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Die Erfindung betrifft einen zwischen einem Niederspannungs-
Wechselstromnetz und Erde eingesetzten abtrennbaren
Überspannungsableiter, der
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- einen Überspannungsbegrenzer mit einem nichtlinearen
spannungsabhängigen Widerstandselement, insbesondere einem Varistor
und/oder einer gasgefüllten Löschfunkenstrecke,
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- eine Trennvorrichtung mit einem über einen Auslösemechanismus
betätigten Unterbrecherkontakt sowie
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- 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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Trennung von
Niederspannungs-Überspannungsableitern bei Ablauf der Lebensdauer
des Überspannungsbegrenzers zu verbessern.
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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.
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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.
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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.
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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:
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- Fig. 1 den Einphasen-Schaltplan eines, einem Niederspannungsnetz
zugeordneten abtrennbaren Überspannungsableiters mit Darstellung
des Unterbrecherkontakts der Trennvorrichtung in geöffnetem
Zustand;
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- Fig. 2 verschiedene Betriebskennlinien des Überspannungsableiters.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das Netz 12 wird über einen Betreiber-Leistungsschalter 26
eingespeist, der dem Überspannungsableiter 10 in Bezug auf die
Installation R vorgeschaltet ist.
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Eine Meldevorrichtung (nicht dargestellt) zeigt den
Verbindungsbzw. Trennzustand des Überspannungsableiters 10 an.
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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.
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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.
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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.
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i inA 0,25 1 10 1000
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td in ms 100 50 20 20
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung ist auch auf einen mehrpoligen Überspannungsableiter
anwendbar.