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Die vorliegende Erfindung betrifft eine gesteuerte Abschneidefunkenstrecke für ein Hochspannungs-Impulsprüfsystem, vorzugsweise zur Qualitätssicherung von Leistungstransformatoren, sowie eine elektrische Anlage mit einer solchen gesteuerten Abschneidefunkenstrecke.
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Die Hochspannungsprüfung verfolgt den Zweck, transiente Überspannungen in Drehstromnetzen mittels künstlich erzeugten impulsförmigen Stößen zu simulieren. Dabei wird klassischerweise zwischen äußeren Überspannungen, die beispielweise durch einen Blitzschlag hervorgerufen werden, und inneren Schaltungsüberspannungen, die auf Grund von Schaltvorgängen im Netz entstehen, unterschieden. Die Vielzahl der Überspannungserscheinungen werden für Prüfzwecke auf genormte Blitz- und Schaltstoßspannungen reduziert. Für diese Prüfspannungen werden Kenngrößen festgelegt, die den Anstieg der Spannung, den Scheitelwert und den Rückenabfall innerhalb bestimmter Toleranzen beschreiben. Bei der abgeschnittenen Blitzstoßspannung, die die Wirkung sehr schneller Spannungsänderungen simulieren soll, kommt als weitere Kenngröße die Abschneidezeit hinzu. Die Anforderungen, Spannungsformen sowie die Bestimmung derer Parameter sind in der ICE 60060-1 definiert. Je nach durchgeführter Normprüfung umfasst das Hochspannungs-Impulsprüfsystem dafür einen Impulsgenerator und Hilfskomponenten wie eine Abschneidefunkenstrecke, einen Spannungsteiler und eine Overshoot-Kompensation.
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Zur Erzeugung der erforderlichen impulsförmigen Stoßspannungen haben sich im Laufe der Jahre besonders Marx'sche Vervielfachungsschaltungen, auch Marx-Generatoren genannt, auf dem Markt etabliert. Der von dem gleichnamigen Erfinder 1923 entwickelte und in
DE 455 933 A beschriebene Schaltungstyp ist in mehreren Schaltungsstufen aufgebaut, wobei jede der Stufen in Serie geschaltet eine Stoßkapazität und ein Schaltorgan, insbesondere eine Schaltfunkenstrecke, und zu der Stoßkapazität und dem Schaltorgan parallelgeschaltet einen Widerstand sowie hierzu in Serie geschaltet einen Widerstand aufweist. Dabei sind zwei aufeinanderfolgende Stufen derart miteinander verbunden, dass sie parallelgeschaltet aufladbar und in Serie geschaltet entladbar sind.
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Die Stoßkondensatoren werden mittels einer Ladegleichspannung aufgeladen. Eingeschleifte Ladewiderstände begrenzen hierbei nicht nur den Ladestrom, sondern erlauben auch eine kurzzeitige Reihenschaltung der Kondensatoren mittels der Funkenstrecken. Die Schlagweiten der Funkenstrecken sind so gewählt, dass diese bei Erreichen der maximalen Ladespannung gerade noch nicht durchschlagen.
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Nachdem alle Stoßkondensatoren auf ihren quasistationären Endwert der Spannung aufgeladen sind, erfolgt die Zündung der untersten Funkenstrecke, die daraufhin durchschlägt. An der nächsten Funkenstrecke steht nunmehr die doppelte Ladespannung an, so dass diese mit Sicherheit zünden wird. Unabhängig von der Anzahl der verbauten Stufen setzt sich der Entladungsvorgang auf Grund der Addition der Ladespannungen vorherig gezündeter Stufen bis zur letzten Stufe fort.
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Auf diese Weise sind Stoßspannungsimpulse sehr kurzer Zeitdauer und gleichzeitig großer Amplitude erzeugbar, die sich insbesondere für Prüfzwecke und Versuche in der Hochspannungstechnik zum Nachweis der Isolationsfestigkeit sowie Störfestigkeit in der elektromagnetischen Verträglichkeit eignen.
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DE 196 39 023 A1 beschreibt, die Grenzbelastungskapazität des eben beschriebenen Marx-Generators mittels eines Schaltungszusatzes zu erhöhen, indem man während des Überschwingens an der Belastungskapazität, d. h. am Prüfling, eine Spannungsverringerung erreicht, die nach dem Abklingen des Überschwingens wieder aufgehoben wird. Der Schaltungszusatz, auch als serielle Overshoot-Kompensation bezeichnet, reduziert damit nicht die Ursache des Überschwingens, sondern kompensiert das Überschwingen an der Belastungskapazität, d. h. insbesondere am Prüfling. Die Overshoot-Kompensation besteht aus einer Kompensationskapazität und zumindest einem zu dieser parallelgeschalten Entladungswiderstand oder einer Entladungsfunkenstrecke, wobei der Schaltungszusatz in serieller Bauweise zu dem Prüfobjekt in die Marx'sche Vervielfachungsschaltungen einzuschleifen ist. Neben der zum Prüfobjekt seriell geschalteten Overshoot-Kompensation ist es auch bekannt, diese in parallel geschalteter Bauform zum Prüfling auszugestalten. Anders als bei der eben beschriebenen Bauform sind bei einer derart ausgebildeten Overshoot-Kompensation die Kompensationskapazität und der zumindest eine Entladungswiderstand oder Entladungsfunkenstrecke seriell angeordnet.
