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WO1997048159A1 - Verfahren zum schutz eines netzes oder einer anlage vor überspannungen sowie spannungsbegrenzungsschaltung - Google Patents

Verfahren zum schutz eines netzes oder einer anlage vor überspannungen sowie spannungsbegrenzungsschaltung Download PDF

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Publication number
WO1997048159A1
WO1997048159A1 PCT/CH1997/000165 CH9700165W WO9748159A1 WO 1997048159 A1 WO1997048159 A1 WO 1997048159A1 CH 9700165 W CH9700165 W CH 9700165W WO 9748159 A1 WO9748159 A1 WO 9748159A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
mov
surge arrester
current path
arrester
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.)
Ceased
Application number
PCT/CH1997/000165
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Greuter
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.)
ABB Research Ltd Switzerland
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
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 ABB Research Ltd Switzerland filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Priority to AU25022/97A priority Critical patent/AU2502297A/en
Publication of WO1997048159A1 publication Critical patent/WO1997048159A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased 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
    • H02H9/042—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage comprising means to limit the absorbed power or indicate damaged over-voltage protection device
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors

Definitions

  • the invention relates to a method for protecting a network or a system against overvoltages and a voltage limiting circuit.
  • Switch to another current path which contains a gas discharge arrester in series with the varistor, is carried out when the resistance of the varistor has irreversibly collapsed due to overloading and it has therefore failed.
  • the process which is apparently intended for the low-voltage range, is not suitable for preventing the failure of the varistor, but is only used to at least partially absorb the consequences of such a failure.
  • MOV surge arresters composed of varistors, in particular MOV varistors. Most of these are simple series connections or series-parallel connections of MOV varistors.
  • MOV surge arresters have a strongly non-linear characteristic and become abruptly conductive when a fixed limit voltage is reached, while they isolate below the limit voltage, so that the voltage between the two connections between them the overvoltage conductor is limited to the limit voltage, while practically no leakage currents occur below it.
  • MOV surge arresters see For example, see the article 'MOV surge arresters without spark gaps enable optimal surge protection' from Brown Boveri Technique No. 12 (1985).
  • MOV surge arresters are excellent for the derivation of short-term, even high overvoltages, such as those caused by switching operations and
  • the invention is intended to remedy this.
  • the invention is based on the object of specifying a method for protecting networks and systems against overvoltages, which makes it possible to keep the limit voltage effective in normal operation low.
  • a suitable voltage limiting circuit should also be specified.
  • the invention makes it possible to move the maximum continuous operating voltage close to the mains voltage. As a result, lower voltage values can be assumed when designing the insulation of the network in question or the system, which makes the network or the system significantly cheaper.
  • U c is reduced to 83 kV in normal operation, so that the insulation of the network can be designed for 249 kV instead of 336 kV.
  • the voltage is increased by a MOV surge arrester both in normal operation when the latter assumes a basic state and when temporary overvoltages occur when it has switched to a protective state limited.
  • MOV surge arrester both in normal operation when the latter assumes a basic state and when temporary overvoltages occur when it has switched to a protective state limited.
  • FIG. 1 shows the general circuit diagram of a voltage limiting circuit according to the invention
  • Fig. 3a, b examples of the switch in Fig. 2c.
  • each of the two MOV surge arresters 4, 5 is conventionally z. B. constructed as a series parallel connection of MOV varistors, as can be found in the article mentioned above. They can also contain other elements that do not impair their function, such as parallel spark gaps or resistors in series.
  • the switching voltage at which the first MOV surge arrester 4 becomes conductive corresponds to a first limit voltage, which, for. B. is at the normal mains voltage. In the numerical example mentioned at the beginning, this would correspond to 83 kV.
  • the second MOV surge arrester 5 has a switching voltage which, together with the first limit voltage, gives a further limit voltage which corresponds to that determined according to known principles, i.e. 112 kV in the numerical example, i.e. the switching voltage of the second MOV surge arrester 5 is 29 kV corresponding to the Difference between these two values.
