EP4282047A1 - Overvoltage protection device and use of an overvoltage protection device - Google Patents

Overvoltage protection device and use of an overvoltage protection device

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Publication number
EP4282047A1
EP4282047A1 EP22702654.9A EP22702654A EP4282047A1 EP 4282047 A1 EP4282047 A1 EP 4282047A1 EP 22702654 A EP22702654 A EP 22702654A EP 4282047 A1 EP4282047 A1 EP 4282047A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
overvoltage protection
switching
protection device
protective component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22702654.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Zahlmann
Ralph Brocke
Helmut Hirschmann
Edmund ZÄUNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dehn SE and Co KG
Original Assignee
Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dehn and Soehne GmbH and Co KG filed Critical Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Publication of EP4282047A1 publication Critical patent/EP4282047A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/06—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage using spark-gap arresters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/005—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection avoiding undesired transient conditions
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection device for protecting an electrical installation from transient overvoltages. Furthermore, the invention relates to the use of an overvoltage protection device to protect an electrical installation from transient overvoltages.
  • Overvoltage protection devices for overload protection of devices that are to be protected against overvoltages are known from the prior art.
  • the overvoltage protection devices typically have a voltage-limiting element or a voltage-switching element.
  • the voltage limiting element is a varistor such as a metal oxide varistor ("MOV").
  • MOV metal oxide varistor
  • the voltage switching element can be a gas discharge arrester ("GDT").
  • GDT gas discharge arrester
  • the voltage-switching element is formed by a horn spark gap.
  • the overvoltage protection devices known from the prior art which have a voltage-limiting element, prevent a mains follow current driven by the connected mains from flowing.
  • Overvoltage protection devices are also known from the prior art, which have a voltage-limiting element and a voltage-switching element such as a gas discharge arrester (“GDT”), which are connected in series.
  • GDT gas discharge arrester
  • the voltage-limiting element must be dimensioned in such a way that the flow of a mains follow current is effectively suppressed after the discharge process in order to prevent the overvoltage protection device from being overloaded.
  • the dimensioning can be done with a lower rated voltage because the gas discharge arrester (“GDT”) takes over the separation from the applied mains voltage in normal operation.
  • GDT gas discharge arrester
  • the known overvoltage protection devices cannot protect electrical systems efficiently against transient overvoltages.
  • an overvoltage protection device that protects electrical systems from transient overvoltages as efficiently as possible.
  • the object is achieved according to the invention by an overvoltage protection device for protecting an electrical installation from transient overvoltages.
  • the overvoltage protection device has a voltage-limiting protective component and, in addition, a voltage-switching protective component.
  • the voltage-limiting protection component and the voltage-switching protection component are connected in series.
  • the voltage-switching protective component is designed in such a way that the voltage-switching protective component changes to a quasi-closed switching state with every surge current or discharge process.
  • the voltage-switching protective component is designed in such a way that a voltage present at the voltage-switching protective component drops across the voltage-switching protective component in its initial state in such a way that the series-connected voltage-limiting protective component remains free of leakage current.
  • the voltage-switching protective component is designed to at least limit, in particular to interrupt, mains follow currents that occur.
  • the basic idea of the invention is to provide an overvoltage protection device that protects electrical systems against transient overvoltages as efficiently as possible, for example against voltage peaks that are caused by switching operations in electrical circuits or by electrostatic discharges and last for a period of nanoseconds and microseconds. This is achieved by the overvoltage protection device having the lowest possible protection level. This is achieved by dimensioning the voltage-limiting protective component accordingly.
  • the voltage-limiting protective component is designed for a maximum of 50% of the permanently applied nominal voltage, since the setting parameter has a value of at least 2.
  • the voltage-limiting protective component is defined using the nominal parameters, namely the nominal voltage U n and the rated voltage UB.
  • the overvoltage protection device also has the voltage-switching protection component in addition to the voltage-limiting protection component. If, on the other hand, the overvoltage protection device only had one of the protective components, for example only the voltage-limiting protective component or only the voltage-switching protective component, this individual protective component would have to be designed in such a way that it withstands both the applied mains voltage and the mains-frequency overvoltages that occur and also reliably interrupts any mains follow currents that may occur .
  • the voltage-switching protective component for example a horn spark gap, can withstand the applied mains voltage and mains-frequency overvoltages that occur, whereby the voltage-switching protective component is not subject to any aging effects, since the voltage-switching protective component, if dimensioned correctly, does not permit any unwanted currents that would have a premature wear effect.
  • mains follow currents as a result of intended activation in the event of overvoltages, are a cause of aging or degradation of the voltage-switching protective component.
  • the overvoltage protection devices known from the prior art which have gas discharge arresters (“GDT”) and metal oxide varistors (“MOV”) connected in series, are also not suitable for efficiently protecting electrical systems from transient overvoltages.
  • the metal oxide varistor (“MOV”) would have to be dimensioned as low as possible with regard to its rated voltage, i.e. the 1 mA point on the U/I characteristic.
  • the gas discharge arrester (“GDT”) cannot quench any mains follow current, so that when it is triggered, i.e.
  • overvoltage protection devices are known from the prior art that have a different protection goal, for example a redundant design. These overvoltage protection devices are therefore used to provide safe failure behavior if an overload or a so-called "end of life" situation occurs.
  • the voltage-limiting protective components in the overvoltage protection devices known from the prior art are designed for significantly higher rated voltages (for example at 2/3 of the nominal voltage applied up to the nominal voltage applied). Consequently, these overvoltage protection devices are unsuitable for protecting against transient overvoltages with a correspondingly low protection level.
  • these overvoltage protection devices in the prior art have a correspondingly higher protection level, in particular the voltage-limiting protection components.
  • the invention provides that the voltage-limiting protective component and the voltage-switching protective component are arranged in a series circuit, with the voltage-limiting protective component being designed or dimensioned for significantly lower continuous voltages compared to overvoltage protection devices known from the prior art, which have a voltage-limiting protective component and a voltage-switching one Have protection component.
  • the overvoltage protection device according to the invention can be operated safely at the rated voltage due to the series connection of the two protection components. Any mains follow currents following a tripping event are reliably and immediately interrupted by the voltage-switching protection component, so that there is no wear on the protection components, as is the case with overvoltage protection devices known from the prior art. This also results in a lower load on the network and also protects against unintentional triggering of any back-up fuses.
  • the overvoltage protection device according to the invention is therefore essentially free of follow currents, free of leakage currents, wear-resistant and stable to aging, which is why the overvoltage protection device efficiently protects electrical systems from transient overvoltages.
  • Essentially follow current-free means that the overvoltage protection device reliably interrupts mains follow currents with low let-through currents. This can also be referred to as low follow current.
  • the voltage-limiting switching component is not subject to any stress relevant to aging during normal operation, ie the initial state, which is why the overvoltage protection device is wear-resistant.
  • the initial state of the voltage-switching protection component therefore corresponds to normal operation.
  • the voltage-limiting switching component can be a type II surge arrester.
  • the voltage-switching protective component cannot be a semiconductor switch or power semiconductor, since the voltage across the voltage-switching protective component drops in such a way that the series-connected voltage-limiting protective component remains free of leakage current. This would not be the case with a semiconductor switch or a power semiconductor.
  • the voltage-switching protective component is not a semiconductor switch or power semiconductor.
  • the voltage-switching protection component can be connected in series with the voltage-limiting protection component in such a way that no further voltage-switching protective component is provided which is connected to the voltage-limiting protective component (directly or indirectly via a transformer), in particular no further voltage-switching protective component which is connected in parallel with the voltage-switching protective component.
  • the voltage-limiting switching component is structurally combined with the voltage-switching switching component.
  • the structurally combined series connection between the voltage-limiting switching component and the voltage-switching switching component forms a new unit that enables the desired coordination for all overload and fault cases.
  • the setting parameter is set for the intended use and the desired protection level and represents a property of the voltage-limiting protection component, since it has been dimensioned according to the desired protection level or area of application.
  • the appropriate dimensioning of the voltage-limiting protection component is a property that can be checked on the protection component itself.
  • the setting parameter means that the voltage-limiting protection component is designed for normal operation at a voltage X (“nominal voltage”) and for trouble-free continuous operation at a voltage Y (“rated voltage”).
  • the rated voltage is usually greater than the nominal voltage, which is not intended according to the invention.
  • the rated voltage is defined in such a way that when the rated voltage is applied, a current of 1 mA can flow through the voltage-limiting protective component. Accordingly, the rated voltage can be selected based on a U/I characteristic of the voltage-limiting protective component at a current of 1 mA.
  • the corresponding rated voltage is used for voltage-limiting switching components, which are designed as metal oxide varistors (“MOV”), also referred to as Ui m A or UMOV.
  • MOV metal oxide varistors
  • Ui m A or UMOV metal oxide varistors
  • the rated voltage can also be referred to as the breakdown voltage (“breakdown voltage”).
  • the rated voltage can also be referred to as the continuous voltage.
  • the overvoltage protection device has a protection level due to the appropriately dimensioned voltage-limiting protection component together with the voltage-switching protection component, which has a value less than three times the peak value of the mains voltage present.
  • the overvoltage protection devices known from the prior art have a higher protection level, namely at least 2 kV, due to their design.
  • the voltage-limiting protection component is designed to be undersized compared to an overvoltage protection device for protecting an electrical installation from overload.
  • the overvoltage protection devices known from the prior art for protecting an electrical installation from overload typically have a voltage-limiting protection component which has a protection level of at least 2 kV.
  • the voltage-limiting protective component of the overvoltage protection device according to the invention is comparatively undersized.
  • the combination of the undersized voltage-limiting protection component with the voltage-switching protection component represents the most efficient overvoltage protection device to protect electrical systems from transient overvoltages.
  • the setting parameter can have a value between 2 and 10, in particular between 2 and 5.
  • the setting parameter preferably has a value greater than 2.5, for example between 2.6 and 10 or at least 2.6 or greater. The larger the value of the setting parameter, the lower the protection level.
  • the setting parameter can be selected depending on the area of application and the permanently applied nominal voltage. Alternatively or additionally, the setting parameter can be selected depending on the desired protection level despite the same field of application.
  • the overvoltage protection device is TOV-resistant, in particular with the overvoltage protection device being designed without a thermal disconnection device.
