CH660817A5 - Anordnung zum schutz von gasisolierten, gekapselten schaltanlagen gegen hochfrequente spannungswanderwellen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Artikel «Overvoltages in GIS caused by the opération of Isolators» Proc. Symp. Surges in HV-Networks, Baden (1979), Book: Plenum, New York (1980), p. 115-128 beschreibt die Ursachen der auftretenden hochfrequenten Spannungswanderwellen. Solche Schaltanlagen weisen in der Regel neben Trennern auch Leistungsschalter auf. Trenner und Leistungsschalter liegen in Reihe zwischen zwei Anlageteilen eines elektrischen Energieversorgungsnetzes, z.B. zwischen einem Generator und einer Sammelschiene oder zwischen einer Sammelschiene und einer Überlandleitung.

Zur Trennung solcher Anlagenteile wird in üblicher Weise immer zuerst der Leistungsschalter, dann der Trenner geöffnet. Umgekehrt wird bei der Verbindung der beiden Anlagenteile zuerst der Trenner, dann der Leistungsschalter geschlossen. Bei denTrennerschalthandlungen ist also immer der Leistungsschalter offen.

Durch die Trennerschalthandlungen zündet während des Öffnens oder Schliessens des Trenners mehrfach ein Funke über die Schaltstrecke des Trenners. Dabei bricht die Spannung über der Schaltstrecke jeweils etwa in der Aufbauzeit des Funkenkanals zusammen, die nur wenige nsec beträgt. Durch die Spannungszusammenbrüche entstehen Spannungswanderwellen mit einer Anstiegszeit, die ebenfalls etwa der Aufbauzeit des Funkenkanals entspricht. Die Spannungswanderwellen breiten sich vom Trenner in der häufig vielfach verzweigten Schaltanlage aus, die für die Spannungswanderwellen vorzügliche Übertragungseigenschaften aufweist, da die durch die Kapselung eingeschlossenen Leiter der Schaltanlage im Zusammenwirken mit eben dieser Kapselung praktisch dämpfungsfrei koaxiale Leitungen bilden.

Im folgenden sei die Ausbreitung der Spannungswanderwellen entlang der Verbindungsleitung zwischen Trenner und Leistungsschalter, kurz koaxiale Leitung genannt, näher betrachtet.

Beim Erreichen des offenen Endes dieser koaxialen Leitung am Leistungsschalter, werden die Spannungswanderwellen reflektiert und laufen zum Trenner zurück. Ist die Schaltstrecke am Trenner noch mit dem niederohmigen Lichtbogen überbrückt, so können die Spannungswanderwellen zum Teil den Trenner passieren. Der komplementäre Teil der Spannungswanderwellen wird an der Diskontinuität zwischen dem Wellenwiderstand der koaxialen Leitung und dem Wellenwiderstand des Anlagenteils jenseits des Trenners reflektiert. Es resultieren stehende Wellen auf der koaxialen Leitung mit einer Resonanzfrequenz, die sich aus der Phasengeschwindigkeit der Spannungswanderwellen auf der koaxialen Leitung, dividiert durch deren vierfache Länge ergibt. Die Phasengeschwindigkeit gas-isolierter koaxialer Leitungen liegt knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeit. Bei einer typischen Länge der koaxialen Leitung von 15 m ergibt sich daher eine typische Resonanzfrequenz von etwa 5 MHz.

Die maximale Amplitude der Spannungswanderwellen ergibt sich an den Enden der koaxialen Leitung und kann dort doppelt so gross wie die Amplitude der Betriebsspannung sein. Zwar klingt die Amplitude der Spannungswanderwellen mit der Zeit durch die unvollständige Reflexion am Trenner ab; dennoch belasten die mit den Spannungswanderwellen verbundenen Überspannungen einerseits die Komponenten der Schaltanlage und führen andererseits zu hohen transienten Berührungsspannungen an der Aussenseite der Kapselung. Weiter kann es zu Störungen etwa in der Nähe verlegter Mess- oder Steuerleitungen und dadurch zu einer nachhaltigen Beeinträchtigung der Betriebsführung der Schaltanlage kommen.