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Weiterhin ist es für die Nachbildung einer betriebsmäßigen Überspannungsbeanspruchung und zum Nachweis der Isolationsfestigkeit von Hochspannungsbauteilen auch erforderlich, die Prüfobjekte wie bereits erwähnt mit einer abgeschnittenen Stoßimpulsspannung zu beaufschlagen. Für einen erfolgreichen Verlauf einer derartigen Normprüfung ist es notwendig, dass die angelegte Spannung innerhalb einer Toleranz von wenigen Mikrosekunden der gewünschten seit Beginn der Spannungswelle verflossenen Zeit unterbrochen wird. Technisch realisiert wird dies mit Abschneide-Funkenstrecken, wie bereits in
DD 1 43 130 A1 oder
DE 12 55 192 B beschrieben.
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Zudem wird in einem Hochspannungs-Impulsprüfsystem an die letzte Stufe der Marx'schen Vervielfachungsschaltung neben dem Prüfobjekt auch ein kapazitiv gedämpfter Impulsspannungsteiler angeschlossen, der die beim Entladen der Stufen erzeugte Blitzstoßpannung auf Werte reduziert, die von den Mess- und Aufzeichnungsgeräten verarbeitet werden können.
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All diese verbauten Systemkomponenten des Hochspannungs-Impulsprüfsystems haben eine beachtliche räumliche Ausdehnung und müssen in einem vorgegebenen, vom Spannungspegel abhängigen Mindestabstand zueinander im Prüffeld angeordnet werden. Darüberhinaus müssen ebenfalls definierte spannungsabhängige Mindestabstände zwischen spannungstragenden Elementen und der Prüffeldbegrenzung eingehalten werden. Der Platzbedarf des gesamten Hochspannungs-Impulsprüfsystems ist damit erheblich. Weiterhin muss bei vielen Transformatorenherstellern zum Wechseln des Prüfobjekts das gesamte Hochspannungs-Impulsprüfsystem verschoben werden. In diesem Fall müssen der Marx-Generator und die drei weiteren Hilfskomponenten einzeln durch die Prüfhalle bewegt und als Hochspannungs-Impulsprüfsystem wieder neu zusammengebaut und eingerichtet werden. Dieser Vorgang ist zeitaufwändig und in der Handhabung umständlich.
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Auch ergeben sich aus der bekannten Anordnung des Hochspannungs-Impulsprüfsystems, bestehend aus Marx-Generator und den drei weiteren Hilfskomponenten, nicht zu vernachlässigende zusätzliche kapazitive Lasten, die die Nichterfüllung der Prüfnorm zur Folge haben können.
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DD 18 249 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung für Stoßspannungsanlagen mit einer Reihe von Zündfunkenstrecken, Stoßkondensatoren und Dämpfungswiderständen.
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GB 789 348 A beschreibt eine Vorrichtung zum Erzeugen von elektrischen Impulsen, die eine Abschneidefunkenstrecke und eine Steuervorrichtung umfasst. Die Steuervorrichtung umfasst eine Hilfs-Abschneidefunkenstrecke sowie eine Reihenschaltung aus einer Spule und einem Widerstand, die parallel zu der Hilfs-Abschneidefunkenstrecke geschaltet ist. Die Steuervorrichtung ist in Reihe zu der Abschneidefunkenstrecke geschaltet und dient dazu, an der Abschneidefunkenstrecke eine oszillierende Spannung zu erzeugen.
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Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche vor.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die spannungsbedingte räumliche Ausdehnung der Hilfskomponenten, insbesondere der Abschneide-Funkenstrecke und der Overshoot-Kompensation, zu reduzieren und damit den Platzbedarf des gesamten Hochspannungs-Impulsprüfsystems zu verringern, um die Prüfhalle effizienter betreiben zu können. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, die kapazitiven Lasten des Prüfkreises im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Hochspannungs-Impulsprüfsystemen zu verringern.
