Überspannungsableiter. Das Hauptpatent bezieht sich auf einen Überspannungsäbleiter mit spannungsabhän gigem Widerstand und einer Löschfunken- streckenanordnung für erhöhtes Ableitvermö- gen und insbesondere für höhere Betriebs spannungen. Dabei enthält die Löschfunken- streckenanordnung eine Mehrzahl in Reihe geschalteter Löschrohre mit selbsterzeugtem Druckgas, von denen jedes nur für einen Bruchteil der Betriebsspannung des zu schüt zenden Anlageteils bemessen ist.
Vorzugs weise werden noch zusätzliche Mittel zur Po tentialsteuerung mindestens zwischen den als Löschrohren ausgebildeten Teilen der Lösch- funkenstreckenanordnung vorgesehen, um zu erreichen, dass die Löschrohre bei Betriebsfre quenz etwa gleiche Spannungsanteile, bei den für einen Spannungsstoss massgebenden hohen Frequenzen jedoch möglichst stark verschie dene Spannungsanteile erhalten. Den Lösch- rohren können zu diesem Zweck Wechsel stromwiderstände parallel geschaltet werden, die aus Schirmen, Steuerflächen oder Steuer- ringen in Verbindung mit Ohmschen Wider ständen bestehen.
Durch die Potentialsteuerung zwischen den Löschrohren wird bewirkt, dass die Lösch- rohre bei einer auftreffenden Überspannungs- welle kurz nacheinander ansprechen.
Dadurch kann bei n in Reihe geschalteten Löschrohren die gesamte Ansprechverzögerung des Ab leiters n-mal grösser werden als die Ansprech- v erzögerung eines Löschrohres allein. Man hat daher ein Interesse, mit möglichst wenig in Reihe geschalteten Löschrohren auszukom men. Anderseits wächst der Aufwand für die zusätzlichen Mittel zur Potentialsteuerung beträchtlich mit abnehmender Anzahl der Löschrohre.
Dabei ist insbesondere zu berück sichtigen, dass die Abmessungen für zusätz liche Steuerflächen und -ringe gewissen Be schränkungen unterliegen und nicht beliebig gross gewählt werden können. An sich gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, diese beiden sich widersprechenden Forderungen wenig stens näherungsweise zu erfüllen. Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die wirtschaftlichste Lösung dieser Aufgabe anzugeben, bei welcher also zum Beispiel für einen vorgegebenen Aufwand an Steuerele menten die jeweils mögliche minimale An sprechverzögerung des gesamten Ableiters er halten wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass bei einem Überspannungsableiter nach dem Patentanspruch und Unteranspruch 1 des Hauptpatentes die Anzahl 7a der in Reihe ge schalteten Löschrohre gleich dem nächst höheren ganzzahligen Wert des Ausdruckes
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ist, in welchem v den Faktor angibt, um den die gewünschte Stossansprechspan- nung des gesamten Ableiters höher ist als die Betriebsspannung des zu schützenden An lageteils.
Die Grösse b ist für eine vorgesehene Bauart eine Löschrohrkonstante und gibt den Faktor an, um den die Stossüberschlagsspan- nung jedes der Löschrohre grösser ist als seine Löschspannung bei Betriebsfrequenz. Schliess lich gibt a den minimalen Spannungsanteil an der gesamten Stossansprechspannung des Ab leiters an, den jedes der Löschrohre kurz vor seinem Ansprechen infolge der frequenza.b- hängigen Potentialsteuerung erhält. Dabei steht die Grösse a in unmittelbarer Beziehung zum Aufwand an zusätzlichen Mitteln, die für die Potentialsteuerung zur Anwendung kommen.
Die Erfindung -wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es sei beispielsweise eine Freileitung mit einer Betriebsspannung von 220 kV effektiv gegeben. Die Ansprechspannung des Über spannungsableiters soll beispielsweise nach fünf Mikrosekunden für .Stossspannungen, -wie sie einer auftretenden Überspannungswelle entsprechen, den höchstzulässigen Spitzen wert von 700 kV besitzen.