  • the impedance 6 can be implemented in a wide variety of ways. However, it will always contain a switch-like element, which in the event of impending overload of the first MOV surge arrester 4 due to longer-term temporary overvoltages and excessive energy consumption caused thereby, at least below a cut-off frequency, which in an AC network is not lower than the network frequency of z. B. may be 50 Hz, at least up to a blocking voltage, which is higher than the above-mentioned further limit voltage, so that on the further current path, which by another MOV overvoltage arrester - in the shown embodiment of the voltage limiting circuit of the series connection of the first MOV surge arrester 4 and the second MOV surge arrester 5 is formed - is switched over.
  • a switch-like element which in the event of impending overload of the first MOV surge arrester 4 due to longer-term temporary overvoltages and excessive energy consumption caused thereby, at least below a cut-off frequency, which in an AC network is not lower than the network frequency of z. B. may be 50
  • the impedance 6 can e.g. B. be implemented as a purely passive element.
  • this is a PTC element 7, which is a good conductor at low currents and whose resistance when a certain one is reached Limit current and corresponding temperature increases suddenly, so that it almost completely blocks.
  • the PTC element 7 is matched to the first MOV overvoltage arrester 4 in such a way that an excessive leakage current flowing through it and the PTC element 7 causes it to switch, ie causes its resistance to rise suddenly before it leads to an overload of the first MOV surge arrester 4.
  • Another purely passive element that can be used instead of the PTC element is a fuse. However, this would have to be replaced after each switching.
  • a separator 8 is arranged in series with the PTC element 7, which, for. B. controlled by the leakage current through the PTC element 7, is opened after the same has switched and the leakage current has dropped to very low values.
  • the impedance 6 is a parallel connection of a switch 9, a high pass 10 and one
  • Spark gap 11 formed.
  • the high pass 10 is designed in such a way that it is practically transparent to frequencies above a certain cut-off frequency, which may not be less than the mains frequency. It is used to derive rapidly increasing overvoltages, such as those caused by lightning or switching operations, and from rapid transient overvoltages. It can be made up of purely passive elements - capacitors, resistors, linear or non-linear inductors - in the simplest Case it is a capacitor. If necessary, the spark gap 11 becomes active when temporary overvoltages are superimposed with overvoltages caused by lightning or switching operations.
  • the switch 9 can be designed as a mechanical switch or also as a semiconductor switch or as a series connection or series parallel connection of such. So he's z. B. as a parallel connection of two series connections of opposite polarity, each of which (FIG. 3a) comprise three jointly controlled GTOs 12a, b, c, or as a corresponding parallel connection of IGBTs 13 (FIG. 3b).
  • FIG. 3a the use of photoconductive switches, MCTs, BODs etc. is also possible.
  • Another option is a piezoresistor.
  • the switch 9 generally forms an active element - even if the use of a passive element such as e.g. B. a PTC element in its place in Fig. 2c is quite possible - the opening of which must be triggered from the outside.
  • a passive element such as e.g. B. a PTC element in its place in Fig. 2c is quite possible - the opening of which must be triggered from the outside.
  • Various parameters can be used for tripping, provided that they reflect the load on the first MOV surge arrester 4.
  • the decisive factor is the temperature of the varistor, which can be measured directly or indirectly, but often only with some effort. For this reason, it is usually preferable to measure a quantity that represents a measure of the energy consumption of the first MOV surge arrester 4, for. B. the leakage current through the first current path or one of the same dependent parameter as the magnetic field, the z. B. can be determined by a Hall probe. It is also possible to measure the voltage instead of the current, e.g. B. by voltage tap on one of the varistors. The energy consumption can be calculated from current or voltage using the known characteristic.
  • a direct or indirect measurement of the temperature is of course not excluded, e.g. B. directly through a T-element, an IR sensor, an element
  • the basic idea behind all designs is the switchover from a first current path with a first limit voltage to a further current path with a higher further limit voltage in the event of impending overload of the first MOV surge arrester 4. This is done by changing the impedance value of the first current path in such a way that it reaches to a blocking voltage which is higher than the further limit voltage, in any case up to a limit frequency which may be above the mains frequency.
  • the additional current path which also contains a MOV surge arrester or a series connection of such surge arresters, with a total of a higher limit voltage than the first MOV surge arrester, still ensures that short-term overvoltages are derived.
