WO1997048159A1 - Method of protecting a system or an installation from surge and voltage clamping circuit - Google Patents

Method of protecting a system or an installation from surge and voltage clamping circuit Download PDF

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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
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Felix Greuter
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Abb Research Ltd.
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02HEMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H9/00Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
    • H02H9/04Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
    • H02H9/042Emergency 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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01CRESISTORS
    • H01C7/00Non-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
    • H01C7/10Non-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
    • HELECTRICITY
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    • H01CRESISTORS
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    • H01C7/10Non-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
    • H01C7/12Overvoltage 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.

Abstract

A first MOV surge arrester (4) e.g. for a high-voltage system, has a conventional voltage limit, at which it becomes conductive, that lies just above the phase voltage of the system and forms a first current path with a series-connected impedance (6), the value of which (Z) in an initial state is negligible. If the first MOV surge arrester (4) is threatened with overload owing to a prolonged surge and consequent excessive energy absorption by the surge arrester, a further current path which runs through the first MOV surge arrester (4) and a second MOV surge arrester (5) parallel to the impedance (6) and which is connected in series with it will be switched over by raising the impedance (6) value. In this way leakage current through the first MOV surge arrester (4) and thus the energy absorption of the arrester are reduced to normal values. The circuit enables substantial reduction in the level of protection and system insulation may therefore be designed to substantially lower values. The impedance (6) may be formed as a PTC element, a safety fuse or a switch controlled by the energy absorption or temperature of the first MOV surge arrester (4), possibly with a parallel high pass filter and a parallel spark gap.