Zur Reduzierung der kritischen Überspannungen wurde bereits vorgeschlagen (s. eingangs genannte Veröffentlichung, S. 129,3. Abs. von unten), die Spannungswanderwellen durch ohmsche Längswiderstände oder Überspannungsabieiter zu dämpfen. Für diesen Zweck geeignete ohmische Widerstände sind jedoch für den Einbau insbesondere in die koaxiale Leitung zu gross und haben darüber hinaus den Nachteil, dass noch zusätzliche Schaltmittel vorgesehen werden müssen, um nicht in gleicher Weise den Betriebsstrom zu dämpfen. Der Einsatz von Überspannungs-ableitern ist sehr aufwendig und scheidet aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten praktisch aus.

Aufgabe der Erfindung ist es daher insbesondere, einen neuen Weg zur wirkungsvollen Reduzierung der kritischen Überspannungen in gas-isolierten, gekapselten Schaltanlagen aufzuzeigen.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Elemente des Patentanspruch-Kennzeichens gelöst.

Zweckmässige Ausgestaltungen dieser Merkmale enthalten die abhängigen Patentansprüche.

Die Vorteile sowie weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipbild einer bekannten, gas-isolierten, gekapselten Schaltanlage und

Fig. 2 ein Teilstück der koaxialen Leitung der Schaltanlage nach Fig. 1 mit den erfindungsgemässen Belägen.

In beiden Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Symbolen bezeichnet.

Fig. 1 zeigt die gas-isolierte gekapselte Schaltanlage (GIS) mit dem Trenner T und dem Leistungsschalter S. Der Trenner T und der Leistungsschalter S sind über den Innenleiter I der koaxialen Leitung K miteinander verbunden, während sich der Aussenleiter A der koaxialen Leitung K durch die metallische Kapselung der gas-isolierten Schaltanlage GIS ergibt, die auch den Trenner T und den Leistungsschalter S einschliesst. Mit G ist der elektrisch isolierende gas-erfüllte Zwischenraum zwischen dem Innenleiter I und dem Aussenleiter A bezeichnet.

Fig. 2 zeigt ein Teilstück der koaxialen Leitung K in ver-grössertem Massstab gegenüber Fig. 1 mit den erfindungsgemässen Belägen B, die in diesem Beispiel sowohl auf der Aussenseite des Innenleiters 1 als auch auf der Innenseite des Aussenleiters A aufgebracht sind. Mit d und D ist in Fig. 2 jeweils der Durchmesser des Innenleiters I und des Aussenleiters A und mit s die Dicke der Beläge B bezeichnet. Diese Dicke s der Beläge B ist so bemessen, dass sie zusammen den gas-erfüllten Zwischenraum G zwischen dem Innenleiter I und dem Aussenleiter A nicht beeinträchtigt.

Die Erfindung macht sich zunutze, dass die mit Spannungswanderwellen verbundenen hochfrequenten Ströme in elektrisch leitende Oberflächen weniger tief eindringen als niederfrequente, z.B. betriebsfrequente Ströme. Für Frequenzen von 5 MHz und 50 Hz unterscheiden sich die Ein-dringtiefen etwa um den Faktor 300. Die für die Wellenausbreitung relevanten Oberflächen sind bei der koaxialen Leitung K die Aussenseite des Innenleiters 1 und die Innenseite des Aussenleiters A. Die mit der Wellenausbreitung verbundenen Ströme im Innenleiter I und im Aussenleiter A fliessen daher bei den hochfrequenten Spannungswanderwellen zu einem grösseren Teil in den erfindungsgemäss auf dem Innenleiter I und dem Aussenleiter A aufgebrachten Belägen B. Die hochfrequenten Ströme werden deshalb in vorteilhafter Weise selektiv in den schlechter elektrisch leitenden Belägen B gedämpft.

Besonders wirkungsvoll und selektiv wird die Dämpfung, wenn die Dicke s der Beläge B in Metern nach der Beziehung

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s = 0,1 • J 1 (1)

I 0'(lt bemessen ist, wobei t die für die Ausbildung der stehenden Wellen relevante Länge der Schaltanlage in Metern, a die elektrische Leitfähigkeit in Siemens/Meter und p.r die relative magnetische Permeabilität der Beläge bedeuten und weiter die beiden letztgenannten Grössen durch die Beziehung

_0!2 ( 1 + D/d y ° i '[ D • in D/d ) ' ^

verknüpft sind. Die Durchmesser d und D sowie die Länge sind auch hier jeweils in Metern einzusetzen. Die für die Ausbildung der stehenden Wellen relevante Länge i der Schaltanlage ist in diesem Ausführungsbeispiel die Länge der koaxialen Leitung K zwischen Trenner T und Leistungsschalter S.