  • the overvoltage protection device can suppress recurring voltage peaks below the set protection level, for example by switching semiconductors or filter circuits in the control of the voltage-switching protection component. Due to the TOV strength, the availability of the electrical system can be increased accordingly.
  • the voltage-switching protective component is a switching unit that is free of moving contacts and has at least two fixed switching contacts, in particular a horn spark gap.
  • the voltage-switching protective component has fixed switching contacts, that is to say immovable contacts or without a switching element that can be moved between the contacts. Rather, a spark gap can be formed between the fixed switching contacts, provided that a corresponding voltage is present.
  • the switching contacts are spaced apart from one another in such a way that an arc forms between the switching contacts during each surge current or discharge process, via which the voltage-switching protective component changes to the quasi-closed switching state.
  • an arc is produced which lasts for the duration of the discharge of the current surge remains. The arc then moves in the direction of the arcing chamber and is extinguished.
  • the conductive state of the voltage-switching protective component thus results from the arc, which ensures electrical conduction, which is why the voltage-switching protective component changes to the quasi-closed switching state.
  • any mains follow currents that may occur can be quickly limited to small values by the voltage-switching protection component and then extinguished.
  • the voltage-switching protective component can have a follow-current-quenching network spark gap.
  • the voltage-switching protective component can be designed independently, in particular in an overvoltage protection device.
  • the corresponding surge protection device can be used in AC and DC systems.
  • the voltage-limiting protection component can be in the form of a metal oxide varistor (“MOV”).
  • MOV metal oxide varistor
  • the voltage-limiting protective component can be a thyristor, a transistor or a TVS diode, in particular a component with a continuous U/I characteristic.
  • the overvoltage protection device can be provided for direct voltages (“DC applications”). This is only possible to a very limited extent with the overvoltage protection devices known from the prior art, which have a series connection of gas discharge arrester (“GDT”) and metal oxide varistor (“MOV”), since the gas discharge arrester (“GDT”) does not has DC quenching capability and the MOV must be dimensioned so high that the series connection has a high (poor) protection level.
  • GDT gas discharge arrester
  • MOV metal oxide varistor
  • the overvoltage protection device ensures that during normal operation of the overvoltage protection device, the mains voltage drops across the voltage-switching protective component and the voltage-limiting protective component is therefore not exposed to the mains voltage or it is disconnected from the mains. As a result, no leakage current flows during normal operation, which means that the life of the voltage-limiting protection component can be extended accordingly.
  • a thermally activated separating device can be dispensed with.
  • the thermally activated disconnection device can be provided for normative reasons.
  • the overvoltage protection device can have two separately formed overvoltage protection devices (“Surge Protection Device”—SPD) connected in series.
  • the first overvoltage protection device has the voltage-limiting protection component.
  • the second overvoltage protection device has the voltage-switching protection component.
  • the overvoltage protection device can be formed by two separate overvoltage protection devices which are connected to one another in series, with the protective components each being assigned to an overvoltage protection device.
  • both protective components are arranged in a single overvoltage protection device (“Surge Protection Device” - SPD), i.e. housed in a common housing.
  • SPD overvoltage protection device
  • the overvoltage protection device has a voltage-limiting protective component and, in addition, a voltage-switching protective component.
  • the voltage-limiting protection component and the voltage-switching protection component are connected in series.
  • the voltage-switching protective component is designed such that the voltage-switching protective component changes to a quasi-closed switching state with every surge current or discharge process.
  • the voltage-switching protective component is designed in such a way that a voltage present at the voltage-switching protective component drops across the voltage-switching protective component in its initial state in such a way that the series-connected voltage-limiting protective component remains free of leakage current.
  • the voltage-switching protective component is designed to at least limit, in particular to interrupt, mains follow currents that occur. It is not known from the prior art to use such an overvoltage protection device to protect an electrical system from transient overvoltages.
  • the aforementioned overvoltage protection device is used to protect an electrical installation from transient overvoltages.
  • the protection components can be selected in such a way that there is an adjustment between service life (wear and tear) and protection level, i.e. the overvoltage protection device is designed accordingly. Consequently, the setting parameter can also be viewed as an indicator for the service life and/or protective effect or level.
  • a PLC Power Line Communication
  • the spark gap of the horn spark gap represents a capacitor with a relatively large electrode gap, small area and air dielectric.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an overvoltage protection device according to the invention for protecting an electrical system from transient overvoltages according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows an overview which shows the follow current behavior of the overvoltage protection device according to the invention in comparison to two overvoltage protection devices from the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an overvoltage protection device according to the invention for protecting an electrical installation from transient overvoltages according to a second embodiment.
  • FIG. 1 shows an overvoltage protection device 10 for protecting an electrical installation from transient overvoltages.
  • the overvoltage protection device 10 has a housing 12, which has a first connection 14 and a second connection 16, which can also be referred to as external connections, via which the overvoltage protection device 10 can be connected in parallel to the electrical system to be protected.
  • the overvoltage protection device 10 includes a voltage-limiting protective component 18 which is connected in series with a voltage-switching protective component 20 . Both protective components 18, 20 are arranged within the housing 12.
  • the voltage-limiting protection component 18 is designed as an overvoltage protection component.
  • the voltage limiting protection component 18 is a metal oxide varistor ("MOV").
  • MOV metal oxide varistor
  • the overvoltage protection device 10 is of type II.
  • the voltage-limiting protection component 18 can also be in the form of a thyristor, transistor or TVS diode (“Transient Voltage Suppressor”—TVS).
  • the voltage-switching protective component 20 has two stationary switching contacts 22, 24, so that the voltage-switching protective component 20 is free of moving contacts.
  • the voltage-switching protective component 20 is a switching unit 26 that has no moving contacts.
  • the voltage-switching protective component 20 is designed as a horn spark gap (“HFS”) 28, with an arc 30 being able to occur between the two fixed switching contacts 22, 24 in the event of triggering, which is indicated accordingly in FIG.
  • the switching contacts 22, 24 are spaced apart from one another in such a way that the arc 30 forms with each surge current or discharge process. If the arc 30 forms, the voltage-switching protection component 20 goes on a quasi-closed switching state, as a result of which the overvoltage protection device 10 becomes electrically conductive.
  • the voltage-switching protective component 20 is designed in such a way that line follow currents that occur are at least limited, in particular interrupted. This ensures that the series-connected voltage-limiting protective component 18 does not wear out.
  • the voltage present at the terminals 14, 16 drops across the voltage-switching protective component 20, so that the voltage-limiting protective component 18, which is connected in series, remains free of leakage current and is not exposed to any loads. This ensures that no aging effects or wear effects occur on the voltage-limiting protective component 18 .
  • the overvoltage protection device 10 is therefore essentially free of follow current, free of leakage current, wear-resistant and stable to aging.
  • the overvoltage protection device 10 reliably interrupts any mains follow currents with extremely small let-through currents, which is why the overvoltage protection device 10 is virtually free of follow current or has a low follow current and is therefore wear-resistant.
  • the voltage-limiting protective component 18 is designed to be undersized, so that the entire overvoltage protection device 10 protects the electrical system from transient overvoltages.
  • the appropriate dimensioning of the voltage-limiting protection component 18 ensures that the overvoltage protection device 10 has a protection level that has a value less than three times the peak value of the mains voltage present. Using the example of a 230/440V low-voltage network, this means that the value of the protection level is a maximum of 1.9 kV, in particular a maximum of 1.5 kV.
  • Nominal voltage and K x em are setting parameters whose value is at least 2.
  • the value of the setting parameter can be between 2 and 10, in particular between 2 and 5.
  • the rated voltage can be defined in such a way that a current of 1 mA can flow through the voltage-limiting protective component 18 when the rated voltage is applied.
  • the rated voltage is also referred to as UimA or UMOV if the voltage-limiting switching component is designed as a metal oxide varistor ("MOV").
  • MOV metal oxide varistor
  • the voltage-limiting switching component is designed as a thyristor, transistor or TVS diode (“Transient Voltage Suppressor” - TVS)
  • the rated voltage can also be referred to as the breakdown voltage.
  • the overvoltage protection device 10 is TOV-resistant, in particular with the overvoltage protection device 10 being designed without a thermal disconnection device. Consequently, recurring voltage peaks below the set protection level can be effectively masked out by the overvoltage protection device 10 .
  • FIG. 2 shows the follow current behavior of the overvoltage protection device 10 according to FIG. 1, ie with a correspondingly dimensioned voltage-limiting protective component 18.
  • the corresponding follow current behavior of the overvoltage protection device 10 according to FIG. 1 is represented by curve “A”.
  • FIG. 3 A second embodiment is also shown in FIG. 3, which differs from the embodiment shown in FIG.
  • the overvoltage protection devices 32, 34 can each have their own housing 38, 40, in which a voltage-limiting protective component 18 or voltage-switching protective component 20 is accommodated.
  • a first overvoltage protection device 32 which has the voltage-limiting protection component 18, in particular the metal oxide varistor (“MOV”), whereas the second overvoltage protection device 34 has the voltage-switching protection component 20, in particular the horn spark gap (“HFS”).
  • MOV metal oxide varistor
  • HFS horn spark gap
  • the embodiments shown in FIGS. 1 and 3 differ in that the protective components 18, 20 in the embodiment shown in FIG. 1 are arranged in a common overvoltage protection device (“Surge Protection Device”—SPD), in particular a common housing.
  • SPD Service Protection Device
  • the two protective components 18, 20 in the embodiment shown in Figure 3 are provided separately from one another in the two overvoltage protection devices 32, 34 ("Surge Protection Device” - SPD), in particular in the respective housing 38, 40 of the corresponding overvoltage protection device 32, 34.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

The invention relates to an overvoltage protection device (10) to protect an electrical system from transient overvoltages, having a voltage-limiting protection component (18) and also a voltage-switching protection component (20). The voltage-limiting protection component (18) and the voltage-switching protection component (20) are connected in series. The voltage-limiting protection component (18) is rated such that the voltage-limiting protection component (18) satisfies the condition UB=UN/KX, wherein UB is the rated voltage of the voltage-limiting protection component (18), Un is a nominal voltage across the voltage-limiting protection component (18), and Kx is an adjustment parameter, the value of which is at least 2.

