DE4341924A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Stoßströmen zur Blitzsimulation - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Stoßströmen zur BlitzsimulationInfo
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Description
Es ist bekannt, daß bei einem Blitzeinschlag nicht ein
einzelner Blitzstoßstrom zur Erde fließt, sondern eine
Folge von Blitzstoßströmen, sogenannte Folgeblitze
auftreten (vergleiche Baatz, H.: Mechanismus des Gewitters
und Blitzes. Grundlagen des Blitzschutzes von Bauten.
VDE-Schriftenreihe No. 34).
Blitzschutzeinrichtungen müssen so dimensioniert werden,
daß sie den Beanspruchungen durch den in der Natur
vorkommenden Blitzen standhalten. Das erfordert eine
dementsprechende Berücksichtigung während der technischen
Entwicklung. Zur Bestätigung der Funktion eines
Blitzschutzgerätes verläßt man sich nicht allein auf
die Grundlagen und die Dimensionierung per Computer,
sondern prüft ein Produkt im Labor durch Beanspruchung
mit einem künstlich erzeugten Blitzstoßstrom. Wegen der
oben genannten Komplexität des Blitzstromverlaufes in
der Natur hat man sich bisher in den internationalen
Normen darauf geeinigt, einen einzelnen Teilstrom mit
definierten Zeitkennwerten im Labor zu erzeugen (VDE
0432; VDE 0675; VDE 0185; VDE Verlag GmbH., Berlin 12
und Offenbach). Dabei werden Stoßströme mit den Zeitkenn
werten T1/T2 (T1 bedeutet Stirnzeit, T2 bedeutet die
Rückenhalbwertzeit des Stoßstromes) von 4/10 µs und 8/20 µs
erzeugt. Die Höhe des Stoßstromes richtet sich dabei
nach den einzelnen speziellen Gerätenormen und liegt
bei 20 bis 100 kA. Dabei ist man sich darüber im klaren,
daß nur ein Teilaspekt des gesamten Blitzgeschehens im
Labor simuliert wird.
Verschiedene Versuche wurden unternommen, mit
wirtschaftlich vertretbarem Aufwand die echte Natur des
Blitzes im Labor zu simulieren (Feser, K. et.al. :
Simulation of multiple lightning strokes in laboratory.
Third international symposium on high voltage engineering
Milan 28.-31. Aug. 1979).
In den letzten Jahren hat sich durch die Arbeiten der
Hochschule der Bundeswehr in München eine Idee verbreitet,
das gesamte komplexe Blitzgeschehen durch einen nach
wie vor einzigen, jedoch neuen Stoßstrom mit den
Zeitkennwerten 10/350 µs zu simulieren.
In dieser Tabelle sind die Anforderungen für Stoßströme
nach den zu erwartenden geänderten Normen aufgeführt.
Dabei bedeutet:
imax: Amplitude des Stoßstromes
Q: Ladung des Stoßstromimpulses
W/R: Grenzlastintegral des Stoßstromimpulses
di/dt: Zeitliche Änderung des Stoßstromes.
Q: Ladung des Stoßstromimpulses
W/R: Grenzlastintegral des Stoßstromimpulses
di/dt: Zeitliche Änderung des Stoßstromes.
Die Erzeugung von unipolaren einmaligen Stoßströmen ist
Stand der Technik und z. B. beschrieben in einer Arbeit
von M. Modrusan (Modrusan, M.: Normierte Berechnung von
Stoßstromkreisen für vorgegebene Impulsströme. Bull.
SEV/VSE 67 (1976) 22, 20. Nov.).
Die Erzeugung des Stoßstromes erfolgt in einem Stoßstrom
generator gemäß Bild 1. Dies zeigt eine Prinzipschaltung
zur Erzeugung eines unipolaren Stoßstromes mit einem
Schwingkreis.
Dabei bedeutet:
HT: Hochspannungstransformator
D: Hochspannungsgleichrichterdiode
C: Stoßstromkondensator
RI: Ladewiderstand
Rd: Dämpfungswiderstand
L: Induktivität des Kreises (Aufbau und Zusatzinduktivität)
SF: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke
PO: Prüfobjekt
S: Strommeßwiderstand
Zh: Hochspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
Zn: Niederspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
UL: Ladespannung.
