DE3812058A1 - Anordnung fuer den ueberspannungsschutz in niederspannungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für den Überspannungs­ schutz in Niederspannungsanlagen. Zu dieser Anordnung ge­ hört eine blitzstromtragfähige und folgestromlöschfähige Funkenstrecke sowie ein dieser Funkenstrecke parallel geschalteter, einen Varistor aufweisender Leitungszweig. Dabei ist eine thermische Überwachung des Varistors vor­ gesehen.

Die vorgenannte, dem Oberbegriff des Anspruches 1 entsprechende Anordnung ist aus DE-PS 32 28 471 bekannt. Solche Überspannungsschutzanordnungen haben sich in der Praxis bewährt. Sie haben gegenüber der Verwendung einer Löschfunkenstrecke als Überspannungsschutz mehrere Vor­ teile. Eine Löschfunkenstrecke allein würde auch auf energieschwache, leitungsgebundene Überspannungen (z.B. aus fernen Blitzeinschlägen oder aus Schalthandlungen im Netz) ansprechen. Dies aber hat aufgrund des dann folgenden, kurzschlußartigen Netzfolgestromes ein Aus­ lösen der üblichen Vorsicherung und damit das Abschalten des angeschlossenen Verbrauchers zur Folge. Ferner ist die Funkenentladung einer solchen Löschfunkenstrecke eine Quelle für leitungsgebundene Schaltüberspannungen und erzeugt außerdem elektromagnetische Impulse (SEMP). Die Überspannungsschutzanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sorgt demgegenüber dafür, daß bei energie­ schwachen leitungsgebundenen Überspannungen die Lösch­ funkenstrecke nicht anspricht, sondern nur bei den rela­ tiv seltenen Fällen einer energiestarken Überspannung mit entsprechend hohen Strömen. Die Ansprechspannung der Löschfunkenstrecke und auch die U-I-Kennlinie des Varistors haben aber jeweils einen Streubereich. Die Überschneidung dieser beiden Streubereiche bewirkt, daß in einem bestimm­ ten Bereich eine Überspannungsbegrenzung sowohl durch den Varistor, als auch durch die Funkenstrecke erfolgen kann. Zur Erzielung einer entsprechenden Ansprechtrennung (mög­ lichst genauer Kommutierungspunkt) der Anordnung muß die­ ser Bereich so gering als möglich gehalten werden. Dieser Forderung hat man bisher in der Weise Rechnung getragen, daß die Streubereiche der parallel zu schaltenden Lösch­ funkenstrecken und Varistoren durch Selektieren ausreichend klein gehalten wurde. So hat man beim Überschreiten eines kritischen Stoßstromes am Varistor einen so hohen Spannungs­ abfall erzielt, daß die Ansprechspannung der Löschfunken­ strecke erreicht wurde. Dieses Selektieren und aneinander Anpassen der Löschfunkenstrecke und des Varistors erfordert aber nachteiligerweise in der Fertigung einen beachtlichen Mehraufwand.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung darin, auch bei Einsatz von nur grob in den elektrischen Daten aneinander angepaßten Löschfunkenstrecken und Varistoren mit einem relativ großen Streubereich ihrer Kennlinien zu erreichen, daß bei Überschreiten kritischen Stoßstromes an dem den Varistor aufweisenden Leitungszweig ein so hoher Spannungs­ fall entsteht, daß die Löschfunkenstrecke sicher anspricht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist zunächst, ausgehend vom ein­ gangs zitierten Oberbegriff des Anspruches 1, vorgesehen, daß in dem parallel geschalteten Leitungszweig eine mit dem Varistor in Reihe geschaltete Impedanz vorgesehen ist und daß deren Impedanzwert so bemessen ist, daß der bei Überschreiten eines bestimmten, kritischen Stoßstromschei­ telwertes (z. B. 5 kA eines Stoßstromes 8/20 µs) an der Reihenschaltung des Varistors und der Impedanz entstehende Spannungsfall die Ansprechspannung der Löschfunkenstrecke erreicht. Hierdurch ergeben sich mehrere Vorteile. Es ist ein selektiver Blitzüberstrom- und Überspannungsableiter mit einer in ihrem Ansprechverhalten ziemlich genau ge­ steuerten, blitzstromtragfähigen und folgestromlöschfähigen Funkenstrecke für Niederspannungsanlagen geschaffen. In allen vorkommenden Fällen erfolgt ein exaktes Ansprechen ent­ weder nur des Varistors oder aber der Funkenstrecke. Dies resultiert daher, daß die den Kennlinien solcher Varistoren und Funkenstrecken immanenten Streuungen durch die Hinzu­ fügung einer in ihrer Größe genau bestimmbaren Impedanz ganz oder zumindest wesentlich ausgeglichen werden. Im Fall einer entsprechend energiereichen Überspannung bzw. eines hohen Stoßstromes spricht die Funkenstrecke an, andernfalls der Varistor. Nachdem der weitaus größte Teil der Fälle von Überspannungen von fernen Blitzeinschlägen und von Schaltvor­ gängen herrührt und damit energieschwach ist, können diese Störungen sämtlich vom Varistor abgeleitet werden. Die Fun­ kenstrecke spricht nicht an und es entsteht daher kein kurz­ schlußartiger Folgestrom, der zum Auslösen der Sicherung und damit zum Abschalten des angeschlossenen Verbrauchers führt. Ein Ansprechen der Funkenstrecke erfolgt somit nur in den relativ seltenen Fällen energiestarker Überspannun­ gen mit hohen Stoßströmen aufgrund eines nahen oder sogar direkten Blitzeinschlages. In den letztgenannten Fällen können Stoßstromscheitelwerte in der Größenordnung von eini­ gen 10 kA entstehen, die nur von der Löschfunkenstrecke, nicht aber mehr vom Varistor vertragen werden können. Da­ gegen betragen die im erstgenannten Fall der energieschwa­ chen Überspannungen anfallenden Stromscheitelwerte nur um einige 100 A. Insgesamt erfolgt sowohl eine Begrenzung der Stoßspannung auf typische Werte von z.B. 4 bis 6 kV, sowie die vorstehend bereits erläuterte Stromableitung, wobei mit relativ großer Genauigkeit unterhalb eines bestimmten Strom­ scheitelwertes nur der Varistor, jedoch oberhalb dieses Stromscheitelwertes die Löschfunkenstrecke in Funktion tritt, wobei sie in der Lage ist, den Netzfolgestrom zu löschen. Im Kennzeichen des Anspruches 1 ist beispielsweise als "be­ stimmter Stoßstrom" 5 kA eines Stoßstromes 8/20 µs angegeben. Dies ist der Wert der gemäß DIN VDE 0675 als obere Grenze für leitungsgebundene Überspannungen aus fernen Blitzeinschlä­ gen angegeben wird. Es versteht sich aber, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Der "bestimmte Stoßstrom" könnte z.B. 1 kA eines Stoßstromes 10/700 µs sein, der als oberer Grenzwert für leitungsgebundene Überspannungen aus Schalt­ handlungen gelten kann. Bei einem gegebenen, einzuhaltenden Stoßspannungspegel und bei bekannten elektrischen Daten des Varistors läßt sich die Größe der Impedanz bei einem gegebe­ nen Stoßstromscheitelwert, z.B. die oben genannten 5 kA, festlegen. Hierdurch wird der Streubereich des der Funken­ strecke parallel geschalteten Zweiges wesentlich verringert, da sich der Spannungsfall in diesem Parallelzweig auf den Varistor und die Impedanz verteilt, ohne daß in aufwendi­ ger Weise Varistoren und Funkenstrecken mit einem sehr geringen Streubereich entweder hergestellt oder zueinander passende Funkenstrecken und Varistoren ausgesucht werden müssen. Entsprechende Zahlenbeispiele sind in der nachfol­ genden Figurenbeschreibung angegeben. Die Kommutierung für das Ansprechen der Funkenstrecke bei Überschreiten eines "bestimmten Stoßstromes" erfolgt in einem wesentlich genauer defi­ nierten Bereich der U-I-Kennlinie des Varistors als bisher.

