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Für elektrische Kraftübertragungsanlagen bestimmter Ventilableiter mit spannungsabhängigen Widerständen und Funkenstrecken Die Erfindung bezieht sich auf Ventilableiter für elektrische Kraftübertragungsanlagen. Sie hat die Aufgabe, den Stossfaktor bei solchen Ableitern zu verbessern.
Der Ventilableiter enthält in der Regel spannungsabhängige Ableiterwiderstände sowie eine oder mehrere Funkenstrecken. Die Funkenstrecken werden zwischen Elektroden, die oft die Form von runden Elektrodenplatten haben, gebildet. Die Elektroden sind durch mehrere Distanzstücke voneinander getrennt. Eine Anzahl Elektroden ist vorteilhaft zu einem Funkenstreckenstapel zusammengesetzt. Die Distanzstücke werden aus hochohmigem Material hergestellt und sind dazu bestimmt, eine Wi- derstandssteueranordnung für den Funkenstreckenstapel zu bilden.
Es ist sehr wünschenswert, dass die Potentialsteuerung im Ventilableiter so ausgeführt wird, dass eine gleichmässige Verteilung in bezug auf die Spannungsbeanspruchungen, die von der Leitungsspannung an den Funkenstrecken hervorgerufen werden, erzielt wird. Besonders die Beanspruchungen, die von der Leitungsspannung unter normalen stabilen Betriebsverhältnissen erzeugt werden, und die Beanspruchungen, die von Ausgleichsvorgängen herrühren, z. B. von der von dem aufhörenden Folgestrom erzeugten Rückkehrspannung, müssen gleichmässig verteilt sein, um die Ansprechspannung des Ableiters bei Wechselstrom zu erhöhen.
Um die Zündung der Funkenstrecken bei Beanspruchungen, die von atmosphärischen überspannungen herrühren, zu erleichtern, und um zu verhindern, dass unzulässig hohe Stossspannungen im Kraftübertragungsnetz entstehen, ist jedoch die entgegengesetzte Wirkungsweise erwünscht.
Gemäss der Erfindung wird diese Wirkungsweise dadurch erzielt, dass zwischen den Elektroden im Ventilableiter der genannten Art Körper aus hoch- ohmigemWiderstandsmaterial angeordnet sind, welche eine Widerstands-Potentialsteueranordnung für die Funkenstrecken bilden, und dass zwischen wenigstens einem Paar, aber nicht allen Paaren aufeinanderfolgender Elektroden ein Körper aus hochdielek- trischem Material angeordnet ist, der zusammen mit den Elektroden eine solche Kapazität bildet, dass bei eintreffenden Stossüberspannungen die Spannung zwischen den mit einer Kapazität parallel geschalteten Elektroden niedriger ist als die Spannung zwischen den andern Elektroden.
Bei Anwendung hochdielektrischen Materials mit einer Dielektrizitäts- konstante beispielsweise in der Grössenordnung von 1000 erhält man eine Kapazität zwischen den Elektroden von solcher Grösse, dass sich die Streukapazitäten, die von der Eigenkapazität der Elektroden und von den dielektrischen Eigenschaften der Widerstandskörper herrühren, nicht geltend machen können. Die hochdielektrischen und hochohmigen Körper erhalten zweckmässigerweise die gleichen physikalischen Abmessungen wie die Distanzstücke, so dass sie diese ganz oder teilweise ersetzen können.
Versieht man einen Funkenstreckenstapel, beispielsweise in jedem zweiten aufeymanderfolgenden Elek- trodenpaar, mit hochdielektrischen Distanzstücken, so erhält man eine kapazitive Steuerwirkung, welche die Ansprechstossspannung des Ableiters wesentlich herabsetzt, wogegen die Ohmsche Spannungsverteilung sehr wenig beeinflusst wird, so dass diese in bezug auf Beanspruchungen, die von der Leitungsspannung herrühren, wirksam ist.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird nachstehend eine beispielsweise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt des Ventilableiters gemäss der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Funkenstreckenstapel längs der Schnittlinie A -A in Fig. 1. Fig. 3 zeigt eine Ansicht bzw. einen Längsschnitt eines Teils des Funkenstreckenstapels längs der Schnittlinie B -B in Fig. 2. Aus dieser Figur geht der Zusammenhang zwischen den Distanzstücken und den Funkenstreckenelektroden hervor.
