Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen.
Einer der wesentlichsten Faktoren, die hohe Betriebszuverlässigkeit der elektrischen Anlagen gewähren, ist die Arbeitsstabilität bei elektrischer Einwirkung auf diese seitens des Wechsel- bzw. Gleichstromspeisenetzes.
Ein solcher Faktor ist z. B. der für die Isolation gefahrlose Maximalwert der einwirkenden Spannung, der theoretisch oder experimentell ermittelt wird. Von diesem Standpunkt aus muss die elektrische Festigkeit der Isolation industrieller Anlagen in Übereinstimmung mit der maximalen einwirkenden Spannung gebracht werden. Das Mass dieser Übereinstimmung wird in jedem Falle durch die technisch ökonomischen Rücksichten und die Wahrscheinlichkeit der Auftretung einer maximalen Überspannung bestimmt.
Bei den bestehenden industriellen Anlagen wird wegen der geringen Häufigkeit maximaler Überspannungen normalerweise die elektrische Festigkeit nicht für diese Maximalwerte ausgelegt, sondern wird für wesentlich geringere Werte gewählt. Zur Verhinderung eines Durchschlages bei der Einwirkung von Überspannungen, die gefährlich für die Isolation mit der gewählten elektrischen Festigkeit der elektrotechnischen Anlagen sind, werden Überspannungsschutzanordnungen verschiedener Wirkungsweise benutzt, die gewöhnlich parallel zu dem zu schützenden Objekt geschaltet werden.
Die Arbeitsweise der bekannten Überspannungsschutzgeräte beruht darauf, dass sie beim Erreichen durch die einwirkende Uberspannung eines für die zu schützenden Anlagen gefährlichen Wertes ansprechen (siehe beispielsweise britische Patentschrift Nr. 795 307, Kl. 39 (1) d; US-Patentschriften Nr. 611 108, Kl. 315-36; Nr.2818527, Kl.315-36; Nr.
2492850, Kl. 315-181: Nr. 2659839, Kl. 315-150; Nr.
2611107. Kl. 315-36; BRD-Patentschriften Nr. 754646 und Nr. 1 056716, Kl. 21c, Gr. 72; UdSSR-Urheberscheine Nr.
154 921. Kl. 21c, Gr. 72, Nr. 130 571, Kl. 21d, Gr. 2).
Die in der UdSSR und im Ausland hergestellten Überspannungsschutzanordnungen werden in Wechsel- und Gleichstromnetzen sowie in Einrichtungen zum Schutz von elektrischen Anlagen gegen Blitz- und Schaltüberspannungen betrieben.
Bei der Analyse der während des Betriebes dieser Schutzanordnungen gewonnenen Erfahrungen kann man zum Schluss kommen, dass ein schwer lösbarer Widerspruch in den an diesen gestellten Forderungen besteht.
Einerseits ist es aus technisch-ökonomischen Rücksichten erwünscht, dass die Reserve der Isolationsfestigkeit der elektrotechnischen Anlagen, die durch die obere Ansprechgrenze der Überspannungsschutzanordnung bestimmt wird, minimal ist, während andererseits die untere Ansprechgrenze der Überspannungsschutzanordnung hierbei die zuverlässige Arbeit der elektrotechnischen Anlagen sichern soll, ohne eine Überschreitung der zulässigen Ansprechhäufigkeit der Uberspannungsschutzanordnung hervorzurufen.
Diese Verhältnisse werden noch dadurch erschwert, dass die Überspannungsanordnungen selbst, die letzten Endes eine Kombination von Funkenstrecken darstellen, die Einführung von schwer kalkulierbaren Korrekturen erfordern, da deren Ansprechspannungen einen erheblichen Streuungsbereich haben. der von den Umgebungsbedingungen, der Konstruktion usw. abhängt.
Dies alles führte bei der Projektierung von Überspannungsschutzanordnungen zur wesentlichen Steigerung der Ansprechspannung und der lsolationsfestigkeitsreserve der elektrotechnischen Anlagen.
