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Für den Schutz eines elektrischen Apparates bestimmte Überspannungsschutzanordnung
Es sind überspannungsschutzgeräte in Form von Mehrfachfunkenstrecken bekannt, bei
denen einer ihrer Funkenstrecken eine Hilfsfunkenstrecke mit einer in Reihe mit
dieser liegenden Impedanz parallel geschaltet .ist, und zwar eine Funkenstrecke,
die bei einer Überspannung vorn bestimmter Mindesthähe, aber von beliebiger Frequenz
anspricht. Die Parallelschaltung der Funkenstrecke bewirkt nach ihrem Ansprechen
eine Änderung der Spannungsverteilung an den in Reihe liegenden Überschlagstrecken
der Mehrfachfunkenstrecke. Mindestens eine dieser Strecken erhält eine höhere Spannungsbeanspruchung,
die das Zünden der Hauptfunkenstrecken einleitet.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Überspannungsschutzanordnung
so auszubilden, daß einem aus mehreren in Reihe geschalteten Teilfunkenstrecken
bestehenden Hauptableiter ein galvanischer Spannungsteiler parallel geschaltet ist,
der die Spannung über den Teilstrecken verteilt, und daß parallel mit einer oder
mehreren der Teilstrecken eine Hilfsfunkenstrecke (Präzisionsfunkenstrecke) in Reihe
mit einer Impedanz geschaltet ist, welche Funkenstrecke bei Zündung die Spannungsteilung
über den Teilfunkenstrecken verändert und eine fortschreitende Zündung der Teilfunkenstrecken
des Hauptableiters - einleitet. Mit der Parallelschaltung des galvanischen Spannungsteilers
zu der an sich bekannten Mehrfachfunkenstrecke mit parallel geschalteter Hilfsfunkenstrecke
wird einmal gewonnen, daß man in der Bemessung der mit der Hilfsfunkenstrecke in
Reihe geschalteten Impedanz frei wird und sie leicht so bemessen kann, daß die gewünschten
Spannungswerte vor und nach der Zündung an der Hilfsfunkenstrecke bzw. an einer
Teilstrecke der Mehrfachfunkenstrecke auftreten, und weiter, daß Gleichstromladungen
abfließen können, die sonst zurückbleiben und eine Un symmetrie mit Hinsicht auf
die Spannungsverteilung und damit einen unsicheren Beginn der Wiederzündung verursachen
können.
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Es ist bei überspannungsschutzvorrichtungen, die aus mehreren Ventilableitereinheiten
bestehen, bekannt, einen in der Regel kapazitiven Spannungsteiler parallel zu den
Funkenstrecken zu schalten, der jeder Funkenstrecke eine bestimmte Spannung zuteilt
und damit eine zuverlässige Zündung an den Funkenstrecken bei einer bestimmten Überspannung
sicherstellt. Die Parallelschaltung eines Spannungsteilers aus diesem Grunde erübrigt
sich bei einer Mehrfachfunkenstrecke der Erfindung, weil man von den einzelnen Funkenstrecken
keinen exakten Zündspannungswert erwarten kann, sondern der parallel geschalteten
Hilfsfunkenstrecke die einleitende Zündung überträgt. Die bekannte Verwendung von
Spannungsteilern bei. Ventilfunkenstrecken ist also kein Anläß zur Parallelschalturig
eines galvanischen Spannungsteilers zu einer Mehrfachfunkenstrecke mit einer parallel
geschalteten Hilfsfunkenstrecke mit in Reihe liegender Impedanz..
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Die Fig. 1 bis 3- zeigen Ausführungsformen der Erfindung-Fig. 1 zeigt
ihre prinzipielle Ausbildung, Fig.2 eine besondere Ausführungsform, während sich
Fig. 3 auf einen Hauptableiter bezieht, der aus einer größeren Anzahl Teilstrecken
besteht.
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In Fig. 1 ist der Apparat, der von der Überspan nungsschutzanordnung
geschützt wird, mit 1 bezeichnet. Er ist über seine AnschluZleiturngen 2 und 3 an
das elektrische Energiesystem angeschlossen. Handelt es sich um einen Apparat, z.
