DE4107459C2 - Vorrichtung zum Überspannungsschutz eines an ein Kabel angeschlossenen elektrischen Endgerätes - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Damit soll die hausinterne Verkabelung und die daran angeschlossenen Endgeräte gegen von außen kommende Überspannungen geschützt sein. Solche Überspannungen können durch natürliche Blitzeinschläge, aber auch durch technisch hervorgerufene Störungen entstehen. Hauseingangsseitig ist ein schirmendes, elektrisch leitendes Gehäuse angeordnet, das mit Durchführungen für die externen und internen Datenkabel, wie PG-Verschraubungen, versehen ist. Das Gehäuse ist mit einem hausinternen Erdleiter verbunden, z. B. mit der örtlichen Potentialausgleichsschiene. Die zwischen zwei voneinander entfernten Gebäuden verlaufenden externen Datenleitungen des externen Kabels sind natürlich geschirmt verlegt.

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS 34 25 296) sind Entkopplungsglieder im Abstandsstück zwischen den Grobschutz- und Feinschutz- Elementen angeordnet. Die Entkopplungsglieder werden vor den beiden Feinschutzelementen in einem Stecker integriert. Als Grobschutzelemente werden dabei Gasableiter verwendet, die zueinander gleich ausgebildet sind. Diese Vorrichtung ist platzaufwendig. Außerdem ergibt sich kein unterschiedliches dynamisches und stationäres Ansprechverhalten.

Bei einer Vorrichtung zum Schutz von Telefonleitungen vor kurzzeitigen Überspannungen (CH-PS 592 376) liegen zueinander gleich gestaltete Entladungsröhren vor, um höhere Ströme als bei einer Vorrichtung mit nur einer Röhre mit gleicher Dimension aufzunehmen. Diese doppelte Anordnung der Entladungsröhren soll die Funktion auch dann sicherstellen, wenn eine davon zerstört ist.

Bei einem koaxialen, also unsymmetrischen Leitungssystem (DE-PS 36 26 800) sind Grobschutzelemente nur einfach vorgesehen und in der zentralen Leitung ist ein Entkopplungsglied in Form eines Kondensators innerhalb eines Feinschutzglieds angeordnet. Der Kondensator soll eine Fernspeisung des Gerätes durch Gleichstrom verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige, platzsparende Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu entwickeln, die sich durch ein günstiges statisches und dynamisches Ansprechverhalten auszeichnet und eine unerwünschte Überkopplung bei langen Leitungsführungen vermeidet. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Die Erfindung hat erkannt, daß zum Zünden der Feinschutzelemente keine zusätzlichen Entkopplungsglieder im Abstandsstück zwischen den Grobschutz- und Feinschutz-Elementen erforderlich sind. Dieses Abstandsstück kann vielmehr bereits von sich aus diese Funktion erfüllen, wenn es die im Anspruch definierte Länge aufweist. Über die Laufzeit der Transiente in diesem Abstandsstück wird das Feinschutzelement erst dann wirksam, wenn das vorgeschaltete Grobschutzelement zündet. Eine Steigerung des Überspannungsschutzes wird durch die beiden zwar parallel an jeder Leitung geschalteten, aber zueinander unterschiedlichen Gasableiter erreicht, die jeweils das Grobschutzelement bilden. Die Gasableiter haben ein zueinander unterschiedliches stationäres und damit auch statisches Ansprechverhalten. Einem guten dynamischen Verhalten des ersten Gasableiters, d. h. bei niedrigem Schutzpegel von z. B. weniger als 500 V, erhält man dynamisch eine hohe statische Ansprechspannung von z. B. 230 V. Umgekehrt, bei schlechtem dynamischem Verhalten des anderen Gasableiters, d. h. bei einem hohen Schutzpegel von z. B. 900 V, liegt ein niedriges statisches Ansprechverhalten von z. B. 90 V vor. Wenn nun keine Kopplungsglieder in dem Abstandsstück vorgesehen sind, dann spielen sich für den Überspannungsschutz unterschiedliche Vorgänge ab, in Abhängigkeit davon, ob eine Transienten- Überspannung oder ob die Überspannung aufgrund eines Laufzeiteffekts beseitigt werden soll.

