In eine Anlage eingebauter Überspannungsableiter mit gesteuerter Mehrfach-Funkenstrecke. Bekannterweise werden zum Schutze von Hochspannungsanlagen gegen Überspan nungen Ableiter verwendet. Die Qualität des Ableiters wird dabei wesentlich durch die Höhe der Ansprechspannung bestimmt. Zwecks möglichster Begrenzung der in der zu schützenden Anlage auftretenden Über spannungen muss die Stossansprechspannung möglichst niedrig gehalten werden. Dabei muss aber der Ableitlichtbogen nach Ver schwinden der Überspannung zuverlässig er löschen, trotz Bestehen der vollen Netz spannung.
Dank der Tatsache, dass atmosphärische Überspannungen in Form von Sprungwel- len in den Leitungen auftreten, ist es mög lich, durch geeignete Vorkehrungen die An sprechspannung für atmosphärische Über spannungen wesentlich tiefer zu halten, als die Ansprechspannung für beispielsweise 50- periodige Wechselspannung beträgt. Der Quotient (U Stoss :.U 50 ^ ider beiden An sprechspannungenwird häufig als Stossfaktor bezeichnet.
Eine bekannte Ausführungsform eines solchen Ableiters mit kleinem Stossfaktor ist der Ableiter mit gleichzeitig kapazitiv und ohmisch gesteuerter Mehrfachfunken strecke. BeiWechselspannungen von 50Hertz überwiegt die lineare Spannungsverteilung, die der Funkenstrecke durch parallel geschal tete ohmsche Widerstände aufgedrückt wird.
Bei Auftreffen von Sprungwellen wird durch die nun überwiegend kapazitive Steue rung die Spannungsverteilung auf dieFunken- strecken ungleichmässig gestaltet, so dass der Überschlag bei relativ kleinen Überspannun gen einsetzt.
Kurve 2 in Abb. 3 zeigt den beispiels weisen Verlauf des Stossfaktors. eines solchen Ableiters in Abhängigkeit der Frequenz. Es ist weiterhin bekannt, dass die durch aussetzende Erdschlüsse verursachten Stö rungen in Form von hochfrequenten Eigen schwingungen der Anlage auftreten. Die Ge fahr liegt daher nahe, dass der Ableiter in folge seines kleinen Stossfaktors auch auf diese Überspannungen leicht anspricht und dabei infolge der bei jeder Halbwelle abzu leitenden grossen Energie in kurzer Zeit zer stört wird.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun. die Zerstörung der Ableiter infolge Anspre- chens auf aussetzende Erdschlüsse zu ver meiden unter Beibehaltung des günstigen, d. h. möglichst kleinen Stossfaktors für atmo sphärische Überspannungen.
Dies ist möglich unter Berücksichtigung der Differenz der zeitlichen Spannungsänderung der beiden Vorgänge. Der Spannungsanstieg derSprung- wellen atmosphärischer Herkunft erfolgt nämlich innerhalb der Zeitspanne etwa einer oder einiger Mikrosekunden, was bei einer Schwingung einer Frequenz von<B>100</B> bis einigen hundert. kHz entsprechen würde.
Aussetzende Erdschlüsse dagegen erzeugen je nach der Grösse des Netzes und der an geschlossenen Induktivitäten eine Schwin gung von einigen kFIz. Der Spannungsanstieg bei Sprungwellen atmosphärischer Herkunft erfolgt also etwa 10- bis 100mal rascher.
Durch erfindungsgemässe Bemessung der den Stossfaktor beeinflussenden kon struktiven Grössen, beispielsweise Steuer kapazitäten und -Widerstände, lässt sich daher erreichen, dass der Stossfaktor für Erd- schlussschwingungen immer noch hoch, d. h. nahe bei 1 ist, während er für Überspannun gen atmosphärischer Herkunft wesentlich tiefer ist.
Nach der Erfindung werden obige Grössen so bemessen, dass die Frequenz, die zum ZVendepunkt T1' der Stossfaktor-Frc- quenzkurve gehört, oberhalb des Frequenz bereiches der Eigenschwingungen der An lage liegt, dagegen unterhalb des Frequenz bereiches von Schwingungen, deren Stirn dauer derjenigen atmosphärischer Über spannungen entspricht. Kurve 1 in Abb. 3 zeigt als Beispiel den Verlauf des Stossfaktors K eines erfindungs gemässen Ableiters.