Gemäß den Unteransprüchen 2 bis 5 kann die im Parallelzweig befindliche Impedanz ein ohmscher Widerstand, ein Blind­ widerstand (Induktivität oder Kapazität) oder eine Kombi­ nation von ohmschem Widerstand und Blindwiderstand oder auch eine Kombination von Blindwiderständen sein. Dabei kommen sowohl Reihenschaltungen als auch Parallelschaltun­ gen der genannten Impedanzen infrage. In all den vorgenann­ ten Fällen ist der Grundgedanke der Erfindung der Parallel­ schaltung eines Varistors mit zu ihm in Reihe geschalteter Impedanz zu einer Löschfunkenstrecke beibehalten.

Gemäß Anspruch 6 kann die Anordnung nach der Erfindung als in sich geschlossenes Gerät mit einem Gehäuse ausgebildet sein. Anspruch 7 bildet dies hinsichtlich mehrphasiger An­ ordnungen fort.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind der nach­ folgenden Beschreibung und der im wesentlichen schematischen Zeichnung zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung nach der Erfindung,

Fig. 1a eine mögliche thermische Über­ wachung des Varistors (Abschalten durch Thermoschalter),

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf eines Stoß­ stromes,

Fig. 3 eine gerätemäßige Ausführung der Erfindung,

Fig. 4a bis d und Fig. 5a bis d jeweils Ausführungsmöglichkeiten der mit dem Varistor in Reihe ge­ schalteten Impedanz,

Fig. 6 eine mehrpolige Ausführung der Erfindung.