  • the principle described can also be staggered, i. h
  • a third current path with an increased limit voltage can be provided, etc.
  • the voltage limiting circuit 3 can usually be designed such that the voltage in most operating states is largely absorbed by the first MOV surge arrester 4.
  • the other elements, the second MOV overvoltage arrester 5 and the impedance 6 are only exposed to relatively low voltages and can therefore be designed as medium voltage components in the above numerical example, which significantly reduces their price and thus that of the entire voltage limiting circuit.

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Abstract

Ein erster MOV-Überspannungsableiter (4) z.B. für ein Hochspannungsnetz weist eine Grenzspannung, bei der er leitend wird, auf, welche nur knapp oberhalb der Phasenspannung des Netzes liegt, und bildet mit einer in Reihe geschalteten Impedanz (6), deren Wert (Z) in einem Grundzustand vernachlässigbar klein ist, einen ersten Strompfad. Bei drohender Überlastung des ersten MOV-Überspannungsableiters (4) durch eine längerdauernde Überspannung und dadurch verursachte überhöhte Energieaufnahme desselben wird durch Anheben des Wertes der Impedanz (6) auf einen weiteren Strompfad umgeschaltet, welcher durch den ersten MOV-Überspannungsableiter (4) und einen parallel zur Impedanz (6) mit ihm in Reihe liegenden zweiten MOV-Überspannungsableiter (5) verläuft. Dadurch wird der Leckstrom durch den ersten MOV-Überspannungsableiter (4) und damit die Energieaufnahme in demselben auf normale Werte reduziert. Die Schaltung erlaubt eine wesentliche Senkung des Schutzniveaus und damit eine Auslegung der Netzisolation auf wesentlich tiefere Werte. Die Impedanz (6) kann als PTC-Element, Sicherung oder von der Energieaufnahme oder Temperatur des ersten MOV-Überspannungsableiters (4) gesteuerter Schalter, eventuell mit parallelem Hochpass und paralleler Funkenstrecke, ausgebildet sein.

Description

VERFAHREN ZUM SCHUTZ EINES NETZES ODER EINER ANLAGE VOR ÜBERSPANNUNGEN SOWIE SPANNUNGSBEGRENZUNGSSCHALTUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Netzes oder einer Anlage vor Ueberspannungen sowie eine Spannungs- begrenzungsschaltung.
Aus der EP-A-0 651 491 ist ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, in welchem die Umschaltung zwischen einem ersten, neben einem Schalter nur einen Varistor enthaltenden Strompfad durch Oeffnen des
Schalters auf einen weiteren Strompfad, welcher in Reihe mit dem Varistor einen Gasentladungsabieiter enthält, vorgenommen wird, wenn der Widerstand des Varistors durch Ueberlastung irreversibel zusammengebrochen und er somit ausgefallen ist. Das offenbar für den Niederspannungsbereich gedachte Verfahren ist nicht geeignet, den Ausfall des Varistors zu verhindern, sondern dient ausschliesslich dazu, die Folgen eines solchen Ausfalls mindestens teilweise aufzufangen.
Es ist auch seit langem bekannt, Netze aller Spannungs- bereiche durch aus Varistoren, insbesondere MOV-Varistoren zusammengesetzte MOV-Ueberspannungsableiter vor Ueber¬ spannungen zu schützen. Meistens handelt es sich dabei um einfache Serienschaltungen oder Serien-Parallel-Schaltungen von MOV-Varistoren. Derartige MOV-Ueberspannungsableiter zeigen eine stark nichtlineare Kennlinie und werden bei Erreichen einer festen Grenzspannung sprungartig leitend, während sie unterhalb der Grenzspannung isolieren, sodass die Spannung zwischen den zwei Anschlüssen, zwischen denen der Ueberspannungsleiter liegt, auf die Grenzspannung beschränkt ist, während unterhalb derselben praktisch keine Leckströme auftreten. Allgemeine Information zu MOV-Ueber- spannungsableitern ist z. B. dem Artikel 'Funkenstreckenlose MOV-Ueberspannungsableiter ermöglichen optimalen Ueber- spannungsschütz ' aus Brown Boveri Technik Nr. 12 (1985) zu entnehmen.