Die Kurve zeigt deutlich, dass der Stossfaktor bis zu Frequenzen f, die Über .der höchsten möglichen Frequenz der Erdschlussschwingungen ES liegen, in der Nähe von 1 verläuft, dann stark abfällt und im Gebiet der atmosphärischen Überspan nungen AC wesentlich tiefer liegt.
Abb. 1 und 2 zeigen zwei Beispiele einer erfindungsgemässen Mehrfachfunkenstrecke, und zwar ist in Abb.l links jede zweite Teilfunkenstrecke durch eine Zusatzkapazi tät gekennzeichnet, während in Abb. 2 jede dritte Teilfunkenstrecke mit Zusatzkapazität versehen ist.
An Hand des Ersatzschemas in Abb.l rechts lässt sich für das erste Beispiel der Stossfaktor wie folgt berechnen: Die Teil spannungen U, und Uz verhalten sich wie die zugehörigen Impedanzen, d. h.
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wobei C, die Eigenkapazität der Funken strecke, C, die Eigenkapazität samt parallel geschalteter Zusatzkapazität bedeuten. Der.
Überschlag setzt ein, sobald bei Abb. 1 U, gleich der Überschlagsspannung Us der Teil funkenstrecken wird, @d. h.<I>U, -</I> Us. Die Ge samtspannung am Ableiter beträgt dabei bei n Teilstreckenpaaren
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Da ferner bei f = 50 Hertz praktisch lineare Spannungsverteilung, Ui ^' U2 sein soll, d.b.
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so wird der Stossfaktor für eine Funken strecke, die aus n Gliedern mit C,
und n Gliedern mit C.2 besteht
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Beispiel.: Der Ableiter bestehe beispielsweise aus Teilfunkenstrecken mit 5 Picofarad (= 5 X 10-12 Farad) Eigenkapazität. Jeder zweiten Teilfunkenstrecke werde eine Zu satzkapazität von 45 pF parallel geschaltet.
Die Grösse der Widerstände R betrage 0,5 Megohm, also: R - 5 . 105 Ohm Cl = 5 . 10-12 Farad C;, = 50 . 10-12 Farad Bei normalem Betrieb wird- f <I>=</I> 50 Hertz, w <I>=</I> 2n <I>f =</I> 100n
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d. h. die Spannungsverteilung bei 50 Hertz ist praktisch linear.
Die Werte des Stossfaktors betragen dann: bei 50 I3ertz, (o = 100 n g = 1 bei 5000 Hertz, c, = n .104
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Bei einem Ableiter nach Abb. 2, bei dem die Anzahl der Glieder mit. C, und C, im Verhältnis 2 :1 steht, ergibt eine analoge Rechnung bei 50 Hertz :
K = 1 bei 5 000 I3ertz : K = 0,93 bei 500 000 Hertz : K = 0,7 Die Stossf aktorf requenzkurve eines Ab leiters kann durch Versuche im Laboratorium bestimmt werden.
Die Eigenfrequenzen der in Frage kom menden Netze können durch Versuche oder Rechnung festgestellt werden.
Der Frequenzbereich, der atmosphärischen Überspannungen entspricht, ist durch Erfah rungswerte festgelegt.
Surge arrester built into a system with controlled multiple spark gaps. As is known, arresters are used to protect high-voltage systems against overvoltage. The quality of the arrester is essentially determined by the level of the response voltage. In order to limit the overvoltages occurring in the system to be protected as much as possible, the surge response voltage must be kept as low as possible. However, the discharge arc must be reliably extinguished after the overvoltage has disappeared, despite the full line voltage.
Thanks to the fact that atmospheric overvoltages occur in the form of jump waves in the lines, it is possible, by taking suitable precautions, to keep the response voltage for atmospheric overvoltages much lower than the response voltage for, for example, 50-period AC voltage. The quotient (U shock: .U 50 ^ id of the two response voltages is often referred to as the shock factor.