Description

VERFAHREN ZUM SCHUTZ EINES NETZES ODER EINER ANLAGE VOR ÜBERSPANNUNGEN SOWIE SPANNUNGSBEGRENZUNGSSCHALTUNGMETHOD FOR PROTECTING A NETWORK OR SYSTEM FROM OVERVOLTAGE AND VOLTAGE LIMITING CIRCUIT
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz eines Netzes oder einer Anlage vor Ueberspannungen sowie eine Spannungs- begrenzungsschaltung.The invention relates to a method for protecting a network or a system against overvoltages and a voltage limiting circuit.
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 desFrom EP-A-0 651 491 a method according to the preamble of claim 1 is known, in which the switchover between a first current path containing only a varistor in addition to a switch by opening the
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.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.
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.It has also been known for a long time to protect networks of all voltage ranges from overvoltages by means of MOV surge arresters composed of varistors, in particular MOV varistors. Most of these are simple series connections or series-parallel connections of MOV varistors. Such 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. For general information on 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).
Während derartige MOV-Ueberspannungsableiter sich hervorragend für die Ableitung von kurzzeitigen, auch hohen Ueberspannungen, wie sie durch Schaltvorgänge undWhile such MOV surge arresters are excellent for the derivation of short-term, even high overvoltages, such as those caused by switching operations and
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 keineLightning strikes are caused or are suitable for fast transient overvoltages, their interpretation with regard to longer lasting overvoltages is not without problems. Even relatively low temporary overvoltages, none for the isolation of the network or the system itself
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.Pose a danger, can cause larger leakage currents, so that the MOV surge arrester absorbs too much energy and is thermally overloaded, especially if the temporary surge voltage is prolonged, which can lead to destruction of the MOV surge arrester.
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.For this reason, it was previously necessary to work with a considerable safety margin when protecting networks and systems and to design the MOV surge arresters so that the limit voltage is above the expected temporary surge voltages and the maximum continuous operating voltage is correspondingly high. However, this has the consequence that the network or the system must be isolated to correspondingly high voltages, which increases the costs significantly. In itself, a protection would be that the normal mains voltage as the maximum continuous Voltage is based on the cheapest with a corresponding limit voltage just above the same, but this was not feasible due to the risk of overloading the MOV surge arrester.
Um ein Zahlenbeispiel zu geben:To give a numerical example:
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 vonIn the case of a network with a network voltage U m of 144 kV, ie a voltage between one phase and earth of U m / V3 = 83 kV, temporary overvoltages of
Figure imgf000005_0001
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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.to be calculated, where c e <1.4 is the earth fault factor and c x «1.2-1.5 is the load shedding factor. This leads to U τ = 157 kV if c λ = 1.35 is assumed.
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.If one assumes that the MOV surge arrester can withstand an overvoltage of a maximum of TU c with T = 1.45, for a few seconds from experience, whereby T is a known factor taking into account the duration of the load and U c is the maximum continuous operating voltage, so U c > U τ / T must be chosen, since overvoltages up to a voltage level of U τ and a duration of a few seconds can be expected.
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 .In the context of the numerical example above, this leads to U c ~ 112 kV, ie the MOV surge arrester must be designed for a maximum continuous operating voltage which is 112 kV, i.e. approx. 35% above the phase voltage of 83 kV. With the usual protection factors of approx. 3 means this means that the insulation of the network must be designed for 336 kV.
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.In principle, it would be desirable to protect the network in such a way that the network voltage cannot be exceeded, or only barely. However, this was previously not possible due to the risk of overloading and destruction of the MOV surge arrester.
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.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.
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 .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.
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.In the numerical example above, 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.
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.By means of the voltage limiting circuit according to the invention, 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. The advantages associated with these, such as low leakage current and very quick response, are maintained in both states.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen, welche lediglich Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert . Es zeigenThe invention is explained in more detail below with reference to drawings, which only represent exemplary embodiments. Show it
Fig. 1 das allgemeine Schaltbild einer erfindungs¬ gemässen Spannungsbegrenzungsschaltung,1 shows the general circuit diagram of a voltage limiting circuit according to the invention,
Fig. 2a-c Beispiele für die Impedanz in Fig. 1 undFig. 2a-c examples of the impedance in Fig. 1 and
Fig. 3a,b Beispiele für den Schalter in Fig. 2c.Fig. 3a, b examples of the switch 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.In its basic structure, the one between z. B. a high-voltage network connected first terminal 1 and a grounded second terminal 2 lying voltage limiting circuit 3 of Fig. 1, a first MOV surge arrester 4 and a second MOV surge arrester 5 in series. 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.
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.Also in series with the first MOV surge arrester 4, but parallel to the second MOV surge arrester 5 is an impedance 6, the properties of which are represented by the value Z. 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.
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.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.
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.The impedance 6 can e.g. B. be implemented as a purely passive element. In the embodiment according to FIG. 2a, 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.
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.2b, 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. Providing a disconnector connected in series, which is opened after the impedance 6 has been blocked, is possible with each configuration thereof.
Gemäss Fig. 2c ist die Impedanz 6 als Parallelschaltung eines Schalters 9, eines Hochpasses 10 und einer2c, the impedance 6 is a parallel connection of a switch 9, a high pass 10 and one
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.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.
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.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). In addition, the use of photoconductive switches, MCTs, BODs etc. is also possible. Another option is a piezoresistor.
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.In any case, 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. Various parameters can be used for tripping, provided that they reflect the load on the first MOV surge arrester 4.
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.In order to do this more precisely: In the long term, of course, there must be a balance between the absorption of electrical energy by the first MOV surge arrester 4 and its conversion into heat on the one hand and the dissipation of heat by heat conduction, radiation, convection at an operating temperature at which the first MOV transmitter ¬ voltage arrester 4 also functions safely in the long term. This balance may be disturbed in the short term are so that the MOV varistors in the first MOV surge arrester 4 heat up above the normal operating temperature. However, such faults must not be too severe and long-lasting, since otherwise the temperature will reach values that result in a change in the material properties of the MOV varistors, which affects their electrical properties. This can lead to a positive feedback between an increase in the leakage current and the temperature, which results in a total failure of the first MOV surge arrester 4 with a short circuit.
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.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.
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 ausIn addition, 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
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.Bimetal or a memory alloy or indirectly via a membrane switch which responds to the expansion of gas heated by the first MOV surge arrester 4. 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. As a result, the excessive leakage current, which has led to excessive energy consumption by the first MOV surge arrester 4, is practically completely prevented. 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.
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.Even if the further current path, as shown in the exemplary embodiments, also passes through the first MOV surge arrester 4, the energy consumption of the latter is throttled to very low values so that it can cool down again. It can also be completely relieved by the additional current path completely avoiding the first MOV surge arrester 4. However, this is usually not economically viable and technically not necessary.
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. The principle described can also be staggered, i. h In addition to the second current path, 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.