Während derartige MOV-Ueberspannungsableiter sich hervorragend für die Ableitung von kurzzeitigen, auch hohen Ueberspannungen, wie sie durch Schaltvorgänge und
Blitzschlag verursacht werden oder von schnellen transienten Ueberspannungen eignen, ist ihre Auslegung bezüglich länger dauernder Ueberspannungen nicht unproblematisch. Schon verhältnismässig geringe temporäre Ueberspannungen, die für die Isolation des Netzes oder der Anlage an sich keine
Gefahr darstellen, können grössere Leckströme verursachen, sodass der MOV-Ueberspannungsableiter vor allem bei längerem Andauern der temporären Ueberspannung zu viel Energie aufnimmt und thermisch überlastet wird, was zu einer Zerstörung des MOV-Ueberspannungsableiters führen kann.
Aus diesem Grund war man bisher gezwungen, bei der Absicherung von Netzen und Anlagen mit einer beträchtlichen Sicherheitsmarge zu arbeiten und die MOV-Ueberspannungs¬ ableiter so auszulegen, dass die Grenzspannung oberhalb zu erwartender temporärer Ueberspannungen liegt und die maximale Dauerbetriebsspannung entsprechend hoch ist . Dies hat jedoch zur Folge, dass das Netz oder die Anlage auf entsprechend hohe Spannungen isoliert werden muss, was die Kosten entscheidend erhöht. An sich wäre eine Absicherung, der die normale Netzspannung als maximale Dauerbetriebs- Spannung zugrundeliegt mit einer entsprechenden, knapp oberhalb derselben liegenden Grenzspannung am günstigsten, doch war dies wegen der Gefahr der Ueberlastung der MOV- Ueberspannungsableiter nicht tunlich.
Um ein Zahlenbeispiel zu geben:
Bei einem Netz mit einer Netzspannung Um von 144 kV, d. h. einer Spannung zwischen einer Phase und Erde von Um/V3 = 83 kV ist mit temporären Ueberspannungen von
Figure imgf000005_0001
zu rechnen, wobei ce < 1,4 den Erdfehlerfaktor und cx « 1,2-1,5 den Lastabwurffaktor bedeuten. Dies führt auf Uτ = 157 kV, wenn cλ = 1,35 angenommen wird.
Geht man davon aus, dass der MOV-Ueberspannungsableiter kurzzeitig, d. h. für einige Sekunden eine Ueberspannung von erfahrungsgemäss höchstens T-Uc erträgt mit T = 1,45, wobei T ein die Dauer der Belastung berücksichtigender bekannter Faktor und Uc die maximale Dauerbetriebsspannung ist, so muss Uc > Uτ/T gewählt werden, da mit Ueberspannungen bis zu einem Spannungsniveau von Uτ und einigen Sekunden Dauer zu rechnen ist.
Im Zusammenhang des obigen Zahlenbeispiels führt dies auf Uc ~ 112 kV, d. h. der MOV-Ueberspannungsableiter muss für eine maximale Dauerbetriebsspannung ausgelegt werden, die bei 112 kV, also ca. 35% über der Phasenspannung von 83 kV liegt. Bei den üblichen Schutzfaktoren von ca. 3 bedeutet dies, dass die Isolierung des Netzes auf 336 kV ausgelegt werden muss .
Prinzipiell wäre es wünschenswert, das Netz so abzusichern, dass die Netzspannung nicht oder nur knapp überschritten werden kann. Dies war jedoch bisher wegen der Gefahr der Ueberlastung und Zerstörung der MOV-Ueberspannungsableiter nicht möglich.
Hier soll die Erfindung Abhilfe schaffen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Schutz von Netzen und Anlagen vor Ueberspannungen anzugeben, das es erlaubt, die im Normalbetrieb wirksame Grenzspannung tief zu halten. Ausserdem soll eine geeignete Spannungsbegrenzungs- schaltung angegeben werden.
Durch die Erfindung ist es möglich, die maximale Dauerbetriebsspannung in die Nähe der Netzspannung zu verlegen. Dadurch kann bei der Auslegung der Isolation des fraglichen Netzes oder der Anlage von tieferen Spannungswerten ausgegangen werden, was das Netz bzw. die Anlage entscheidend verbilligt .