B. einen Kondensator, der in Reihe mit einer Kraftleitung geschaltet ist, wird der
Apparat 1 über die Anschlußleitungen2 und 3 an je einen Teil der Kraftleitung
angeschlossen, Ist dagegen der Apparat 1 zwischen .einer Kraftleitung und Erde eingeschaltet,
führt einer der Anschlüsse, z. B. der Anschluß 2, an Erde. Der Apparat 1 wird von
dem parallel angeordneten Hauptableiter 4 geschützt, welcher aus den Teilfunkenstrecken
4-: a und 4: b besteht. Parallel zu diesem Hauptableiter ist eint Spannungsteiler
5 angeordnet, der über seine Klemme 0 die Spannungsverteilung zwischen den Teilstrecken
4: a und 4: b: bestimmt, bevor diese gezündet -haben. Die Teilstrecken werden vorzugsweise
für die gleiche
Zündspannung ausgebildet, und die Klemme O liegt
in der Mitte des Spannungsteilers 5. Die Präzisionshilfsstrecke ist mit 6 und eine
in Reihe mit dieser liegende Impedanz mit 7 bezeichnet. 6 und 7 sind zwischen den
Klemmen N und Q des Spannungsteilers 5 angeschlossen. Die Klemfne
Q kann -auf jeder beliebigen Seite des Mittelpunktes O liegen, sie kann auch mit
diesem Mittelpunkt zusammenfallen.
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Um die Wirkungsweise aFAnördnung zu verstehen, geht man zweckmäßigerweise
davon aus, daß der gesamte Hauptableiter mit seinen zwei Teilstrecken 4: a und 4:
b die Spannung über dem Apparat 1 auf den Wert 100 Einheiten (z-B: 100 kV)
-begrenzen soll. Es wird angenommen, daß jede dieser Teilstrecken eine Zündspannung
von 60 bis 80 Einheiten besitzt. Bei einer Gesamtspannung von 100 Einheiten über
dem Apparat 1 liegt nur die Spannung 50 über jeder Teilstrecke, und keine von diesen
würde also zünden.. Es wird angenommen, daß die Präzisionshilfsstrecke 6 eine Zündspannung
von 60 Einheiten hat und am Spannungsteiler an. einen," Punkt Q angeschlossen ist,
der gegenüber dem Punkt N des Spannungsteilers eine Spannung 60 besitzt. Die Hilfsstrecke
6 zündet dann und überbrückt den Teil N-Q des Spannungsteilers. Eine neue Spannungsverteilung
tritt nun über den Teilstrecken 4: a und 4: b auf. Da die Reihenimpedanz 7 klein
im Verhältnis- zu der Impedanz Q-P des Spannungsteilers 5 ist, liegt praktisch die
ganze Spannung mit dem Wert 100 Einheiten zwischen den Ponten Q und P und damit
über der Teilstrecke 4: b, die nicht mit der Hilfsfunkenstrecke parallel geschaltet
ist. Die Teilstrecke 4: b zündet dann. Eine neue Spannungsverteilung tritt jetzt
ein. Diesmal wird der Teil 0-P des Spannungsteilers 5 durch den Überschlag in der
Teilfunkenstrecke 4: b kurzgeschlossen. Da die Reihenimpedanz 7 gegenüber dem inneren
Widerstand des Lichtbogens in der Teilstrecke 4: b groß ist, liegt jetzt fast die
ganze Spännung mit dem Wert 100 zwischen den Klemmen N-0 des Spannungsteilers 5
und demnach über der Teilstrecke 4: a. Auch diese zündet nun und läßt den Überstrom
passieren. Hierdurch wird die Hilfsstrecke 6 von diesem Strom entlastet und erlischt.
Beide Teilstrecken im Hauptableiter 4 haben nun gezündet, sie entlasten den Apparat
1 von dem Überstrom und begrenzen die Spannung über dem Apparat 1 auf einen annehmbaren
Wert. Um die
Entlastung der Hilfsstrecke 6 bei der Zündung der Teilstrecke
4: a zu erleichtern, wird die Reihenimpedanz 7 zweckmäßigerweise als spannungsabhängiger
Widerstand ausgebildet. Da dessen Widerstand mit abnehmendem Strom steigt, wird
der Strom noch mehr herabgesetzt, und das Löschen geschieht schnell und sicher.