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Die allgemeine erfinderische Idee besteht dabei darin, die Funktionalitäten einer gesteuerten Abschneidefunkenstrecke und einer Overshoot-Kompensation in nur einer Hilfskomponente zu vereinen. Erfindungsgemäß wird die gesteuerte Abschneidefunkenstrecke dafür mit einer zusätzlichen Dämpfungseinheit, bestehend aus einem seriellen Dämpfungswiderstand und einer Dämpfungsinduktivität mit einer parallel dazu geschalteten Funkenstrecke, erweitert. Zündet die Abschneidefunkenstrecke durch, so bringt sie das Spannungspotential entlang der Säule auf Null. Die verbauten Kondensatoren werden damit quasi überbrückt. Zudem muss das Spannungspotential, das über die Dämpfungseinheit abfällt, ebenfalls auf Null gebracht werden, was durch einen Kurzschluss, also eine Zündung, der parallel zum dem seriellen Dämpfungswiderstand und der Dämpfungsinduktivität angeordneten Funkenstrecke bewirkt wird. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall sind die verwendeten Bauteile der zusätzlichen Dämpfungseinheit austauschbar und decken somit einen großen Parameterbereich der Prüfnormen ab.
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Für die einzelnen Normprüfungen ergeben sich folgende funktionalen Kombinationsmöglichkeiten der Abschneidefunkenstrecke und der zusätzlichen Dämpfungseinheit:
- – Für einen Blitzstoßimpuls ist die zusätzliche Dämpfungseinheit zugeschaltet; die erfindungsgemäße Abschneidefunkenstrecke funktioniert wie eine Overshoot-Kompensation.
- – Für einen abgeschnittenen Blitzstoßimpuls wird die Dämpfungseinheit überbrückt und damit wirkungslos, da auf Grund der kurzen Impulsdauer keine Dämpfung durch die Overshoot-Kompensation benötigt wird. Der Impuls kann nach der vorgegebenen Zeitdauer mit der Abschneidefunkenstrecke abgeschnitten werden.
- – Für die Normprüfung von Schaltstoßimpulsen kann die Abschneidefunkenstrecke mit zusätzlicher Dämpfungseinheit aus dem Prüfkreis genommen werden, da für eine derartige Prüfung ihre Funktionalitäten nicht benötigt werden.
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Bisher werden nach dem Stand der Technik Abschneidefunkenstrecke und Overshoot-Kompensation als separate Komponenten betrieben und müssen in einem definierten Abstand zueinander im Prüffeld zueinander stehen. Durch die erfindungsgemäße funktionale Integration der Abschneidefunkenstrecke und der Overshoot-Kompensation in eine einzige Hilfskomponente wird es dem Prüffeldbetreiber erstmals möglich, die Anzahl der notwendigen Hilfskomponenten zu reduzieren und damit den Platzbedarf des ganzen Prüffeldes zu optimieren. Das Prüffeld kann damit effektiver betrieben werden. Auch verursacht die erfindungsgemäße Abschneidefunkenstrecke mit zusätzlicher Dämpfungseinheit eine geringere kapazitive Last im Prüfkreis als die aus dem Stand der Technik separaten Hilfskomponenten. Indem der Anlagenbetreiber nurmehr eine funktional erweiterte Hilfskomponente zu kaufen hat und bei dieser auf die hohen Kosten der zusätzlichen Kondensatoren der ansonsten separaten Overshoot-Kompensation verzichtet werden kann, ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erhebliche Kostenersparnis in der Produktion zu erwarten.
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Die Erfindung schlägt weiterhin eine elektrische Anlage vor, in der die erfindungsgemäße Abschneidefunkenstrecke mit zusätzlicher Dämpfungseinheit und eine weitere Hilfskomponente, nämlich ein Spannungsteiler, an einem gemeinsamen Grundrahmen mit nur einer für beide Hilfskomponenten einzigen Kopfelektrode angeordnet ist. Damit ist es möglich, die an sich separaten Hilfskomponenten räumlich zusammenzuführen und den einen einzigen gemeinsamen Grundrahmen in besonders einfacher Weise in der Prüfhalle zu verfahren.
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Die Erfindung soll nachstehend beispielhaft an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 den Schaltplan einer aus dem Stand der Technik bekannten Abschneidefunkenstrecke;
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2 den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinheit;
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3 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Anlage.
