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Schutzanordnung für elektrische Stromkreise gegen Uberspannungen und ähnliche
Störungen.
Es ist bekannt, dass man elektrische Apparate und Maschinen, die an längere Freileitungen oder Kabel angeschlossen sind, durch Einschaltung von Drosselspulen in dit'Leitung gegen da" Eindringen unegelmässiger Spannungswellen schützen kart. Fig. 1 zeigt eine derartige Anordnung, bei der l die Leitung, s eine konzentrierte Selbstinduktion und m eine elektrische Maschine bedeutet. Jede auf der Leitung fortwandernde Spannungs- und Stromwelle #, die einen schnell verlaufenden Überschuss oder ein Manko gegenüber der normalen Betriebsspannung darstellt, soll von einer derartigen Schutzdrosselspule reflektiert und auf die Leitung zurückgeworfen werden.
In Wirklichkeit ist die Wirkung dieser Schutzvorrichtung nur beschränkt, da man einerseits ihre konzentrierte Selbstinduktion nicht beliebig gross ausführen kann und da andererseits für
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Leitungen und Apparaten entstehen, nicht die gesamte Selbstinduktion der Schutzdrosselspule in Betracht kommt, sondern nur ein Wert, der bis auf die Streuinduktion zwischen zwei benachbarte Windungen herabsinken kann.
Eine andere bekannte Schutzvorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt ; sie besteht aus einer
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konzentrierte Selbstinduktion mit Parallelwiderstand in die Leitung einzuschalten oder konzentrierte Kapazität mit Serienwiderstand zwischen zwei Leitungen oder zwischen Leitungen und Erde zu schalten. In Fig. 3 und 4, die diese Anordnungen darstellen, bedeutet r den Ohmschen Widerstand, der zur Absorption der StörungsweUe dienen soll. Auch diese beiden Anordnungen sind ohne nennenswerten Einfluss auf den langsamperiodischen Betriebsstrom, weil dieser in Fig. 3 durch die Selbstinduktion mit sehr geringem Widerstande Siessen kann und bei Fig. 4 durch den Kondensator am Übertritt in die andere Leitung wirksam verhindert wird.
Damit die zuletzt beschriebenen Schutzanordnungen die Energie der Störungswelle möglichst
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iertel der einbauenden Wellenenergie wird reiftektiert, das letzte Viertel tritt durch die Schutz. vorrichtung hindurch in den zweiten Leitungs & bachnitt über. Man erkennt daraus, dass diese Anordnungen keine wirksamen Schutzvorrichtungen gegen starke Störungswellen bilden, da sowohl die reflektierte als auch die durchgelassene Btörungswelle die halbe Strom-und Spannungsamplitude der ursprünglichen Welle besitzen.
Um die durchgehende Welle kleiner zu erhalten, müsste man den Wert des Ohmschen Widerstandes erheblich verändern, wodurch dann aber der Vorteil der starken Energieab80rption verloren geht und die Wirkungsweise sich wieder den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 nähert.
Auch durch gemeinsame Anwendung der Schutzanordnungen nach den Fig. 3 und 4 für dieselbe Leitung erhält man keinen wesentlich besseren Schutz gegen Störungswellen, weil auch dann noch stets ein erheblicher Teil der Wellen reflektiert, und ein anderer Teil durch beide Schutzanordnungen hindurchdringt.
Es ist nun aber möglich, und dies bildet den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Schutzanordnung herzustellen, die jede einfallende Störungswelle vollkommen absorbiert und ihre Energie in Joulesche Wärme verwandelt. Es tritt dann weder eine Reflexion der einfallenden Welle ein, noch kann sie durch die Schutzvorrichtung hindurch auf òip weitere Leitung übertreten. Zur Herstellung einer, derartigen Anordnung genügt es nicht, nur Selbstinduktion und Widerstand oder nur Kapazität und Widerstand für sich zu verwenden, sondern man muss notwendig die drei Elemente, konzentrierte Selbstinduktion, konzentrierte Kapazität und einen der Charakteristik der Leitungen angepassten Ohmschen Widerstand, gleichzeitig an räumlich naheliegenden Punkten der Leitung in bestimmter gegenseitiger Anordnung einschalten.
Dass die Schutzvorrichtung Ohmsche Widerstände enthalten muss, geht ohne weiteres daraus hervor, dass sie Energie von beliebig unregelmässiger Wellenform vernichten soll. Als Ohmscher Widerstand im Sinne des Patentes ist demgemäss jede Vorrichtung zu verstehen, in der elektrische Energie vernichtet und in andere Energie umgeformt wird. Dass man Selbstinduktion und Kapazität gemeinsam verwenden muss, lässt sich auf die Weise erläutern, dass eine konzentrierte Selbstinduktion jede einfallende schnelle Spannungswelle im wesentlichen mit gleichem Vorzeichen reflektiert, dass eine konzentrierte Kapazität aber die Spannungswelle im wesentlichen mit vertauschtem Vorzeichen auf die Leitung zurückwirft.