Im obigen Zahlenbeispiel reduziert sich Uc im Normalbetrieb auf 83 kV, so dass die Isolation des Netzes auf 249 kV statt auf 336 kV ausgelegt werden kann.
Durch die erfindungsgemässe Spannungsbegrenzungsschaltung wird die Spannung sowohl im Normalbetrieb, wenn dieselbe einen Grundzustand einnimmt als auch beim Auftreten temporärer Ueberspannungen, wenn sie in einen Schonzustand umgeschaltet hat, durch einen MOV-Ueberspannungsableiter begrenzt. Die mit diesen verbundenen Vorteile wie geringer Leckstrom und sehr rasches Ansprechen bleiben in beiden Zuständen gewahrt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert . Es zeigen
Fig. 1 das allgemeine Schaltbild einer erfindungs¬ gemässen Spannungsbegrenzungsschaltung,
Fig. 2a-c Beispiele für die Impedanz in Fig. 1 und
Fig. 3a,b Beispiele für den Schalter in Fig. 2c.
In ihrem grundsätzlichen Aufbau umfasst die zwischen einem mit z. B. einem Hochspannungsnetz verbundenen ersten Anschluss 1 und einem geerdeten zweiten Anschluss 2 liegende Spannungsbegrenzungsschaltung 3 von Fig. 1 einen ersten MOV- Ueberspannungsableiter 4 und einen zweiten MOV-Ueber¬ spannungsableiter 5 in Reihe. Jeder der beiden MOV-Ueber¬ spannungsableiter 4, 5 ist konventionell z. B. als Serien- Parallelschaltung von MOV-Varistoren aufgebaut, wie sie etwa dem eingangs genannten Artikel entnehmbar sind. Daneben können sie weitere Elemente enthalten, welche ihre Funktion nicht beeinträchtigen wie parallele Funkenstrecken oder in Reihe liegende Widerstände.
Ebenfalls in Reihe mit dem ersten MOV-Ueberspannungsableiter 4, aber parallel zum zweiten MOV-Ueberspannungsableiter 5 liegt eine Impedanz 6, deren Eigenschaften durch den Wert Z wiedergegeben sind. Die Schaltspannung, bei welcher der erste MOV-Ueber¬ spannungsableiter 4 leitend wird, entspricht einer ersten GrenzSpannung, welche z. B. bei der normalen Netzpannung liegt. Im eingangs erwähnten Zahlenbeispiel entspräche dies 83 kV. Der zweite MOV-Ueberspannungsableiter 5 weist eine Schaltspannung auf, welche zusammen mit der ersten Grenzspannung eine weitere Grenzspannung ergibt, die der nach bekannten Prinzipien bestimmten entspricht, im Zahlenbeispiel also 112 kV, d. h. die Schaltspannung des zweiten MOV-Ueberspannungsableiters 5 beträgt 29 kV entsprechend der Differenz zwischen diesen beiden Werten.
Die Impedanz 6 kann auf verschiedenste Weisen realisiert sein. Immer wird sie jedoch ein schalterartiges Element enthalten, welches bei drohender Ueberlastung des ersten MOV-Ueberspannungsableiters 4 durch länger dauernde temporäre Ueberspannungen und dadurch verursachte überhöhte Energieaufnahme mindestens unterhalb einer Grenzfrequenz, welche bei einem Wechselstromnetz nicht tiefer ist als die Netzfrequenz von z. B. 50 Hz sein darf, mindestens bis zu einer Sperrspannung, welche höher ist als die obengenannte weitere GrenzSpannung, sperrt, so dass auf den weiteren Strompfad, welcher durch einen weiteren MOV-Ueberspannungs¬ ableiter - in der gezeigten Ausführung der Spannungs¬ begrenzungsschaltung von der Reihenschaltung des ersten MOV- Ueberspannungsableiters 4 und des zweiten MOV-Ueber¬ spannungsableiters 5 gebildet - verläuft, umgeschaltet wird.