Aus dem oben Gesagten folgt, dass die zur Zeit im Betrieb befindlichen elektrotechnischen Anlagen unter solchen Bedingungen arbeiten, wo die Festigkeitsreserve deren Isolation äusserst selten ausgenutzt wird. Dies führt zu einem beträchtlichen Aufwand. Deshalb lösten ein grosses praktisches Interesse die Erfolge in der Entwicklung von Halbleiterdioden mit einer Lawinenstromspannungskennlinie bei Sperrspannungen aus, was die Möglichkeit bietet, an ihnen eine bestimmte Menge der ausgeschiedenen Energie zu zerstreuen. So wurde im Krshishanowski-lnstitut für Energetik die Anwendungsmöglichkeit einer Kette gegensinnig geschalteter Lawinendioden als Überspannungsschutzeinrichtung untersucht.
Die Wirkungsweise derartigen Überspannungsschutzes besteht in folgendem. Bei der Einwirkung einer Fremdspannung auf eine Kette gegensinnig geschalteter Lawinendioden wird diese nur an die entgegen der Richtung der einwirkenden Spannung geschalteten Lawinendioden angelegt, da der Spannungsabfall an den gleichsinnig mit der Richtung der einwirkenden Spannung geschalteten Lawinendioden hierbei vernachlässigbar klein ist.
Übersteigt die einwirkende Spannung die Summe der Spannungen, die durch die Sperrstromspannungskennlinien bestimmt werden, so beginnt ein Strom zu fliessen und die sich entwickelte Energie wird hauptsächlich an den Lawinendioden zerstreut, an welchen die Sperrspannung anliegt.
Die zulässige Dauerend-Grösse des dabei fliessenden Stromes sind durch die zulässige Energiemenge beschränkt, welche einen der wesentlichsten Kennwerte von diesem Typ der Lawinendioden darstellt.
Die Wirkung dieses Schutzes besteht darin, dass im Laufe der Einwirkung der Überspannung die Spannung an den gegensinnig geschalteten Lawinendioden in beiden Richtungen die Summe der Spannungen der entgegen der einwirkenden Spannung geschalteten Lawinendioden nicht übersteigt. Dadurch wird die Höhe der auf das zu schützende Objekt einwirkenden Spannungen reduziert.
Diese Angaben sind in den wissenschaftlichen Berichten des Krshishanowski-lnstitutes für Energetik für die Jahre
1964-1956 enthalten.
Von den Firmen AEG, SIEMENS, BBC (siehe BBM, 1969, 56, Nr. 2 Thyristorstromrichter für 100 kV Brückengleichspannung) wurde zum Schutz von Hochspannungs-Thyristorstromrichtern gegen Schaltüberspannungen eine aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden bestehende Schutzeinrichtung verwendet.
Durch die gegensinnige Reihenschaltung der Lawinendioden wird an dem zu schützenden Stromrichter eine Senkung der einwirkenden Schaltüberspannungen positiver und negativer Polarität erreicht, deren maximale Grösse durch die Summe der Sperrspannungen der in Reihe geschalteten Lawinendioden begrenzt wird.
ledoch kann diese Schutzeinrichtung bei einigen energiereichen Überspannungen selbst ausfallen.
Die theoretische und experimentelle Untersuchung der elektromagnetischen Vorgänge in elektrotechnischen Anlagen bei Einschwingvorgängen und beim Auftreten von Überspannungen gestattete es, einen anderen Weg in der Entwick lung von Überspannungsschutzgeräten einzuschlagen.
Es handelt sich darum, dass man die auf die elektrotechni schen Anlagen bei einem Einschwingvorgang einwirkenden
Schaltüberspannungen nicht nur nach der Amplitude differen zieren kann, wie dies früher der Fall war, sondern auch vom energetischen Gesichtspunkt aus. So entstehen beispiels weise beim Netzanschluss von elektrotechnischen Anlagen bzw. beim Schalten von Ventilen in Hochspannungsstrom richtern hochfrequente Schwingungen (105...106 Hz), deren
Amplitude selbst beim Vorhandensein von Dämpfungsketten beträchtliche Werte erreichen kann, während ihre Energie nicht gross ist. Deshalb ist es möglich, unter Zuhilfenahme von beispielsweise Lawinendioden die Amplitude solcher Überspannungen zu begrenzen und deren Energie zu zerstreuen.