Fig. 4 ist ein Schaltbild, das die Impedanzen für die Potentialsteuerung nach der Erfindung zeigt. Gemäss Fig. 1 umfasst der Ableiter 10 ein zylindrisches Porzellangehäuse 11 mit einer Bohrung 12, die die wirksamen Ableiterelemente enthält. Der Ableiter besitzt eine Reihe von spannungsabhängigen Widerstandsblöcken 13 und 14 im obern bzw. untern Teil des Ableiters sowie einen Funkenstreckenstapel 15 und eine Feder 16, welche die Widerstände und den Funkenstreckenstapel miteinander und mit den Endstücken des Gehäuses in Kontakt hält.
Das Gehäuse enthält zwei metallische Endplatten 17 und 18, die als Montagestützen für den Ableiter und als Anschlüsse zur Verbindung des Ableiters mit der Kraftleitung oder mit einem andern vom Ableiter zu schützenden äussern Stromkreis dienen.
Die Widerstandsblöcke 13 und 14, die hauptsächlich aus Siliziumkarbid oder einem ähnlichen Stoff bestehen, sind mit dem Funkenstreckenstapel 15 in Reihe geschaltet. Eine (nicht dargestellte) Metallplatte am untern Ende des untersten der Widerstandsblöcke 14 steht in Verbindung mit einem mit der Endplatte 18 verbundenen Organ. Die unterste Elektrode des Funkenstreckenstapels 15 steht mit einem ringförmigen Glied 19 mit einer an den untern Widerstandsblöcken 14 aufliegenden Platte 20 in Verbindung. Eine mit den obern Widerstandsblöcken 13 in Kontakt stehende weitere Platte 21 mit einem Organ 22 ist mit einer Feder 16 und eine Platte 23 ist mit einer Feder 24 verbunden.
Die Feder 24 trägt eine federnde Platte 25, die sich mit der Endplatte 17 in Eingriff befindet. Die Feder 16 trägt eine Platte 26, die das ringförmige Glied 26a gegen die oberste Elektronenplatte des Funkenstreckenstapels 15 drückt, und hält den notwendigen elektrischen Kontakt zwischen den verschiedenen Widerstandsblöcken, den Teilen des Funkenstreckenstapels und den Endplatten aufrecht. Der Feder 16 ist ein Leiter 27 parallel geschaltet.
Der Funkenstreckenstapel 15 enthält eine Reihe von Elektronenplatten 30, die durch eine keramische Stange 31, welche sich in der Längsrichtung durch die Elektronenplatten erstreckt, zentriert werden. Die Elektronenplatten werden durch Distanzstücke 32, die um die Stange 31 herum angeordnet sind, in gewünschtem Abstand voneinander gehalten.
Wie aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, besteht jede Elektronenplatte 30 aus einer runden Scheibe aus hartem Messing, die mit einer Anzahl Einpressungen versehen ist. Die Einpressungen erstrecken sich abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen. So sind die Einpressungen 34, 35 und 36 an der Elektrodenplatte 30 aufwärts gerichtet, wogegen die Einpressungen 37, 38 und 39 nach unten gerichtet sind.
Die konvexen Flächen der Einpressungen bilden die Fusspunkte für die Lichtbögen. So bilden z. B. die konvexen Flächen der in Fig. 2 gezeigten Einpressungen 34, 35 und 36 zusammen mit gegenüberliegenden Einpressungen einer angrenzenden Elektrode je eine Funkenstrecke. Der konkave Teil der Einpressungen dient dagegen als Sitz für je eines der Distanzstücke 32. Gemäss Fig. 2 bilden z. B. die Einpressungen 37, 38 und 39 Sitze für die Distanzstücke 40, 41 und 42.
Der in der Fig. 3 dargestellte Teil des Funkenstreckenstapels 15 enthält die Elektrodenplatten 43, 44, 45, 46, 47, 48 und 49. Wie aus der Figur hervorgeht, bilden je zwei Elektrodenplatten eine Funkenstrecke, und jede Elektrodenplatte ist ein Teil zweier angrenzender Funkenstrecken. So bildet z. B. die Elektrodenplatte 44 zusammen mit der Elektrodenplatte 43 eine Funkenstrecke und zusammen mit der Elektrodenplatte 45 eine andere Funkenstrecke.