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- In der Fig. 2 findet man auch den Apparat 1 mit den Anschlußleitungen
2 und 3 sowie den Hauptableiter mit den Teilstrecken 4: a und 4: b. Die Reihenimpedanz
7 der Hilfsstrecke 6 ist hier zweckmäßig ein spannungsabhängiger Widerstand, der
mit einer Induktanz 10 in Reihe geschaltet ist. Die Spannungsteilung wird von einem
resistiven Element 8 mit dem Teilen 8: a und 8: b sowie einem kapazitiven Element
9 mit den Teilen 9:a und 9:b bewirkt. Schließlich ist eirie Induktanz 11 vorgesehen,
die zwischen den Punkten V und S geschaltet ist. Der resistive Teil des Spannungsteilers
8 hat die Aufgabe, die richtige Verteilung bei 'Überspannungen verhältnismäßig niedriger
Frequenz zu erreichen, während der kapazitive Teil 9 die Spannungsverteilung bei
steilen Stößen bestimmt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 ist im wesentlichen die
gleiche wie für die Anordnung nach Fig. 1 beschrieben. Auch bei diesem Beispiel
kann man davon ausgehen, daß der Ableiter 4 die Spannung Über dem Apparat 1 auf
denn Wert 100 Einheiten-begrenzen soll und daß die Zündspannung jeder Teilstrecke
(4: a und 4: b) ungefähr bei dem Wert 70 liegt. Der Zündwert der Hilfsstrecke 6
kann zu 50 angenommen werden. Wenn die Spannung über dem Apparat 1 gerade den Wert
100 hat, besitzt die Spannung, die zwischen den Teilstrecken gleich verteilt wird,
zwischen den Punkten U-V den Wert 50. Die Hilfsstrecke 6 zündet dann. Die Kapazität
9: ca, die auf den Wert 50 aufgeladen war, entlädt sich nun über die Induktanz 10,
den Widerstand? und die Hilfsstrecke 6 auf den bedeutend niedrigeren Wert, der nach
der Zündung der Hilfsstrecke durch die geänderte Spannungsteilung bestimmt wird.
In diesem Kreis treten nun Schwingungen auf, die zur Folge haben, daß der Punkt
V gegenüber dem Punkt U ein Potential annimmt, das z. B. von einem positiven
Wert durch Null geht und kurzzeitig einen negativen Wert annimmt. Ist die Schwingung
verhältnismäßig ungedämpft, kann dieser negative Wert 50 Einheiten erreichen. Dies
bedeutet, daß über der Spannungsteilerstrecke V-W nicht nur die ganze über dem Apparat
1 liegende Spannung 100 erscheint, sondern auch die durch die Schwingungen verursachte
Spannungserhöhung 50. Die Teilstrecke 4: b erhält demnach eine Spannung von 150
Einheiten und zündet sehr bestimmt. Nun ändert sich die Spannungsteilung wieder
und wird von dem Verhältnis der Impedanzen 7 und 10 im Hilfsstreckenkreis einerseits
und dem inneren Widerstand des Lichtbogens in der Teilstrecke 4: b andererseits
bestimmt, wodurch fast die ganze Spannung 100 über der Teilstrecke 4: a entsteht.
Diese Spannung wird weiterhin durch einen Spannungszuschuß vergrößert, der von einer
Schwingung in dem aus der Kapazität 9: b, der Induktanz 11 und der Teilstrecke 4:
b bestehenden Kreis herstammt. Die Kapazität 9: b, die zuvor einen Spannungswert
zwischen 100 und 150 Einheiten hatte, entlädt sich nämlich über die Induktanz 11
und die Teilstrecke 4: b auf einen Wert annähernd Null, wobei das Potential in dem
Punkt V schwingt. Wenn man annimmt, daß V zuvor einen negativen Wert in bezog auf
das Potential im Punkt W gehabt hat, wird das Potential in V kurzzeitig positiv,
so daß die Spannung zwischen U und TV kurzzeitig auf annähernd 150 Einheiten
erhöht wird. Bei dieser Spannung über der Teilstrecke 4: a zündet diese sehr bestimmt.
Nun sind beide Teilstrecken im Hauptableiter 4 stromführend, wodurch der Apparat
1 und auch die Hilfsstrecke 6 von Überströmen entlastet und die Spannung über dem
Apparat 1 auf ungefährliche Werte begrenzt wird.
