DD264094A1 - Anordnung zum schutz der eingangsbauelemente einer niederspannungssteuerung fuer hochspannungsleistungsschalter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezweckt die Bereitstellung einer Anordnung zum Schutz der Eingangsbauelemente einer Niederspannungssteuerung fuer Hochspannungsleistungsschalter, bei der eine Ansteuerung der den Schaltvorgang ausloesenden elektronischen Halbleiterbauelemente bei elektromagnetischen Stoerimpulsen wirksam unterbunden ist. Als Loesung hierzu ist nunmehr vorgesehen, dass das Grobschutzmittel aus einer Widerstandskombination, in welcher ein Widerstand 3, ein Varistor 4 und ein weiterer Widerstand 5 in Reihe geschaltet sind, und das Feinschutzmittel zum einen fuer Stoerimpulszeiten groesser als die Ansprechzeit des Varistors 4 aus einem Tiefpass, der aus einer zum Varistor 4 parallel geschalteten Reihenschaltung von einem Widerstand 6 und einem Kondensator 7 gebildet ist, und zum anderen fuer Stoerimpulszeiten kleiner als die Ansprechzeit des Varistors 4 aus einer in der Widerstandskombination der Widerstaende 3, 5, 6 einbezogenen zwischen den beiden letzteren Widerstaenden 5, 6 in Reihe sowie zum Kondensator 7 parallel geschalteten Z-Diode 9 und einem zum Kondensator 7 parallel geschalteten HF-Kondensator 8 bestehen und in diese Parallelschaltung von Z-Diode 9, HF-Kondensator 8 und Kondensator 7 wiederum als Parallelschaltung hierzu die Steuerelektrode bzw. Steuerelektroden des elektronischen Halbleiterbauelementes 1 bzw. der elektronischen Halbleiterbauelemente 1 integriert sind. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz der Eingangsbauelemente einer Steuerung für Hochspannungsleistungsschalter unter Verwendung von spannungsbegrenzenden sowie frequenzselektiven Verzögerungsgliedern, wobei die Funktion im normalen Betriebsfall durch diese Bauelemente nicht beeinflußt wird.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Nach der DD-PS 100840, H02 h, 9/04 ist ein Überspannungsschutz von Thyristoren bekannt, der beim Auftreten von Überspannungen die Thyristoren zündet, indem spannungsabhängige Widerstände zu ihrer Anoden-Steuerelektrodenstrecke parallel geschaltet sind. Für den Einsatz in Niederspannungssteuerungen ist diese Lösung jedoch nicht geeignet, da jedes Zünden eines Thyristors ein ungewolltes Schalten des Hochspannungsleistungsschalters bewirkt, was jedoch unbedingt auszuschließen ist.

Bei der Schutzschaltung nach der DE-OS 3109883 (H02 h, 7/20) werden die bei atmosphärischen Störungen, insbesondere bei Gewittern, an Aderpaaren auftretenden Strom- oder Spannungsstöße auf für elektrische Verbraucher ungefährliche Werte begrenzt, indem zwischen zwei Adern eines Kabels ein Varistor geschaltet ist und beide Adern über je einen weiteren Varistor an Masse bzw. Erde gelegt sind.

Diese Schaltung weist vor allem den Nachteil auf, daß die Varistoren eine sehr große Strombelastung von mindestens 4OkA aufweisen müssen.

Extrem schnelle Einkopplungen, die schneller als die Ansprechzeit der Varistoren sind, können hierbei nicht erfaßt werden. Außerdem erfolgt — bedingt durch die sich plötzlich einstellende Niederohmigkeit der Varistoren — ein Spannungsabfall über die gesamte Leitung in Form einer Wanderwelle, die z. B. die Spannungsquelle bzw. die der Schutzeinrichtung vorgelagerte elektrische Einrichtung des zu schützenden Gerätes zerstören kann.