Description

Überspannungsschutzeinrichtung sowie Verwendung einer Überspannungsschutzeinrichtung Overvoltage protection device and use of an overvoltage protection device
Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen. The invention relates to an overvoltage protection device for protecting an electrical installation from transient overvoltages. Furthermore, the invention relates to the use of an overvoltage protection device to protect an electrical installation from transient overvoltages.
Aus dem Stand der Technik sind Überspannungsschutzeinrichtungen zum Überlastschutz von Geräten bekannt, die vor Überspannungen geschützt werden sollen. Die Überspannungsschutzeinrichtungen weisen typischerweise ein spannungsbegrenzendes Element oder ein spannungsschaltendes Element auf. Beispielsweise handelt es sich bei dem spannungsbegrenzenden Element um einen Varistor wie einen Metalloxidvaristor („MOV“). Bei dem spannungsschaltenden Element kann es sich um einen Gasentladungs-Ableiter („GDT“) handeln. Alternativ ist es bekannt, dass das spannungsschaltende Element durch eine Hörnerfunkenstrecke ausgebildet ist. Overvoltage protection devices for overload protection of devices that are to be protected against overvoltages are known from the prior art. The overvoltage protection devices typically have a voltage-limiting element or a voltage-switching element. For example, the voltage limiting element is a varistor such as a metal oxide varistor ("MOV"). The voltage switching element can be a gas discharge arrester ("GDT"). Alternatively, it is known that the voltage-switching element is formed by a horn spark gap.
Zudem verhindern bei richtiger Auslegung die aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen, die ein spannungsbegrenzendes Element aufweisen, dass ein vom anliegenden Netz getriebener Netzfolgestrom fließt. In addition, if designed correctly, the overvoltage protection devices known from the prior art, which have a voltage-limiting element, prevent a mains follow current driven by the connected mains from flowing.
Auch sind Überspannungsschutzeinrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt, die ein spannungsbegrenzendes Element sowie ein spannungsschaltendes Element wie einen Gasentladungs-Ableiter („GDT“) aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Hierbei muss das spannungsbegrenzende Element so dimensioniert werden, dass das Fließen eines Netzfolgestromes nach dem Ableitvorgang wirksam unterdrückt wird, um eine Überlastung der Überspannungsschutzeinrichtung zu verhindern. Allerdings kann die Dimensionierung mit einer geringeren Bemessungsspannung so erfolgen, da der Gasentladungs-Ableiter („GDT“) die Trennung von der anliegenden Netzspannung im Normalbetrieb übernimmt. Die bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen können elektrische Anlagen jedoch nicht effizient vor transienten Überspannungen schützen. Overvoltage protection devices are also known from the prior art, which have a voltage-limiting element and a voltage-switching element such as a gas discharge arrester (“GDT”), which are connected in series. In this case, the voltage-limiting element must be dimensioned in such a way that the flow of a mains follow current is effectively suppressed after the discharge process in order to prevent the overvoltage protection device from being overloaded. However, the dimensioning can be done with a lower rated voltage because the gas discharge arrester ("GDT") takes over the separation from the applied mains voltage in normal operation. However, the known overvoltage protection devices cannot protect electrical systems efficiently against transient overvoltages.
Demnach ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Überspannungsschutzeinrichtung bereitzustellen, die elektrische Anlagen vor transienten Überspannungen möglichst effizient zu schützen. Accordingly, it is the object of the invention to provide an overvoltage protection device that protects electrical systems from transient overvoltages as efficiently as possible.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen. Die Überspannungsschutzeinrichtung weist eine spannungsbegrenzende Schutzkomponente sowie zusätzlich eine spannungsschaltende Schutzkomponente auf. Die spannungsbegrenzende Schutzkomponente und die spannungsschaltende Schutzkomponente sind in Reihe geschaltet. Die spannungsschaltende Schutzkomponente ist derart ausgebildet, dass die spannungsschaltende Schutzkomponente bei jedem Stoßstrom- oder Ableitvorgang in einen quasi geschlossenen Schaltzustand übergeht. Die spannungsschaltende Schutzkomponente ist derart ausgebildet, dass eine an der spannungsschaltenden Schutzkomponente anliegende Spannung an der spannungsschaltenden Schutzkomponente in ihrem Ausgangszustand derart abfällt, dass die in Reihe geschaltete spannungsbegrenzende Schutzkomponente leckstromfrei bleibt. Die spannungsschaltende Schutzkomponente ist ausgebildet, auftretende Netzfolgeströme zumindest zu begrenzen, insbesondere zu unterbrechen. Die spannungsbegrenzende Schutzkomponente ist so dimensioniert, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente die Bedingung UB=Un/Kx erfüllt, wobei UB die Bemessungsspannung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente ist, Un eine an der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente anliegende Nennspannung und Kx ein Einstellparameter sind, dessen Wert mindestens 2 beträgt. The object is achieved according to the invention by an overvoltage protection device for protecting an electrical installation from transient overvoltages. The overvoltage protection device has a voltage-limiting protective component and, in addition, a voltage-switching protective component. The voltage-limiting protection component and the voltage-switching protection component are connected in series. The voltage-switching protective component is designed in such a way that the voltage-switching protective component changes to a quasi-closed switching state with every surge current or discharge process. The voltage-switching protective component is designed in such a way that a voltage present at the voltage-switching protective component drops across the voltage-switching protective component in its initial state in such a way that the series-connected voltage-limiting protective component remains free of leakage current. The voltage-switching protective component is designed to at least limit, in particular to interrupt, mains follow currents that occur. The voltage-limiting protection component is dimensioned in such a way that the voltage-limiting protection component satisfies the condition UB=U n /K x , where UB is the rated voltage of the voltage-limiting protection component, U n is a nominal voltage applied to the voltage-limiting protection component and K x is a setting parameter whose value is at least is 2.
Der Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Überspannungsschutzeinrichtung bereitzustellen, die elektrische Anlagen vor transienten Überspannungen möglichst effizient zu schützen, also beispielsweise vor Spannungsspitzen, die durch Schalthandlungen in elektrischen Stromkreisen oder durch elektrostatische Entladungen hervorgerufen werden und für einen Zeitraum von Nanosekunden und Mikrosekunden anstehen. Dies wird dadurch erreicht, dass die Überspannungsschutzeinrichtung einen möglichst niedrigen Schutzpegel hat. Dies wird dadurch erreicht, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente entsprechend dimensioniert ist. Die Bemessungsspannung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente entspricht demnach maximal der Hälfte der anliegenden Nennspannung, wie sich aus der Bedingung UB=Un/Kx ergibt, da der Einstellparameter einen Wert von mindestens 2 hat. Mit anderen Worten ist die spannungsbegrenzende Schutzkomponente für maximal 50 % der dauerhaft anliegenden Nennspannung ausgelegt, da der Einstellparameter mindestens den Wert 2 hat. Insofern ist die spannungsbegrenzende Schutzkomponente anhand der Nominalparameter definiert, nämlich der Nennspannung Un und der Bemessungsspannung UB. The basic idea of the invention is to provide an overvoltage protection device that protects electrical systems against transient overvoltages as efficiently as possible, for example against voltage peaks that are caused by switching operations in electrical circuits or by electrostatic discharges and last for a period of nanoseconds and microseconds. This is achieved by the overvoltage protection device having the lowest possible protection level. This is achieved by dimensioning the voltage-limiting protective component accordingly. The rated voltage of the voltage-limiting protective component therefore corresponds to a maximum of half the nominal voltage applied, as can be seen from the condition UB=U n /K x , since the setting parameter has a value of at least 2. In other words, the voltage-limiting protective component is designed for a maximum of 50% of the permanently applied nominal voltage, since the setting parameter has a value of at least 2. In this respect, the voltage-limiting protective component is defined using the nominal parameters, namely the nominal voltage U n and the rated voltage UB.
Es hat sich herausgestellt, dass dies möglich ist, da die Überspannungsschutzeinrichtung neben der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente noch zusätzlich die spannungsschaltende Schutzkomponente aufweist. Würde die Überspannungsschutzeinrichtung dagegen nur eine einzelne der Schutzkomponenten aufweisen, beispielweise nur die spannungsbegrenzende Schutzkomponente oder nur die spannungsschaltende Schutzkomponente, so müsste diese einzelne Schutzkomponente so ausgelegt sein, dass sie sowohl der anliegenden Netzspannung sowie den auftretenden netzfrequenten Überspannungen widersteht als auch eventuelle auftretende Netzfolgeströme zuverlässig unterbricht. Die spannungsschaltende Schutzkomponente, beispielsweise eine Hörnerfunkenstrecke, kann die anliegende Netzspannung und auftretende netzfrequente Überspannungen widerstehen, wobei die spannungsschaltende Schutzkomponente hierbei keinen Alterungseffekten unterliegt, da die spannungsschaltende Schutzkomponente bei korrekter Dimensionierung keine ungewollten Ströme zulässt, die einen vorzeitigen Verschleißeffekt hätten. Allerdings stellen Netzfolgeströme, als Folge eines bestimmungsgemäßen Aktivierens bei Überspannungen, eine Ursache für eine Alterung bzw. eine Degradation der spannungsschaltenden Schutzkomponente dar. It has been found that this is possible because the overvoltage protection device also has the voltage-switching protection component in addition to the voltage-limiting protection component. If, on the other hand, the overvoltage protection device only had one of the protective components, for example only the voltage-limiting protective component or only the voltage-switching protective component, this individual protective component would have to be designed in such a way that it withstands both the applied mains voltage and the mains-frequency overvoltages that occur and also reliably interrupts any mains follow currents that may occur . The voltage-switching protective component, for example a horn spark gap, can withstand the applied mains voltage and mains-frequency overvoltages that occur, whereby the voltage-switching protective component is not subject to any aging effects, since the voltage-switching protective component, if dimensioned correctly, does not permit any unwanted currents that would have a premature wear effect. However, mains follow currents, as a result of intended activation in the event of overvoltages, are a cause of aging or degradation of the voltage-switching protective component.