A known embodiment of such an arrester with a small shock factor is the arrester with a capacitively and ohmically controlled multiple spark gap. With AC voltages of 50Hertz, the linear voltage distribution predominates, which is imposed on the spark gap by ohmic resistances connected in parallel.
When jumping waves hit, the now predominantly capacitive control makes the voltage distribution on the spark gaps uneven, so that the flashover starts at relatively small overvoltages.
Curve 2 in Fig. 3 shows the course of the shock factor as an example. of such an arrester as a function of the frequency. It is also known that the disturbances caused by intermittent earth faults occur in the form of high-frequency natural vibrations of the system. The danger is therefore that the arrester responds easily to these overvoltages due to its small shock factor and is destroyed in a short time due to the large amount of energy to be diverted with each half-wave.
The present invention now aims. to avoid the destruction of the arrester as a result of responding to intermittent earth faults while maintaining the favorable, d. H. the smallest possible shock factor for atmospheric overvoltages.
This is possible taking into account the difference in the change in voltage between the two processes. The increase in voltage of the jump waves of atmospheric origin takes place within the time span of about one or a few microseconds, which is with an oscillation at a frequency of <B> 100 </B> to a few hundred. kHz would correspond.
Intermittent earth faults, on the other hand, generate an oscillation of a few kFIz, depending on the size of the network and the inductances connected to it. The increase in voltage in the case of jumping waves of atmospheric origin is therefore about 10 to 100 times faster.
By measuring the constructive variables influencing the shock factor according to the invention, for example control capacitances and resistances, it can therefore be achieved that the shock factor for earth fault oscillations is still high, ie. H. is close to 1, while it is much lower for overvoltages of atmospheric origin.
According to the invention, the above parameters are dimensioned so that the frequency that belongs to the end point T1 'of the shock factor frequency curve is above the frequency range of the natural vibrations of the system, but below the frequency range of vibrations whose forehead duration is more atmospheric Corresponds to over voltages. Curve 1 in Fig. 3 shows as an example the course of the shock factor K of an arrester according to the invention.
The curve clearly shows that up to frequencies f, which are above the highest possible frequency of the earth fault oscillations ES, the impact factor runs in the vicinity of 1, then drops sharply and is significantly lower in the area of atmospheric overvoltages AC.
Fig. 1 and 2 show two examples of a multiple spark gap according to the invention, namely in Fig.l left every second partial spark gap is characterized by an additional capacitance, while in Fig. 2 every third partial spark gap is provided with additional capacitance.
Using the equivalent scheme in Fig. 1 on the right, the impact factor can be calculated for the first example as follows: The partial voltages U, and Uz behave like the associated impedances, i.e. H.
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where C, the self-capacitance of the spark gap, C, the self-capacitance together with the additional capacitance connected in parallel. Of the.
Flashover starts as soon as in Fig. 1 U, equal to the flashover voltage Us, the part will spark gap, @d. i.e. <I> U, - </I> Us. The total voltage at the arrester is for n pairs of sections
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Furthermore, since at f = 50 Hertz there should be a practically linear voltage distribution, Ui ^ 'U2, d.b.
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the impact factor for a spark gap consisting of n terms with C,
and there are n terms with C.2
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Example: The arrester consists, for example, of partial spark gaps with 5 picofarads (= 5 X 10-12 farads) self-capacitance. An additional capacitance of 45 pF is connected in parallel every second partial spark gap.
The size of the resistors R is 0.5 megohms, so: R - 5. 105 ohms Cl = 5. 10-12 farads C ;, = 50. 10-12 Farad In normal operation, f <I> = </I> 50 Hertz, w <I> = </I> 2n <I> f = </I> 100n
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d. H. the stress distribution at 50 Hertz is practically linear.
The values of the shock factor are then: at 50 I3ertz, (o = 100 n g = 1 at 5000 Hertz, c, = n .104
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In the case of an arrester according to Fig. 2, in which the number of links with. C, and C, have a ratio of 2: 1, results in an analogous calculation at 50 Hertz:
K = 1 at 5,000 I3ertz: K = 0.93 at 500,000 Hertz: K = 0.7 The shock factor frequency curve of an arrester can be determined by tests in the laboratory.
The natural frequencies of the networks in question can be determined through tests or calculations.
The frequency range that corresponds to atmospheric overvoltages is determined by empirical values.