Die Impedanz 6 kann z. B. als rein passives Element realisiert sein. In der Ausführung nach Fig. 2a ist dies ein PTC-Element 7, das bei niedrigen Strömen ein guter Leiter ist und dessen Widerstand bei Erreichen eines bestimmten Grenzstroms und entsprechender Temperatur sprungartig ansteigt, so dass es praktisch vollständig sperrt. Das PTC- Element 7 ist derart auf den ersten MOV-Ueberspannungs¬ ableiter 4 abgestimmt, dass ein übermässiger Leckstrom, welcher durch denselben und das PTC-Element 7 fliesst, dasselbe zum Schalten bringt, d. h. das sprungartige Ansteigen von dessen Widerstand bewirkt, bevor er zu einer Ueberlastung des ersten MOV-Ueberspannungsableiter 4 führt . Eine anderes rein passives Element, das statt des PTC- Elements in Frage kommt, ist eine Sicherung. Diese müsste jedoch nach jeder Schaltung ersetzt werden.
Gemäss Fig. 2b ist in Reihe mit dem PTC-Element 7 ein Trenner 8 angeordnet, welcher, z. B. gesteuert durch den Leckstrom durch das PTC-Element 7, geöffnet wird, nachdem dasselbe geschaltet hat und der Leckstrom auf sehr tiefe Werte gefallen ist. Einen in Reihe geschalteten Trenner vorzusehen, welcher nach dem Sperren der Impedanz 6 geöffnet wird, ist bei jeder Ausbildung derselben möglich.
Gemäss Fig. 2c ist die Impedanz 6 als Parallelschaltung eines Schalters 9, eines Hochpasses 10 und einer
Funkenstrecke 11 ausgebildet. Der Hochpass 10 ist so ausgelegt, dass er für Frequenzen, die oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz, die gegebenenfalls nicht kleiner als die Netzfrequenz sein darf, praktisch durchlässig ist. Er dient der Ableitung von rasch ansteigenden Ueber¬ spannungen, wie sie durch Blitzschlag oder auch durch Schaltvorgänge verursacht werden und von schnellen transienten Ueberspannungen. Aufgebaut kann er aus rein passiven Elementen - Kondensatoren, Widerständen, linearen oder nichtlinearen Induktivitäten - sein, im einfachsten Fall handelt es sich um einen Kondensator. Die Funkenstrecke 11 wird erforderlichenfalls bei Ueberlagerungen von temporären Ueberspannungen mit durch Blitzschlag oder Schaltvorgänge verursachten Ueberspannungen aktiv.
Der Schalter 9 kann als mechanischer Schalter ausgebildet sein oder auch als Halbleiterschalter oder als Reihenschaltung oder Reihenparallelschaltung von solchen. So ist er z. B. als Parallelschaltung zweier Reihenschaltungen entgegengesetzter Polarität, welche jeweils (Fig. 3a) drei gemeinsam angesteuerte GTOs 12a,b,c umfassen, ausgebildet oder als entsprechende Parallelschaltung von IGBTs 13 (Fig. 3b) . Daneben ist auch die Verwendung von photoleitenden Schaltern, MCTs, BODs etc. möglich. Eine weitere Möglichkeit ist ein Piezowiderstand.
Der Schalter 9 bildet jedenfalls in der Regel ein aktives Element - wenn auch der Einsatz eines passiven Elements wie z. B. eines PTC-Elements an seiner Stelle in Fig. 2c durchaus möglich ist - dessen Oeffnen von aussen ausgelöst werden muss. Für die Auslösung können verschiedene Parameter herangezogen werden, sofern sie die Belastung des ersten MOV-Ueberspannungsableiter 4 wiederspiegeln.
Um dies genauer auszuführen: Langfristig muss natürlich ein Gleichgewicht zwischen der Aufnahme elektrischer Energie durch den ersten MOV-Ueberspannungsableiter 4 und ihrer Umsetzung in Wärme einerseits und der Abgabe von Wärme durch Wärmeleitung, Abstrahlung, Konvektion bei einer Betriebstemperatur, bei welcher der erste MOV-Ueber¬ spannungsableiter 4 auch langfristig sicher funktioniert, gegeben sein. Dieses Gleichgewicht darf kurzfristig gestört werden, so dass sich die MOV-Varistoren im ersten MOV-Ueber¬ spannungsableiter 4 über die normale Betriebstemperatur erwärmen. Solche Störungen dürfen jedoch nicht zu stark und langandauernd sein, da sonst die Temperatur Werte erreicht, die eine Aenderung der Materialeigenschaften der MOV- Varistoren nach sich zieht, die sich auf ihre elektrischen Eigenschaften auswirkt. Dies kann zu einer positiven Rückkopplung zwischen Erhöhung des Leckstroms und der Temperatur führen, was einen Totalausfall des ersten MOV- Ueberspannungsableiter 4 mit Kurzschluss nach sich zieht.