Bei einer anderen Schutzschaltung DE-OS 2912415 (H02 h, 9/04), die zur Zwischenschaltung zwischen dem Wechselstromnetz und einem Verbraucher gedacht ist und jeweils zwei Eingangsklemmen und zwei Ausgangsklemmen aufweist, wird die Überspannung durch die Überbrückung der speisespannungsseitigen Anschlüsse durch einen Selen-Überspannungsbegrenzer und einer Funkenstrecke sowie der verbraucherseitigen Anschlüsse durch einen Metalloxidvaristor, wobei zwischen beiden Klemmen in Reihe eine Induktivität liegt, für den Verbraucher auf einen ungefährlichen Wert abgebaut. Dieser Schaltung haften vor allem die Nachteile an, daß die Reihenschaltung der Induktivität bei einem Gleichspannungssprung auf den Verbraucher eine Verzögerung der Ausgangsspannung bewirkt, und daß der Rest der abgebauten Überspannung wiederum über die den Eingangsklemmen vorgelagerte Leitung bzw. der elektrischen Einrichtung in Form einer Wanderwelle abfällt. Nachteilig ist hierbei weiterhin der relativ hohe Bedarf an Bauelementen und die relativ große Verlustleistung des aus einer Vielzahl von U-Dioden bestehenden Selen-Überspannungsbegrenzers. Eine weitere Lösung zum Schutz eines elektronischen Gerätes gegen Zerstörung durch starke elektromagnetische Impulse (DE-OS 3135515, H02 H, 7/20), insbesondere solcher nuklearen Ursprungs, ist dadurch gekennzeichnet, daß die eintreffende, über einen weiten Frequenzbereich verteilte Impulsenergie einerseits frequenzmäßig aufgeteilt wird und Energieanteile, welche frequenzmäßig im Arbeitsbereich des zu schützenden Gerätes oder in einem bestimmten Teilbereich desselben liegen, zeitlich verzögert und andererseits Energieanteile außerhalb dieser Frequenzbereiche reflektiert werden. Dieses wird dadurch realisiert, daß eine aus dem Außenraum zum zu schützenden

Gerat fuhrende Leitung an mindestens ein Grobschutzmittel angeschlossen und über mindestens ein frequenzselektives Verzögerungsglied an mindestens ein Feinschutzmittel gefuhrt ist, wobei das frequenzselektive Verzögerungsglied das technologisch bedingte schnellere Ansprechen des Feinschutzes gegenüber dem Grobschutz verhindert Nachteilig bei dieser Losung ist jedoch, daß ein großer Aufwand an entsprechend dimensionierten Bauelementen notwendig ist, wobei bei verschiedenen Arbeitsbereichen der zu schutzenden Gerate jeweils verschiedene Dimensionierungen erforderlich sind Ein besonderer Nachteil der Losung nach der DE-OS 3135515 ist dann begründet, daßderStonmpuls in dem Arbeitsbereich ae& zu schutzenden Gerätes selektiert wird, wodurch das zur Ansteuerung des Hochspannungsleistungsschalters verwendete schnelle elektronische Bauelement gezündet wird und damit einen ungewollten Schaltvorgang des Schalters bewirkt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer wirtschaftlich einsetzbaren und hohe Gebrauchswerteigenschaften aufweisenden Anordnung zum Schutz der Eingangsbauelemente einer Niederspannungssteuerung fur Hochspannungsleistungsschalter

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Schutz der Eingangsbauelemente einer Niederspannungssteuerung fur Hochspannungsleistungsschalter zu schaffen, bei der die zur Ansteuerung der Leistungsschalter dienenden elektronischen Halbleiterbauelemente, insbesondere Thyristoroptrone, vor elektromagnetischen Storimpulsen, die durch Überschlage in SF₆-gefullten Schaltanlagen bzw durch Wanderwellen infolge von Blitzemschlagen oder Abschalten großer Kurzschlußstrome entstehen, derart geschützt sind, daß eine Ansteuerung der Leistungsschalter wirksam unterbunden ist sowie eine Zerstörung der Thyristoroptrone angeschlossen ist