Die verschiedenen Distanzstücke sind abwechselnd auf der einen oder der andern Seite jeder Elektronenplatte in übereinstimmung mit der Lage der Einpressungen um die Stange 31 herum angeordnet. Die Anordnung ist so gewählt, dass jede Einpressung auf der einen Seite einer Elektronenplatte als Sitz für ein Distanzstück und auf der entgegengesetzten Seite als Teil einer Funkenstrecke dient, so dass der Funkenstreckenstapel mit den Distanzstücken sechs Säulen bildet, in denen die Distanzstücke und die Funkenstrecken abwechseln. Zum Beispiel die Einpressungen in den Elektronenplatten 43-49 bilden die Funkenstrecken 50, 51 und 52 und halten die Distanzstücke 53, 54 und 55 in richtiger Lage.
In gleicher Weise bilden andere Einpressungen in den Elektronenplatten 43-49 die Funkenstrecken 56, 57 und 58 und zugleich Sitze für die Distanzstücke 59, 60 und 61. Hieraus geht hervor, dass jede Funkenstreckeneinheit drei Funkenstrecken und drei Distanzstücke enthält.
Wenigstens eines der Distanzstücke 32 in jeder Funkenstreckeneinheit ist aus hochohmigem Material, z. B. Kohle, hergestellt und wirkt als Steuerwiderstand für diese Funkenstreckeneinheit. Die Steuerwiderstände bilden eine Widerstandssteueranordnung für die verschiedenen Einheiten im Fun- kenstreckenstapel 15 und wirken mit den Widerständen in den Widerstandsblöcken zusammen, um eine Widerstandssteuerung über den verschiedenen Elementen des Ableiters zu erreichen. Bei einer Ausführungsform gemäss der Erfindung bestehen zwei Distanzstücke je Funkenstreckeneinheit aus Widerstandsmaterial.
In Übereinstimmung mit der Erfindungsidee ist wenigstens eines der Distanzstücke in jeder zweiten Funkenstreckeneinheit aus Material mit sehr hoher
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Dielektrizitätskonstante gefertigt, wogegen die entsprechenden Distanzstücke in den zwischenliegenden Funkenstreckeneinheiten aus Material mit verhältnismässig niedriger Dielektrizitätskonstante hergestellt sind. Die Distanzstücke 59, 60 und 61 sind demnach aus hochdielektrischem Material gefertigt, während die Distanzstücke 53, 54 und 55 aus Porzellan bestehen. Die gegenseitige Anordnung der verschiedenen Arten von Distanzstücken ist nicht von Bedeutung.
Die dielektrischen Distanzstücke 59-61 und die Distanzstücke 53-55 sind nur der einfachen Darstellung halber in der Zeichnung auf entgegengesetzten Seiten der Stange 31 dargestellt.
Die Distanzstücke 59-61 bestehen aus einem Material mit sehr hoher Dielektrizitätskonstante, z. B. in der Grössenordnung von 1200. Eine derart hohe Dielektrizitätskonstante besitzt z. B. ein keramischer Stoff, der Bariumtitanat und Magnesium- zirkonat enthält. Materialien mit so hoher Dielektri- zitätskonstante sind aus der ferroelektrischen Materialtechnik bekannt und können verschiedene Zusammensetzungen haben. Die wichtigste von diesen enthält Bariumtitanat, entweder allein oder zusammen mit einigen Prozenten Magnesiumzirkonat, Blei oder Kalziumtitanat.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung derartiger Materialien beschränkt, sondern kann unter Anwendung all jener dielektrischen Stoffe verwirklicht werden, die eine zweckmässige mechanische Festigkeit und eine solche Dielektrizitäts- konstante haben, dass die von den dielektrischen Distanzstücken gebildete Kapazität zwischen den Fun- kenstreckenelektroden, um ein Mehrfaches grösser ist als die Eigenkapazität der Elektrodenplatten und die Kapazität der Distanzstücke aus hochohmigem Material.
Demnach können die Distanzstücke aus Titandioxyd hergestellt werden, das eine Dielektrizi- tätskonstante in der Grössenordnung von 80 besitzt.
Ein wichtiges Kriterium für die Wirkungsweise der Anordnung ist die Frequenz, bei der die kapa- zitive Steuerung zur Erzeugung ungleicher Spannungsbeanspruchungen im Funkenstreckenstapel hauptsächlich wirksam ist. Mit den genannten keramischen Distanzstücken, die eine Dielektrizitäts- konstante in der Grössenordnung von 1000 besitzen, wird die kapazitive Steuerung bei Frequenzen wirksam, die 5000 Hz überschreiten, das heisst bei Frequenzen, die höher sind als jene, die im wesentlichen bei Ausgleichsvorgängen im Kraftübertragungssystem vorkommen.