Entscheidende Grosse ist die Temperatur des Varistors, die sich direkt oder indirekt messen lässt, allerdings oft nur mit einigem Aufwand. Aus diesem Grund ist meist die Messung einer Grosse vorzuziehen, die ein Mass für die Energieaufnahme des ersten MOV-Ueberspannungsableiters 4 darstellt, z. B. des Leckstroms durch den ersten Strompfad oder eines von demselben abhängigen Parameters wie des Magnetfelds, das z. B. durch eine Hall-Sonde ermittelt werden kann. Möglich ist auch die Messung der Spannung statt des Stroms, z. B. durch Spannungsabgriff an einem der Varistoren. Aus Strom oder Spannung kann mittels der bekannten Kennlinie die Energieaufnahme berechnet werden.
Daneben ist natürlich auch eine direkte oder indirekte Messung der Temperatur nicht ausgeschlossen, z. B. direkt durch ein T-Element, einen IR-Sensor, ein Element aus
Bimetall oder einer Gedächtnislegierung oder indirekt über einen Membranschalter, der auf die Expansion von durch den ersten MOV-Ueberspannungsableiter 4 erwärmtem Gas anspricht . Der grundlegende Gedanke bei allen Ausführungen ist die Umschaltung von einem ersten Strompfad mit einer ersten Grenzspannung auf einen weiteren Strompfad mit einer höheren weiteren Grenzspannung bei drohender Ueberlastung des ersten MOV-Ueberspannungsableiters 4. Dies erfolgt durch Aenderung des Impedanzwertes des ersten Strompfades derart, dass er bis zu einer Sperrspannung, welche höher ist als die weitere GrenzSpannung, sperrt, jedenfalls bis zu einer gegebenenfalls oberhalb der Netzfrequenz liegenden Grenzfrequenz. Dadurch wird der übermässige Leckstrom, der zu einer überhöhten Energieaufnahme des ersten MOV-Ueber¬ spannungsableiters 4 geführt hat, praktisch vollständig unterbunden. Dabei ist durch den weiteren Strompfad, der ebenfalls einen MOV-Ueberspannungsableiter oder eine Reihenschaltung derartiger Ueberspannungsableiter enthält mit insgesamt einer höheren Grenzspannung als der erste MOV- Ueberspannungsableiter, nach wie vor eine Ableitung kurzzeitiger Ueberspannungen gesichert.
Auch wenn der weitere Strompfad, wie in den Ausführungs- beispielen dargestellt, ebenfalls durch den ersten MOV- Ueberspannungsableiter 4 geht, so wird doch die Energieaufnahme desselben auf sehr niedrige Werte gedrosselt, so dass er sich wieder abkühlen kann. Er kann auch vollständig entlastet werden, indem der weitere Strompfad den ersten MOV-Ueberspannungsableiter 4 völlig vermeidet. Dies ist aber meist wirtschaftlich nicht sinnvoll und technisch nicht nötig.