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe nunmehr dadurch gelost, daß das Grobschutzmittel aus einer Widerstandskombination, in welcher ein Widerstand, ein Varistor und ein weiterer Widerstand in Reihe geschaltet sind, und das Feinschutzmittel zum einen fur Storimpulszeiten großer als die Ansprechzeit des Varistors aus einem Tiefpaß, der aus einer zum Varistor parallel geschalteten Reihenschaltung von einem Widerstand und einem Kondensator gebildet ist, und zum anderen fur Storimpulszeiten kleiner als die Ansprechzeit des Varistors aus einer in der Widerstandskombination der Widerstände einbezogenen zwischen den beiden letzteren Widerstanden in Reihe sowie zum Kondensator parallel geschalteten Z-Diode und einem zum Kondensator parallel geschalteten HF-Kondensator bestehen und in diese Parallelschaltung von Z-Diode, HF-Kondensator und Kondensator wiederum als Parallelschaltung hierzu die Steuerelektrode bzw Steuerelektroden des elektronischen Halbleiterbauelementes bzw der elektronischen Halbleiterbauelemente integriert sind In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, wenn die beiden äußeren Widerstände des Grobschutzmittels gleiche Widerstandswerte aufweisen und hochspannungsfest ausgelegt sind

Ausfuhrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert werden In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig 1 eine Schaltung fur das anzusteuernde elektronische Bauelement, Fig 2 eine weitere Ausfuhrungsform der Schaltung nach Figur 1

Wie in Figur 1 dargestellt, erfolgt die Ansteuerung des vorzugsweise als Optothyristors ausgebildeten elektronischen Halbleiterbauelementes 1 im normalen Betriebsfall über einen Kontakt 2 mit der Steuerspannung UB₁ In der Steuerleitung ist dem Kontakt 2 fur das elektronische Halbleiterbauelement 1 eine Schutzschaltung nachgeschaltet, welche in ein Grobschutzmittel und ein Feinschutzmittel aufgeteilt ist

D^s Grobschutzmittel besteht aus einer dem Kontakt 2 nachgeschalteten Widerstandskombination, in welcher ein Widerstand 3 ein Varistor 4 und ein weiterer Widerstand 5 in Reihe geschaltet sind Parallel zum Varistor 4 ist das Feinschutzmittel und die Steuerelektrode des elektronischen Halbleiterbauelementes 1 geschaltet Der über die Steuerspannung UBi eingekoppelte Stonmpuls kann somit über den Widerstand 3 und dem Varistor 4 zum Widerstand 5 gelangen Dadurch, daß der Varistor 4 eine spannungsabhangige Kennlinie und eine kurze Schaltzeitvon etwa 50 ns besitzt, wird der Varistor 4 bei steigender Spannung ab einem bestimmten Grenzwert niederohmig Der resultierende Strom erzeugt über die Widerstände 3,5 einen Spannungsabfall j von der Große der Überspannung minus der Große, die über den Varistor 4 abfallt, wodurch die Widerstände 3 und 5 als Schutz des Varistors 4 vor Überlastung dienen und deshalb hochspannungsfest ausgelegt sind Darüber hinaus entsteht am Varistor 4 ein Restspannungsabfall entsprechend seiner U-I-Kennhnie, der als Spannungsquelle fur das Feinschutzmittel wirkt Das Feinschutzmittel gliedert sich in zwei Teilbereiche Der erste Teilbereich wirkt fur eine Stonmpulszeit, welche großer als die Ansprechzeit des Varistors 4 ist und aus einem Tiefpaß besteht, der aus einer zum Varistor 4 parallel geschalteten Reihenschaltung von einem Widerstand 6 und einem Kondensator 7 gebildet ist, wobei der Tiefpaß so dimensioniert ist, daß die Ladezeitkonstante des Kondensators 7 um ein Vielfaches großer ist als der transiente Vorgang, so daß der Spannungsabfall über dem zu schutzenden Schaltelement unter dem seiner Auslosespannung liegt Der zweite Teilbereich wirkt fur eine Stonmpulszeit, welche kleiner als die Ansprechzeit des Varistors 4 ist, wie ζ B bei einem nuklear elektromagnetischen Impuls, so daß der Varistor 4 praktisch unwirksam ist Der gesamte Storimpuls wirkt auf die aus den Widerstanden 3,6 und 5 gebildete Widerstandskombination, sowie einem HF Kondensator 8 und einer Z-Diode 9, die wiederum zum Kondensator 7 parallel geschaltet sind, so daß über das zu schutzende elektronische Halbleiterbauelement 1 maximal die Z Spannung der Z Diode 9 abfallen kann, welche jedoch so klein ist, daß das zu schutzende elektronische Halbleiterbauelement 1 nicht zerstört werden kann