Die Grösse v ist demnach
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Die Grösse b hängt von der Bauart der Löschrohre und insbesondere von den Eigenschaften des gasabgebenden Stoffes ab. Je mehr Gas die Löschrohrwan- dung abgeben kann, um so kürzer kann das Löschrohr ausgeführt werden, und die Grösse b wird dementsprechend geringer. Der rezi proke Wert der Grösse b kann als Gütemass der verwendeten Löschrohre dienen.
Für Löschrohre der üblichen Bauart, bei denen vor allem die Anzahl der möglichen Abschal tungen hoch sein soll, hat die Grösse @ b einen Wert von etwa 7,0 für eine Ansprechverzöge- rung von einer Mikrosekunde. Beträgt also beispielsweise die Löschspannung eines Roh res, bei Betriebsfrequenz, 20 kV effektiv bei den in Frage kommenden abzuschaltenden Strömen, so ist seine Stossansprechspannung nach einer Mikrosekunde 20 . 7 =140 kV Scheitelwert.
Die Grösse a kann als Gütemass für die verwendete Potentialsteuerung angesehen werden, da sie den Spannungsanteil an der gesamten Stossansprechspannung des Ablei ters angibt, den ein beliebiges der Löschrohre mindestens besitzen soll. Die Grösse a kann daher allgemein Werte zwischen 0 und 1 ha ben.
Ist beispielsweise die Ansprechspannung eines Ableiters 500 kV und erhält hierbei das zuerst zündende Löschrohr infolge der Po tentialsteuerung kurz vor seinem Ansprechen 800 kV, so ist die Grösse
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Den geringsten Aufwand an zusätzlichen Steuer elementen erhält man nur dann, wenn nicht nur das zuerst zündende Löschrohr den An teil a an der Gesamtspannung, sondern auch alle andern nacheinander zündenden Lösch- rohre genau denselben Anteil a erhalten. Es hat keinen Wert, beispielsweise dem zweiten Löschrohr einen höheren Anteil a an der Ge samtspannung zu geben, als dem ersten Lösch rohr.
Eine Ausnahme hiervon bildet nur das zuletzt zündende Löschrohr. Da der Span nungsabfall an den bereits gezündeten Lösch rohren praktisch vernaehlässigt werden darf, erhält das zuletzt zündende Löschrohr die volle auf den Überspannungsableiter auftref fende Überspannung. Für das zuletzt zün dende Löschrohr ist also a praktisch stets gleich 1.
Zur Verwirklichung einer Potential steuerung mit diesen Anforderungen werden am besten die Leitwerte c", der den ersten m Löschrohren parallel geschalteten Wechsel- stromwiderstände bei den für einen Span nungsstoss massgebenden hohen Frequenzen, die etwa zwischen 10' und 10' liegen, wenig stens näherungsweise nach den Formeln cm = cl . (1- a)-(m-1) bemessen.
Der dem zuletzt zündenden, das heisst dem (m+1) - raten LöSChrohr parallel liegende Leitwert en muss dann hingegen wenigstens näherungs- weise nach der Formel cn <I>= a .</I> cl <I>.</I> (1-a)-(n-1) bemessen werden. Dabei bedeutet e, den Leit- @vert, welcher dem zuerst zündenden Lösch- rohr parallel liegt.
Die Zahl m bedeutet den laufenden Index der Löschrohre; sie durch läuft alle ganzzahligen Werte von 1 bis (n -1), wenn n die Gesamtzahl der Lösch- rohre angibt. Für n = 4 Löschrohre erhält man also für die vier Leitwerte, die den Löschrohren parallel liegen: e, - e, . (1- a) o; c3 = c, .
(1- a)-2 c2=cI # (1-a)-1; c4=cI. <I>a.</I> (1-a)-3. Setzt man; um ein zahlenmässiges Beispiel anzugeben, den Leitwert von cl =1 und nimmt man a==0,60, so erhält man die folgenden Leitwerte: cl =1,0; C2==2,5; c; =<B>6,25;</B> c4 = 9,375. Diese Formeln geben eindeutige Werte für a ?_ 0,5.