Im ersten Fall, bei einer einlaufenden Transienten-Überspannung mit steilem Anstieg, z. B. bei einem Blitzschlag, wird der erste Gasableiter aufgrund des vorbeschriebenen Laufzeiteffekts der Transiente im Abstandsstück definierter Länge ansprechen und damit den Feinschutz entlasten. Wenn aber, in einem zweiten Fall, aufgrund einer magnetischen Einkoppelung eine Langzeitbeeinflussung eintritt, z. B. durch gelöscht betriebene Hochspannungsnetze oder durch eine fahrende E-Lok, so ergibt sich ein langsamer Anstieg der Überspannung mit vorbestimmter geringer Amplitude. In diesem zweiten Fall kann der Laufzeiteffekt für eine Entkopplung des Grob- und Feinschutzes nicht mehr sorgen. Jetzt wird sich aber das niedrige stationäre Ansprechverhalten des zweiten Gasableiters aus, der dann, anstelle des erstgenannten Gasableiters, zündet und damit den dazu abgestimmten Feinschutz entlastet. Wie ersichtlich, zünden somit die beiden Grobschutzelemente nie gleichzeitig, sondern stets nur einer von beiden, entsprechend dem jeweils vorliegenden Belastungsfall.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Bedeutsam ist es dabei, die in Anspruch 6 erwähnte auftrennbare Brücke vorzusehen. Bilden sich nämlich aufgrund unterschiedlicher Erdpotentiale Ausgleichsströme in dem beidseitig geerdeten Kabelschirm aus, so werden diese durch Öffnen der Brücke verhindert. Wenn jetzt eine Transiente mit steilem Anstieg eingekoppelt wird, ist die Schutzbeschaltung wirksam. Wenn aber aufgrund eingekoppelter externer Hochfrequenzsignale eine hochfrequente Induktion auf dem Schirm entsteht, bleibt die Schutzwirkung erhalten. Dadurch werden interne Datensignale der Leitung nach außen abhörsicher abgeschirmt. Für technische Wechselströme bleibt aber die Parallelschaltung aus Kondensator und Gasleiter auch bei geöffneter Brücke unterbrochen.

In den Zeichnungen ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 schematisch den Aufbau des Überspannungsschutzes zwischen zwei durch eine Datenleitung miteinander verbundenen Gebäuden und

Fig. 2 schematisch den Verlauf der Datenleitung innerhalb eines Gebäudes.

Die in Fig. 1 gezeigte Überspannungs-Schutzschaltung beschreibt die Verhältnisse zwischen hausübergreifenden Datenleitungen, bestehend aus einem externen Datenkabel 11, das zwischen den beiden Gebäuden 10, 10′ verläuft, um dort die internen LAN-Netze gemäß Fig. 2 zu betreiben. Dieses externe Kabel 11 umfaßt zunächst Datenleitungen, von denen in den Zeichnungen nur zwei gezeigt und mit 12, 13 bezeichnet sind. Die Datenleitungen 12, 13 sind nach außen von einem Kabelschirm 14 geschützt. Das externe Datenkabel 11 endet in den beiden Häusern 10, 10′ jeweils in einem geschirmten, elektrisch leitenden Gehäuse 20 bzw. 20′, das deshalb als "Schirmgehäuse" bezeichnet werden kann, wo sich entsprechende Durchführungen und Kabelanschlüsse befinden. Dies gilt auch für das Ende des zugehörigen internen Datenkabels 31 bzw. 31′. Für diese Anschlüsse ist im Gehäuse 20 eine Leiterplatte mit verschiedenen, teilweise noch näher zu beschreibenden Bauelementen vorgesehen, an welchen die jeweiligen Datenleitungen 12, 32 bzw. 13, 33 und Schirme 14, 34 des externen und internen Datenkabels 11, 31 angreifen. Das jeweilige Schirmgehäuse 20, 20′ ist an den hauseigenen Erdleiter 21, 21′ angeschlossen, der zu der jeweils vorhandenen Erdungsschiene 22, 22′ führt. Die Erdungsschiene 22, 22′ ist, in Abhängigkeit von den jeweiligen örtlichen Verhältnissen einem Erdungswiderstand 23 bzw. 23′ ausgesetzt, zwischen denen es zu einem Potentialunterschied kommen kann.

