DE69108614T2 - Abtrennbarer Überspannungsableiter für Niederspannungseinrichtungen. - Google Patents

Abtrennbarer Überspannungsableiter für Niederspannungseinrichtungen.

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DE69108614T2
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Michel Bonniau
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/042Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage comprising means to limit the absorbed power or indicate damaged over-voltage protection device

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen zwischen einem Niederspannungs- Wechselstromnetz und Erde eingesetzten abtrennbaren Überspannungsableiter, der
  • - einen Überspannungsbegrenzer mit einem nichtlinearen spannungsabhängigen Widerstandselement, insbesondere einem Varistor und/oder einer gasgefüllten Löschfunkenstrecke,
  • - eine Trennvorrichtung mit einem über einen Auslösemechanismus betätigten Unterbrecherkontakt sowie
  • - eine Auslöseschaltung umfaßt, die auf den über den Überspannungsableiter fließenden Strom anspricht, um bei defektem Überspannungsbegrenzer mit dem Auslösemechanismus zusammenzuwirken und durch Öffnen des Kontakts die automatische Abtrennung des Überspannungsableiters zu bewirken, wobei die Zerstörung des Überspannungsableiters aus einem unumkehrbaren Übergang von einem ersten, vorübergehenden Kurzschlußzustand in einen zweiten, endgültigen Zerstörungszustand resultiert.
  • Der zweite Zerstörungszustand des Überspannungsbegrenzers entspricht einem geöffneten Erdungsstromkreis, in dem die Ansteuerung der Auslöseschaltung durch den Auslösemechanismus nicht möglich ist. Der Unterbrecherkontakt der Trennvorrichtung verharrt dadurch in der Einschaltstellung, und der Überspannungsableiter bleibt trotz Zerstörung des Überspannungsbegrenzers mit dem Netz verbunden. Die derzeit geltenden Bestimmungen beschränken sich ausschließlich auf den Aspekt des Personenschutzes und berücksichtigen nicht die technischen Auswirkungen der Zerstorung von Uberspannungsableitern. Die französische Norm NF C 61-740 legt fest, daß bei Auftreten eines Stroms von 4 A die Trennung in weniger als 50 Millisekunden erfolgen muß. Diese Abtrennzeit ist zu lang, da die Gefahr besteht, daß der Überspannungsbegrenzer vor dem Ansprechen der Trennvorrichtung bereits in den zweiten Zustand übergegangen ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Trennung von Niederspannungs-Überspannungsableitern bei Ablauf der Lebensdauer des Überspannungsbegrenzers zu verbessern.
  • Der erfindungsgemäße Überspannungsableiter ist dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel der dem Auslösemechanismus zugeordneten Auslöseschaltung die Trennung des Überspannungsbegrenzers während des ersten Übergangszustands vor dem Übergang in den zweiten Zustand gewährleisten und daß die Trennzeit bei einem begrenzten Strom von 10 A oder höher unter 20 ms liegt sowie bei Strömen von 0,25 und 1 A unter 100 bzw. 50 ms beträgt.
  • Der Kennwert für das Nichtansprechen der Trennvorrichtung darf nicht für Netzfrequenz festgelegt werden, sondern muß auf der Grundlage von vorübergehend auftretenden Stromwellenformen bestimmt werden, die im Normalfall durch den Überspannungsableiter abgeleitet werden müssen.
  • Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Auslösekennlinien kann gewährleistet werden, daß bei defektem Überspannungsbegrenzer die Abtrennung des Überspannungsableiters sicher erfolgt. Dieser Trennzustand wird dabei durch die Anzeigevorrichtung des Auslösemechanismus' gemeldet, sobald der Unterbrecherkontakt öffnet.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen:
  • - Fig. 1 den Einphasen-Schaltplan eines, einem Niederspannungsnetz zugeordneten abtrennbaren Überspannungsableiters mit Darstellung des Unterbrecherkontakts der Trennvorrichtung in geöffnetem Zustand;
  • - Fig. 2 verschiedene Betriebskennlinien des Überspannungsableiters.
  • Figur 1 zeigt einen abtrennbaren Überspannungsableiter 10, der parallel zwischen einem Wechselstrom-Niederspannungsnetz 12 und Erde geschaltet ist, um eine elektrische Installation R gegen die Auswirkungen von inneren oder äußeren Überspannungen zu schützen. Der Überspannungsableiter 10 ist von einem Isolierstoffgehäuse 14 umgeben, in dem ein Überspannungsbegrenzer 16 und eine dazu in Reihe geschaltete, über eine Auslöseschaltung 20 angesteuerte Trennvorrichtung 18 zusammengefaßt sind. Der Überspannungsbegrenzer 16 umfaßt mindestens ein nichtlineares spannungsabhängiges Widerstandselement, insbesondere einen Zinkoxyd-Varistor und/oder eine gasgefüllte Löschfunkenstrecke.
  • Die Trennvorrichtung 18 weist einen durch einen Auslösemechanismus 24 betätigten Unterbrecherkontakt 22 auf, der mit der Auslöseschaltung 20 zusammenwirkt, um die Außerbetriebsetzung des Überspannungsableiters 10 bei Ablauf der Lebensdauer des Überspannungsbegrenzers 16 zu steuern. Nach der Abtrennung des Überspannungsableiters 10 aufgrund der Öffnung des Kontakts 22 nach einer automatischen Auslösung ist die Rückstellung des Auslösemecharnsmus' 24 nicht mehr möglich.
  • Die Auslöseschaltung 20 umfaßt beispielsweise einen Stromwandler, der einem Auslöserelais des Mechanismus' 24 oder jeder anderen Auslöserart, insbesondere einem elektromagnetischen Auslöser, einem Fehlerstromauslöser oder einem elektronischen Auslöser zugeordnet ist, der auf den durch den Überspannungsableiter 10 fließenden Strom anspricht.