Bei derartigem Schutz kann man die Isolationsfestigkeitsreserve bei Hochspannungsanlagen beträchtlich herabsetzen, da bei beliebigen Einschwingvorgängen die auf diese einwirkende Spannung die an die Lawinendioden angelegte Spannung nicht übersteigt.
Neben den erwähnten hochfrequenten Schwingungen kommen jedoch bei Einschwingvorgängen auch mittelfrequente (IOL.. 104 Hz) und niederfrequente (102...103 Hz) Schwingungen vor, deren Energie die zulässige Streuungsenergie der zur Anwendung gelangenden Begrenzer übersteigen kann.
Die Erfindung bezweckt die gemeinsame Anwendung von Lawinendioden und Funkenstrecken zum Schutz von elektrischen Anlagen gegen Schaltüberspannungen und andere Überspannungsarten.
Der Erfindung liegt der Schutz von elektrischen Anlagen gegen einwirkende Spannungen im Frequenzbereich 102-106 Hz zugrunde, bei dem die auf die Isolation der elektrischen Anlagen einwirkenden Überspannungen herabgesetzt werden, ohne dass hierbei die Schutzeinrichtungen selbst beschädigt werden.
Die Erfassung der entstehenden Überspannungen bei Einschwingvorgängen gestattet es, in vielen Fällen die Abmessungen und die Kosten der zu schützenden Objekte beträchtlich zu senken, ohne hierbei die Ansprechhäufigkeit der Funkenstrecken zu erhöhen.
Das oben dargelegte wurde insbesondere bei der Entwicklung der Uberspannungsschutzanordnungen zum Schutz der Hochspannungs-Thyristoreinheiten der Gleichstromübertragungsleitung Kaschira-Moskau benutzt.
Die entwickelten und hergestellten Überspannungsschutzanordnungen bestanden eine Reihe von Typen- und Betriebsprüfungen, wobei sie die Richtigkeit der oben dargelegten Lö sungen voll bestätigten. Die Anwendung solcher Überspannungsschutzeinrichtungen gestattete es, unter den Bedingungen der erwähnten Übertragungsleitung um 250/0 die auf die elektrische Anlage einwirkende Spannung mit allen sich aus diesem ergebenden Folgen hinsichtlich der Masse und Abmessungen zu reduzieren.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen, die zumindest mit einer nicht steuerbaren Funkenstrecke und einer Kette zur Begrenzung der Spannung an der Funkenstrecke, bestehend zumindest aus zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden, ausgeführt ist, gemäss der Erfindung zumindest eine durch einen Stromgeber gesteuerte Funkenstrecke der in Reihe mit mindestens einer erwähnten nichtsteuerbaren Funkenstrecke geschaltet ist, enthält, wobei parallel zu jeder nichtsteuerbaren und steuerbaren Funkenstrecke über ein Trennungselement die erwähnte Kette und parallel zu dieser Kette ein Kondensator geschaltet ist, während in Reihe mit mindestens einer erwähnten Kette, parallel zu welcher die er wähnte steuerbare Funkenstrecke geschaltet ist, der Eingang des Stromgebers,
dessen Ausgang über eine Steuereinheit mit der Zünd- und Arbeitselektrode der erwähnten Funkenstrecke verbunden ist, liegt. Das erwähnte Trennungselement wird vorzugsweise als linearer Widerstand ausgeführt.
Zweckmässigerweise wird in Reihe mit zumindest einer Funkenstrecke ein Fehlerstrombegrenzungselement geschaltet.
Dieses Fehlerstrombegrenzungselement wird vorzugsweise als einspannungsabhängiger Widerstand ausgeführt. Weiterhin ist es zweckmässig, gleichsinnig mit jeder der gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden mindestens erwähnten Kette zumindest eine zusätzliche Lawinendiode vorzuschalten.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beigefügten Figuren beispielsweise näher beschrieben. Jedoch beschränkt sich die Erfindung nicht auf die verwendeten engen Fachbegriffe, wobei zu beachten ist, dass jeder Fachbegriff alle äquivalenten Elemente umfasst, die auf ähnliche Weise arbeiten und zur Lösung der gleichen Aufgaben benutzt werden. So ist unter Stromgeber ein Stromwandler bzw. eine andere Stromgeberausführung zu verstehen. Auch ist zu beachten, dass sich aus der Beschreibung und der Betrachtung der Zeichnungen weitere Ziele und Vorzüge der Erfindung offenbaren.