Das geschilderte Prinzip kann auch gestaffelt werden, d. h es kann neben dem zweiten Strompfad ein dritter Strompfad mit wiederum erhöhter Grenzspannung vorgesehen werden etc.. Die Spannungsbegrenzungsschaltung 3 kann meist so ausgelegt werden, dass die Spannung in jedem Betriebszustand zum grössten Teil vom ersten MOV-Ueberspannungsableiter 4 aufgefangen wird. Die weiteren Elemente, der zweite MOV- Ueberspannungsableiter 5 und die Impedanz 6 werden nur verhältnismässig geringen Spannungen ausgesetzt und können daher etwa im obigen Zahlenbeispiel als Mittelspannungs¬ komponenten ausgeführt sein, was ihren Preis und damit den der ganzen Spannungsbegrenzungsschaltung wesentlich senkt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Schutz eines Netzes oder einer Anlage vor einer Ueberspannung, wobei zur Begrenzung der Spannung zwischen einem ersten Anschluss (1) und einem zweiten Anschluss (2) von einem den ersten Anschluss (1) mit dem zweiten Anschluss (2) verbindenden ersten Strompfad mit einem ersten MOV-Ueberspannungsableiter (4) , der bei einer ersten Grenzspannung leitend wird, auf einen gleichfalls den ersten Anschluss (1) mit dem zweiten Anschluss (2) verbindenden weiteren Strompfad, der bei einer weiteren Grenzspannung leitend wird, in Abhängigkeit von mindestens einem vom Zustand des ersten MOV-Ueberspannungsableiters (4) abhängigen Parameter vom ersten Strompfad auf den weiteren Strompfad umgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung auf den weiteren Strompfad, dessen weitere Grenzspannung höher liegt als die erste Grenzspannung, genau dann erfolgt, wenn der Wert des mindestens einen Parameters eine drohende Ueberlastung des ersten MOV-Ueberspannungsableiters (4) durch eine längerdauernde Ueberspannung anzeigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich beim Netz oder der Anlage um ein Mittel- oder Hochspannungsnetz bzw. eine Mittel- oder Hochspannungs- anläge handelt.
3. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) zum Schutz eines Netzes oder einer Anlage, mit, zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss, einem ersten Strompfad, welcher einen ersten MOV-Ueberspannungs- ableiter (4) enthält, welcher in einem Grundzustand der Spannungsbegrenzungsschaltung (3) bei einer ersten Grenzspannung leitend wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie, gleichfalls zwischen dem ersten Anschluss (1) und dem zweiten Anschluss (2) , einen weiteren Strompfad aufweist, welcher einen weiteren MOV-Ueberspannungs¬ ableiter enthält und der bei einer höheren weiteren Grenzspannung leitend wird und dass bei drohender Ueberlastung des ersten MOV-Ueberspannungsableiters (4) die Spannungsbegrenzungsschaltung in einen Schonzustand umschaltet, in dem der erste Strompfad mindestens unterhalb einer Grenzfrequenz, welche gegebenenfalls oberhalb der Netzfrequenz liegt, bis zu einer oberhalb der weiteren Grenzspannung liegenden Sperrspannung sperrt.
4. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strompfad in Reihe mit dem ersten MOV-Ueberspannungsableiter (4) eine variable Impedanz (6) enthält, deren Wert im Grundzustand niedrig ist und im Schonzustand mindestens für unterhalb der Grenzfrequenz liegende Frequenzen bis mindestens zur Sperrspannung hoch ist.
5. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Impedanz (6) eines der folgenden Bauelemente oder eine
Parallelschaltung mehrerer solcher Bauelemente umfasst : Schalteinrichtung (9) , Sicherung, PTC-Widerstand (7) , Piezowiderstand, Hochpass (10) , Funkenstrecke (11) . 6. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (9) mindestens einen mechanischen Schalter oder Trenner oder einen Halbleiterschalter wie z. B. GTO (12a,b,c), IGBT (13) oder photoleitenden Schalter umfasst.
7. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Strompfad ebenfalls den ersten MOV-Ueber¬ spannungsableiter (4) und einen zur variablen Impedanz (6) parallelen zweiten MOV-Ueberspannungsableiter (5) enthält.
8. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass allfällig drohende Ueberlastung des ersten MOV-Ueber- spannungsableiters (4) mittels Ueberwachung der Aufnahme elektrischer Energie durch denselben festgestellt wird.
9. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme elektrischer Energie durch den ersten MOV-Ueberspannungsableiter (4) aus einer mit derselben verknüpften gemessenen Grosse wie Strom, Magnetfeld, Spannung, bestimmt wird.
10. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass allfällig drohende Ueberlastung des ersten MOV-Ueber¬ spannungsableiters (4) mittels Ueberwachung der Temperatur desselben festgestellt wird.
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