DE2538919A1 - Anordnung zum ueberspannungsschutz von niederspannungsanlagen - Google Patents

Description

• Anordnung zum Ueberspannungsschutz von Niederspannungsanlagen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Ueberspannungsschutz von Niederspannungsanlagen, welche aus einem Gasentladungs-Ueberspannungsableiter und einem spannungsabhängigen Widerstand besteht.
• Unter Niederspannungsanlagen werden dabei Anlagen mit einer Nenn-oder Betriebs spannung bis etwa 1000 V verstanden, insbesondere also Einrichtungen der allgemeinen Stromversorgung mit Gleich- oder Wechselspannung z.B. 120 bzw. 220/380 V, 290/500 V, oder 660 V, aber ebenso auch nieder- oder kleinspannungbetriebene Fernmelde-, Mess-, Steuer- und Regelanlagen.
• Solche Anlagen sind durch Ueberspannungen gefährdet, die ihren Ursprung beispielsweise in atmosphärischen oder nuklearen Entladungen, in direkten Kontakten, kapazitiver oder induktiver Kopplung mit andern elektrischen Anlagen, welche höhere Spannungen führen, oder in Schaltvorgängen in den Anlagen selbst haben.
• Zum Schutz von Niederspannungsanlagen vor solchen Ueberspannungen wurden bisher vor allem zwei Bauteile verwendet, nämlich gasgeffillte Ueberspannungsableiter und spannungsabhängige Widerstände.
• Die Hauptvorteile gasgefüllter Ueberspannungsableiter liegen in ihrem hohen Widerstand im Ruhezustand und clem grossen Ableitvermögen, sowohl fur energiereiche Einzelimpulse,wie auch für Dauerströme.
• Sie haben jedoch den Nachteil, nach einmal erfolgter Zündung auch nach dem Abklingen der Ueberspannung nicht mehr zu löschen, wenn die Betriebsspannung der zu schützenden Anlage bei hochohmiger Speisung über der Glimmbrennspannung des Ableiters (100 - 150 V) -oder bei niederohmiger Speisung über der Bogenbrennspannung (10 - 25 V) liegt. In diesem Fall müssen Sicherungen oder Leitungsschutzschalter den Strom unterbrechen und damit die Anlage ausser Betrieb setzen.
• Um einet sicheren Schutz zu erhaltenlwird die Ansprechspannung der Ableiter aber bei bekannten Anordnungen so knapp wie möglich über der Nenn- oder Betriebsspannung der Anlage gewählt, im allgemeinen wenig höher als das 1, 2fache der Nenn- oder Betriebsspannung. Das führt dann zu sehr häufigem Ansprechen der Ableiter und damit zu den erwähnten Betriebsunterbrüchen, wenn vor allem interne Schaltvorgänge in der Anlage selbst zahlreiche Ueberspannungen erzeugen. Solche Betriebsunterbrüche sind störend, oft kostspielig und in vielen Fällen untragbar.
• Spannungsabhängige Widerstände (VDR), insbesondere Varistoren, d. h. Widerstände mit einem negativen Spannungsexponenten des Widerstandes zeichnen sich dadurch aus, dass ihr Widerstand mit zunehmender Spannung kleiner wird. Sie eignen sich daher prinzipiell zum Schutz vor Ueberspannungen, haben aber den Nachteil, dass ihre begrenzte Leistungsaufnahme die Ableitung energiereicherer Ueberspannungen verunmöglicht. Stärkere Ströme zerstören das Schutzelement, ohne dass diese Störung ohne weiteres erkannt wird.
• Der Schutz der Anlage ist dann nicht mehr vorhanden. Um diesen Nachteil zu vermeiden, mussten bisher die Varistoren erheblich überdimensioniert werden oder es mussten Varistoren mit einem relativ niedrigen Spannungsexponenten des Widerstandes verwendet werden, um bei zu starkemStromanstieg eine unzulässige Erwärmung durch die aufgenommene elektrische Leistung zu verhindern.
• In verschiedenen Vorveröffentlichungen (US-PS 3497 764, DT-OS 1 947 046, DT-OS 23 55 421) ist bereits vorgeschlagen worden, dadurch eine Verbesserung des Ueberspannungsschutzes zu erreichen, dass einem bekannten gasgefüllten Ueberspannungsableiter ein spannungsabhängiger Widerstand parallel geschaltet wird. Diese beschriebenen Anordnungen waren jedoch nicht in der Lage, die bei. der separaten Verwendung gasgefüllter Ueberspannungsableiter bzw. Varistoren auftretenden Nachteile zu beseitigen, zumindest lassen sich aus der Beschreibung dieser Anordnungen keine Hinweise entnehmen, auf welche Weise sich die genannten Unzulänglichkeiten beheben lassen.
• Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und insbesondere die Schaffung einer auch nach mehrmaligem Ansprechen noch betriebssicher arbeitenden Ueberspannungsschutz-Anordnung für Niederspannungsanlagen, ohne Betriebs-Unterbruch nach jedem Ansprechen, und bei welcher eine Zerstörung von Bauteilen durch bestimmte Arten von Ueberspannungen vermieden wird, und zwar soll dabei in kritischen Anlageteilen die auftretende Ueberspannung auf ein solches Mass reduziert werden, dass weder Bauteile beschädigt noch Personen gefährdet werden können. Eine solche Ueberspannungsschutzanordnung soll einfach aufgebaut und herzustellen sein, kleine Abmessungen aufweisen und ohne Schwierigkeit auswechselbar und überprüfbar sein.
• 3 Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ansprechspannung des Gasentladungs- Ueberspannungsableiters mindestens das Doppelte der Nenn- bzw. Betriebsspannung der Anlage beträgt. z.B. in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwischen 500 und 1500 Volt.
• Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Kennlinie des Varistors so gewählt wird, dass sein negativer Spannungsexponent des Widerstandes mindestens 2 beträgt.
• Eine besonders günstige, mechanische Anordnung ergibt sich, wenn beide Bauteile der Anordnung nebeneinander zwischen zwei parallelen Schienen angeordnet sind, welche in einer bevorzugten Ausführungsform ein Profil besitzen, welches Ch besonders in Telephonanlagen gebräuchlichen Stecksockeln entspricht.
• Figur 1 zeigt die Prinzipschaltung einer solchen Ueberspannungsschutzanordnung, bei welcher die geschützte Niederspannungsanlage A zwischen den Versorgungsleitungen L1 und L2 liegt. Die parallel zur -Niederspannungsanlage A geschaltete Ueberspannungss chutzanordnung besteht aus der Parallelschaltung eines an sich bekannten gasgefüllten Ueberspannungs ableiters G und eines spannungsabhängigen Widerstandes, z. B. einem Varistor V.
• Erfindungsgemäss sind nun die Charakteristiken des gasgefüllten Ueberspannungsableiters G und des Varistors V zueinander und gegenüber der Nenn- und Betriebs spannung UB so gewählt, dass beide Bauelemente sich gegenseitig ergänzen, und zwar in der Weise, dass das eine Bauelement gerade in dem Ueberspannungsbereich wirksam wird, wo das andere die von vorbekannten Anordnungen bekannten Nachteile zeigt.
• Anhand von Figur 2 ist die Wirkungsweise dieser neuen Kombination erläutert. Die Ansprechspannung UA des gasgefüllten Ueberspannungsableiters G ist so gewählt, dass sie über der doppelten Nenn- oder Betriebsspannung Ug liegt, vorzugsweise beim 3- bis 5-fachem dieser Spannung. Dadurch kann erreicht werden, dass der Ueberspannungsableiter nur bei den nur selten zu erwartenden hohen und energiereichen Ueberspannun gen, z.B. Kern ex plosionen'anspric!»(ie häufiger auftretenden, niedrigen und energieschwachen Ueberspannungen, wie sie vor allem durch interne Schaltvorgänge erzeugt werden, können also nicht mehr zum Ansprechen des Ueberspannungsableiters führen. Die Ableitung solcher Ueberspannungen übernimmt allein der Varistor so dass bei solchen niedrigen tieberspannungen kein betriebsunterbruch mehr stattfinden kann, jedoch führen bei energiereichen Ueberspannungen dank der Kennlinie des Varistors die entstehenden hohen ströme zu einem grossen Spannungsabfall, wodurch der Gasentladungs- Ueberspannungsableiter gezündet wird, so dass in allen Fällen ein sicherer Schutz gewährleistet ist.
• Durch diese Anordnung wird also erreicht, dass einerseits sämtliche in der Praxis auftretenden Arten von Ueberspannungen sicher abgeleitet werden und das dabei die gesamte Anordnung ihre Funktionsfähigkeit behält.
• Andererseits ist durch die Wahl der Ansprechspannung des Gasentladungs-Ueberspannungsableiters sichergestellt, dass der Veristor-Strom auf einen Wert 1m begrenzt wird und somit der Varistor nicht zerstört wird und seine Funktionsfähigkeit behält, auch bei grösseren Spannungsexponenten (# 5) figur 3 zeigt ein Beispiel einer besonders zweckmässigen Anordnung der erfindungsgemässen Ueberspannungs-Schutzanordnung. Dabei sind der gasgefüllte Ueberspannungsableiter G und der Varistor V nebeneinander zwischen zwei Metallschienen M1 und M2 angeordnet. In de, beschriebenen Beispiel haben sowohl der gasgefüllte Ueberspannungsableiter G und der Varistor V Zylinderform, mit Kontaktflächen an beiden Enden. Die Achsen beider Zylinder sind parallel zueinander und senkrecht zu den Mittelflächen der beiden Kontaktschienen M1 und M2 angeord@@@, Zum Ausleich der Längenunterschiede des Ueberspannungsableiters G und des Varistors dienen zwei metallische Distanzstücke D1 und D2, welche jeweils mit den Metallsdhienen M1 und M2 leitend verbunden sind, andererseits mit den Kontaktflächen des Ueberspannungsableiters G und des Varistors V. Um eine leichtere Auswechselbarkeit und Ueberprüfbarkeit zu gewährleisten, ist es zweckmässig, die Ränder der Metallschienen Ml und M2 so umzubiegen und zu dimensionieren, dass ihr Profil und ihre Abmessungen denen bekannter Stecksockel entspricht, wie sie beispielsweise in Telephonanlagen Verwendung finden, beispielsweise mit U-Profil, mit stumpfen Winkeln wie in Figur 3 dargestellt. Dabei ist an der Frontseite ein Isolierteil S vorgesehen, an dessen beiden Seiten die Metallflächen M1 und M2 befestigt sind. Zwischen den Flächen sind wiederum mittels der Distanzbügel D 1 und D2 der gasgefüllte Ueberspannungsableiter G und der Varistor V so angeordnet, dass eine feste Verbindung entsteht.
• Der Varistor kann auch vergossen sein. Damit wird ein Schutz des Varistors vor mechanischen Beschädigungen, Feuchtigkeit und Korrosion, sowie eine gute Wärmeableitung und eine zusätzliche Stützung der Schienen erreicht.
• Ausserdem zeichnet sich eine solche Anordnung durch eine besonders kleine Induktivitat aus, so dass auch bei grossen und raschen Stromänderungen die induzierten Spannungen klein bleiben und somit die Wirksamkeit der Anordnung zusetzlich verbessert wird.

