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Mit Uberspannungsschutz versehenes elektrisches Gerät mit induktiven
Widerständen Die Erfindung bezieht sich auf mit Überspannungsschutz versehene elektrische
Geräte mit induktiven Widerständen, wie z. B. Hochspannungsleistungstransformatoren.
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Bisher wurden die besseren Ausführungen von Hochspannungstransformatoren
gleichzeitig mit zwei Arten eines überspannungssehutzes ausgestattet, nämlich mit
inneren elektrostatischen Abschirmungen zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen
und Resonanzerscheinungen und mit äußeren überspannungsableitern, um übermäßige
Spannungen an den Klemmen der Wicklung zu vermeiden. Wenn auch mit dieser Ausrüstung
ein brauchbarer Schutz von Hochspannungstransformatoren zu erreichen ist, sind diese
Vorkehrungen doch nicht von verschiedenen Beschränkungen und Nachteilen frei, welche
durch die vorliegende Erfindung behoben werden. Was z. B. die Abschirmung angeht,
so hat man festgestellt, daß wirksame elektrostatische Abschirmungen nur bei bestimmten
Wicklungsarten und nur bei einer bestimmten Schaltungsgruppe anwendbar sind, so
daß man gewisse, aus anderen Gründen wünschenswerte Wicklungsanordnungen entweder
vermeiden oder mit e;ner unzureichenden Abschirmung verwenden mußte. Außerdem hängt
die Wirksamkeit einer Abschirmung davon ab, daß die Ausbildung der Abschirmung den
Charakteristiken der Wicklung richtig angepaßt wird, was große Erfahrungen voraussetzt,
so daß keineswegs alle sogenannten »abgeschirmten« Wicklungen tatsächlich auch die
erwartete Verteilung von Spannungsimpulsen zeigen. Daraus folgt, daß keine genormte
Abschirmung bei allen Hochspannungswicklungen angewendet werden kann und die angestrebte
Wirkung bei jeder Wicklungsart ausübt. Der Charakter der Überspannungen und die
in solchen Fällen auftretenden Schutzprobleme, auch die Beschränkungen der benutzten
elektrostatischen Abschirmungen sind bekannt. Das Hauptmerkmal dieser bekannten
Schutzanordnung besteht in der Anwendung von mehreren nichtlinearen Überbrückungswiderständen
zwischen den Abgriffen längs der Wicklung. Diese Anordnung ist die beste, die bisher
bekanntgeworden ist, und sie wurde in einer großen Zahl von derartigen Fällen mit
Erfolg angewendet. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sie gewisse Grenzen hat, weil
die Überbrückungswiderstände für den Strom und die Energie der Stromkreise eine
konstante Belastung sind. Um diesen Verlust auf zulässige Werte zu vermindern, müssen
die Widerstandswerte erhöht werden, wodurch die von ihnen ausgeübte Schutzwirkung
herabgesetzt wird.
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Was dtie Übe rspannungsableiter betrifft, so können sie, wenn auch
gute Ableiter verfügbar sind,, schon dadurch, daß sie als unabhängiges Zubehärtei,l
ausgebildet sind, nicht zwischen den verschiedenen Arten von Überspannungen und
den verschiedenen Gruppen und Typen der Ausrüstung, für welche; sie einen Schutz
bilden sollen, unterscheiden. Sie, können auch keinen wesentlichen Nutze. einer
möglichen Hilfe aus dem geschützten Gerät ziehen. Wenn beispielsweise ein Überspannungsableiter,
welcher aus mehreren Elementen aufgebaut ist, von welchen jedes eine Funkenstrecke
in Reihe mit einem Strombegrenz.ungswiderstand umfaßt, mit einem Hochspannungskreis
verbunden wird, ist die Spannungsverteilung zwischen den wenn kein Entladungsstrom
auftritt, durch ihre Kapazitäten, gegeneinander und gegen Erde-, bestimmt. Daraus
kann sich ein unerwünschtes Ansprechen ergeben, so daß man Hilfseinrichtungen zur
Verbesserung dieser Verteilung vorsehen muß. Aber sogar mit solchen Hilfseinrichtungen
sind manche der üblichen Ableitet gegen Änderungen ihrer Lage gegen Erde empfindlich,
und ihr Schutzwert kann durch unbeachtete, ungünstige elektrostatische Verhältnisse
in verschiedenen Anlagen herabgesetzt werden. Beim Auftreten eitn s Spannungsimpulses
soll ein Ableiter eine übermäßige Überspannung ohne Zeitverzögerung entladen. Bei
sehr sbei'1en Impulsen ,haben
jedoch d'ie Funkenstrecken von Ableitern
eii.ne Zeitverzögerung, und es werden bei den gebräuchlichen Ableitern verschiedene
Arten von Hiifsmitte:n. angewendet, um diese Zeitverzögerung und die sich daraus
ergebende Überspannung zu vermindern.. Trotzdem isst bei dem bekanntesten. Typen
der gegenwärtig benutzten Ableiter, bei welchen derartige Hilfsmittel vorgesehen
sind, die Entladeimpulsspannung bei der den in den Vereinigten Staaten von Amerika
bestehenden Normen entsprechenden Impulswelle etwa doppelt so groß wie die Überschlagspannung
des Ableiters bei der normalen Frequenz.