Der Rest der transienten Spannung fällt über die durch die Widerstände 3,6,5 gebildete Widerstandskombination ab, wobei zuvor über diese Widerstände 3,6, 5 der HF-Kondensator 8 maximal bis auf die Z-Spannung der Z-Diode 9 aufgeladen wird. Die erfindungsgemäße Anordnung arbeitet wie folgt:

Ist die Störimpulszeit größer als die Ansprechzeit des Varistors 4, d. h. zum Beispiel größer als 50ns, fallen bei einem angenommenen Störimpuls von etwa 1OkV im Grobschutz über die Widerstandes und 5 zusammen etwa 9500V und über den Varistor 4 etwa 500 V ab. Im Feinschutz, dem Tiefpaß, bestehend aus dem Widerstand 6 und dem Kondensator 7, wird der Kondensator 7 durch den Spannungsabfall über dem Varistor 4 (etwa 500 V) aufgeladen, wobei die Aufladung des Kondensators 7 aber so langsam erfolgt, daß seine Ladespannung für die Zeit des einkoppelnden Störimpulses immer kleiner als die Ansprechspannung der Sendediode des elektronischen Halbleiterbauelementes 1 ist.

Bei einer Störimpulszeit kleiner als die Ansprechzeit des Varistors 4, d. h. kleiner als 50 ns, ist der Grobschutz unwirksam. Die durch den Störimpuls eingeleitete Spannung wird über die Widerstände 3, 5 und 6 aufgeteilt. Dabei wird der HF-Kondensator 8 bis maximal zur Z-Spannung der Z-Diode 9 aufgeladen, wobei die Z-Spannung der Z-Diode 9 (etwa 5,1 V) so klein ist, daß das elektronische Halbleiterbauelement 1 nicht zerstört werden kann. Das elektronische Halbleiterbauelement 1 kann nicht schalten, da seine Schaltzeit (etwa 50ps) ein Vielfaches größer ist als die Störimpulszeit.

In dem Fall, daß der Hochspannungsleistungsschalter zweipolig angesteuert werden soll, sind wie in Figur 2 dargestellt, zwei in Reihe geschaltete, den Schaltvorgang auslösende elektronische Halbleiterbauelemente 1 vorgesehen, deren Leistungsdioden den Leistungskreis pluspotential- bzw. minuspotentialseitig zuschalten.

Claims (2)

1. Anordnung zum Schutz der Eingangsbauelemente einer Niederspannungssteuerung für Hochspannungsleistungsschalter, wobei in der Steuerleitung der zu schützenden den Schaltvorgang auslösenden elektronischen Halbleiterbauelemente Grobschutz- und Feinschutzmittel unter Verwendung von Überspannungsschutzelementen und frequenzselektiver Verzögerungsglieder vorgesehen sind, gekennzeichnet dadurch, daß das Grobschutzmittel aus einer Widerstandskombination, in welcher ein Widerstand (3), ein Varistor (4) und ein weiterer Widerstand (5) in Reihe geschaltet sind, und das Feinschutzmittel zum einen für Störimpulszeiten größer als die Ansprechzeit des Varistors (4) aus einem Tiefpaß, der aus einer zum Varistor (4) parallel geschalteten Reihenschaltung von einem Widerstand (6) und einem Kondensator (7) gebildet ist, und zum anderen für Störimpulszeiten kleiner als die Ansprechzeit des Varistors (4) aus einer in der Widerstandskombination der Widerstände (3,5,6) einbezogenen zwischen den beiden letzteren Widerständen (5, 6) in Reihe sowie zum Kondensator (7) parallel geschalteten Z-Diode (9) und einem zum Kondensator (7) parallel geschalteten HF-Kondensator (8) bestehen und in diese Parallelschaltung |όπ Z-Diode (9), HF-Kondensator (7) wiederum als Parallelschaltung hierzu die Steuerelektrode bzw. Steuerelektroden des elektronischen Halbleiterbauelementes (1) bzw. der elektronischen Halbleiterbauelementen) integriert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die beiden äußeren Widerstände (3, 5) des Grobschutzmittels gleiche Widerstandswerte aufweisen und hochspannungsfest ausgelegt sind.