Es zeigen:
Fig. 1 die elektrische Schaltung der Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen, die aus hintereinander geschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken und einer steuerbaren Funkenstrecke ausgeführt ist;
Fig. 2 die elektrische Schaltung der Überspannungsschutzanordnung gemäss Fig. 1, bei der die Einheiten 2 und 8 detailliert dargestellt sind;
Fig. 3 die elektrische Schaltung der Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen, die aus hintereinander geschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken und zwei steuerbaren Funkenstrecken ausgeführt ist, wobei jedem der gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden zwei zusätzliche Lawinendioden gleichsinnig vorgeschaltet sind.
Die Einrichtung enthält in Reihe geschaltete nichtsteuerbare Funkenstrecken la-2m (Fig. 1), parallel zu welchen über Widerstände 2a-2n je eine Kette aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden 3a-4a; 3b-4b...3n-4n, sowie je ein Kondensator 5a, 5b...5n gelegt ist. In Reihe mit den nichtsteuerbaren Ableitern liegt eine steuerbare Funkenstrecke 6a, wobei parallel zur erwähnten steuerbaren Funkenstrecke eine Kette aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden 3n-4n geschaltet ist, während ihre Zündelektrode 7 mit dem Ausgang der Steuereinheit 8 verbunden ist, an deren Eingang der Ausgang des Stromgebers 9 gelegt ist, dessen Eingang in Reihe mit den Lawinendioden 3a-4a; 3b-4b...3n-4n geschaltet ist.
Die Sekundärwicklung des Stromgebers 9 wird an den Eingang des Stromintegrierorgans 10 der Steuereinheit 8 der Funkenstrecke 6a (Fig. 2) gelegt. Die Überspannungsschutzanordnung wird an die elektrische Anlage über die Klemmen 11'-11" angeschlossen. Das Stromintegrierorgan 10 besteht aus einem Gleichrichter 12 mit Dioden 13, 14, 15, 16.
Der Ausgang des Gleichrichters 12 ist an einen Speicherkondensator 17 über einen Widerstand 18 angeschlossen. Parallel zum Kondensator 17 ist ein Widerstand 19 geschaltet.
Der Ausgang des Stromintegrierorgans ist mit der Steuerelektrode von Thyristor 20 über eine Entkopplungsdiode 21, einen Dynistor 22 und einen Begrenzungswiderstand 23 verbunden und an die Katode des Thyristors 20 angeschlossen.
An die Katode der Diode 21 und die Anode des Dynistors 22 ist die Katode einer Diode 24 angeschlossen, während an die Anode der letzteren eine Kette aus parallel geschalteten Kondensator 25 und Zenerdiode 26 angeschlossen ist, wobei die Anode der letzteren und der freie Belag des Kondensators 25 mit der Katode des Thyristors 20 verbunden sind, während parallel zu der Zenerdiode 26 die Gleichstromquelle 27 geschaltet ist.
Der Thyristor 20 liegt in dem aus der Primärwicklung 28 von einem Impulstransformator 29 und einem Kondensator 30 bestehenden Kreis, wobei an den erwähnten Kondensator über einen Widerstand 31 eine Gleichstromquelle 32 angeschlossen ist.
Die Sekundärwicklung 33 des lmpulstransformators 29 ist an den Hauptanschluss 34 und die Zündelektrode 7 der steuerbaren Funkenstrecke angeschlossen.
In normalen Betriebszuständen übersteigt die einwirkende Spannung nicht die Summensperrspannung der Lawinendioden einer Richtung 3a-3n bzw. 4a-4n (je nach der Po larität der auf die Kette einwirkenden Spannung), so dass nicht alle Dioden einer Richtung im Lawinenabschnitt der Stromspannungskennlinie arbeiten können. Hierbei ist der durch die Primärwicklung des Stromwandlers (des Gebers 9) fliessende Strom der Streustrom der Lawinendioden und reicht nicht zur Sicherung des Auslösesignals für die Funkenstrecke 6 in der Steuereinheit 8 aus.