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Die Erfindung bezweckt daher die Ausbildung einer Schutzanordnung,
bei welcher elektrostatische Abschirmungen ganz weggelassen werden können, so, daß
alle derartigen Beschränkungen für die Wicklungsanordnung oder Schaltung ebenso
wie der Kostenaufwand für die Abschirmung fortfallen.
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Ferner bezweckt die Erfindung die Ausbildung einer Schutzanordnung,
bei welcher der Überspannungsabl-eiter durch.das geschützte Gerät so unterstützt
wird, daß er selektiver und sicherer anspricht, der Schutz verbessert und dar Aufbau
des Ableiters vereinfacht wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine
teilweise geschnittene Aufsicht eines Hochspannungstransformators mit einer erfindungsgemäßen
Schutzanordnung, Fig.2 ein schematisches Schaltungsbild der im Fig. 1 gezeigten
Anordnung, Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt eines Schutzelementes nach Fig. 1.
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Nach Fig. 1 ist ein zweischenkeliger Hochspannungstransformator der
Kernbauart, der mit einem Überspan.nurgss.chutz gemäß der Erfindung ausgestattet
isst, in einem Behälter oder Kessel 10 eingebaut, welcher mit Isolieröl oder einer
isolierenden Flüssigkeit 11 gefüllt ist.
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Die Transformatorenwicklungen 12 und 13 sind auf den beiden Schenkeln
des Kernes in Parallelschaltung in zwei Schichten angeordnet und befinden sich zusammen
mit dein Kern in der Isialierflüssigkeit 11. Mit 14 ist der Leitungsanschl:uß der
Wicklungen bezeichnet, während das andere Ende 15 geerdet dargestellt ist, obwohl
es auch mit einem Stromkreis verbunden «erden kann. Mehrere Schutzelemente 17, welche
aus einem Schutzableiter bestehen, sind mit elektrischem Kontakt in einem aus Isolierstoff
bestehenden Rohr 16 aufeinandergestapelt und befinden sich dicht neben den Wicklungen
12 und 13, wobei die Längsachse des Rohres und die gemeinsame Achse des durch die
Elemente 17 gebildeten Stapels im wesentlichen parallel zu der Wicklungsachse gerichtet
sind. Ein Teil des Rohres 16 ist in Fig. 1 aufgebrochen, um die Elemente des Überspannungsableiters
sichtbar zu machen. Die Gesamtlänge dieser Elemente ist im wesientlichen gleich
dien Teil des Wicklungsschenkels, längs welchem die Wicklung angeordnet ist, und
sie sind in dem Rohr so gelagert, daß das lenzte Element an dem einen Ende des Stapels
sich gegenüber und dicht neben dem einen. Wicklungsende befindet, während .das letzte
Element ' an dem anderen Ende des Stapels sich gegenüber und dicht neben dem anderen
oder entgegengesetzten Wicklungsende befindet.
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Verhältnismäßig kurze elektrische Leiter, welche durch Öffnungen in
dem Rohr 16 hindurchgehen, verbi@nd'en die an den Enden. dies Stapels gelegenen
Elemente mit den betreffenden Wicklungsenden, die sich neben ihnen und gegenüberliegend
befinden, während mehrere Querverbindungen 30, welche aus ähnlich kurzen Leitern
bestehen und durch Öffnungen des Rohres hindurchtreten, den Vürbindungspunkt zw
ischen. jedem Elementenpaar 17, das sich zwischen den Enden des Stapels befindet,
mit einem entsprechenden Wicklungspunkt verbinden, welcher zwischen den Wicklungsenden
etwa in demselben Abstand liegt, in welchem die Verbindungsstelle, an die er angeschlossen
ist, von einem Wicklungsende angeordnet ist. Unter »entsprechenden Punkten« sind
dabei solche Punkte zu verstehen, welche unter betriebsmäßigen Verhältnissen dasselbe
Potential haben sollen, und die Kürze dieser Ouerverbindungen gewährleistet, daß
die beiden, so miteinander verbundenen Punkte auch bei auftretenden Impulsen gleiches
Potential haben.