Aber auch die aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen, die in Reihe geschaltete Gasentladungs-Ableiter („GDT“) und Metalloxidvaristor („MOV“) aufweisen, sind nicht geeignet, elektrische Anlagen vor transienten Überspannungen effizient zu schützen. Hierzu müsste der Metalloxidvaristor („MOV“) bzgl. seiner Bemessungsspannung, also des 1 mA Punktes auf der U/I-Kennlinie, möglichst niedrig bemessen werden. Der Gasentladungs-Ableiter („GDT“) kann jedoch einen etwaigen Netzfolgestrom nicht löschen, sodass im Auslösefall, also beim Auftreten einer Überspannung ein Netzfolgestrom fließt, der zu einem ungewollten Verschleiß des Gasentladungs- Ableiters („GDT“) führt, wodurch der Metalloxidvaristor („MOV“) degradiert, was letztendlich zu einer beschleunigten Alterung der Überspannungsschutzeinrichtung führt, weshalb kein effizienter Schutz vorliegt. Auch kommen diese Überspannungsschutzeinrichtungen an technische Grenzen hinsichtlich des Schutzes vor transienten Überspannungen wegen des fehlenden Löschvermögens des Gasentladungs- Ableiters, da der Metalloxidvaristor hinsichtlich der Bemessungsspannung so gewählt werden müsste, dass der Metalloxidvaristor im ausgelösten Zustand des Gasentladungs-Ableiters, also dem getriggerten Zustand, den Netzfolgestrom auf kleine, vom Gasentladungs-Ableiter beherrschbare Folgeströme begrenzt. However, the overvoltage protection devices known from the prior art, which have gas discharge arresters (“GDT”) and metal oxide varistors (“MOV”) connected in series, are also not suitable for efficiently protecting electrical systems from transient overvoltages. To do this, the metal oxide varistor (“MOV”) would have to be dimensioned as low as possible with regard to its rated voltage, i.e. the 1 mA point on the U/I characteristic. Of the However, the gas discharge arrester (“GDT”) cannot quench any mains follow current, so that when it is triggered, i.e. when an overvoltage occurs, a mains follow current flows, which leads to unwanted wear of the gas discharge arrester (“GDT”), whereby the metal oxide varistor (“ MOV") is degraded, which ultimately leads to accelerated aging of the overvoltage protection device, which is why there is no efficient protection. These overvoltage protection devices also reach their technical limits with regard to protection against transient overvoltages due to the lack of extinguishing capacity of the gas discharge arrester, since the metal oxide varistor would have to be selected with regard to the rated voltage in such a way that the metal oxide varistor in the tripped state of the gas discharge arrester, i.e. the triggered state, Mains follow current limited to small follow currents that can be controlled by the gas discharge arrester.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Überspannungsschutzeinrichtungen bekannt, die ein anderes Schutzziel haben, beispielsweise eine redundante Auslegung. Diese Überspannungsschutzeinrichtungen dienen somit dazu, ein sicheres Ausfallverhalten bereitzustellen, sofern eine Überlastung oder eine sogenannte „end of Iife“-Situation auftritt. Aus diesem Grund sind die spannungsbegrenzenden Schutzkomponenten bei den aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen auf deutlich höhere Bemessungsspannungen (beispielsweise bei 2/3 der anliegenden Nennspannung bis zur anliegenden Nennspannung) ausgelegt. Folglich sind diese Überspannungsschutzeinrichtungen ungeeignet, vor transienten Überspannungen mit einem entsprechend niedrigen Schutzpegel zu schützen. Letztendlich haben diese Überspannungsschutzeinrichtungen im Stand der Technik einen entsprechend höheren Schutzpegel, insbesondere die spannungsbegrenzenden Schutzkomponenten. Furthermore, overvoltage protection devices are known from the prior art that have a different protection goal, for example a redundant design. These overvoltage protection devices are therefore used to provide safe failure behavior if an overload or a so-called "end of life" situation occurs. For this reason, the voltage-limiting protective components in the overvoltage protection devices known from the prior art are designed for significantly higher rated voltages (for example at 2/3 of the nominal voltage applied up to the nominal voltage applied). Consequently, these overvoltage protection devices are unsuitable for protecting against transient overvoltages with a correspondingly low protection level. Ultimately, these overvoltage protection devices in the prior art have a correspondingly higher protection level, in particular the voltage-limiting protection components.
Folglich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente sowie die spannungsschaltende Schutzkomponente in einer Reihenschaltung angeordnet sind, wobei die spannungsbegrenzende Schutzkomponente für wesentlich geringere Dauerspannungen ausgelegt bzw. dimensioniert ist im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen, die eine spannungsbegrenzende Schutzkomponente und eine spannungsschaltende Schutzkomponente aufweisen. Die erfindungsgemäße Uberspannungsschutzeinrichtung kann aufgrund der Reihenschaltung der beiden Schutzkomponenten sicher bei der Nennspannung betrieben werden. Eventuelle Netzfolgeströme im Anschluss an einen Auslösefall werden von der spannungsschaltenden Schutzkomponente sicher und unmittelbar unterbrochen, sodass hierdurch kein Verschleiß der Schutzkomponenten auftritt, wie dies bei den aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen der Fall ist. Ebenso ergibt sich hierdurch eine geringere Belastung für das Netz und schützt zudem vor einem unbeabsichtigten Auslösen etwaiger Vorsicherungen. Consequently, the invention provides that the voltage-limiting protective component and the voltage-switching protective component are arranged in a series circuit, with the voltage-limiting protective component being designed or dimensioned for significantly lower continuous voltages compared to overvoltage protection devices known from the prior art, which have a voltage-limiting protective component and a voltage-switching one Have protection component. The overvoltage protection device according to the invention can be operated safely at the rated voltage due to the series connection of the two protection components. Any mains follow currents following a tripping event are reliably and immediately interrupted by the voltage-switching protection component, so that there is no wear on the protection components, as is the case with overvoltage protection devices known from the prior art. This also results in a lower load on the network and also protects against unintentional triggering of any back-up fuses.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung demnach im Wesentlichen folgestromfrei, leckstromfrei, verschleißfest bzw. alterungsstabil, weswegen die Überspannungsschutzeinrichtung elektrische Anlagen effizient vor transienten Überspannungen schützt. Im Wesentlichen folgestromfrei bedeutet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung Netzfolgeströme mit kleinen Durchlassströmen zuverlässig unterbricht. Dies kann auch als folgestromarm bezeichnet werden. Insofern unterliegt die spannungsbegrenzende Schaltkomponente im normalen Betrieb, also dem Ausgangszustand, keiner alterungsrelevanten Belastung, weswegen die Überspannungsschutzeinrichtung verschleißfest ist. In principle, the overvoltage protection device according to the invention is therefore essentially free of follow currents, free of leakage currents, wear-resistant and stable to aging, which is why the overvoltage protection device efficiently protects electrical systems from transient overvoltages. Essentially follow current-free means that the overvoltage protection device reliably interrupts mains follow currents with low let-through currents. This can also be referred to as low follow current. In this respect, the voltage-limiting switching component is not subject to any stress relevant to aging during normal operation, ie the initial state, which is why the overvoltage protection device is wear-resistant.
Der Ausgangszustand der spannungsschaltenden Schutzkomponente entspricht also dem Normalbetrieb. The initial state of the voltage-switching protection component therefore corresponds to normal operation.
Bei der spannungsbegrenzenden Schaltkomponente kann es sich um einen Typ Il-Überspannungsableiter handeln. The voltage-limiting switching component can be a type II surge arrester.
Die spannungsschaltende Schutzkomponente kann demnach kein Halbleiterschalter bzw. Leistungshalbleiter sein, da die Spannung über die spannungsschaltende Schutzkomponente derart abfällt, dass die in Reihe geschaltete spannungsbegrenzende Schutzkomponente leckstromfrei bleibt. Dies wäre bei einem Halbleiterschalter bzw. einem Leistungshalbleiter nicht gegeben. Accordingly, the voltage-switching protective component cannot be a semiconductor switch or power semiconductor, since the voltage across the voltage-switching protective component drops in such a way that the series-connected voltage-limiting protective component remains free of leakage current. This would not be the case with a semiconductor switch or a power semiconductor.
Insofern handelt es sich bei der spannungsschaltenden Schutzkomponente nicht um einen Halbleiterschalter bzw. Leistungshalbleiter. In this respect, the voltage-switching protective component is not a semiconductor switch or power semiconductor.
Darüber hinaus kann die spannungsschaltende Schutzkomponente derart mit der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente in Reihe geschaltet sein, dass keine weitere spannungsschaltende Schutzkomponente vorgesehen ist, die mit der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente (direkt bzw. mittelbar über einen Transformator) verbunden ist, insbesondere keine weitere spannungsschaltende Schutzkomponente, die parallel zur spannungsschaltenden Schutzkomponente geschaltet ist. In addition, the voltage-switching protection component can be connected in series with the voltage-limiting protection component in such a way that no further voltage-switching protective component is provided which is connected to the voltage-limiting protective component (directly or indirectly via a transformer), in particular no further voltage-switching protective component which is connected in parallel with the voltage-switching protective component.
Insbesondere ist die spannungsbegrenzende Schaltkomponente baulich mit der spannungsschaltenden Schaltkomponente vereinigt. Die baulich vereinigte Reihenschaltung zwischen spannungsbegrenzenden Schaltkomponente und der spannungsschaltenden Schaltkomponente bildet eine neue Baueinheit, die die gewünschte Abstimmung für alle Überlast- und Fehlerfälle ermöglicht. In particular, the voltage-limiting switching component is structurally combined with the voltage-switching switching component. The structurally combined series connection between the voltage-limiting switching component and the voltage-switching switching component forms a new unit that enables the desired coordination for all overload and fault cases.
Grundsätzlich wird der Einstellparameter für den verwendeten Einsatzzweck und den gewünschten Schutzpegel eingestellt und stellt eine Eigenschaft der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente dar, da diese entsprechend dem gewünschten Schutzpegel bzw. Einsatzgebiet dimensioniert worden ist. Basically, the setting parameter is set for the intended use and the desired protection level and represents a property of the voltage-limiting protection component, since it has been dimensioned according to the desired protection level or area of application.
Die entsprechende Dimensionierung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente ist eine an der Schutzkomponente selbst überprüfbare Eigenschaft. Mit anderen Worten bedeutet der Einstellparameter, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente für einen Normalbetrieb bei einer Spannung X („Nennspannung“) und für einen problemlosen Dauerbetrieb bei einer Spannung Y („Bemessungsspannung“) ausgelegt ist. The appropriate dimensioning of the voltage-limiting protection component is a property that can be checked on the protection component itself. In other words, the setting parameter means that the voltage-limiting protection component is designed for normal operation at a voltage X (“nominal voltage”) and for trouble-free continuous operation at a voltage Y (“rated voltage”).