Ist a = 0,5, dann wird ersichtlich der Leitwert e" gleich gross wie derjenige von c("_," das heisst die beiden zugeordneten Löschrohre würden bei genau gleichen Löschrohrkonstanten gleich zeitig ansprechen.
Für Werte von a < 0,5 wird der Leitwert e" kleiner als derjenige von c("_1) und immer dann, wenn en gleich gross wird wie einer der Leitwerte en-2, en-3 usw., l eicht der zur Verfügung stehende Anteil a an den betreffenden beiden Löschrohren nicht mehr aus, um beide gleichzeitig zu zünden, und der Ableiter würde dann bei der vorge schriebenen Ansprechspannung nicht mehr ansprechen. Die angegebenen Bemessungs regeln für die den Löschrohren parallel lie genden Leitwerte führen daher mit Sicherheit nur zum Ziel, wenn a :_ 0,5 gewählt wird.
Natürlich lassen sich auchWertevon a < 0,50 angeben, wo alle Leitwerte verschieden -aus fallen; da aber angestrebt wird, mit einer Minimalzahl von Löschrohren auszukommen und Werte von a < 0,50 stets eine höhere An zahl Löschrohre erfordern als dies für a?: 0,5 der Fall ist, bildet die Beschränkung auf Werte von a ? 0,50 keinen Nachteil.
Die Potentialsteuerung bei den für einen Spannungsstoss massgebenden hohen Frequen zen legt man am einfachsten durch den Lösch- rohren parallel geschaltete Kapazitäten fest, deren Grösse proportional den angegebenen Leitwerten ist. Mittels auf den Löschrohren aussen angebrachter Widerstandsbelägen glei chen Ohmschen Widerstandes kann man die Spannungsverteilung bei Betriebsfrequenz be stimmen, und zwar derart, dass alle Lösch- rohre gleiche Spannungsanteile erhalten.
Da bei sind diese Ohmschen Widerstände so hoch zu nehmen, dass bei den für einen Spannungs stoss massgebenden hohen Frequenzen ihr Leit wert gegenüber dem Leitwert der zu ihnen parallel liegenden Kapazitäten genügend klein ist. Einen geometrisch einfachen und über sichtlichen Aufbau erhält man, wenn die Ka pazitäten in der Reihenfolge ihrer Grösse hin tereinander geschaltet sind und als Kapazi tätsbeläge mit den Löschrohrelektroden ver bundene, etwa kreisförmige Steuerschirme dienen. Für n Löschrohre sind dann nur (vt + 1) Steuerschirme notwendig, da die mittleren Steuerschirme gleichzeitig je zwei Kapazitäten zugeordnet sind.
Die Durch messer der n ersten Steuerschirme verhalten sich bei gleichen Löschrohrlängen wie die Wurzeln aus den oben angegebenen Leitwer ten, während der letzte, das heisst der (n +1)ste Steuerschirm ungefähr denselben Durchmesser wie der nie Steuerschirm erhält. Ist beispielsweise mit Rücksicht auf die Abmessungen der Steuerschirme nur ein Wert von a = 0,60 zulässig bei einem Ab leiter mit v = 3,18 und<I>b = 7,0,</I> so wird die Anzahl der Löschrohre
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Da nur ganzzahlige Werte in Frage kommen, ist der nächst höhere ganzzahlige Wert ein zusetzen und man erhält n = 4.
In Reihe mit den Löschrohren wird noch ein spannungsabhängiger Widerstand gelegt. Derselbe wird insbesondere bei einer grösseren Anzahl Löschrohre und bei hohen Betriebs spannungen des zu schützenden Anlageteils nur für einen Bruchteil der Betriebsspannung bemessen. Sein Zweck ist hierbei nicht mehr die Begrenzung der Überspannungen, sondern um beim Abschalten des nachfliessenden Be triebsstromes Rückzündungen des Ableiters zu verhindern, indem er in den abzuschalten den Stromkreis einen genügend hohen Wider stand vor dem Stromnulldurchgang ein schaltet.