In den abgeschirmten Schirmgehäusen 20, 20′ befinden sich zunächst Überspannungsschutzelemente 24 bis 27, die im vorliegenden Fall in besonderer Weise ausgebildet sind, wie noch näher beschrieben wird. Sie sind zwischen die jeweilige Datenleitung 32, 33 des internen Kabels 31, 31′ und den hauseigenen Erdleiter 21 geschaltet. Außerdem ist jedes der beiden Schirmenden 15, 15′ vom externen Datenkabel 11 über mindestens je eine Brücke 16, 16′ mit dem Erdleiter 21, 21′ verbunden, wobei diese Brücke nur ein Bestandteil einer besonderen Schutzschaltung 19, 19′ ist. Parallel zu der Brücke 16 bzw. 16′ sind nämlich jeweils mindestens ein spannungsfester Kondensator 18, 18′ und mindestens ein Gasableiter 17, 17′ angeordnet, die ebenfalls das zugehörige Schirmende 15, 15′ mit dem Erdleiter 21, 21′ verbinden.

Durch unterschiedlichen Erdungswiderstand 23, 23′ kommt es in der Praxis häufig zu einem unterschiedlichen Spannungsabfall U1, U2, so daß zwischen den beiden Erdleitern 21, 21′ und damit zwischen den Schirmenden 15, 15′ ein Potentialunterschied entsteht. So kann z. B. der Erdungswiderstand 23′ am einen Schirmende 15′ bei 4Ω liegen, während der Widerstand am anderen Schirmende 15 nur einen Wert von 2Ω aufweist. Dieser Spannungsunterschied würde normalerweise zu Ausgleichsströmen über den externen Schirm 14 führen, die zu dessen Zerstörung führen könnten. Dieser Strom ist auch in der Lage, den Datenverkehr zu stören. Wird nun bei Fertigstellung der Anlage vor Ort ein Spannungsunterschied zwischen U1 und U2 festgestellt, so wird die eine, z. B. auf der Leiterplatte im Gehäuse 20 befindliche Brücke 16, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, unterbrochen. Andernfalls, wenn kein Spannungsunterschied besteht, können beide Brücken 16, 16′ geschlossen bleiben. Weil die Datenleitungen hochfrequent betrieben werden, könnte es zu einer Abstrahlung der Daten kommen, wie auch bei hohen Störspannungen ein Überschlag erfolgen würde, wenn nicht die besondere erfindungsgemäße Schutzschaltung 19 bzw. 19′ vorhanden wäre. Den Überschlag am nicht geerdeten Schirmende 15 vermeidet nämlich der parallel zur Brücke 16 bzw. 16′ geschaltete Gasableiter 17 bzw. 17′, der über seine Gasstrecke mit dem jeweiligen Erdleiter 21 bzw. 21′ verbunden ist und bei einer Spannungsbeaufschlagung wirksam wird. Die Abstrahlung ist aus folgendem Grund vermieden: Für niederfrequente Störströme (z. B. 50 Hz), ist die Schutzschaltung 19, 19′ hochohmig. Durch den jeweiligen Kondensator 18, 18′ ist aber diese Schaltung 19, 19′ hochfrequenzmäßig niederohmig mit dem jeweiligen Erdleiter 21, 21′ verbunden, weshalb es nicht zu dem unerwünschten hochfrequenten Abstrahlen der Daten kommt.