D: Hochspannungsgleichrichterdiode
C: Stoßstromkondensator
RI: Ladewiderstand
Rd: Dämpfungswiderstand
L: Induktivität des Kreises (Aufbau und Zusatzinduktivität)
SF: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke
PO: Prüfobjekt
S: Strommeßwiderstand
Zh: Hochspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
Zn: Niederspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
UL: Ladespannung.
In dieser Schaltung wird zunächst der Kondensator C auf
die für die Erzeugung eines gewünschten Stoßstromes
notwendige Ladespannung UL aufgeladen und dann durch
Zündung der triggerbaren Schaltfunkenstrecke SF auf das
Prüfobjekt geschaltet. Dabei fließt der gewünschte
Stoßstrom durch das Prüfobjekt und wird mittels Strommeß
widerstand S gemessen. Die Spannung am Prüfobjekt PO
wird mit einem Spannungsteiler gemessen.
Auf der Basis dieser Schaltung werden heute von
zahlreichen Unternehmen Impulsgeneratoren zur
Stoßstromerzeugung angeboten, mit denen in den
Industriebetrieben die Stoßstromprüfung von Blitz
schutzeinrichtungen nach geltenden Normen durchgeführt
werden.
Dieser Typ von Stoßstromgenerator wird wirtschaftlich
eingesetzt für solche Stoßströme, bei denen das Verhältnis
von Rückenhalbwertzeit T2 zur Stirnzeit T1 zwischen 2
und 3 liegt.
Dadurch wird durch das Überschwingen eine gute Ausnutzung
des Kreises, d. h. ein hoher Stoßstrom erreicht.
Mit diesem bekannten Prinzip der Stoßstromerzeugung lassen
sich sowohl Trennfunkenstrecken als auch
Metalloxidvaristoren ohne Probleme prüfen. Insbesondere
bei Metalloxidvaristoren zeigt sich wegen des im Kreis
vorhandenen Dämpfungswiderstandes Rd kaum eine Rückwirkung
des dynamischen Widerstandes eines Metalloxidvaristors
auf die Stromform. Dies ist gerade bei dem in einem
späteren Abschnitt beschriebenen Verfahren eine
Einschränkung.
Es stellt sich die Frage, ob mit diesem Prinzip auch
eine Stoßstromanlage mit den Zeitkennwerten 10/350 µs
gebaut werden kann, die derzeit in den internationalen
Normengremien diskutiert wird. Dazu sind in den folgenden
Bildern die Dimensionierungskriterien nach den bereits
veröffentlichten Grundlagen von M. Modrusan (Modrusan,
M.: Normierte Berechnung von Stoßstromkreisen für
vorgegebene Impulsströme. Bull. SEV/VSE 67 (1976) 22,
20. Nov.) vom Verfasser dieser Anmeldung auf die
Stoßstromform 10/350 µs erweitert worden. Die Bilder 2
und 3 zeigen die grafische Darstellung der Dimensionierung
für einen angenommenen typischen Fall der Ladung des
Stoßkondensators auf 100 kV.
Dabei ist in Bild 2 die Dimensionierungsgrundlage für
Stoßstromgeneratoren mit der Stoßstromform 10/350 µs
dargestellt. Es wird eine Ladespannung von 100 kV
angenommen.
In Bild 3 ist der Zusammenhang von notwendiger Kapazität
C und Ladung Q in Abhängigkeit von der Höhe des
gewünschten Stoßstromes (Scheitelwert) dargestellt.
Man erkennt in Bild 3, daß zur Erzeugung eines Stoßstromes
mit einem Scheitelwert von 100 kA ein Kondensator (mehrere
parallel geschaltete Kondensatoren) mit einer
Gesamtkapazität von 500 µF notwendig ist.
Aus diesem Grunde wurden an anderer Stelle bereits
Überlegungen angestellt, wie mit einfacheren Verfahren
die Erzeugung einer Stoßstromform 10/350 µs ermöglicht
werden könnte.
Eine Technik zur effizienten Erzeugung von Stoßströmen
mit einer gegenüber der Stirnzeit großen Rückenhalbwert
zeit ist das im Bild 4 dargestellte Prinzip (Zischank,
W.: A surge current generator with a double-crowbar spark
gap for the simulation of direct lightning stroke effects.
Fifth international Symposium on high voltage engineering.