Üblicherweise ist die Bemessungsspannung größer als die Nennspannung, was erfindungsgemäß jedoch gerade nicht vorgesehen ist. The rated voltage is usually greater than the nominal voltage, which is not intended according to the invention.
Aufgrund des entsprechenden Einstellparameters, der die Dimensionierung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente definiert, wird deutlich, dass die die spannungsbegrenzende Schutzkomponente eigentlich unterdimensioniert ist, da die Bemessungsspannung kleiner als die Nennspannung ist. Based on the corresponding setting parameter, which defines the dimensioning of the voltage-limiting protection component, it becomes clear that the voltage-limiting protection component is actually undersized, since the rated voltage is lower than the nominal voltage.
Ein Aspekt sieht vor, dass die Bemessungsspannung so definiert ist, dass beim Anliegen der Bemessungsspannung ein Strom von 1 mA durch die spannungsbegrenzende Schutzkomponente fließen kann. Die Bemessungsspannung kann demnach aufgrund einer U/I-Kennlinie der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente bei einem Strom von 1 mA gewählt sein. Die entsprechende Bemessungsspannung wird bei spannungsbegrenzenden Schaltkomponenten, die als Metalloxidvaristor („MOV“) ausgebildet sind, auch mit UimA oder UMOV bezeichnet. Bei spannungsbegrenzenden Schaltkomponenten, die als Thyristoren, Transistoren oder TVS-Dioden („Transient Voltage Suppressor“ - TVS) ausgebildet sind, kann die Bemessungsspannung auch als Durchbruchspannung („breakdown voltage“) bezeichnet werden. One aspect provides that the rated voltage is defined in such a way that when the rated voltage is applied, a current of 1 mA can flow through the voltage-limiting protective component. Accordingly, the rated voltage can be selected based on a U/I characteristic of the voltage-limiting protective component at a current of 1 mA. The corresponding rated voltage is used for voltage-limiting switching components, which are designed as metal oxide varistors (“MOV”), also referred to as Ui m A or UMOV. In the case of voltage-limiting switching components, which are designed as thyristors, transistors or TVS diodes (“Transient Voltage Suppressor” - TVS), the rated voltage can also be referred to as the breakdown voltage (“breakdown voltage”).
Grundsätzlich kann die Bemessungsspannung auch als Dauerspannung bezeichnet werden. In principle, the rated voltage can also be referred to as the continuous voltage.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Überspannungsschutzeinrichtung aufgrund der entsprechend dimensionierten spannungsbegrenzenden Schutzkomponente zusammen mit der spannungsschaltenden Schutzkomponente einen Schutzpegel hat, der einen Wert kleiner dem dreifachen Spitzenwert der anliegenden Netzspannung aufweist. Hierdurch wird die zu schützende Anlage optimal geschützt. Bei einer Nennspannung (bspw. Außenleiterspannung) von 440V kann der Schutzpegel maximal 1 ,9 kV betragen, insbesondere maximal 1 ,5 kV. Bei Auslegung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente für eine Leiter-Erde-Spannung 230V ist dennoch ein sicherer Betrieb zwischen den Außenleitern bei UL-L =440V möglich. Der erreichbare Schutzpegel ist in beiden Fällen 1 ,5 kV. Die aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen haben aufgrund ihrer Ausgestaltung dagegen einen höheren Schutzpegel, nämlich mindestens 2 kV. Another aspect provides that the overvoltage protection device has a protection level due to the appropriately dimensioned voltage-limiting protection component together with the voltage-switching protection component, which has a value less than three times the peak value of the mains voltage present. As a result, the system to be protected is optimally protected. With a rated voltage (for example phase-to-phase voltage) of 440V, the protection level can be a maximum of 1.9 kV, in particular a maximum of 1.5 kV. If the voltage-limiting protective component is designed for a phase-to-earth voltage of 230V, safe operation between the phase conductors at UL-L =440V is still possible. The achievable protection level is 1.5 kV in both cases. In contrast, the overvoltage protection devices known from the prior art have a higher protection level, namely at least 2 kV, due to their design.
Gemäß einem anderen Aspekt ist die spannungsbegrenzende Schutzkomponente im Vergleich zu einer Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor Überlast unterdimensioniert ausgebildet. Wie vorstehend bereits erläutert, weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen zum Schutz einer elektrischen Anlage vor Überlast typischerweise eine spannungsbegrenzende Schutzkomponente auf, die einen Schutzpegel von mindestens 2 kV hat. Insofern ist die spannungsbegrenzende Schutzkomponente der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung vergleichsweise unterdimensioniert. Hierdurch ist es aber möglich, dass die Überspannungsschutzeinrichtung die elektrische Anlage vor transienten Überspannungen schützt, ohne einen zu großen Verschleiß der Komponenten zu verursachen. Insofern stellt die Kombination der unterdimensionierten spannungsbegrenzenden Schutzkomponente mit der spannungsschaltenden Schutzkomponente die effizienteste Überspannungsschutzeinrichtung dar, um elektrische Anlagen vor transienten Überspannungen zu schützen. According to another aspect, the voltage-limiting protection component is designed to be undersized compared to an overvoltage protection device for protecting an electrical installation from overload. As already explained above, the overvoltage protection devices known from the prior art for protecting an electrical installation from overload typically have a voltage-limiting protection component which has a protection level of at least 2 kV. In this respect, the voltage-limiting protective component of the overvoltage protection device according to the invention is comparatively undersized. However, this makes it possible for the overvoltage protection device to protect the electrical system from transient overvoltages without causing excessive wear on the components. In this respect, the combination of the undersized voltage-limiting protection component with the voltage-switching protection component represents the most efficient overvoltage protection device to protect electrical systems from transient overvoltages.
Ferner kann der Einstellparameter einen Wert aufweisen, der zwischen 2 und 10 liegt, insbesondere zwischen 2 und 5. Vorzugsweise hat der Einstellparameter einen Wert größer als 2,5, beispielsweise zwischen 2,6 und 10 bzw. mindestens 2,6 oder größer. Je größer der Wert des Einstellparameters ist, desto geringer ist der Schutzpegel. Der Einstellparameter kann je nach Einsatzgebiet und der dauerhaft anliegenden Nennspannung gewählt werden. Alternativ oder ergänzend kann der Einstellparameter in Abhängigkeit des gewünschten Schutzpegels trotz gleichem Einsatzgebiet gewählt werden. Furthermore, the setting parameter can have a value between 2 and 10, in particular between 2 and 5. The setting parameter preferably has a value greater than 2.5, for example between 2.6 and 10 or at least 2.6 or greater. The larger the value of the setting parameter, the lower the protection level. The setting parameter can be selected depending on the area of application and the permanently applied nominal voltage. Alternatively or additionally, the setting parameter can be selected depending on the desired protection level despite the same field of application.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Überspannungsschutzeinrichtung TOV resistent, insbesondere wobei die Überspannungsschutzeinrichtung ohne thermische Abtrennvorrichtung ausgebildet ist. Die Überspannungsschutzeinrichtung kann wiederkehrende Spannungsspitzen unterhalb des eingestellten Schutzpegels ausblenden, beispielsweise durch schaltende Halbleiter oder Filterschaltungen in der Ansteuerung der spannungsschaltenden Schutzkomponente. Aufgrund der TOV Festigkeit kann die Verfügbarkeit der elektrischen Anlage entsprechend erhöht werden. According to a further aspect, the overvoltage protection device is TOV-resistant, in particular with the overvoltage protection device being designed without a thermal disconnection device. The overvoltage protection device can suppress recurring voltage peaks below the set protection level, for example by switching semiconductors or filter circuits in the control of the voltage-switching protection component. Due to the TOV strength, the availability of the electrical system can be increased accordingly.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die spannungsschaltende Schutzkomponente eine von beweglichen Kontakten freie Schalteinheit ist, die mindestens zwei feststehende Schaltkontakte aufweist, insbesondere eine Hörnerfunkenstrecke. Insofern weist die spannungsschaltende Schutzkomponente feststehende Schaltkontakte auf, also unbewegliche Kontakte bzw. ohne ein zwischen den Kontakten bewegliches Schaltelement. Vielmehr kann eine Funkenstrecke zwischen den feststehenden Schaltkontakten ausgebildet werden, sofern eine entsprechende Spannung anliegt. A further aspect provides that the voltage-switching protective component is a switching unit that is free of moving contacts and has at least two fixed switching contacts, in particular a horn spark gap. In this respect, the voltage-switching protective component has fixed switching contacts, that is to say immovable contacts or without a switching element that can be moved between the contacts. Rather, a spark gap can be formed between the fixed switching contacts, provided that a corresponding voltage is present.
Insbesondere sind die Schaltkontakte derart voneinander beabstandet, dass sich bei jedem Stoßstrom- oder Ableitvorgang ein Lichtbogen zwischen den Schaltkontakten bildet, über den die spannungsschaltende Schutzkomponente in den quasi geschlossenen Schaltzustand übergeht. Im Auslösefall entsteht demnach ein Lichtbogen, der für die Dauer des Ableitens des Stromstoßes verharrt. Danach bewegt sich der Lichtbogen in Richtung der Loschkammer und erlischt. Der leitende Zustand der spannungsschaltenden Schutzkomponente ergibt sich somit aufgrund des Lichtbogens, der eine elektrische Leitung sicherstellt, weswegen die spannungsschaltende Schutzkomponente in den quasi geschlossenen Schaltzustand übergeht. Nach Abklingen des Überspannungsereignisses eventuell auftretende Netzfolgeströme können von der spannungsschaltenden Schutzkomponente schnell auf kleine Werte begrenzt und anschließend gelöscht werden. In particular, the switching contacts are spaced apart from one another in such a way that an arc forms between the switching contacts during each surge current or discharge process, via which the voltage-switching protective component changes to the quasi-closed switching state. In the event of a trigger, an arc is produced which lasts for the duration of the discharge of the current surge remains. The arc then moves in the direction of the arcing chamber and is extinguished. The conductive state of the voltage-switching protective component thus results from the arc, which ensures electrical conduction, which is why the voltage-switching protective component changes to the quasi-closed switching state. After the overvoltage event has died down, any mains follow currents that may occur can be quickly limited to small values by the voltage-switching protection component and then extinguished.
