DE3604049C2 - - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
- H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
- H02H7/008—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for protective arrangements according to this subclass
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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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863604049 DE3604049A1 (de) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | Ueberspannungsschutzeinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863604049 DE3604049A1 (de) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | Ueberspannungsschutzeinrichtung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3604049A1 DE3604049A1 (de) | 1987-08-13 |
DE3604049C2 true DE3604049C2 (de) | 1992-12-10 |
Family
ID=6293737
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863604049 Granted DE3604049A1 (de) | 1986-02-08 | 1986-02-08 | Ueberspannungsschutzeinrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3604049A1 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3708804A1 (de) * | 1987-03-18 | 1987-10-22 | Josef Schmitz | Transformator |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4259705A (en) * | 1979-03-27 | 1981-03-31 | Stifter Francis J | Combination surge suppressor filter |
-
1986
- 1986-02-08 DE DE19863604049 patent/DE3604049A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3604049A1 (de) | 1987-08-13 |
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Legal Events
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