Braunschweig 24.-28. Aug. 1987). Dies betrifft die
Erzeugung von unipolaren Stromimpulsen in einem Stromkreis
mit Abschneidefunkenstrecke (Crow Bar - Prinzip).
Bild 4 zeigt eine Prinzipschaltung zur Erzeugung eines
unipolaren Stoßstromes mit einem Schwingkreis und einem
nachgeschalteten Abschneidekreis (Crowbar-Prinzip).
Dabei bedeutet:
HT: Hochspannungstransformator
D: Hochspannungsgleichrichterdiode
C: Stoßstromkondensator
RI: Ladewiderstand
Rd: Dämpfungswiderstand
Li: Induktivität des Kreises (Aufbauinduktivität)
Lo: Externe Induktivität zur Impulsformung
SF1: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke Stoßauslösung
SF2: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke Abschneide funkenstrecke
PO: Prüfobjekt
S: Strommeßwiderstand
Zh: Hochspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
Zn: Niederspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
UL: Ladespannung
D: Hochspannungsgleichrichterdiode
C: Stoßstromkondensator
RI: Ladewiderstand
Rd: Dämpfungswiderstand
Li: Induktivität des Kreises (Aufbauinduktivität)
Lo: Externe Induktivität zur Impulsformung
SF1: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke Stoßauslösung
SF2: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke Abschneide funkenstrecke
PO: Prüfobjekt
S: Strommeßwiderstand
Zh: Hochspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
Zn: Niederspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
UL: Ladespannung
Die Funktion dieser Schaltung ist folgendermaßen: Nach
Aufladen des Kondensators C wird zunächst die
Schaltfunkenstrecke SF1 gezündet. Die im Kondensator
gespeicherte Energie wird bei einem möglichst hohen
Stromscheitelwert in die Induktivität Lo transferiert.
Wenn die Spannung an C gerade zu Null wird, zündet die
Funkenstrecke SF2. Die in der Induktivität gespeicherte
Energie steht jetzt zur Pulsformung zur Verfügung. Die
Induktivität bildet mit dem Widerstand des Prüfobjektes
und den Bahnwiderständen von Zuleitung und Spule ein
Verzögerungsglied erster Ordnung. Die Folge ist ein
Abklingen des Stromes mit der durch den Quotienten aus
Induktvität Lo und Bahnwiderstand gegebenen
Zeitkonstanten. Durch geeignete Dimensionierung der Spule
mit der Induktivität Lo und kleinen Widerständen im
Prüfobjekt (z. B. bei Luftfunkenstrecken) läßt sich mit
der Schaltung nach Bild 4 ein Stoßstrom bis 200 kA
erzeugen. Die notwendige Größe des Kondensators C ist
dabei in der gleichen Größenordnung wie in dem im
vorhergehenden Abschnitt beschriebenen Verfahren des
Schwingkreises. Der Nachteil dieser Schaltung besteht
jedoch in der Empfindlichkeit der Kurvenform des
Stoßstromes auf den Widerstand des Prüfobjektes. So können
noch Luftfunkenstrecken mit relativ kleinen
Funkenwiderständen mit diesem Prinzip bei einer Stromform
10/350 µs geprüft werden. Die Prüfung von
Metalloxidvaristoren führt mit der Crowbar-Technik jedoch
zu den bekannten Schwierigkeiten, da der dynamische
Widerstand der Halbleiterwerkstoffe zu groß wird.
Dadurch entsteht eine Rückwirkung mit der Folge, daß
die Stoßstromform stark von der Form 10/350 µs abweicht.
Versuche in Anlagen mit Crowbar-Technik haben dies
bestätigt.
Da die Überspannungsschutzeinrichtungen auf der Basis
von Metalloxid für den inneren Blitzschutz Stand der
Technik sind und auch die Weiterentwicklung der
Metalloxidvaristoren eine Anwendung auch für höchste
Stoßströme erwarten läßt, gilt es, eine technische Lösung
zu finden, die Nachteile der bisherigen Lösungen
vermeidet.
Nachstehend ist eine neue Methode zur Erzeugung von
Stoßströmen angegeben.
In Tabelle 2 sind die bisherigen und die neue technische
Lösung zur Erzeugung von Stoßströmen miteinander
verglichen. Im folgenden wird die neue Lösung näher
beschrieben.
Die Tabelle 2 zeigt einen Vergleich der Eigenschaften
verschiedener bekannter Verfahren zur Stoßstromerzeugung
und den Vorschlag für eine neue Lösung.