Wünscht man die reflektierte Welle zum Verschwinden zu bringen, so kann dies also nur durch die gemeinsame Wirkung von Selbstinduktion und Kapazität bewerkstelligt werden, deren eigene fiktive Renexionswellen sich gegenseitig aufheben. Sorgt man dabei durch passende Bemessung der Widerstände für völlige Absorption der einfallenden Störungswellen, so lässt diese Schutzvorrichtung auch keine Energie durch sich hindurchtreten. Die Theorie ergibt, dass der Ohmsche Widerstand in i : le8Cm günstigen Falle ungefähr gleich der Charakteristik der zu schützenden Leitungsschleife sein muss, ziemlich unabhängig von dem besonderen Aufbau der Schutzvorrichtung.
Eine sehr wirksame Schutzanordnung der beschriebenen Art ist in Fig. 5 dargestellt. In die Leitung dz die z. B. zu einer zu schützenden : Maschine m führt, sind konzentrierte Selbst- induhionen s eingeschaltet, während hinter diesen ein Kondensator k zwischen die Leitungen gelegt ist. Die Widerstände r sind parallel zu den 8elbstinduktionen geschaltet. Der normale
Betriebsstrom wird durch die Schutzapparate nicht wesentlich beeinflusst, sondern läuft durch die
Selbstinduktionen s und an der Kapazität k vorbei. Jede von der Leitung 1 ankommende schnelle
Störungswelle kann dagegen nicht in die Selbstinduktion 8 eintreten, sondern findet ihren Weg durch den Widerstand r.
Sie wird am Kondensator k reflektiert. so dass sie den Widerstand nochmals durchlaufen muss. Wäre die Selbstinduktion und die Kapazität unendlich gross, so würde eine vollständige Vernichtung der Störw} gsel1ergie im Widerstande eintreten. Da man beide nur in endlicher Grösse ausführen kann, so treten geringe Abweichungen ein. es ist jedoch, wie die Theorie lehrt, bei jeder Grösse von Selbstinduktion und Kapazität stets möglich, eine derartige Grösse des Dämpfungswiderstandes r anzuwenden, dass nur ein ausserordentlich geringer Betrag der ein- fallenden Welle durchgelassen oder reflektiert wird.
Eine andere Schutzvorrichtung von ähnlicher Wirkung zeigt Fig. 6. Der Kondensator k ist hier mit einem Serienwiderstande r versehen und vor den Selbstinduktionen 8 zwischen die Leitungen I geschlossen. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist ganz entsprechend der eben beschriebenen. Hier ist am klarsten zu sehen, dass die von Kapazität und Selbstinduktion reflektierten Wellen mit umgekehrtem Vorzeichen sich gegenseitig aufheben können, so dass die gesamte Energie der Störungswelle im Widerstande r aufgezehrt werden kann.
Die beiden Anordnungen der Fig. & und 6 sind derart aufgebaut, dass für jede einfallende elektrische Welle entweder in dem Kondensator k, der die Leitungen für schnell veränderliche
Vorgänge kurzschliesst, ein 8pannungsknoten mit einem Strombauch gebildet wird, oder dass durch die Selbstinduktion s, die schnelle Wellen am Durchtritt verhindert, ein Stromknoten mit einem Spannungsbauch gebildet wird.
In jedem Fall ist daher die Leitungsschleife für den
Verlauf der Wanderwellen nur über den Widerstand r kurzgeschlossen, und diese Anordnung allein ermöglicht die völlige Vernichtung der Wellenenergie im richtig bemessenen Widerstand.
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zweckmässig, in verschiedener Grösse ausgeführt, falls Leitungen verschiedener Charakteristik aneinander geschlossen sind. Während Fig. 7 die Doppelausfühnmg der Anordnung nach Fig. 6 darstellt, ist in Fig. 8 die Anordnung der Fig. 5 für die Absorption beiderseits einfallender Wellen gezeichnet.
Die Anordnung ist dadurch besonders günstig, dass man an der Anschlussstelle des Kondensators an die Widerstände die in die Hauptleitungen geschalteten Selbstinduktionen gemäss den punktierten Linien nicht mit anzuschliessen braucht, so dass man einerseitg, mit wenig Apparaten auskommt und andererseits die Gefahr des Netzkurzschlusses beim Durchschlagen des Kondensators nach Fig. 5 vermeidet, weil stets Widerstand vorgeschaltet bleibt.