Die spannungsschaltende Schutzkomponente kann eine folgestromlöschende Netzfunkenstrecke aufweisen. Dabei kann die spannungsschaltende Schutzkomponente eigenständig ausgebildet sein, insbesondere in einem Überspannungsschutzgerät. Das entsprechende Überspannungsschutzgerät kann in AC- und DC-System eingesetzt werden. The voltage-switching protective component can have a follow-current-quenching network spark gap. In this case, the voltage-switching protective component can be designed independently, in particular in an overvoltage protection device. The corresponding surge protection device can be used in AC and DC systems.
Die spannungsbegrenzende Schutzkomponente kann als ein Metalloxid- varistor („MOV“) ausgebildet sein. Alternativ kann die spannungsbegrenzende Schutzkomponente durch einen Thyristor, einen Transistor oder eine TVS-Diode ausgebildet sein, insbesondere ein Bauelement mit einer stetigen U/I-Kennlinie. The voltage-limiting protection component can be in the form of a metal oxide varistor (“MOV”). Alternatively, the voltage-limiting protective component can be a thyristor, a transistor or a TVS diode, in particular a component with a continuous U/I characteristic.
Die Überspannungsschutzeinrichtung kann für Gleichspannungen („DC- Anwendungen“) vorgesehen sein. Dies ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen nur sehr eingeschränkt möglich, die eine Reihenschaltung aus Gasentladungs-Ableiter („GDT“) und Metalloxid- varistor („MOV“) aufweisen, da der Gasentladungs-Ableiter („GDT“) kein DC- Löschvermögen besitzt und der MOV so hoch bemessen werden muss, dass die Reihenschaltung einen hohen (schlechten) Schutzpegel aufweist. The overvoltage protection device can be provided for direct voltages (“DC applications”). This is only possible to a very limited extent with the overvoltage protection devices known from the prior art, which have a series connection of gas discharge arrester (“GDT”) and metal oxide varistor (“MOV”), since the gas discharge arrester (“GDT”) does not has DC quenching capability and the MOV must be dimensioned so high that the series connection has a high (poor) protection level.
Grundsätzlich stellt die Überspannungsschutzeinrichtung sicher, dass in ihrem normalen Betrieb der Überspannungsschutzeinrichtung die Netzspannung über die spannungsschaltende Schutzkomponente abfällt und damit die spannungsbegrenzende Schutzkomponente der Netzspannung nicht ausgesetzt ist bzw. diese vom Netz getrennt ist. Folglich fließt im normalen Betrieb kein Leckstrom, wodurch die Lebensdauer der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente entsprechend verlängert werden kann. Insbesondere kann auf eine thermisch aktivierte Abtrennvorrichtung verzichtet werden. Die thermisch aktivierte Abtrennvorrichtung kann aber aus normativen Gründen vorgesehen sein. Die Uberspannungsschutzeinrichtung kann zwei separat ausgebildete Überspannungsschutzgeräte („Surge Protection Device“ - SPD) haben, die in Reihe geschaltet sind. Das erste Überspannungsschutzgerät weist die spannungsbegrenzende Schutzkomponente auf. Das zweite Überspannungsschutzgerät weist die spannungsschaltende Schutzkomponente auf. Insofern kann die Überspannungsschutzeinrichtung durch zwei getrennte Überspannungsschutzgeräte ausgebildet sein, die miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei die Schutzkomponenten jeweils einem Überspannungsschutzgerät zugeordnet sind. Basically, the overvoltage protection device ensures that during normal operation of the overvoltage protection device, the mains voltage drops across the voltage-switching protective component and the voltage-limiting protective component is therefore not exposed to the mains voltage or it is disconnected from the mains. As a result, no leakage current flows during normal operation, which means that the life of the voltage-limiting protection component can be extended accordingly. In particular, a thermally activated separating device can be dispensed with. However, the thermally activated disconnection device can be provided for normative reasons. The overvoltage protection device can have two separately formed overvoltage protection devices (“Surge Protection Device”—SPD) connected in series. The first overvoltage protection device has the voltage-limiting protection component. The second overvoltage protection device has the voltage-switching protection component. In this respect, the overvoltage protection device can be formed by two separate overvoltage protection devices which are connected to one another in series, with the protective components each being assigned to an overvoltage protection device.
Alternativ sind beide Schutzkomponenten in einem einzigen Überspannungsschutzgerät („Surge Protection Device“ - SPD) angeordnet, also in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Alternatively, both protective components are arranged in a single overvoltage protection device (“Surge Protection Device” - SPD), i.e. housed in a common housing.
Zudem sieht die Erfindung die Verwendung der Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen vor. Die Überspannungsschutzeinrichtung weist eine spannungsbegrenzende Schutzkomponente sowie zusätzlich eine spannungsschaltende Schutzkomponente auf. Die spannungsbegrenzende Schutzkomponente und die spannungsschaltende Schutzkomponente sind in Reihe geschaltet. Die spannungsschaltende Schutzkomponente ist ausgebildet, sodass die spannungsschaltende Schutzkomponente bei jedem Stoßstrom- oder Ableitvorgang in einen quasi geschlossenen Schaltzustand übergeht. Die spannungsschaltende Schutzkomponente ist derart ausgebildet, dass eine an der spannungsschaltenden Schutzkomponente anliegende Spannung an der spannungsschaltenden Schutzkomponente in ihrem Ausgangszustand derart abfällt, dass die in Reihe geschaltete spannungsbegrenzende Schutzkomponente leckstromfrei bleibt. Die spannungsschaltende Schutzkomponente ist ausgebildet, auftretende Netzfolgeströme zumindest zu begrenzen, insbesondere zu unterbrechen. Aus dem Stand der Technik ist es nicht bekannt, eine derartige Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen zu verwenden. In addition, the invention provides for the use of the overvoltage protection device to protect an electrical installation from transient overvoltages. The overvoltage protection device has a voltage-limiting protective component and, in addition, a voltage-switching protective component. The voltage-limiting protection component and the voltage-switching protection component are connected in series. The voltage-switching protective component is designed such that the voltage-switching protective component changes to a quasi-closed switching state with every surge current or discharge process. The voltage-switching protective component is designed in such a way that a voltage present at the voltage-switching protective component drops across the voltage-switching protective component in its initial state in such a way that the series-connected voltage-limiting protective component remains free of leakage current. The voltage-switching protective component is designed to at least limit, in particular to interrupt, mains follow currents that occur. It is not known from the prior art to use such an overvoltage protection device to protect an electrical system from transient overvoltages.
Insbesondere ist es nicht bekannt, die Überspannungsschutzeinrichtung, nämlich die spannungsbegrenzende Schutzkomponente, entsprechend zu dimensionieren bzw. auszulegen, um die elektrische Anlage vor transienten Überspannungen wirkungsvoll und effizient zu schützen, wobei die weiteren Schutzfunktionen nicht beeinträchtigt werden. In particular, it is not known how to dimension or design the overvoltage protection device, namely the voltage-limiting protection component, to protect the electrical system from transients Protection against overvoltages effectively and efficiently, without impairing the other protective functions.
Beispielsweise wird die zuvor genannte Überspannungsschutzeinrichtung verwendet, um eine elektrische Anlage vor transienten Überspannungen zu schützen. For example, the aforementioned overvoltage protection device is used to protect an electrical installation from transient overvoltages.
Grundsätzlich können die Schutzkomponenten derart ausgewählt werden, dass zwischen Lebensdauer (Verschleiß) und Schutzpegel justiert wird, also die Überspannungsschutzeinrichtung entsprechend ausgelegt wird. Folglich kann der Einstellparameter auch als Indikator für Lebensdauer und/oder Schutzwirkung bzw. -pegel angesehen werden. In principle, the protection components can be selected in such a way that there is an adjustment between service life (wear and tear) and protection level, i.e. the overvoltage protection device is designed accordingly. Consequently, the setting parameter can also be viewed as an indicator for the service life and/or protective effect or level.
Darüber hinaus wird grundsätzlich ein PLC („Power Line Communication“) nicht beeinflusst, da zwischen den Leitern nur eine kleine Kapazität vorliegt. Dies liegt daran, dass die Überspannungsschutzeinrichtung wegen der Reihenschaltung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente und der spannungsschaltenden Schutzkomponente, insbesondere der Hörnerfunkenstrecke, nur eine kleine Gesamtkapazität aufweist. Die Funkenstrecke der Hörnerfunkenstrecke stellt einen Kondensator mit relativ großem Elektrodenabstand, kleiner Fläche und Luftdielektrikum dar. In addition, a PLC (“Power Line Communication”) is generally not affected, since there is only a small capacitance between the conductors. This is due to the fact that the overvoltage protection device only has a small total capacitance due to the series connection of the voltage-limiting protective component and the voltage-switching protective component, in particular the horn spark gap. The spark gap of the horn spark gap represents a capacitor with a relatively large electrode gap, small area and air dielectric.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen: Further advantages and properties of the invention result from the following description and the drawings to which reference is made. In the drawings show:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen gemäß einer ersten Ausführungsform,Figure 1 shows a schematic representation of an overvoltage protection device according to the invention for protecting an electrical system from transient overvoltages according to a first embodiment,
Figur 2 eine Übersicht, die das Folgestromverhalten der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung im Vergleich zu zwei Überspannungsschutzeinrichtungen aus dem Stand der Technik, undFIG. 2 shows an overview which shows the follow current behavior of the overvoltage protection device according to the invention in comparison to two overvoltage protection devices from the prior art, and
Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen gemäß einer zweiten Ausführungsform. In Figur 1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung 10 zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen gezeigt. FIG. 3 shows a schematic representation of an overvoltage protection device according to the invention for protecting an electrical installation from transient overvoltages according to a second embodiment. FIG. 1 shows an overvoltage protection device 10 for protecting an electrical installation from transient overvoltages.