Claims (10)

PATENTANSPRUCHE

1) Anordnung zum Uberspannungsschutz von Niederspannungsanlagen, welche aus einem gasgefüllten Uberspannungsableiter und einem spannungsabhängigen Widerstand besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechspannung (UA) des gasgefüllten überspannungsableiters (G) mindestens das Doppelte der Nenn- bzw, Betriebsspannung (UB) der Anlage beträgt.

2) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechspannung (U) des gasgefüllten Überspannungsableiters (G) über den in der Anlage auftretenden Schaltspannungen liegt.

3) Anordnung nach Anspruch 1 oder 21 dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechspannung (U) des gasgefüllten Uberspannungsableiters (G) zwischen 500 und 1500 V liegt.

4) Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (V) in der Umgebung der Nenn- bzw. Betriebsspannung (UB) einen negativen Spannungsexponenten des Widerstandes besitzt, der wenigstens 5 beträgt.

5) Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (V) und der Überspannungsableiter (G) nebeneinander zwischen zwei parallelen Metallschienen (M11 M2) angeordnet sind.

6) Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Netallschienen M1, M2) als Steckelement ausgebildet sind.

7) Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschienen (M1, M2) ein U-Profil mit stumpfen Winkeln besitzen.

8) Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Überspannungsableiter (G) und Varistor (V) Zylinderform besitzen und daß ihre Achsen parallel zueinander und senkrecht zur Fläche der Metallschienen (M1, M2) angeordnet sindt

9) Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Varistor (V) und/oder Uberspannungsableiter (G) einerseits und den Metallschienen (M1, M2) andererseits Distanzstücke (D1, D2) zum Längenausgleich angeordnet sind.

10) Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (V) zwischen den Metallschienen U1, M2) in einer Isoliermasse vergossen angeordnet ist.