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Wenn der Hauptableiter 4 aus einer größeren Anzahl Teilstrecken besteht,
von denen nur eine oder einige wenige mit der Hilfsstrecke 6 parallel geschaltet
sind, besteht das Risiko, daß ohne weitere Maßnahmen die Spannungserhöhung, die
nach Zündung der Hilfsstrecke über den nicht parallel geschalteten Teilstrecken
entsteht, nicht hoch genug ist, um dort eine Zündung zu bewirken. Dieses Risiko
wird durch die Anordnung nach Fig.3 beseitigt. Dort ist ein Hauptableiter 4 gezeigt,
der aus sechs Teilstrecken 4: a, 4: b, 4: c, 4: d, 4: e, 4: f besteht.
Von diesen Teilstrecken ist nur die erste, 4: a, mit der Hilfsstrecke 6 und ihrem
Reihenwiderstand 7 parallel geschaltet. Um trotzdem eine sichere Zündung des Hauptableiters
zu erreichen, sind Kapazitäten 13:B, 13:C, 13:D, 13:E und 13: F zwischen
den Verbindungspunkten B, C, D, E und F zwischen den Teilstrecken einerseits
und
der äußeren KlemmeA andererseits angeschlossen. Diese Kapazitäten können entweder
besondere, zu diesem Zweck eingeschaltete Elemente sein, sie können jedoch auch
aus den Streukapazitäten der Funkenstrecken und des Spannungsteilers bestehen. Der
Spannungsteiler ist hier als eine Induktanz 12 mit den Teilstrecken 12: a, 12: b,
12: c, 12: d, 12: e, 12: f dargestellt. Er kann jedoch auch ein resistiver
Spannungsteiler sein. Die übrigen Bezeichnungen der Figur sind die gleichen wie
in den Fig. 1 und 2.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist die folgende: Man nimmt an, daß
die Spannung über dem Apparat l mit Hilfe des Hauptableiters 4 auf den Wert 100
Einheiten begrenzt werden soll und daß jede der Teilfunkenstrecken 4: a bis 4: f
eine Zündspannung von ungefähr 25 Einheiten hat. Durch den Spannungsteiler 12 wird,
bevor eine Funkenstrecke gezündet hat, die Spannung gleichmäßig verteilt, d. h.,
über jeder Teilstrecke und damit auch über der Hilfsstrecke 6 liegt ein Sechstel
der Gesamtspannung. Die Hilfsstrecke 6 wird zweckmäßig für eine Zündung von etwa
17 Einheiten ausgeführt. Wenn nun die Spannung über dem Apparat 1 auf den kritischen
Wert 100 ansteigt und damit die Spannung über der Hilfsstrecke 6 den Wert 17 Einheiten
annimmt, zündet diese, wodurch die Teilstrecke 4: a geshuntet und das Potential
B fast gleich dem Potential im Punkt A wird. Ohne die Kondensatoren 13 würden nun
die nicht geshun.teten Teile des Spannungsteilers 12 die Spannung 100 in fünf gleiche
Teile teilen, was bedeutet, d.aß über jeder verbleibenden Teilstrecke die Spannung
20 Einheiten entsteht. Eine Zündung würde nicht erfolgen. Die Kondensatoren 13 wiedersetzen
sich jedoch einer plötzlichen Potentialänderung auf Grund der Zeitkonstante in den
aus der Induktanz oder dem Widerstand 12 und der Kapazität 13 gebildeten Kreisen.