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Wie aus Fig. 3 hervorgeht, besteht jedes Ableifierelement aus einer
Funkenstrecke 18, die elektrisch in Reihe mit einem scheibenförmigen Widerstand
19 liegt, welcher vorzugsweise ein nichtlinearer Widerstand ist. Die Funkenstrecke
18 wird durch zwei Elektroden 20 und 21 gebildet, welche einen Teil einer Metallscheibe
22 bzw. 23 bilden, die durch ein Ab-
standsstück aus Isolierstoff, z. B. einen
Porzellanring 24, im Abstand gehalten werden. Der Widerstand und die mit ihm in
Reiche geschaltete Funkenstrecke sind in einer Kammer oder einem Behälter luftdicht
eingeschlossen, welcher aus einem Glasring 25 besteht, an welchen eine Stirnwandplatte
26 aus einem leitenden Metall dicht eingeschmolzen ist. Ferner ist ein Metallkragen
27 an dem andienen Ende des Glasringes 25 eingeschmolzen, an welchen eine Stirnwandplatte
28 aus leitendem Metall angeschweißt isst. Mit 29 isst eine Metallplatte und Feder
aus einem leistenden Material bezeichnet, durch welche die aus der Elektro,die und
dem Widerstand bestehende Einheit unter Druck in gutem elektrischem Kontakt mit
den Anschlußplatten 26 und 28. gehalten wird. Der freie Raum innerhalb dies Elementes
17 ist mit einem trockenen oder inerten Gas, z. B. Stickstoff, bei einem Druck gefüllt,
der für dem Spannungsbereich, für welchen der Ableiter ausgelegt ist, am geeignetsten
ist.
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In der abgeschlossenen Einheit wird dlie Gasdichte und somit die Überschlagspannung
der Funkenstrecke praktisch konstant gehalten, unabhängig von Tempe-ratur- lind
Drucksch-,vankun,gen. Bei einem üblichen Überspannungsabl'eiter, der im allgemeinen
frei entlüftet ist oder wenigstens »atmen« kann, kann die-Gasüichte an den Funkenstrecken
auf Grund der Änderungen der atmosphärischen Temperatur- und Druckverhältnisse bis
zu 30°/o Schwankungen haben, wodurch sich die Überschlagspannung der Funkenstrecken
entsprechend verändert.
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Dadurch:, daß der Ableiter in die Transformatorflüssi-gkeit einbauch.t,
werden starke und schnelle Temperaturschwankungen und die daraus folgenden Materialspannungen
vermieden, welchen die der Witterung ausgesetzte Isolation der üblichen Ableiter
unterworfen isst.
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Die Schutzanordnung besteht daher nach ihrem Grundgedanken aus einem
Überspannungsableiter, welcher zwischen dem leitungsseitigen Ende einer Wicklung
und dem anderen Wicklungsende, jedoch vorzugsweise an Erde, angeschlossen ist und
mehrere in Reihe geschaltete Schutzelemente aufweist, von welchen jedes aus einem
Widerstand in Reihe mit einer Funkenstrecke besteht, wobei die Verbindungsstellen
zwischen den Elementen jeweils durch verhältnismäßig kurze Leitungen an räumlich.
getrennte Verbindungspunkte längs der zu schützenden Wick-
Jung
angeschlossen sind. Im Gegensatz zu den btkannten Einrichtungen, bei welchen man
zur Verminderung der Spannungskonzentration Abschirmungen benutzt hat, wird bei
der erfindungsgemäßen Anordnung jede übermäßige örtliche Überspannung entladen,
nicht bloß vermindert oder verteilt. Außerdem tritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung
normaler weise keine Stromableitung durch die Schutzwiderstände ein, und die Widerstandselemente
können daher viel geringere Werte erhalten als bei den bekannten Anordnungen, welche
nur aus Überbrückungswiderständen zwischen den Abgriffen längs der Wicklung bestehen.
In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, daß die bei dien bekannten Anordnungen
zugelassenen Überspannungen durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen im Verhältnis
5:1 herabgesetzt werden können.
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Die Anordnung der Wicklung und des Ableiters mit ihren Querverbindungen
hat zur Folge, daß der Ableiter in hohem Grade selektiv und empfindlich gegenüber
deal Sprungwellenüberspannumgen ist, welche eine Spannungskonzentration innerhalb
der Wicklung hervorrufen können, und daß diese Überspannungen bei einer geringeren
Klemmenspannung entladen werden als andere Arten von aufgedrückten. Überspannungen,
welche keine derartige Spannungskonzentration ,hervorrufen. Auf diese Weise wird
also ein zuverlässiger Überspannungsschu,tz für jeden Teil einer geschützten Wicklung
geschaffen, unabhängig von der Art der Überspannung, welcher er ausgesetzt werden
kann und unabhängig davon, wie ihre Spannungsverteilungsverhältnisse sein mögen.