Da die Amplitude der hochfrequenten Spannungswanderwellen an allen Diskontinuitäten des Wellenwiderstandes entlang der koaxialen Leitung K, insbesondere also an ihren Enden, besonders gross ist, werden die Beläge B vorzugsweise in der Umgebung dieser Diskontinuitäten aufgebracht. Eine vollständige Belegung der koaxialen Leitung K mit den Belägen B kann dann unter Umständen überflüssig sein.

Als geeignetes Material für die Beläge B kommt z.B. Eisenpulver mit einer Korngrösse zwischen "Ao bis '/iooo mm in Frage, welches in ein elektrisch schlecht leitendes Bindemittel eingebettet ist. Als Bindemittel kann Kunstharz verwendet werden, welches eventuell durch eine geringe Beimischung eines elektrischen Leiters, z.B. Graphit, schwach leitend gemacht werden kann.

Andererseits können die Beläge auch aus einem schwach leitfähigen Ferrit bestehen.

Mit solchen Werkstoffen lassen sich, z.B. bei 5 MHz, relative magnetische Permeabilitäten von jj.r = 100 erreichen. Aus Gleichung (2) folgt dann für die elektrische Leitfähigkeit mit einer typischen Länge i = 15 m, typischen Durchmessern d = 0,2 m und D = 0,6 m der koaxialen Leitung K ein Wert von ô = 50 S/m. Daraus berechnet sich nach Gleichung ( 1 ) eine Dicke s der Beläge B von 5 mm. Die Beläge B dieser geringen Dicke s sind also ohne weiteres auf dem Innenleiter I und dem Aussenleiter A aufzubringen, ohne den isolierenden gas-erfüllten Zwischenraum G zu beeinträchtigen.

Mit derart bemessenen Belägen B kann die Amplitude der Spannungswanderwellen am offenen Ende der koaxialen Leitung mit den gewählten typischen Abmessungen, d.h. am Leistungsschalter, wo sie den höchsten Wert erreicht, bei 5 MHz um einen Faktor 5 verringert werden. Bei 35 MHz,

einer Frequenz, wie sie z.B. in der steilen Front der Spannungswanderwelle vorkommt, kann die Amplitude sogar um einen Faktor 80 gedämpft werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

660817 PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zum Schutz von gas-isolierten, gekapselten Schaltanlagen gegen hochfrequente Spannungswanderwellen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Anlagenelemente (K) mit einem Belag (B) zur Dämpfung der Spannungswanderwellen versehen ist, welcher im Vergleich mit den Elementen der Schaltanlage (I, A) für die hochfrequenten Spannungswanderwellen eine geringere elektrische Leitfähigkeit und eine höhere magnetische Permeabilität aufweist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebung von Diskontinuitäten (T, S) des Wellenwiderstandes in der Schaltanlage mit dem Belag (B) versehen ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseite zumindest eines Teils der inneren, durch die Kapselung eingeschlossenen Leiter (I) und/oder die Innenseite zumindest eines Teils der äusseren, die Kapselung bildenden Leiter (A) der Schaltanlage mit dem Belag (B) versehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke s des Belags (B) in Metern nach der Beziehung s-0,1 • -J—ì—

V Ji,r.CT

bemessen ist, wobei i die für die Ausbildung stehender Wellen relevante Länge der Schaltanlage in Metern, a die elektrische Leitfähigkeit in Siemens/Meter und p.r die relative magnetische Permeabilität des Belags (B) bedeuten.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit o in Siemens/Meter und die relative magnetische Permeabilität (ir des Belags (B) durch die Beziehung

0,2 / 1 + D/d \2 CT~ i '( D • in D/d ) (2)

verknüpft sind, wobei d den Aussendurchmesser der inneren durch die Kapselung eingeschlossenen Leiter (I) in Metern, D den Innendurchmesser der äusseren, die Kapselung bildenden Leiter (A) in Metern und i die für die Ausbildung stehender Wellen relevante Länge in Metern bedeuten.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beläge (B) aus Eisenpulver mit einer Korngrösse zwischen Vso bis Viooo mm bestehen, wobei das Eisenpulver in einem schwach leitfähigen Bindemittel eingebettet ist.