Die Überspannungsschutzeinrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das einen ersten Anschluss 14 und einen zweiten Anschluss 16 aufweist, die auch als Außenanschlüsse bezeichnet werden können, über die die Überspannungsschutzeinrichtung 10 parallel zu der zu schützenden elektrischen Anlage geschaltet werden kann. The overvoltage protection device 10 has a housing 12, which has a first connection 14 and a second connection 16, which can also be referred to as external connections, via which the overvoltage protection device 10 can be connected in parallel to the electrical system to be protected.
Zudem umfasst die Überspannungsschutzeinrichtung 10 eine spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18, die mit einer spannungsschaltenden Schutzkomponente 20 in Reihe geschaltet ist. Beide Schutzkomponenten 18, 20 sind innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. In addition, the overvoltage protection device 10 includes a voltage-limiting protective component 18 which is connected in series with a voltage-switching protective component 20 . Both protective components 18, 20 are arranged within the housing 12.
Die spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 ist als eine Überspannungsschutzkomponente ausgebildet. The voltage-limiting protection component 18 is designed as an overvoltage protection component.
In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente 18 um einen Metalloxidvaristor („MOV“). Insofern ist die Überspannungsschutzeinrichtung 10 vom Typ II. Alternativ kann die spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 auch als ein Thyristor, Transistor oder TVS-Diode („Transient Voltage Suppressor“ - TVS) ausgebildet sein. In the embodiment shown, the voltage limiting protection component 18 is a metal oxide varistor ("MOV"). In this respect, the overvoltage protection device 10 is of type II. Alternatively, the voltage-limiting protection component 18 can also be in the form of a thyristor, transistor or TVS diode (“Transient Voltage Suppressor”—TVS).
Die spannungsschaltende Schutzkomponente 20 weist in der gezeigten Ausführungsform zwei feststehende Schaltkontakte 22, 24 auf, sodass die spannungsschaltende Schutzkomponente 20 frei von beweglichen Kontakten ist. Mit anderen Worten handelt es sich bei der spannungsschaltenden Schutzkomponente 20 um eine von beweglichen Kontakten freie Schalteinheit 26. In the embodiment shown, the voltage-switching protective component 20 has two stationary switching contacts 22, 24, so that the voltage-switching protective component 20 is free of moving contacts. In other words, the voltage-switching protective component 20 is a switching unit 26 that has no moving contacts.
In der gezeigten Ausführungsform ist die spannungsschaltende Schutzkomponente 20 als eine Hörnerfunkenstrecke („HFS“) 28 ausgebildet, wobei zwischen den beiden feststehenden Schaltkontakten 22, 24 ein Lichtbogen 30 im Auslösefall entstehen kann, der entsprechend in Figur 1 angedeutet ist. Hierzu sind die Schaltkontakte 22, 24 derart voneinander beabstandet, dass sich bei jedem Stoßstrom- oder Ableitvorgang der Lichtbogen 30 ausbildet. Sofern sich der Lichtbogen 30 ausbildet, geht die spannungsschaltende Schutzkomponente 20 in einen quasi geschlossenen Schaltzustand über, wodurch die Überspannungsschutzeinrichtung 10 elektrisch leitend wird. In the embodiment shown, the voltage-switching protective component 20 is designed as a horn spark gap (“HFS”) 28, with an arc 30 being able to occur between the two fixed switching contacts 22, 24 in the event of triggering, which is indicated accordingly in FIG. For this purpose, the switching contacts 22, 24 are spaced apart from one another in such a way that the arc 30 forms with each surge current or discharge process. If the arc 30 forms, the voltage-switching protection component 20 goes on a quasi-closed switching state, as a result of which the overvoltage protection device 10 becomes electrically conductive.
Darüber hinaus ist die spannungsschaltende Schutzkomponente 20 derart ausgebildet, dass auftretende Netzfolgeströme zumindest begrenzt werden, insbesondere unterbrochen werden. Hierdurch ist gewährleistet, dass die in Reihe geschaltete spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 nicht verschleißt. In addition, the voltage-switching protective component 20 is designed in such a way that line follow currents that occur are at least limited, in particular interrupted. This ensures that the series-connected voltage-limiting protective component 18 does not wear out.
Im Ausgangszustand der Überspannungsschutzeinrichtung 10 fällt die an den Anschlüssen 14, 16 anliegende Spannung an der spannungsschaltenden Schutzkomponente 20 ab, sodass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18, die in Reihe geschaltet ist, leckstromfrei bleibt und keinen Belastungen ausgesetzt ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass keine Alterungseffekte bzw. Verschleißeffekte an der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente 18 auftreten. In the initial state of the overvoltage protection device 10, the voltage present at the terminals 14, 16 drops across the voltage-switching protective component 20, so that the voltage-limiting protective component 18, which is connected in series, remains free of leakage current and is not exposed to any loads. This ensures that no aging effects or wear effects occur on the voltage-limiting protective component 18 .
Die Überspannungsschutzeinrichtung 10 ist demnach im Wesentlichen folgestromfrei, leckstromfrei, verschleißfest bzw. alterungsstabil. The overvoltage protection device 10 is therefore essentially free of follow current, free of leakage current, wear-resistant and stable to aging.
Im Endeffekt unterbricht die Überspannungsschutzeinrichtung 10 etwaige Netzfolgeströme zuverlässig mit extrem kleinen Durchlassströmen, weswegen die Überspannungsschutzeinrichtung 10 quasi folgestromfrei bzw. folgestromarm ist und damit verschleißfest. Ultimately, the overvoltage protection device 10 reliably interrupts any mains follow currents with extremely small let-through currents, which is why the overvoltage protection device 10 is virtually free of follow current or has a low follow current and is therefore wear-resistant.
Darüber hinaus ist die spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 unterdimensioniert ausgebildet, sodass die gesamte Überspannungsschutzeinrichtung 10 die elektrische Anlage vor transienten Überspannungen schützt. In addition, the voltage-limiting protective component 18 is designed to be undersized, so that the entire overvoltage protection device 10 protects the electrical system from transient overvoltages.
Die entsprechende Dimensionierung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente 18 stellt sicher, dass die die Überspannungsschutzeinrichtung 10 einen Schutzpegel hat, der einen Wert kleiner dem dreifachen Spitzenwert der anliegenden Netzspannung aufweist. Am Beispiel eines 230/440V Niederspannungsnetzes bedeutet dies, dass der Wert des Schutzpegels maximal 1 ,9 kV beträgt, insbesondere maximal 1 ,5 kV. The appropriate dimensioning of the voltage-limiting protection component 18 ensures that the overvoltage protection device 10 has a protection level that has a value less than three times the peak value of the mains voltage present. Using the example of a 230/440V low-voltage network, this means that the value of the protection level is a maximum of 1.9 kV, in particular a maximum of 1.5 kV.
Dies wird dadurch erreicht, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 die Bedingung UB=Un/Kx erfüllt, wobei UB die Bemessungsspannung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente 18, Un eine an der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente 18 anliegende Nennspannung und Kx em Emstellparameter sind, dessen Wert mindestens 2 beträgt. Grundsätzlich kann der Wert des Einstellparameters zwischen 2 und 10 liegen, insbesondere zwischen 2 und 5. This is achieved in that the voltage-limiting protective component 18 satisfies the condition UB=U n /K x , where UB is the rated voltage of the voltage-limiting protective component 18 and U n is a voltage applied to the voltage-limiting protective component 18 Nominal voltage and K x em are setting parameters whose value is at least 2. In principle, the value of the setting parameter can be between 2 and 10, in particular between 2 and 5.
Die Bemessungsspannung kann so definiert sein, dass beim Anliegen der Bemessungsspannung ein Strom von 1 mA durch die spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 fließen kann. Insofern wird die Bemessungsspannung auch mit UimA oder UMOV bezeichnet, sofern die spannungsbegrenzende Schaltkomponente als Metalloxidvaristor („MOV“) ausgebildet ist. Sofern die spannungsbegrenzende Schaltkomponente als Thyristor, Transistor oder TVS- Diode („Transient Voltage Suppressor“ - TVS) ausgebildet ist, kann die Bemessungsspannung auch als Durchbruchsspannung bezeichnet werden.The rated voltage can be defined in such a way that a current of 1 mA can flow through the voltage-limiting protective component 18 when the rated voltage is applied. In this respect, the rated voltage is also referred to as UimA or UMOV if the voltage-limiting switching component is designed as a metal oxide varistor ("MOV"). If the voltage-limiting switching component is designed as a thyristor, transistor or TVS diode (“Transient Voltage Suppressor” - TVS), the rated voltage can also be referred to as the breakdown voltage.
Hierdurch ist sichergestellt, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 im Vergleich zu Überspannungsschutzeinrichtungen 10 mit höheren Schutzpegel, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wirksam wird, wodurch die Anlage auch besser vor transienten Überspannungen geschützt ist. Hierfür sind die aus dem Stand der Technik bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen bisher nicht vorgesehen bzw. ausgelegt gewesen. This ensures that the voltage-limiting protection component 18 becomes effective compared to overvoltage protection devices 10 with a higher protection level, as is known from the prior art, as a result of which the system is also better protected against transient overvoltages. The overvoltage protection devices known from the prior art have not previously been provided or designed for this purpose.
Darüber hinaus ist die die Überspannungsschutzeinrichtung 10 TOV resistent, insbesondere wobei die Überspannungsschutzeinrichtung 10 ohne thermische Abtrennvorrichtung ausgebildet ist. Wiederkehrende Spannungsspitzen unterhalb des eingestellten Schutzpegels können folglich von der Überspannungsschutzeinrichtung 10 effektiv ausgeblendet werden. In addition, the overvoltage protection device 10 is TOV-resistant, in particular with the overvoltage protection device 10 being designed without a thermal disconnection device. Consequently, recurring voltage peaks below the set protection level can be effectively masked out by the overvoltage protection device 10 .
In Figur 2 ist das Folgestromverhalten der Überspannungsschutzeinrichtung 10 nach Figur 1 gezeigt, also mit entsprechend dimensionierter spannungsbegrenzenden Schutzkomponente 18. Das entsprechende Folgestromverhalten der Überspannungsschutzeinrichtung 10 nach Figur 1 ist mit der Kurve „A“ dargestellt. FIG. 2 shows the follow current behavior of the overvoltage protection device 10 according to FIG. 1, ie with a correspondingly dimensioned voltage-limiting protective component 18. The corresponding follow current behavior of the overvoltage protection device 10 according to FIG. 1 is represented by curve “A”.
