V begrenzt, wobei der Schwingkreis-Kondensator 27 bei zunehmendem Frequenzspektrum den Parallelwiderstand weiter vermindert. Er bildet somit einen Tiefpaß mit der im Nulleiter 5 angeordneten zugehörigen Drossel 21.

Durch diesen vorstehend erläuterten Prozeß wird der Gegen­ taktbetrieb des Schwingkreises 23 aufgehoben bzw. fast kurzge­ schlossen, daß nunmehr in der Drossel 19 bzw. 21 aufgrund des fehlenden Gegentaktbetriebes die Drosselwirkungen bei ent­ sprechend großem Widerstand auftreten und somit den ge­ wünschten weiteren Spannungsabfall ermöglichen.

Durch die nachgeschalteten Varistoren 31 mit derem spannungs­ abhängigen, nicht linearen Widerstand wird ferner sicherge­ stellt, daß bei den noch verbleibenden Spannungsspitzen der Widerstandswert zurückgeht, wenn die anliegende Spannung ansteigt. Bei Erreichen des unkritischen Ansprechwertes steigt durch den sich verringernden wirksamen Widerstand der Strom blitzartig an, wobei die Spannung auf den Ansprech­ wert zumindest weitgehend begrenzt wird oder sogar weiter abfällt.

Bei einem Blitzeinschlag ist trotz der hohen auftretenden Überspannungen nur eine äußerst kurze zeitliche Dauerbela­ stung an den Varistoren gegeben. Bei längerzeitigen Belastun­ gen mit Überspannungen (beispielsweise bei einem Fehlan­ schluß) könnten jedoch die erwähnten Varistoren beschädigt werden.

Deshalb sind in Reihe zu den erwähnten Varistoren 31 Thermi­ storen 33 geschaltet, deren Widerstandswert mit steigender Temperatur zunimmt. Hierdurch kann bei länger andauernden Belastungen (Falschanschlüssen) der Varistor nicht zerstört werden.

Durch den schließlich nachgeschalteten Ausgangs-Übertra­ gungstransformator 29 wird eine galvanische Entkoppelung zwischen Netz und an der Überspannungsschutzeinrichtung angeschlossenen elektrischen Geräte sichergestellt.

Obgleich natürlich die erwähten Varistoren bzw. Thermistoren auch auf der Sekundärseite nach dem Ausgangs-Übertragungs­ transformator 29 zugeschaltet sein können, bietet der in Fi­ gur 2 gezeigte Schaltungsaufbau den Vorteil, daß bei auf der Sekundärseite des Übertragungstransformators 29 vorgeschal­ teten Varistoren 31 und Thermistoren 33 der Ausgangs- Übertragungstransformator 29 selbst nur für geringere Span­ nungen ausgelegt sein muß.

Bei üblichen Spannungsabgriffen an den Trenntrafos von bei­ spielsweise 200/220/240 V und bei einer Leistung pro Phase an den Phasenleitern 3 von ca. 4.000 VA stehen insgesamt also 12.000 VA Leistung zur Verfügung, wobei die erwähnten Ausgangs-Übertragungstransformatoren 29 dann für eine Prüf­ spannung von 10.000 V ausgelegt sind.

Abschließend sei erwähnt, daß die Parallelschwingkreise bei­ spielsweise auf 50 oder 60 Hz - also im Bereich der Netz­ frequenz - abgestimmt sind, so daß also der Parallelschwing­ kreis bevorzugt bei der entsprechenden Netzfrequenz in Reso­ nanz steht. Bei 50 Hz ist damit beispielsweise eine Band­ breite von ±1% möglich.

Claims (10)

1. Überspannungsschutzeinrichtung, insbesondere für transportable Elektroanlagen mit Anschlüssen (1) für einen Nulleiter (5) und zumindest einen Phasenleiter (3), wobei alle Leitungen (3, 5) über parallel geschaltete Überspannungsableiter (9; 9a) bzw. über zumindest einen weiteren in Reihe hiermit geschalteten Überspannungsableiter (9b) mit Masse verbindbar sind, mit jeweils einer in jeder Leitung (3, 5) angeordneten Drossel (19, 21), einen Ausgangs-Übertragungstransformator (29) und mit auf der Sekundärseite des Ausgangs-Übertragungstransformators (29) angeordneten Überspannungsbegrenzern, die jeweils zwischen einem Phasenleiter (3) und dem Nulleiter (5) geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Phasenleiter (3) ein Parallel-Schwingkreis (23) bestehend aus einer Schwingkreisdrossel (25) und einem Schwingkreis-Kondensator (27) vorgesehen ist, und daß die Schwingkreis-Drossel (25) mit der zugehörigen, in dem entsprechenden Phasenleiter (3) angeordneten Drossel (19) über einen ferromagnetischen Kern magnetisch im Gegentakt gekoppelt ist.

2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch für den Nulleiter (5) ein Parallel- Schwingkreis (23) bestehend aus einer Schwingkreisdrossel (25) und einem Schwingkreis-Kondensator (27) vorgesehen ist, und daß die Schwingkreis-Drossel (25) mit der zugehörigen, in dem Nulleiter (5) angeordneten Drossel (21) über einen ferromagnetischen Kern magnetisch im Gegentakt gekoppelt ist.

3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schwingkreis-Drossel (25) im Phasenleiter (3) mit der Drossel (19) im Nulleiter (5) über einen ferromagnetischen Kern magnetisch im Gegentakt gekoppelt sind.

4. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei n-Phasenleitern (3) n-Parallel-Schwingkreise (23) und n parallel zueinander geschaltete Drosseln (21) im Nulleiter (5) vorgesehen sind.

5. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindwiderstand im Parallel-Schwingkreis (23) kapazitiv-anteilig ausgelegt ist.

6. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Parallel-Schwingkreises (23) auf die Betriebsfrequenz des angeschlossenen Netzes mit weniger als ±30% abgestimmt ist.

7. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandbreite der Resonanzfrequenz weniger als ±5%, vorzugsweise weniger als ±2% beträgt.

8. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise aus Varistoren (31) bestehenden Überspannungsbegrenzer nach den Parallel-Schwingkreisen (23) und vor dem Ausgangs-Übertragungstransformator (29) angeschlossen sind.

9. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Varistoren (31) mit temperaturabhängigen Widerständen (33) in Reihe geschaltet sind.

10. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturabhängigen Widerstände aus Thermistoren (33) bestehen.