Leiterplatten-basierte Abtrenntechnologien zum Überlastschutz von Überspannungsschutzgeräten für den Einsatz in leistungsstarken Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken

Abstract

Transiente Überspannungen können Schäden an den empfindlichen elektronischen Komponenten von Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken verursachen. Überspannungsschutzgeräte (SPDs) bieten einen wirksamen Schutz gegen transiente Überspannungen. Voraussetzung hierfür ist die fachgerechte Auswahl und Installation der SPDs. Der innere Aufbau von SPDs ist ebenfalls von großer Bedeutung. Um eine optimale Schutzwirkung für die verschiedenen Arten von Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken zu erreichen, haben SPD-Hersteller eine Vielzahl von unterschiedlichen SPDs entwickelt, die für den jeweiligen Einsatzfall angepasste Schutzschaltungen haben. SPDs für den Einsatz in Telekommunikation- und signalverarbeitenden Netzwerken werden gemäß DIN EN 61643-21 [1] entwickelt und geprüft. Normalerweise haben diese Art von Anwendungen niedrige Betriebsspannungen und im Falle eines Kurz- oder Erdschlusses treten im Verhältnis niedrige Kurzschlussströme auf. Deshalb führt ein Ausfall eines SPDs, z. B. durch Überlast, Kurzschluss oder aufgrund von Alterung, nicht unbedingt zu einem kritischen Zustand – wie z. B. einem unzulässigen Temperaturanstieg. In einigen Fällen gibt es jedoch Anwendungen mit höheren Betriebsspannungen, höheren Betriebsströmen oder höheren Kurzschlussströmen. In solchen Fällen sollte das Auftreten von Fehlerströmen durch die Schutzelemente des überlasteten oder gealterten SPD nicht zu gefährlichen Betriebszuständen führen. Im Fehlerfall muss ein SPD kontrolliert in einen sicheren Zustand überführt werden, ohne dass eine Gefahrensituation entstehen kann. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen geeignete Methoden zur Beherrschung von möglichen Gefahrensituationen angewandt werden. In energietechnischen Anwendungen werden häufig Überstromschutzeinrichtungen (z. B. Sicherungen, Leitungsschutzschalter) eingesetzt. Die bestimmungsgemäße Funktion von Überstromschutzeinrichtungen ist jedoch nur dann gegeben, wenn Überströme/ Kurzschlussströme hoch genug sind, um Überstromschutzeinrichtungen sicher und vor allen Dingen schnell zum Ansprechen zu bringen. In Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken sind Überströme/Kurzschlussströme häufig nicht hoch genug, um Überstromschutzeinrichtungen sicher zum Ansprechen zu bringen. Bei Sicherungen wird für ein zuverlässiges Ansprechen mindestens ein sog. „Mindestausschaltstrom“ benötigt. Sind die im Fehlerfall auftretenden Ströme so niedrig, dass der Mindestausschaltstrom einer Sicherung unterschritten wird, so wird der Fehlerstrom nicht unterbrochen und es kann eine Gefahrensituation entstehen. Bild 1 verdeutlicht diese Zusammenhänge. Das Bild zeigt, dass bei Fehlerströmen unterhalb des Mindestausschaltstroms der gewählten Vorsicherung eine zusätzliche Maßnahme erforderlich ist. Eine Vielzahl der auf dem Markt befindlichen SPDs zum Schutz von Signalsystemen verwenden integrierte Thermosicherungen (TS), um das Risiko einer Überhitzung aufgrund vorgeschädigter oder gealterter Komponenten zu vermeiden. Die Verwendung von TS in der Schutzschaltung von SPDs hat jedoch einige Nachteile. In vielen Fällen haben sie nur ein geringes Ableitvermögen für Stoßströme und ein begrenztes Ausschaltvermögen für Überlast und Kurzschlussströme. Werden TS verwendet, so ist im Regelfall ein hoher technischer Aufwand erforderlich, um eine lokale Statusanzeige zu realisieren. Derzeit sind SPDs mit einem leistungsfähigen Überlastschutz und einer lokalen Statusanzeige nur selten auf dem Markt zu finden. Einige wenige Ausführungen von leiterplattenmontierten Abtrennvorrichtungen zum Schutz von Signalanlagen sind in [2], [3] beschrieben. Ziel dieser Arbeit ist es, die Leistungsfähigkeit von zwei neu entwickelten Überlastschutz-vorrichtungen vorzustellen und zu diskutieren. Darüber hinaus werden Prüfmethoden vorgestellt, um die sichere Funktion bei einem Einsatz in Signalsystemen mit höheren Überlast- oder Kurzschlussströmen nachzuweisen.