Auch hinsichtlich des Überspannungsschutzes des internen Datenkabels 31 liegen besondere Schaltungsmaßnahmen vor, wie Fig. 2 zeigt. Hauseingangsseitig, innerhalb des jeweiligen Schirmgehäuses 20, 20′ sind zwischen jeder der beiden Datenleitungen 32, 33 und dem Erdleiter 21 ausschließlich sogenannte Grobschutzelemente geschaltet, die z. B. aus einer Entladungsstrecke oder einem Varistor bestehen. Diese sind entsprechend dem gewünschten Blitzschutz-Potentialausgleich bemessen. Die zugehörigen Feinschutzelemente 28, 29 sind demgegenüber räumlich getrennt angeordnet und nicht mehr Bestandteil des jeweiligen Schirmgehäuses 20, 20′. Die Grobschutzelemente im eingangsseitigen Gehäuse 20 sind jeweils durch Parallelschalten zweier Gasableiter 24, 25 einerseits und 26, 27 anderer­ seits gebildet, die ein zueinander unterschiedliches dynamisches Ansprechverhalten aufweisen. So ist von den beiden zwischen dem Erdleiter 21 und der Datenleitung 33 geschalteten Gasableitern der eine, z. B. 24 bezeichnete, für langsame und der andere, mit 25 bezeichnete für schnelle Transiente zuständig. In entsprechender Weise ist der eine Gasableiter 26 an der Datenleitung 32 schneller als der andere 27 wirksam. Der langsame Gasableiter 24 bzw. 26 kann viel Energie ableiten, weshalb beim Grobschutz bereits ein niedriger Schutzpegel erreicht wird. Der entsprechende Aufbau der Grobschutzelemente in dem anderen Schirmgehäuse 20′ des im gegenüberliegenden Gebäude 10′ befindlichen internen Datenkabels 31′ wird in entsprechender Weise vorgenommen.

Wie bereits erwähnt wurde, befinden sich die Feinschutzelemente 28, 29 der beiden Datenleitungen 32, 33 um eine bestimmte Strecke 38 des internen Kabels 31 voneinander getrennt. Die Feinschutzelemente bestehen aus Dioden, z. B. Suppressor-Dioden, Zenerdioden oder Varistoren. Sie sind entsprechend der Empfindlichkeit des zu schützenden Endgerätes 35 bemessen. Die Erfindung hat nämlich erkannt, daß diese Leitungsstrecke 38 bereits wie ein "Entkopplungsglied" wirkt, weshalb die bisher in eine der beiden Datenleitungen 32 oder 33 zu schaltenden Entkopplungsglieder, wie Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten oder Filter, zwischen den Grobschutz- und Feinschutzelementen grundsätzlich entbehrlich sind. Die Praxis zeigte, daß diese Kabelstrecke 38 größer/gleich 6 Meter sein sollte. Damit sind nicht nur Bauteile vermieden, sondern es ist vor allem für eine niederohmige, also verlustfreie Übertragung der Daten gesorgt. Es ergibt sich folglich eine große Reichweite des erfindungsgemäßen LAN- Überspannungsschutzes. Eine unnötige Dämpfung der Datensignale ist vermieden. Die Entkopplung des Grob- und Feinschutzes wird über die Signallaufzeit der Transiente in den Datenleitungen 32, 33 innerhalb der Kabelstrecke 38 erreicht, die das Zünden des stromtragenden Gasableiters ermöglicht.

Die Feinschutzelemente 28, 29 sind also in einem gesonderten Gehäuse 37 angeordnet, das über einen Erdleiter 36 wieder mit der zugehörigen Erdungsschiene 22 verbunden ist. Dieses Feinschutzgehäuse 37 sollte möglichst unmittelbar vor dem zu schützenden Datenendgerät 35 angeordnet sein. Man integriert daher diesen Feinschutz 37 am Leitungseingang des Datenendgerätes 35. Man könnte das Datenendgerät 35 mit dem Feinschutzgehäuse 37 zu einer Baueinheit 30 gemäß Fig. 2 zusammen­ fassen. In diesem Fall kann jedes Endgerät 35 bereits für sich, bei Auslieferung, mit einer Feinschutzschaltung 37 ausgerüstet sein. Dadurch werden auch unerwünschte Überkopplungen von langen Leitungsführungen zwischen dem Feinschutz und dem zu schützenden Endgerät vermieden. Während bei den bekannten Gehäusen 20, 20′ die Ein- und Ausgänge der Kabel 11, 31 bzw. 11, 31′ nebeneinander auf der gleichen Gehäuseseite lagen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dafür die einander diametral gegenüberliegenden Enden 39, 40 des Gehäuses 20, 20′ zu verwenden, wie sich das aus den Fig. 1 und 2 auch ergibt. Durch diese geometrische Vorgabe der Anschlußlage der ungeschützten und der geschützten Datenleitungen ist eine Verkoppelung der Innen- und Außenkabel vermieden. Auch dies ist eine wichtige Folge der räumlichen Trennung 38 zwischen dem Grobschutz 24 bis 27 einerseits und dem Feinschutz 28, 29. Durch diese geometrische Vorgabe ist eine Parallelführung der Datenleitungen ausgeschlossen. Geschützte und ungeschützte Datenstränge liegen nicht mehr nebeneinan­ der.

