DE4341924A1 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Stoßströmen zur Blitzsimulation - Google Patents

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:

i_max: Amplitude 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.

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

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

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

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.