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Diese Wirkung ergibt sich aus der Tatsache, daß eine übermäßige Spannungskonzentration
über irgendeinem Wicklungsteil, die durch das Fehlen von elektrostatischen Abschirmungen
bedingt ist, eine Entladung des entsprechenden Ableiterelementes zur Folge hat,
und da die Gesamtspannung dann an einer geringeren Zahl von Funkenstrecken liegt,
wird auch an den übrigen Funkenstrecken eineEntladungherbeigefwhrt. Die Entladung
eines Ableiterelementes wirkt also wie ein Auslöser für die Entladung des ganzen
Ableiters.
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Dadurch sind keine besonderen Hilfsmittel für die Funkenstrecke erforderlich,
um ihre Entladungseigenschaften in dieser Hinsicht zu verbessern, da diese Tätigkeit
wirksam unterstützt wird durch die Hochspannungswicklung, mit welcher der Ableiter
an mehreren Punkten verbunden ist. Da die Impulsspannungxen, welche mit einer merklichen
Zeitverzögerung in den Funkenstrecken behaftet sind, auch diejenigen sind, welche
eine ungleichförmige Spannungsverteilung und örtliche Spannungskonzentrationen in
den Wicklungen hervorzurufen suchen, wird, wenn die Wicklung mit denn Ableiter an
mehreren entsprechendeal Punkten verbunden ist, eine Span.nungskonzentration über
einem Wicklungsteil auch als Spannungskonzentration an dem entsprechenden Teil dies
Ableiters in Erscheinung treten. Wenn dieser Teil des Ableiters zur Entladung kommt,
wird die Überspannung an den übrigen Teil des Ableiters umgelegt, welcher dann noch
mehr als zuvor überbeansprucht wird, so daß schrittweise (wenn auch sehr schnell)
der ganze Ableiter entladen wird.
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Wie ersichtlich, wird bei dieser Anordnung der Endwert der Überspannung,
welche der Ableiter zur Entladung bringt, um so niedriger sein, je nichtlinearer
die ursprüngliche Spannungsverteilung in der Wicklung ist. Somit wird bei dieser
Anordnung der Ableiter in hohem Grade den besonderen Erfordernissen jeder zu schützendem
Wicklung entsprechen und für alle Wicklungen einen gleichwertigen Schutz ausüben,
ohne für die besonderen Verhältnisse irgendeiner Wicklung hinsichtlich der Impulsspannungen
besonders ausgebildet zu sein. Auf Grund.: dieser Wirkungsweise können die Hilfseinrichtungen,
die bei den üblichen- Ableitern für die Regelung ihrer Spannungsverteilung vorgesehen
sind, in Fortfall kommen, so daß sich ein stark vereinfachter Ableitsraufbau ergibt,
wie er in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht ist. Es können auch verschiedene
weitere Hilfseinrichtungen weggelassen werden, die bei den üblichen Ableitern vorgesehen
sind, um die Ionisderung zu bewirken und dadurch ihre Entladungscharakteristik schneller
und zuverlässiger zu machen.
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Wenn auch der Entladung :eines Ableiterelementes theoretisch eine
Überspannung im, dem entsprechenden Teil der Wicklung vorhergeht, braucht man darum
nicht besorgt zu sein, weil es sich nur um den Versuch einer Überspannung handeln
und diese nicht den Wert übersteigen, kann, welchen die betreffende Funkemstrecke
zuläßt. Sie stellt daher tatsächlich eine kleinere Beanspruchung in der Wicklung
dar, als sie bei denjenigen abgeschirmten Anordnungen auftreten kann, bei welchen
die Spannungsverteilung innerhalb der Wicklung Spitzen oder andere schroffe örtliche
Unregelmäßigkeiten aufweisen kann, die nicht unter der urimittelbaren Überwachung
oder Schutzwirkung eines im Nebenschluß zu diesem Wicklungsteil liegenden Ableiterelementes
stehen.
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Eine weitere wichtige und günstige Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung
auf die Leistung des Ableiters ergibt sich daraus, daß bei den üblichen Anlagen,
bei welchen der Ableiter außerhalb des Transformators angebracht ist, der Ableiter
sich in einer gewissen Entfernung von der geschützten Wicklung befindet, wofür die
in den Vereinigten Staaten von Amerika bestehenden Normen einen Abstand von 23 m
zulassen. Auf Grund vom, neueren Erfahrungen und Untersuchungen hat sich jedoch
ergeben, daß sogar ein Abstand von 7,6 m 20% Abweichung zwischen den Impulsspannungen
an den Klemmen des Ableiters bzw. der Wicklung zur Folge haben kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist jedoch offenbar ein derartiger
Unterschied unmöglich, da der Ableiter in unmittelbarer Nähe der Wicklung angeordnet
ist und die Querverbindungen verhältnismäßig kurz sind.