Bei der Einwirkung von Uberspannungen auf die elektrische Anlage nehmen die Spannungen an den Klemmen 1 l'-1 1 bis zum Wert der Summensperrspannung der Dioden 3a-3n bzw. 4a-4n zu. Dies führt dazu, dass alle Dioden einer Richtung im Lawinenteil der Stromspannungskennlinie arbeiten. wonach die Spannungszunahme an den Klemmen 11-11' aufhört. Im Lawinendiodenkreis fliesst in Fehlerstrom, dessen Amplitude und Dauer durch die elektrischen Parameter der einwirkenden Überspannungen bestimmt werden und der einige zehn und hundert Ampere betragen kann.
Die Schutzanordnung ist befähigt, die Spannung an den Klemmen 11'-11" im Überspannungsbetrieb so lange zu begrenzen. bis die in den Lawinendioden 3a-3n bzw. 4a-4n ausgeschiedene Energie den zulässigen Wert nicht überschritten bzw. der Strom durch die Lawinendioden nicht den Zerstörungswert erreicht hat.
In diesem Falle erzeugt die Steuereinheit 8 ein Signal zum Auslösen der steuerbaren Funkenstrecke 6, nach deren Ansprechen die nichtsteuerbaren Funkenstrecken la-lm ansprechen. demzufolge die Klemmen 10-10" spannungslos gemacht werden.
Da man die Spannung an den Klemmen 10'-10", nachdem die Lawinendioden im Lawinenteil der Stromspannungskennlinie zu arbeiten begonnen haben, in erster Annäherung als unveränderlich annehmen kann, so ist die hierbei in den Lawinendioden freigewordene Energie proportional zu dem Integral des durch diesen fliessenden Stromes.
In der Einheit 8 wird periodisch die in den Lawinendiodenketten freigewordene Energie mit dem zulässigen Wert verglichen. Zu diesem Zweck ist in der Einheit 8 ein Organ 10 zur periodischen Integrierung des durch die Lawinendioden fliessenden Stromes vorhanden. Die Integrierung erfolgt mit Hilfe des Speicherkondensators 17, der über den Brükkengleichrichter 12 mit den Dioden 13-16 durch den durch die Lawinendioden fliessenden Strom aufgeladen wird, wobei dieser Strom dem Stromintegrierungsorgan 10 von der Sekundärwicklung des Stromwandlers (des Gebers 9) zugeführt wird.
Die Spannung an dem Kondensator 17 ist proportional zu der in den Lawinendiodenketten freigewordenen Energie.
Als Einstellspannung dient die Umschaltspannung des Dynistors 22. Sobald die Spannung am Kondensator 17 und Widerstand 18 den Wert der Umschaltspannung des Dynistors 22 erreicht, wird dieser leitend und bildet einen Entladungskreis für den von der Quelle 27 aufgeladenen Hilfskondensator 25. Die Stromkreise der Kondensatoren 17 und 25 sind durch die Dioden 21 und 24 getrennt. Die Spannung am Kondensator 25 ist durch die Zenerdiode 26 stabilisiert, während der Wert dieser Spannung wesentlich kleiner als die Umschaltspannung des Dynistors 22 ist. Bei der Entladung des Kondensators 25 wird ein Impuls erzeugt, der über die Entkopplungsdiode 21 und den Begrenzungswiderstand 23 den Thyristor 20 einschaltet. Beim Einschalten des Thyristors 20 findet die Entladung des von der Quelle 32 über den Widerstand 31 aufgeladenen Kondensators 30 statt.
Die Entladung des Kondensators 30 erfolgt über die Primärwicklung 28 des Aufwärtsimpulstransformators 29, dessen Sekundärwicklung 33 an die Zündelektrode 7 und die Arbeitselektrode 34 der Funkenstrecke 6a angeschlossen ist.