Da die Grösse der Dämpfungswiderstände sich sehr wesentlich nach der Charakteristik der zu schützenden Leitung richtet, so wird man häufig für die verschiedenen Leitungen eines Mehrphasensystems verschieden grosse Widerstände anwenden. Die Charakteristik jeder Leitung gegenüber der Erde ist im allgemeinen grösser als die Charakteristik gegen eine der anderen Leitungen, so dass es sich empfiehlt, den Dämpfungswiderstand der Schutzvorrichtung gegen Erde erheblich grösser auszuführen. Es werden dann nicht nur alle störenden Spannungswellen, die zwischen zwei Leitungen verlaufen, beim Auftreffen auf die Schutzvorrichtung vollkommen absorbiert, sondern es wird auch jede Spannungswelle, die zwischen einer beliebigen Leitung und der Erde verläuft, völlig vernichtet.
Fig. 9 zeigt eine derartige Schutzvorrichtung, bei der die Widerstände rl. "'2 und rg zur Dämpfung für die Leitungen gegeneinander dienen und der Widerstand r4 als Zusatzdämpfung gegen Erde.
Freie elektrische Schwingungen können in allen diesen Schutzanordnungen trotz des gleichzeitigen Vorhandenseins von Kondensatoren und Selbstinduktionen nicht auftreten, weil die
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unterdrückt wird.
Man kann auf langen Fernleitungen natürlich eine Reihe derartiger Schutzanordnungen anbringen, so dass schnelle Gleichgewichtstömngen, die auf irgend einem Leitungsabschnitt eintreten, die geschützten Enden dieses Abschnittes nicht passieren können, sondern an ihnen aufgezehrt werden. Um mit Sicherheit die völlige Absorption von Störungswellen zu erzielen, kann es zweckmässig sein, mehrere der beschriebenen Schutzsysteme hintereinander einzuschalten, um auch die Reste der Wellen, die wegen der endlichen Kapazität und Selbstinduktion eine Schutzanordnung noch durchlaufen mit Sicherheit zu verzehren.
Die Widerstände, die zur Vernichtung der StörungsweUe dienen, werden zweckmässig aus Material von hohem spezifischem Widerstande angefertigt, damit sie eine kurze Lang !'erstreckur' haben und wirklich als konzentrierte Obmsche Widerstände wirken. Als konzentrierte Selbstinduktion und Kapazität gemäss dieser Erfindung gilt jede künstliche Erhöhung der Leitun- induktivität und Kapazität. Es ist nicht unbedingt nötig, dass besondere Kondensatoren und Selbstinduktionsspulen eingeschaltet werden. Man kann z. B. eine wirksame konzentrierte Selbstinduktion auf die Weise herstellen, dass man den stromführenden Leiter durch konzentrische dünne Eisenblechscheiben hindurchführt, in denen sich ein starkes Selbstinduktionsfeld ausbilden kann.
Auch können diese Scheiben mit einem Luftspalt versehen sein, um die Wirkung der veränderlifheu Permeabilität zu verringern. Als konzentrierte Kapazität können ausser elektrostatischen und elektrolytischen Kondensatoren beispielsweise kurze Kabelstrecken in die Leitung eingeschaltet werden, die eine erheblich höhere Kapazität besitzen als die zu schützende Leit ung.
Die beschriebene Schut. zeinrichtullg hat den Vorteil, nicht nur. wie es die meisten bisherigen Schutzeinrichtungen tun, bei erheblichen Spannungserhöhungen über die normale Netzspannung hinaus anzusprechen, sondern jede beliebig kleine Störungswelle zu vernichten.
Treten starke Erhöhungen der Netzspannung auf, so wird das Dielektrikum der Kondensatoren natürlich stark beansprucht. Um es vor dem Durchschlagen zu schützen, kann man sehr zweckmässig Funkenstrecken parallel zu den Kondensatoren schalten, die bei starken Über-
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seits eben wegen des Kurzschlusses, der wie tan unendlich grosser Kondensator wirkt, die Wirkung der Schutzanordnung für Überspannungen nicht beeinflussen. Nach Bedarf kann man diesen Schutzfunkenstrecken noch besondere Dämpfungswiderstände vorschalten, die ganz oder teilweise mit den Dämpfungswiderständen der Kondensatoren vereinigt werden können.
Elektrolytische Kondensatoren zeigen das günstige Verhalten des Durchschlages bei übermässig hohen Spannungen bereits von selbst und bedürfen daher im allgemeinen keiner besonderen Parallel-Funkenstrecken.