Dies hat zur Folge, daß beispielsweise im Punkt C einen kurzen. Augenblick nach
der Zündung der Hilfsstrecke 6 immer noch eine Spannung von 2 - 17 = 34 Einheiten
in Bezug auf die Klemme A herrscht. Da die Potentiale in den Punkten B und
A jetzt praktisch gleich sind, liegt also eine Spannung vom Wert 34 über
der Teilstrecke 4: b, und diese zündet sicher. Auch wenn die Strecke 4: b gezündet
hat, behält das Potential im Punkt D seinen ursprünglichen Wert, d.. h. ungefähr
3 - 17 Einheiten im Verhältnis zur Klemme A. Da jetzt der Punkt C praktisch das
gleiche Potential wie A hat, liegt eine Spannung von etwa 51 Einheiten über der
Teilstrecke 4: c, und diese zündet. In gleicher Weise schreitet die Zündung in den
verschiedenen Teilstrecken des Hauptableiters fort, wodurch die Spannung über den
Teilstrecken desto höher wird, je länger der Zündprozeß fortschreitet. Allmählich
haben alle Teilstrecken gezündet, auch 4: a, was bedeutet, d.aß der Apparat 1 und
auch die Hilfsstrecke 6 von Überströmen entlastet werden und daß die Spannung über
dem Apparat 1 auf einen ungefährlichen Wert begrenzt wird.
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Wie einleitungsweise hervorgehoben wurde, hat die Hilfsfunkenstrecke
die Aufgabe, Zündung bei einem genauen, beabsichtigten Spannungswert zu bewirken,
unabhängig von äußeren Faktoren, wie Luftdruck oder umgebende Temperatur. Gemäß
der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Hilfsstrecke hermetisch abgeschlossen
und beispielsweise mit trockenem Stickstoffgas von: Atmosphärendruck gefüllt wird,
so daß alle enthaltenen Teile unabhängig von der umgebenden Atmosphäre sind. Abdichtung
des Hilfsstreckengehäuses kann beispielsweise mit einer Gummidichtung vorgenommen
werden, die gegen die geschliffenen Anliegeflächen des Gehäuses gepreßt wird. Damit
die Zündspannung genau definiert und die Zündverzögerung klein sein soll, ist die
Hilfsstrecke weiterhin mit Anordnungen für Vorionisierung versehen:, z. B. mit Ionisierungsspitzen
an den Elektrodenplatten, die durch ihre spitze Form eine Feldkonzentration und
damit eine Vorionisierung zustande bringen. Da die Hilfsstrecke hermetisch abgeschlossen
ist, ist es schwer, den Elektrodenabstand einzustellen, um den gewünschten :genauen
Zündwert zu erhalten. Um bei einer aus mehreren Teilstrecken bestehenden Hilfsfunkenstrecke
die richtige Einstellung des Zündwertes zu erleichtern, werden auf ihrem Gehäuse
Metallschirme angebracht. Durch die kapazitive Streureaktanz, die hierdurch zwischen
den Funkenstrecken der Hilfsfunkenstrecke und dem Schirm entsteht, wird eine umgleiche
Spannungsverteilung hervorgerufen, die die Gesamtüberschlagsspannung der Hilfsstrecke
.herabsetzt. Wählt man. Schirme verschiedener Größe, kann man dann bei einer Hilfsstrecke,
die zweckmäßig für eine höhere Zündung ausgeführt war, diese Zündspannung auf den
genauen gewünschten Wert herabsetzen. Um die Zündspannungen der Hilfsstrecke bei
Betriebsfrequenz und bei. schnellen Stößen gegeneinander abwägen zu können, kann
die Hilfsstrecke mit hochohmigen Steuerwiderständen versehen werden. Diese werden
in bekannter Weise parallel zu den Teilstrecken eingeschaltet und. teilen die Spannung
über diesen in gewünschter Weise; in der Regel gleich. Hierdurch erhält man eine
genau definierte Zündung bei Betriebsfrequenz, während die Zündung bei schnellen
Stößen dadurch beeinflußt werden kann, daß man die Hilfsstrecke mit kapazitiven
Schirmen versieht. Es ist weiterhin wichtig, daß die Hilf sstrecke schnell ihre
Spannungsfestigkeit wiedererhält, nachdem der Lichtbogen in der Strecke erloschen
ist. Es kann nämlich vorkommen, daß der Lichtbogen im Hauptableiter 4 erlischt,
wenn der die Strecke durchfließende Strom durch Null geht, und daß eine Neuzündung
der Funkenstreckenanordnung erforderlich ist, wenn die Spannung während der nächsten
Halbperiode auf den kritischen Wert ansteigt. Zu diesem Zweck ist die Hilfsstrecke
aus einer Anzahl Teilstrecken zusammengesetzt. Unter anderem wegen der günstigerem
Kühlverhältnisse werden dann die Teilstrecken schneller entionisiert.