Die internen und externen Kabel 11, 31 lassen sich montagefreundlich an der Leiterplatte im jeweiligen Gehäuse 20 anschließen. Durch Anpassungsglieder wird dabei für einen wellenwiderstandsrichtigen Aufbau des LAN- Überspannungsschutzes gesorgt. Es finden keine Datenreflexionen statt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Überspannungsschutz eines an ein Kabel (11, 31) zur Daten- oder Signalübertragung angeschlossenen elektrischen Endgeräts (35) gegen induzierte Transienten,
dessen Kabel (11, 31) sowohl Leitungen (12, 13; 32, 33) zur Daten- bzw. Signalübertragung als auch einen die Leitungen (12, 13; 32, 33) umschließenden Schirm (14; 34) aufweist, wobei
an den Kabelenden (15) der Schirm (14, 34) geerdet (19) ist und die Leitungen (12, 13; 32, 33) über Grobschutzelemente (24, 25, 26, 27) und Feinschutzelemente (28, 29) an den Erdleiter (21, 22, 23) angeschlossen sind,
zwischen den Grobschutzelementen (24, 25, 26, 27) und den Feinschutzelementen (28, 29) Entkopplungsglieder geschaltet sind
und die Grobschutzelemente (24, 25, 26, 27) durch ein Kabel- Abstandsstück (31) definierter Länge (38) von den Feinschutzelementen (28, 29) räumlich getrennt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Entkopplungsglieder ausschließlich von den Leitungsabschnitten (32, 33) im Kabel-Abstandsstück (31) gebildet sind und diese Leitungsabschnitte (32, 33) eine solche Länge (38) aufweisen, daß die Transienten das Feinschutzelement (28; 29) erst dann erreichen, wenn das zugehörige Grobschutzelement (24, 25; 26, 27) zündet,
und das Grobschutzelement aus wenigstens zwei parallelen, an jede Leitung (12, 13) angeschlossenen Gasableitern (24, 25; 26, 27) besteht, die ein zueinander unterschiedliches Ansprechverhalten aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinschutzelemente (28, 29) jeweils im Bereich des elektrischen Endgeräts (35) angeordnet sind, insbesondere unmittelbar vor dem Endgerät (35).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Endgerät (35) mit den Feinschutzelementen (28, 29) zu einer Baueinheit (30) zusammengefaßt ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kabel-Abstandsstück aus dem hausinternen Verbindungskabel (31) zwischen dem elektrischen Endgerät einerends und einem geerdeten Gehäuse (20) andernends besteht, wobei das Gehäuse (20) zugleich zum Anschluß eines ankommenden externen Kabels (11) dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführstellen des externen Kabels (11) gegenüber denjenigen des hausinternen Kabels (31) auf zueinander gegenüberliegenden Seiten (39, 40) des Gehäuses (20) angeordnet sind und voneinander wegweisen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem jeweiligen Ende (15, 15′) vom Schirm (14) des externen Kabels (11) einerseits und dem zugehörigen Erdleiter (21, 22; 21′, 22′) mindestens eine fallweise auftrennbare Brücke (16, 16′) angeordnet ist und parallel zur Brücke (16, 16′) sowohl mindestens ein Kondensator (18, 18′) als auch wenigstens ein Gasableiter (17, 17′) geschaltet sind.