Zudem sind die Folgestromverhalten einer Überspannungsschutzeinrichtung, die nur eine entsprechend dimensionierte spannungsbegrenzende Schutzkomponente (Kurve „B“) hat, sowie einer Überspannungsschutzeinrichtung gezeigt, die nur eine spannungsschaltende Schutzkomponente (Kurve „C“) aufweist. In addition, the follow current behavior of an overvoltage protection device that only has an appropriately dimensioned voltage-limiting protective component (curve "B") and an overvoltage protection device shown which has only one voltage switching protection component (curve "C").
Aus dem Vergleich der drei Folgestromverhalten wird deutlich, dass die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung 10 nach Figur 1 das deutlich beste Folgestromverhalten zeigt. The comparison of the three follow current behaviors makes it clear that the overvoltage protection device 10 according to the invention as shown in FIG. 1 clearly shows the best follow current behavior.
In Figur 3 ist zudem eine zweite Ausführungsform gezeigt, die sich von der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform darin unterscheidet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung 10 zwei separat ausgebildete Überspannungsschutzgeräte 32, 34 hat, die mittels einer Verbindung 36 in Reihe geschaltet sind. A second embodiment is also shown in FIG. 3, which differs from the embodiment shown in FIG.
Die Überspannungsschutzgeräte 32, 34 können jeweils ein eigenes Gehäuse 38, 40 aufweisen, in dem jeweils eine spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 bzw. spannungsschaltende Schutzkomponente 20 aufgenommen ist. The overvoltage protection devices 32, 34 can each have their own housing 38, 40, in which a voltage-limiting protective component 18 or voltage-switching protective component 20 is accommodated.
Insofern ist ein erstes Überspannungsschutzgerät 32 vorgesehen, das die spannungsbegrenzende Schutzkomponente 18 aufweist, insbesondere den Metal loxidvaristor („MOV“), wohingegen das zweite Überspannungsschutzgerät 34 die spannungsschaltende Schutzkomponente 20 aufweist, insbesondere die Hörnerfunkenstrecke („HFS“). In this respect, a first overvoltage protection device 32 is provided, which has the voltage-limiting protection component 18, in particular the metal oxide varistor (“MOV”), whereas the second overvoltage protection device 34 has the voltage-switching protection component 20, in particular the horn spark gap (“HFS”).
Demnach unterscheiden sich die in Figuren 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen dahingehend, dass die Schutzkomponenten 18, 20 in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform in einem gemeinsamen Überspannungsschutzgerät („Surge Protection Device“ - SPD) angeordnet sind, insbesondere einem gemeinsamen Gehäuse. Dagegen sind die beiden Schutzkomponenten 18, 20 in der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform in den beiden Überspannungsschutzgeräten 32, 34 („Surge Protection Device“ - SPD) getrennt voneinander vorgesehen, insbesondere im jeweiligen Gehäuse 38, 40 des entsprechenden Überspannungsschutzgeräts 32, 34. Accordingly, the embodiments shown in FIGS. 1 and 3 differ in that the protective components 18, 20 in the embodiment shown in FIG. 1 are arranged in a common overvoltage protection device (“Surge Protection Device”—SPD), in particular a common housing. In contrast, the two protective components 18, 20 in the embodiment shown in Figure 3 are provided separately from one another in the two overvoltage protection devices 32, 34 ("Surge Protection Device" - SPD), in particular in the respective housing 38, 40 of the corresponding overvoltage protection device 32, 34.
Die Funktionsweise ist bei beiden Ausführungsformen jedoch identisch, sodass auf die Erläuterungen bezüglich Figur 1 verwiesen wird. However, the mode of operation is identical in both embodiments, so that reference is made to the explanations relating to FIG.

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Überspannungsschutzeinrichtung zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen, mit einer spannungsbegrenzenden Schutzkomponente (18) sowie zusätzlich einer spannungsschaltenden Schutzkomponente (20), wobei die spannungsbegrenzende Schutzkomponente (18) und die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) in Reihe geschaltet sind, wobei die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) derart ausgebildet ist, dass die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) bei jedem Stoßstromoder Ableitvorgang in einen quasi geschlossenen Schaltzustand übergeht, und wobei die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) derart ausgebildet ist, dass eine an der spannungsschaltenden Schutzkomponente (20) anliegende Spannung an der spannungsschaltenden Schutzkomponente (20) in ihrem Ausgangszustand derart abfällt, dass die in Reihe geschaltete spannungsbegrenzende Schutzkomponente (18) leckstromfrei bleibt, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) ausgebildet ist, auftretende Netzfolgeströme zumindest zu begrenzen, wobei die spannungsbegrenzende Schutzkomponente (18) so dimensioniert ist, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente (18) die Bedingung UB=Un/Kx erfüllt, wobei UB die Bemessungsspannung der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente (18), Un eine an der spannungsbegrenzenden Schutzkomponente (18) anliegende Nennspannung und Kx ein Einstellparameter sind, dessen Wert mindestens 2 beträgt. 1. Overvoltage protection device for protecting an electrical system against transient overvoltages, with a voltage-limiting protective component (18) and also a voltage-switching protective component (20), the voltage-limiting protective component (18) and the voltage-switching protective component (20) being connected in series, the voltage-switching protective component (20) is designed in such a way that the voltage-switching protective component (20) changes to a quasi-closed switching state with every surge current or discharge process, and wherein the voltage-switching protective component (20) is designed in such a way that a voltage present at the voltage-switching protective component (20) is applied the voltage-switching protective component (20) drops in its initial state in such a way that the series-connected voltage-limiting protective component (18) remains free of leakage current, characterized in that the voltage-switching protective component (20) is designed det is to at least limit mains follow currents that occur, with the voltage-limiting protective component (18) being dimensioned in such a way that the voltage-limiting protective component (18) satisfies the condition UB=U n /K x , with UB being the rated voltage of the voltage-limiting protective component (18), U n is a nominal voltage applied to the voltage-limiting protective component (18) and K x is a setting parameter whose value is at least 2.
2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bemessungsspannung so definiert ist, dass bei der Bemessungsspannung ein Strom von 1 mA über die spannungsbegrenzende Schutzkomponente (18) fließen kann. 2. Overvoltage protection device according to claim 1, characterized in that the rated voltage is defined such that a current of 1 mA can flow through the voltage-limiting protective component (18) at the rated voltage.
3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung (10) aufgrund der entsprechend dimensionierten spannungsbegrenzenden Schutzkomponente (18) zusammen mit der spannungsschaltenden Schutzkomponente (20) einen Schutzpegel hat, der einen Wert kleiner dem dreifachen Spitzenwert der anliegenden Netzspannung aufweist. 3. Overvoltage protection device according to claim 1 or 2, characterized in that the overvoltage protection device (10) due to the appropriately dimensioned voltage-limiting protection component (18) together with the voltage-switching protection component (20). Has a protection level that is less than three times the peak value of the applied mains voltage.
4. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente (18) im Vergleich zu einer Überspannungsschutzeinrichtung (10) zum Schutz einer elektrischen Anlage vor Überlast unterdimensioniert ausgebildet ist. 4. Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage-limiting protective component (18) is undersized compared to an overvoltage protection device (10) for protecting an electrical system against overload.
5. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstellparameter einen Wert aufweist, der zwischen 2 und 10 liegt, insbesondere zwischen 2 und 5. 5. Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the setting parameter has a value between 2 and 10, in particular between 2 and 5.
6. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung (10) TOV resistent ist, insbesondere wobei die Überspannungsschutzeinrichtung (10) ohne thermische Abtrennvorrichtung ausgebildet ist. 6. Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the overvoltage protection device (10) is TOV resistant, in particular wherein the overvoltage protection device (10) is designed without a thermal disconnection device.
7. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) eine von beweglichen Kontakten freie Schalteinheit (26) ist, die mindestens zwei feststehende Schaltkontakte (22, 24) aufweist, insbesondere eine Hörnerfunkenstrecke (28). 7. Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage-switching protective component (20) is a switching unit (26) that is free of movable contacts and has at least two fixed switching contacts (22, 24), in particular a horn spark gap (28).
8. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkontakte (22, 24) derart voneinander beabstandet sind, dass sich bei jedem Stoßstrom- oder Ableitvorgang ein Lichtbogen (30) zwischen den Schaltkontakten (22, 24) bildet, über den die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) in den quasi geschlossenen Schaltzustand übergeht. 8. Overvoltage protection device according to Claim 7, characterized in that the switching contacts (22, 24) are spaced apart from one another in such a way that an arc (30) forms between the switching contacts (22, 24) during each surge current or discharge process, via which the voltage-switching Protection component (20) goes into the quasi-closed switching state.
9. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) eine folgestromlöschende Netzfunkenstrecke aufweist. 9. Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage-switching protective component (20) has a follow-current-quenching mains spark gap.
10. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Schutzkomponente (18) als ein Metalloxidvaristor ausgebildet ist. - 18 - 10. Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the voltage-limiting protective component (18) is designed as a metal oxide varistor. - 18 -
11. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überspannungsschutzeinrichtung (10) zwei separat ausgebildete Überspannungsschutzgeräte (32, 34) hat, die in Reihe geschaltet sind, wobei das erste Überspannungsschutzgerät (32) die spannungsbegrenzende Schutzkomponente (18) aufweist, und wobei das zweite Überspannungsschutzgerät (34) die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) aufweist. 11. Overvoltage protection device according to one of the preceding claims, characterized in that the overvoltage protection device (10) has two separately designed overvoltage protection devices (32, 34) which are connected in series, the first overvoltage protection device (32) having the voltage-limiting protection component (18), and wherein the second overvoltage protection device (34) has the voltage-switching protection component (20).
12. Verwendung der Überspannungsschutzeinrichtung (10) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Schutz einer elektrischen Anlage vor transienten Überspannungen, wobei die spannungsschaltende Schutzkomponente (20) der Überspannungsschutzeinrichtung (10) ausgebildet ist, auftretende Netzfolgeströme zumindest zu begrenzen. 12. Use of the overvoltage protection device (10) according to the preamble of claim 1 for protecting an electrical system from transient overvoltages, wherein the voltage-switching protection component (20) of the overvoltage protection device (10) is designed to at least limit mains follow currents that occur.
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