Ziel der neuen Lösung ist die Erfüllung der folgenden
Anforderungen.
- - Erfüllung der Forderungen in Tabelle 1
- - Prüfung von Metalloxidvaristoren mit hohen Stoßströmen bis 200 kA ohne Rückwirkung auf die Kurvenform des Stoßstromes.
- - Es soll möglich sein, das tatsächliche Geschehen in einem Blitz als eine Folge von einzelnen Stoßstrom impulsen nachzubilden, wobei die Impulsform der einzelnen Impulse einzeln einstellbar und die zeitliche Abfolge ebenfalls mit guter Reproduzierbarkeit einstellbar ist.
- - Der Aufwand an Energiespeichern soll wirtschaftlich vertretbaren Aufwand nicht übersteigen.
Die Überlegungen, die zur neuen Lösung geführt haben,
gehen von der Tatsache aus, daß in einem elektrischen
Schwingkreis die Stromamplitude von der Kreisdämpfung
abhängt. Je kleiner die Kreisdämpfung, desto höher ist
auch der Stromscheitelwert, allerdings ist dann von
Nachteil, daß der Kreis stark schwingt und daher die
Erzeugung eines Impulses mit langer Rückenhalbwertzeit
wie bei 10/350 µs nicht möglich ist.
Es gilt also, den Vorteil der hohen Stromamplitude zu
nutzen und den Nachteil des starken Schwingens zu
beseitigen. Dann kann mit wirtschaftlich vertretbarem
Aufwand ein hoher Stoßstrom erzeugt werden. Die Lösung
dieses Problems ist die in Bild 5 vorgeschlagene
Schaltung.
Dabei bedeutet:
HT: Hochspannungstransformator
D: Hochspannungsgleichrichterdiode
C: Stroßstromkondensator
RI: Ladewiderstand
Rd: Dämpfungswiderstand
L: Induktivität des Kreises (Aufbau und Zusatz induktivität)
SF: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke
PO: Prüfobjekt
S: Strommeßwiderstand
Zh: Hochspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
Zn: Niederspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
MOV: Metalloxidvaristor
i(t): Strom
UL: Ladespannung
D: Hochspannungsgleichrichterdiode
C: Stroßstromkondensator
RI: Ladewiderstand
Rd: Dämpfungswiderstand
L: Induktivität des Kreises (Aufbau und Zusatz induktivität)
SF: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke
PO: Prüfobjekt
S: Strommeßwiderstand
Zh: Hochspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
Zn: Niederspannungsteil eines Spannungsteilers zur Messung der Spannung am Prüfobjekt
MOV: Metalloxidvaristor
i(t): Strom
UL: Ladespannung
Bild 6 zeigt eine Prinzipdarstellung für einen
Stoßstromverlauf in einem Schwingkreis mit einem Metall
oxidvaristor (kein Unterschwingen des Stromes) und ohne
Metalloxidvaristor (Unterschwingen des Stromes).
Durch die schwache Dämpfung des Kreises wird eine hohe
Stromamplitude erreicht. Das Durchschwingen wird durch
die Serienschaltung eines Metalloxidvaristors in den
Serienschwingkreis vermieden. Dies geschieht dadurch,
daß ein Metalloxidvaristor bei hohen Stoßströmen einen
kleinen dynamischen Widerstand aufweist, bei kleinen
Strömen, d. h. im Nulldurchgang des Stromes jedoch einen
sehr großen dynamischen Widerstand aufweist. Wie in Bild 6
in einer reinen Prinzipdarstellung gezeigt, schwingt
der Strom ohne Metalloxidvaristor durch. Mit Metalloxid
varistor wird im Nulldurchgang des Stromes der hohe
dynamische Widerstand wirksam und ändert dadurch sofort
die Dämpfung des Kreises, so daß kein Unterschwingen
des Stromes mehr auftritt.
Damit ist der erste Schritt der neuen Lösung erreicht.
Der zweite Schritt besteht in der Erzeugung eines Stoß
stromes 10/350 µs. Die sukzessive Nacheinanderschaltung
von einzelnen Stoßströmen nach dem Prinzip in Bild 5
und 6 ermöglicht auch die Erzeugung einer Stoßstromform
10/350 µs dadurch, daß die Teilströme zeitversetzt
geschaltet werden. Dieses Prinzip ist in Bild 7 gezeigt.