  • Die Funktionsweise eines solchen Schutzorgans ist unter Fachleuten gut bekannt und beispielsweise in der Druckschrift EP-A-130.851 beschrieben. Im Normalbetrieb des Überspannungsableiters 10 ist der Unterbrecherkontakt 22 geschlossen, und der Überspannungsbegrenzer 16 gewährleistet einen wirksamen Überspannungsschutz. Der Auslöse-Ansprechwert und die Ansprechzeit der Auslöseschaltung 20 sind so bemessen, daß kleine Fehlerströme oder Übergangsentladungen gegen Erde abfließen können.
  • Bei Ablauf der Lebensdauer des Überspannungsableiters 10 hat die Zerstörung des Überspannungsbegrenzers 16 einen hohen Fehlerstrom zur Folge, der über dem Ansprechwert der Auslöseschaltung 20 liegt und die Beaufschlagung des Mechanismus' 24 mit einem Auslösebefehl bewirkt. Daraus resultiert die Öffnung des Kontakts 22, der den Überspannungsableiter 10 automatisch vom Netz 12 trennt. Der Auslösemechanismus 24 verharrt in der Ausgelöst-Stellung und kann nicht erneut rückgestellt werden.
  • Das Netz 12 wird über einen Betreiber-Leistungsschalter 26 eingespeist, der dem Überspannungsableiter 10 in Bezug auf die Installation R vorgeschaltet ist.
  • Eine Meldevorrichtung (nicht dargestellt) zeigt den Verbindungsbzw. Trennzustand des Überspannungsableiters 10 an.
  • Der Überspannungsbegrenzer 16 und die Trennvorrichtung 18 sind im gleichen Gehäuse 14 installiert, wobei jedoch selbstverständlich eine Anordnung in zwei getrennten Gehäusen ebenfalls möglich ist.
  • Der Ablauf des Zerstörungsprozesses des Zinkoxyd-Varistors bzw. der gasgefüllten Löschfunkenstrecke des Überspannungsbegrenzers 16 erfordert eine sehr kurze Ansprechzeit der Einheit aus Auslöseschaltung 20 und Trennvorrichtung 18. Während der Zerstörungsphase geht der Überspannungsbegrenzer 16 von einem ersten Zustand mit Kurzschlußbildung in einen zweiten, endgültigen Zerstörungszustand über. Dieser zweite Zustand wird nach dem thermischen Durchbruch des nichtlinearen Widerstandselements erreicht.
  • Im ersten Zustand erfolgt die Kurzschlußbildung in Abhängigkeit von der abgeleiteten Energie mehr oder weniger schnell. Die Abtrennung des Überspannungsableiters 10 durch Öffnen des Kontakts 22 muß unbedingt während dieses ersten Kurzschluß-Übergangszustands des Überspannungsbegrenzers 16 erfolgen, da die Einwirkung der Auslöseschaltung 20 im zweiten, einem offenen Erdungsstromkreis entsprechenden Zustand nicht mehr möglich ist. Die für den Übergang vom ersten in den zweiten Zustand erforderliche Zeit hängt von der Höhe des durch den Überspannungsableiter 10 begrenzten Kurzschlußstroms ab. Aus der in Fig. 2 dargestellten Kennlinie X für die Zeitgrenzwerte der Zerstörung des Überspannungsbegrenzers 16 ist ersichtlich, daß die Trennung des Überspannungsableiters 10 in einer Zeit von weniger als 20 ms (Millisekunden) erfolgen muß, wenn der begrenzte Strom i einen Wert von 10 A (Ampère) erreicht. In der nachstehenden Tabelle sind die wichtigsten Kennwerte für die maximale Gesamt-Auslösezeit tD in Abhängigkeit von der jeweiligen Stromstärke i dargestellt.
  • i inA 0,25 1 10 1000
  • td in ms 100 50 20 20
  • Aus dem Diagramm geht hervor, daß für einen bestimmten Betriebspunkt M, der rechts neben der Kennlinie X liegt und einer Auslösezeit von 50 ms bei einem Strom von 4 A entspricht, die Gefahr besteht, daß der Überspannungsbegrenzer 16 den zweiten Unterbrechungszustand erreicht, bevor die Trennung des Überspannungsableiters 10 erfolgen konnte. Der Unterbrecherkontakt 22 bleibt in diesem Fall geschlossen, und die Anzeigevorrichtung des Auslösemechanismus' 24 meldet trotz der Zerstörung des Überspannungsbegrenzers 16, daß der Überspannungsableiter 10 mit dem Netz verbunden ist. Die Anzeige des Schaltzustands des Überspannungsableiters ist also fehlerhaft, da die Trennvorrichtung 18 die Zerstörung des Überspannungsbegrenzers 16 nicht erfassen konnte.
  • Die links neben der Kennlinie X dargestellte Ansprechkennlinie Y zeigt die Verlauf der Abtrennzeiten des Überspannungsableiters 10. Bei diesen Werten ist sichergestellt, daß die Abtrennung durch Öffnen des Kontakts 22 während des ersten, dem Kurzschluß entsprechenden Zustands des Überspannungsbegrenzers 16 erfolgt. Die Funktionsuntüchtigkeit des Überspannungsableiters 10 wird also hier durch die Anzeigevorrichtung des Auslösemechanismus' 24 korrekt gemeldet.
  • Die Bestimmung der Kennwerte für das Nichtansprechen der Trennvorrichtung darf nicht für Netzfrequenz, sondern muß auf Grundlage von Übergangs-Stromwellen erfolgen, die im Normallfall durch den Überspannungsableiter 10 abgeleitet werden müssen. Für diese Versuche können zwei Arten von Stromwellen entsprechend Stromstärken von bis zu 30 kA mit einer Dauer von 8/20 Mikrosekunden bzw. bis zu 200 A mit einer Dauer von 10/1000 Mikrosekunden verwendet werden.
  • Die Kennlinie S (Fig. 2) stellt die Auslösekennlinie des in den Einspeise-Leistungsschalter 26 integrierten verzögerten Differenzstromauslösers mit einem Ansprechwert von 50 mA dar. Die Kennlinie S ist im Diagramm rechts neben der Kennlinie X angeordnet, wobei die Zeitverzögerung des Differenzstromauslösers auf einen Beispielwert von 100 Millisekunden eingestellt ist.
  • Die Erfindung ist auch auf einen mehrpoligen Überspannungsableiter anwendbar.