Die Einstellung der Steuereinheit 8 kommt derart zustande, dass die Umschaltung des Dynistors 22 entweder, wenn die in den Lawinendioden freiwerdende Energie den höchstzulässigen Wert erreicht hat, oder, wenn der Strom durch die Lawinendioden wenigstens kurzzeitig den Einstellwert (nach der Art des Schnellüberstromschutzes) überstiegen hat, erfolgt, wodurch es möglich ist, die Lawinendioden auch gegen Zerstörung durch Überströme zu schützen.
Der Widerstand 18 des Integrierungsorgans 10 dient zur Überstromschutzeinstellung, während der Widerstand 19 zur periodischen Entladung des Kondensators 17 dient.
Im Falle, wenn bei Uberspannungen die in den Lawinendiodenketten zerstreute Energie den zulässigen Wert und der Strom den eingestellten Wert nicht übersteigt, spricht die Funkenstrecke 6a nicht an. Die Schutzwirkung der Schutzanordnung läuft in diesem Falle auf die Beschränkung der Überspannung an den Klemmen 1 1'-l 1" des zu schützenden Objektes auf die zulässige Summensperrspannung der Lawinendioden hinaus. Falls jedoch die Energie der Uberspannungsquelle die zulässige Streuenergie der Lawinendiodenketten übersteigt, so erzeugt die Einheit 8 ein Signal zum Auslösen der Funkenstrecke 6. Das Ansprechen der steuerbaren Funkenstrecke ist in diesem Falle als richtige Wirkung der Schutzanordnung zu betrachten.
Die oben beschriebene Schutzanordnung (Fig. 1 und 2) ist zum Schutz von elektrischen Einrichtungen mit einer Spannung von etwa 100 kV bei gleichen Spitzenwerten der negativen und positiven Spannung zu empfehlen.
Für elektrische Einrichtungen mit einer Spannung über 100 kV wird zweckmässigerweise eine Schutzanordnung mit in Reihe geschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken la und steuerbaren Funkenstrecken 6a und 6b (Fig. 3) verwendet.
In Reihe mit jeder der nichtsteuerbaren Funkenstrecken la-lm und steuerbaren Funkenstrecken 6a und 6b (Fig. 3) sind die Fehlerstrombegrenzungselemente 35a-35n (Fig. 3) geschaltet. Die Schaltung der Elemente 35a-35n in Reihe mit jeder der Funkenstrecken la-ln und 6a-6b wird aus konstruktiven Gründen vorgenommen. Bei Bedarf können alle Elemente 35a-35n zusammen in Reihe mit jeder beliebigen Funkenstrecke la-ln bzw. 6a-6b geschaltet werden.
In Reihe mit jeder der gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden 3a-3n und 4a-4n sind zusätzlich zwei Lawinendioden 3'a, 3"a-3'n, 3"n und 4'a, 4"a-4'n, 4"n geschaltet.
Zur Steuerung der Funkenstrecken 6a und 6b sind die Einheiten 8a und 8b, die mit den oben beschriebenen identisch sind, verwendet.
Da in elektrischen Anlagen mit einer Spannung von über
100 kV energiereichere Überspannungen zu erwarten sind, so ist es bei der Entwicklung von Schutzeinrichtungen zweck mässig, die zulässige Streuenergie der Lawinendioden zu erhöhen, was durch das Einschalten von zusätzlichen Lawinendioden 3'a, 3"a-3'n, 3"n und 4'a, 4"a-4n, 4"n erreicht wird.
Ausserdem entstehen in solchen Hochspannungsanlagen beim Ansprechen aller Funkenstrecken beträchtliche Kurzschlussströme, die eine Beschädigung der Ausrüstung (Ableiter, Netztransformatoren u. a.) hervorrufen können. Zur Herabsetzung der Kurzschlussströme sind die Fehlerstrombegrenzungselemente 35a-35n bestimmt.
Und schliesslich bei einer erhöhten Spannung an den
Klemmen 11'-11" von über 100 kV ist zur Erhöhung der An sprechzuverlässigkeit der nichtsteuerbaren Funkenstrecken eine beträchtliche Steigerung der Spannung an jeder von die sen erforderlich, was durch Vergrösserung der Anzahl der bei gefährlichen Überspannungen ansprechenden steuerba ren Funkenstrecken erreicht wird.