Bild 8 zeigt eine Computersimulation von 3 Teilströmen.
In Bild 7 ist die Erzeugung eines Stoßstromes mit langer
Rückenhalbwertzeit z. B.: 10/350 µs durch sukzessives
Nacheinanderschalten einzelner Stoßströme aus Kreisen
mit schwacher Dämpfung verdeutlicht.
Dabei bedeutet:
C: Stoßstromkondensator
Rd: Dämpfungswiderstand
L: Induktivität des Kreises (Aufbau und Zusatz induktivität)
SF1: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke
T1: Triggerzeitpunkt der ersten Schaltfunkenstrecke SF1
SFn: Schaltfunkenstrecke des n-ten Kreises
Tn: Triggerzeitpunkt der n-ten Schaltfunkenstrecke SFn
PO: Prüfobjekt
S: Strommeßwiderstand
MOV: Metalloxidvaristor
Rd: Dämpfungswiderstand
L: Induktivität des Kreises (Aufbau und Zusatz induktivität)
SF1: Triggerbare Hochspannungsfunkenstrecke
T1: Triggerzeitpunkt der ersten Schaltfunkenstrecke SF1
SFn: Schaltfunkenstrecke des n-ten Kreises
Tn: Triggerzeitpunkt der n-ten Schaltfunkenstrecke SFn
PO: Prüfobjekt
S: Strommeßwiderstand
MOV: Metalloxidvaristor
Bild 8 zeigt die Computersimulation eines Stoßstrom
generators bestehend aus drei nacheinander gezündeten
Stoßstromkreisen.
Kreis 1 wird so dimensioniert, daß die Front des
gewünschten Stoßstromes mit einer Stirnseite von 10 µs
erreicht wird.
Kreis 2 wird so optimiert, daß der Einbruch der
einhüllenden Kurve (Stromsumme) möglichst nahe an die
Form 10/350 µs herankommt.
Kreis 3 wird, wie Kreis 2 auf die Rückenhalbwertzeit
optimiert.
Das Beispiel in Bild 8 zeigt lediglich das Prinzip in
Form einer Rechnersimulation eines 4-stufigen Stoßstrom
generators für den Stoßstrom 10/350 µs. Die Feinarbeit
führt zu einer Verbesserung der Kurvenform. Untersuchungen
haben ergeben, daß mit 4 Kreisen bereits eine gute Kurven
form erreicht wird. Als weiteres Beispiel zeigt Bild
9 den Verlauf einer 4-stufigen Anlage mit optimierten
Kreisdaten. In diesem Beispiel wurde auch gezeigt, daß
die notwendige Kapazität der Speicherkondensatoren nur
64% der notwendigen Kapazität eines konventionellen
Stoßstromkreises gemäß Bild 1 entspricht.
Claims (2)
1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Stoßstromes
mit einem Schwingkreis, der mit einem Stoßstrom
generator gekoppelt ist und aus seriell geschalteten
Elementen, nämlich Hochspannungsgleichrichterdiode,
Ladewiderstand, Dämpfungswiderstand, Induktivität
des Kreises, triggerbarer Hochspannungsfunkenstrecke,
Prüfobjekt, parallel dazu geschaltetem Hochspannungs
teil und Niederspannungsteil eines Spannungsteilers
zur Messung der Spannung am Prüfobjekt, sowie einem
parallel zum Prüfobjekt geschalteten Stoßstromkonden
sator besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in diesen
Serienschwingkreis ein Metalloxidvaristor oder ein
anderes Element eingeschaltet ist, mittels dessen
ein Durchschwingen des Schwingkreises im Nulldurch
gang des Stromes unterbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß zur Erzeugung eines Stoßstromes mit
langer Rückenhalbwertzeit mehrere sukzessive nach
einander schaltbare Stoßstromkreise in die Schaltung
integriert sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934341924 DE4341924A1 (de) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Stoßströmen zur Blitzsimulation |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19934341924 DE4341924A1 (de) | 1993-12-09 | 1993-12-09 | Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Stoßströmen zur Blitzsimulation |
Publications (1)
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DE4341924A1 true DE4341924A1 (de) | 1995-06-14 |
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ID=6504523
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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1993
- 1993-12-09 DE DE19934341924 patent/DE4341924A1/de not_active Withdrawn
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