Die als Zweipol ausgebildete Überspannungsschutzanordnung ist nur einmal an einem aktiven Leiter 1 eines Niederspan­ nungsnetzes gezeigt. Bei 17 ist die jeweilige zu schützende Niederspannungsanlage anschließbar. Eine blitzstromtrag­ fähige und folgestromlöschfähige Funkenstrecke 2 befindet sich in einem Leitungszweig 3 dieser Anordnung. Dazu ist ein weiterer Leitungszweig 4 parallel geschaltet, in dem sich in Reihenschaltung ein Varistor 5 und eine Impedanz 6 befinden, wobei die Impedanz allgemein mit "Z" bezeichnet ist. Die Anordnung ist gemäß Ziffer 7 an Erde, hier eine Potentialausgleichsschiene 8, angeschlossen. Die Löschfunken­ strecke kann eine Gleitfunkenstrecke in Form einer blitz­ stromtragfähigen Luft-Scheibenfunkenstrecke gemäß DE-PS 23 37 743 sein. Gemäß dem in Fig. 1a gezeichneten Detail ist der Varistor 5 mit einer Thermoabschaltung 9 (gemäß DIN VDE 0845) versehen, die ihn bei entsprechender Erhitzung infolge eine Defektes abschaltet. Daß abgeschaltet wurde, kann durch eine Anzeige sichtbar gemacht werden (siehe DE-PS 32 28 471).

Der an dem Parallelzweig 4 bei einer Überspannungsbegren­ zung auftretende Spannungsfall wird auf die Ansprechspan­ nung der Funkenstrecke 2 abgestimmt. Soll beispielsweise die Kommutierung bei einem Stoßstromscheitelwert i=5 kA des Stoßstromes 8/20 µs erfolgen (dabei ist nach der genorm­ ten Definition und der Darstellung in Fig. 2 T ₁=8 µs und T ₂=20 µs), der hierbei eine maximale Stromänderung

(di/dt) _max8/20 von 1 kA/µs

aufweist, so ergibt sich im Fall der Impedanz 6 in Form einer Induktivität (Ausführungsbeispiel Fig. 4d) und einem geforder­ ten (am Einbauort der Überspannungschutzanordnung einzuhal­ tenden) Stoßspannungspegel (gleich der Ansprechspannung der Funkenstrecke 2) U _a = 4 kV und einer bei diesem Strom ange­ nommenen Spannung am Varistor 5 U _v = 2 kV als Spannungsfall U _L an der Induktivität L:

U _L = U _a - U _v = 2 kV

Für die erforderliche Induktivität ergibt sich:

Entsprechend rechnen sich die Impedanzen bei den anderen noch zu erläuternden Varianten der Fig. 4 und 5.

Ist in diesem Beispiel der Stoßstromscheitelwert kleiner als 5 kA, so wird nur über den Varistor abgeleitet, andern­ falls über die Funkenstrecke 2.

Fig. 3 zeigt schematisch eine gerätemäßige Ausführung der zweipoligen Anordnung mit einem die Bauteile, einschließlich der thermischen Überwachung gemäß Fig. 1a, umgebenden Ge­ häuse 10 und den Anschlußklemmen 11, 12. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 3 sind die in den Netzleitungen (bei ent­ sprechenden Überströmen auslösenden) vorhandenen Sicherun­ gen 13 eingezeichnet.

Diese Ausführung kann entsprechend der Anzahl der anzuschlie­ ßenden (und zu schützenden) aktiven Netzleiter erweitert werden (Fig. 6).

Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausführungsmöglichkeiten der Impedanz 6 ("Z"). So zeigt Fig. 4a einen ohmschen Widerstand 14, Fig. 4b die Reihenschaltung eines ohmschen Widerstandes 14 und einer Induktivität 15, Fig. 4c die Parallelschaltung einer Induktivität 15 und eines ohmschen Widerstandes 14 und Fig. 4d die Ausbildung der Impedanz 6 ("Z") nur als Induktivität 15. Fig. 5 zeigt als Impedanz 6 ("Z") eine Kapazität 16 in der Variante Fig. 5a, die Reihenschaltung einer Kapazität 16 mit einem ohmschen Widerstand 15 gemäß Fig. 5b, Fig. 5c die Reihenschaltung einer Induktivität 15 mit der Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes 14 und einer Kapazität 16 und Fig. 5d die Parallelschaltung eines ohmschen Widerstandes 14 mit einer Kapazität 16. In allen vorgenannten Fällen ist die jeweilige Impedanz an­ stelle der Ziff. 6 ("Z") in Fig. 1 und 3 zu setzen. Der Impedanzwert von 6 ("Z") ist unter Berücksichtigung der U-I-Kennlinie des Varistors 5 bei einem vorgegebenen Stoß­ stromwert auf die Durchschlagsspannung der Funkenstrecke abzustimmen. Dies kann bei 6 ("Z") gleich einem ohmschen Widerstand gemäß Fig. 4a gemäß nachfolgendem Beispiel fol­ gende Zahlenwerte ergeben, wenn die Kommutierung wiederum bei einem Stoßstromscheitelwert i _max= 5 kA erfolgen soll, die Varistorspannung U _v = 2 kV und die Ansprechspannung der Funkenstrecke U _a = 4 kV betragen. Für den Spannungs­ fall am Widerstand gilt:

U _R = U _a - U _v = 2 kV

Für den erforderlichen Widerstand R ergibt sich:

Praxisgerechte Werte für R liegen also etwa zwischen 0,1 und 1 Ω.

Die vorstehend bereits kurz erwähnte Fig. 6 zeigt, daß bei einer mehrphasigen, bzw. mehrpoligen Anordnung (hier L 1, L 2, L 3 und N) für jede dieser Phasen und die Leitung N eine An­ ordnung gemäß Fig. 3 mit Gehäuse 10 vorgesehen ist. Diese vier einzelnen Gehäuse 10 sind innerhalb eines sie um­ gebenden Rahmengehäuses 18 untergebracht. Stattdessen kann man auch in einem gemeinsamen Gehäuse gemäß Ziff. 18 der Fig. 6 vier Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 3, aber ohne die in Fig. 3 vorgesehenen Gehäuse 10 unterbringen. Die letztgenannte Variante ist aber in der Zeichnung nicht dargestellt. In beiden zuletzt genannten Ausführungsformen sind einerseits aus dem gemeinsamen Gehäuse 18 der Fig. 6 die Anschlüsse für die Phasen L 1, L 2, L 3 und die Lei­ tung N nach oben herausgeführt, während eine Verbindung der einzelnen in Fig. 3 unten liegenden Anschlüsse 11 mit­ einander in Fig. 6 unten als ein gemeinsamer Anschluß 11 aus dem Gesamtgehäuse 18 herausgeführt ist. Dieser An­ schluß wird an Erde gelegt.

Alle dargestellten und beschriebenen Merkmale und ihre Kombinationen miteinander sind erfindungswesentlich, so­ fern sie nicht ausdrücklich als bekannt bezeichnet wurden.

Claims (7)

1. Anordnung für den Überspannungsschutz in Niederspan­ nungsanlagen mit einer blitzstromtragfähigen und folgestromlöschfähigen Funkenstrecke (2) und einem der Funkenstrecke parallel geschalteten, einen Varistor (5) aufweisenden Leitungszweig (4), wobei eine thermische Überwachung (9) des Varistors vor­ gesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem parallel geschalteten Leitungszweig (4) eine mit dem Varistor (5) in Reihe geschaltete Impedanz (6; "Z") vorgesehen ist, deren Impedanzwert so bemessen ist, daß der bei Überschreiten eines bestimmten, kriti­ schen Stoßstromscheitelwertes (z.B. 5 kA eines Stoßstromes 8/20 µs) an der Reihenschaltung des Varistors (5) und der Impedanz (6) entstehende Spannungsfall die Ansprechspannung der Funkenstrecke (2) erreicht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (6; "Z") ein ohmscher Widerstand (14) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (6; "Z") eine Induktivität (15) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (6; "Z") eine Kapazität (16) ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Impedanz (6; "Z") aus einer Reihen- und/oder Parallelschaltung der Kombi­ nation eines ohmschen Widerstandes (14) mit einer Induktivität (15) oder eines ohmschen Widerstandes (14) mit einer Kapazität (16) oder einer Induktivität (15) mit einer Kapazität (16) oder einer Induktivität (15) mit einem ohmschen Widerstand (14) und mit einer Kapazität (16) besteht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Funkenstrecke (2), Varistor (5) mit thermischer Überwachung (9) und in Reihe mit dem Varistor geschaltete Impedanz (6; "Z") in einem ge­ meinsamen Gehäuse (10) untergebracht sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Anordnungen mit Funken­ strecke (2), Varistor (5) mit thermischer Überwachung (9) und in Reihe mit dem Varistor geschalteter Impe­ danz (6; "Z") in einem Gesamtgehäuse (18) untergebracht sind, wobei die vorgenannten Anordnungen je von einem Gehäuse (10) umgeben sein können.