Claims

Patentansprüche claims
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.1. A method for protecting a network or a system against an overvoltage, whereby to limit the voltage between a first connection (1) and a second connection (2) of a first connecting the first connection (1) to the second connection (2) Current path with a first MOV surge arrester (4), which becomes conductive at a first limit voltage, on a further current path which likewise connects the first connection (1) to the second connection (2) and becomes conductive at a further limit voltage, depending on at least one parameter dependent on the state of the first MOV surge arrester (4) is switched from the first current path to the further current path, characterized in that the switchover to the further current path, the further limit voltage of which is higher than the first limit voltage, takes place precisely when the value of the at least one parameter is an impending overload of the first MOV surge arrester (4) d by a long-term overvoltage.
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.2. The method according to claim 1, characterized in that the network or the system is a medium or high voltage network or a medium or high voltage system.
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.3. Voltage limiting circuit (3) for protecting a network or a system, with, between a first connection and a second connection, a first current path, which has a first MOV overvoltage contains arrester (4), which in a basic state of the voltage limiting circuit (3) becomes conductive at a first limit voltage, characterized in that it likewise has a further current path between the first connection (1) and the second connection (2), which contains a further MOV overvoltage arrester and which becomes conductive at a higher additional limit voltage and that in the event of impending overload of the first MOV overvoltage arrester (4), the voltage limiting circuit switches over to a protective state in which the first current path is at least below a limit frequency, which may be above the mains frequency, blocks up to a blocking voltage above the further limit voltage.
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.4. Voltage limiting circuit (3) according to claim 3, characterized in that the first current path in series with the first MOV surge arrester (4) contains a variable impedance (6), the value of which is low in the basic state and in the protective state at least for below the limit frequency lying frequencies up to at least the blocking voltage is high.
5. Spannungsbegrenzungsschaltung (3) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die variable Impedanz (6) eines der folgenden Bauelemente oder eine5. voltage limiting circuit (3) according to claim 4, characterized in that the variable impedance (6) one of the following components or a
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.Parallel connection of several such components includes: switching device (9), fuse, PTC resistor (7), piezoresistor, high pass (10), spark gap (11). 6. voltage limiting circuit (3) according to claim 5, characterized in that the switching device (9) at least one mechanical switch or disconnector or a semiconductor switch such. B. GTO (12a, b, c), IGBT (13) or photoconductive switch.
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. 7 . Voltage limiting circuit (3) according to one of A nsprüche 4 to 6, characterized in that the further current path also, and a direction parallel to the variable impedance (6) second MOV surge arresters includes the first MOV Ueber¬ arresters (4) (5).
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. 8 . S pannungsbegrenzungsschaltung (3) according to one of claims 3 to 7, characterized in that possibly impending overload of the first MOV surge arrester (4) by means of electrical monitoring of the recording power is determined by the same.
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.9. S voltage limiting circuit (3) according to claim 8, characterized in that the absorption of electrical energy by the first MOV surge arrester (4) is determined from a measured variable associated with the same, such as current, magnetic field, voltage.
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. 10th S pannungsbegrenzungsschaltung (3) according to one of A nsprüche 3 to 7, characterized in that possibly impending overload of the first MOV Ueber¬ arrester is determined by means of monitoring the temperature of the same (4).
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