Die Distanzstücke 53-55 können aus Porzellankörpern oder Körpern ähnlichen Materials mit verhältnismässig niedriger Dielektrizitätskonstante von beispielsweise 6-8 bestehen. Diese Distanzstücke stellen in erster Linie den mechanischen Aufbau des Funkenstreckenstapels sicher.
Die Wirkungsweise des Ableiters gemäss der Erfindung wird am besten unter Hinweis auf die Fig. 4 beschrieben. Diese Figur zeigt ein Schaltbild zweier aufeinanderfolgender Funkenstreckeneinheiten, z. B. der aus den Elektrodenplatten 43, 44 und 45 (Fig. 3) gebildeten Einheiten. Der obere Teil des Schaltbildes, der mit 65 bezeichnet ist, stellt eine Funkenstreckeneinheit dar, die ein Distanzstück aus Porzellan besitzt, z. B. die von den Elektrodenplatten 43 und 44 gebildete Einheit. Diese Einheit enthält daher nur Steuerwiderstände 66 und 67 und die Funkenstrecke 68, da die Wirkung der Eigenkapazität der Elektrodenplatten und der Kapazität der Distanzstücke vernachlässigt werden kann.
Der untere, mit 69 bezeichnete Teil des Schaltbildes stellt eine Funkenstreckeneinheit dar, die aus zwei Elektrodenplatten, z. B. 44 und 45, zwischen denen sich ein hochdielektrisches Distanzstück befindet, gebildet wird. Dieser Teil enthält Steuerwiderstände 70 und 71, eine Kapazität 72 und die Funkenstrecke 73. Bei niedriger Frequenz, z. B. der Frequenz der Kraftleitung, ist die Impedanz der Kapazität 72 hinreichend hoch verglichen mit der Impedanz der Steuerwiderstände, so dass die Steuerwiderstände die Spannungsverteilung zwischen den Funkenstrecken 68 und 73 bestimmen. Hierdurch werden die Spannungen über diesen Funkenstrecken im wesentlichen gleich. Wegen der gleichmässigen Spannungsverteilung hat keine der Funkenstrecken die Tendenz, vor den andern zu zünden.
Daher spricht der Ableiter bei einer verhältnismässig hohen Leitungsspannung an. Da die Impedanz der Kapazität 72 bei Frequenzen bis zu ungefähr 5000 Hz, verglichen mit dem Widerstand der Steuerwiderstände, noch verhältnismässig hoch ist, überwiegt die Ohmsche Wi- derstandssteuerwirkung, und der Ableiter ist in bezug auf Ausgleichsvorgänge in der Leitung, welche entstehen, wenn der Folgestrom nach der Entladung aufhört, unempfindlich.
Gegenüber dem Ableiter zugeführten Stossspannungen, die eine sehr steile Wellenfront haben, z. B. gegenüber solchen, die von atmosphärischen über- spannungen herrühren, weist die Kapazität 72 eine verhältnismässig niedrige Impedanz auf, so dass dieselbe eine wirksame Parallelschaltung über der Funkenstrecke 73 bildet. Hierdurch tritt der grösste Teil der Spannung an der Funkenstrecke 68 auf. Sobald die Funkenstrecke 68 zündet, entlädt sich der Kondensator 72 teilweise. Dies hat zur Folge, dass die Spannung an der Funkenstrecke 73 kräftig steigt, wodurch die Funkenstrecke 73 zündet und die Stossspannung zur Erde ableitet.
Wegen den verschiedenartigen Frequenzcharakteristiken der Funkenstrecken, die eine Kapazität 72 enthalten, zündet der Ableiter sehr leicht bei Stossüberspannungen mit steiler Front. Hierdurch erzielt man eine gute Schutzwirkung für die Kraftleitung oder den Stromkreis, an die bzw. an den der Ableiter angeschlossen ist.
Natürlich brauchen die Widerstände 66 und 70, 67 und 71 nicht unbedingt eine lineare Spannungs- charakteristik zu besitzen. Einer der Kreise 65 und 69 oder beide Kreise können statt dessen mit spannungsabhängigen Widerständen versehen wer-
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den. Der Funkenstreckenstapel 15 enthält zweckmässig Mittel zur Vorionisierung in Gestalt der Spitzen 75, die gegen die Stange 31 anliegen. Diese Ionisierungsanordnungen sind jedoch nicht wesentlich zur Ausübung der vorliegenden Erfindung.