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In
1 ist ein in
DD 143 130 A1 beschriebener Schaltplan einer gesteuerten Abschneidefunkenstrecke gezeigt. Dieser beschreibt prinzipiell die Steuerung einer Abschneidefunkenstrecke
1 durch einen kapazitiven Spannungsteiler
2. Die gesamte Anordnung befindet in der Nähe eines hier nicht näher dargestellten Prüflings parallel zu einem Hochspannungsprüfgenerator. Die abzuschneidende Prüfspannung teilt sich entsprechend den gleichgroß gewählten Kapazitäten gleichmäßig auf die Kondensatoren
3 des Spannungsteilers
2 und damit auch auf jede Einzelfunkenstrecke
4 der Abschneidefunkenstrecke
1 auf. Die Zwischenpotentiale an den einzelnen Kondensatoranschlüssen
5 des kapazitiven Spannungsteilers
2 sind mit einer Hauptelektrode
6 der zugehörigen Einzelfunkenstrecke
4 durch Querverbindungen
7 zur Potentialsteuerung verbunden. Eine zweite Verbindung zur gleichen Einzelfunkenstrecke
4 erfolgt durch einen Leitungszug
8 mit einer Hilfselektrode
9, die in die besagte Hauptelektrode
6 zur Triggerung der Einzelfunkenstrecke
4 eingesetzt ist.
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Die Zündung der Abschneidefunkenstrecke 1 geschieht, indem die unterste, erdnächste Einzelfunkenstrecke 4a mit Hilfe eines an die Hilfselektrode 9a gelegten Triggerimpulses in üblicher Weise extern gezündet wird, so dass sich der Kondensator 3a dieser ersten Stufe über die Einzelfunkenstrecke 6a entlädt. Der Entladestrom fließt dabei auch durch die Querverbindung 7. Dies hat zum einen eine Selbstinduktionsspannung in der Querverbindung 7 zur Folge und ruft zum anderen in dem in hinreichend großem Abstand geführten Leitungszug 8 eine Gegeninduktionsspannung hervor, die jedoch kleiner ist als die Spannung in der Querverbindung 7. Da sowohl die Querverbindung 7, als auch der Leitungszug 8 im Kondensatoranschluss 5 einen gemeinsamen Verbindungspunkt besitzen, führt die Spannungsdifferenz an der zugehörigen Einzelfunkenstrecke 4 zwischen der Hilfselektrode 9 und der Hauptelektrode 6 zum Durchschlag und damit zu einer Triggerung dieser Einzelfunkenstrecke 4. In analoger Weise erfolgt das Durchzünden der weiteren Stufen und damit der gesamten Abschneidefunkenstrecke 1.
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2 zeigt die Dämpfungseinheit 20, bestehend aus einem seriellen Kompensationswiderstand 21 und einer Kompensationsinduktivität 22 und einer parallel dazu geschalteten Funkenstrecke 23, die aus zwei gegenüberstehenden Kalotten 24 und 25 gebildet wird. Die zusätzliche Dämpfungseinheit 20 kann dabei an der ersten Stufe der Abschneidefunkenstrecke 1 angeordnet sein, oder aber alternativ auch an der letzten Stufe der Abschneidefunkenstrecke 1. Für den Fall, dass die Dämpfungseinheit 20 an der ersten Stufe der Abschneidefunkenstrecke 1 angeordnet wird, muss die ansonsten dort vorhandene Erdung 26 an die zusätzliche Dämpfungseinheit 20 verlegt werden. Zudem kann die elektrische Dimensionierung der einzelnen Bauteile durch einfachen Austausch an die äußeren Rahmenbedingungen angepasst werden.
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3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der die erfindungsgemäße Abschneidefunkenstrecke 1 mit zusätzlicher Dämpfungseinheit 20 zusammen mit einer weiteren Hilfskomponente, nämlich dem Spannungsteiler 32, an einem gemeinsamen Grundrahmen 30 mit nur einer für beiden Hilfskomponenten einzigen Kopfelektrode 35 angeordnet sind. Die beiden Hilfskomponenten finden sich in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur schematisch dargestellt wieder. Der Grundrahmen 30 wird dabei aus einem beispielsweise sich längs ersteckenden, also linear aufgebauten und mit zusätzlich seitlich befestigten Auslegern versehenen Rahmenkonstruktion gebildet. An diesem Grundrahmen 30 befestigt und mit diesem leitend verbunden sind die Hilfskomponenten. Zudem sind die oberen Enden der entsprechenden Hilfskomponenten mittels elektrisch leitenden Querstreben 33 und 34 mechanisch fixiert. Wiederum mit den Querstreben 33 und 34 verbunden ist die Kopfelektrode 35, die beispielsweise als Toroid ausgebildet sein kann. Die leitenden Querstreben 33 und 34 erfüllen somit sowohl die Aufgabe, die Kopfelektrode 35 mechanisch zu halten, als auch einen Potentialausgleich zwischen den Hilfskomponenten und der Kopfelektrode 35 zu schaffen. Zudem sind die Hilfskomponenten über einen gemeinsamen Verbindungspunkt im Bereich der leitenden Querstreben 33 und 34 untereinander galvanisch verbunden und weisen damit in diesem Bereich das gleiche Spannungsniveau auf.