Claims (3)

1. Abtrennbarer Überspannungsableiter, der zwischen einem Niederspannungs-Wechselstromnetz (12) und Erde eingesetzt ist und
- einen Überspannungsbegrenzer (16) mit einem nichtlinearen spannungsabhängigen Widerstandselement, insbesondere einem Varistor und/oder einer gasgefüllten Löschfunkenstrecke,
- eine Trennvorrichtung (18) mit einem über einen Auslösemechanismus (24) betätigten Unterbrecherkontakt (22) sowie
- eine Auslöseschaltung (20) umfaßt, die auf den über den Überspannungsableiter (10) fließenden Strom anspricht, um bei defektem Überspannungsbegrenzer (16) mit dem Auslösemechanismus (24) zusammenzuwirken und durch Öffnen des Kontakts (22) die automatische Abtrennung des Überspannungsableiters (10) zu bewirken, wobei die Zerstörung des Überspannungsableiters (16) aus einem unumkehrbaren Übergang von einem ersten, vorübergehenden Kurzschlußzustand in einen zweiten, endgültigen Zerstörungszustand resultiert, dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel der dem Auslösemechanismus (24) zugeordneten Auslöseschaltung (20) die Trennung des Überspannungsbegrenzers (16) während des ersten Übergangszustands vor dem Übergang in den zweiten Zustand gewährleisten und daß die Trennzeit bei einem begrenzten Strom von 10 A oder höher unter 20 ms liegt sowie bei Strömen von 0,25 und 1 A unter 100 bzw. 50 ms beträgt.
2. Abtrennbarer Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslöseschaltung (20) des Auslösemechanismus' (24) einen elektromechanischen Auslöser, insbesondere einen elektromagnetischen Auslöser, einen Differenzstromauslöser oder einen elektronischen Auslöser umfaßt, dessen Ansprechwert so eingestellt ist, daß im Normalbetrieb geringe Fehlerströme und Übergangsentladungen gegen Erde abfließen können, wobei der genannte Auslöser mit dem Überspannungsbegrenzer (16) und dem Unterbrecherkontakt (22) in Reihe geschaltet ist.
3. Abtrennbarer Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennwerte für das Nichtansprechen der Trennvorrichtung (18) auf der Grundlage von Übergangs-Stromwellenformen insbesondere für Stromstärken bis 30 kA mit einer Dauer von 8/20 Mikrosekunden bzw. für Ströme bis 200 A mit einer Dauer von 10/1000 Mikrosekunden bestimmt werden.
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