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Überspannungsableiter mit Löschfunkenstrecke und spannungsabhängigen
Widerständen mit erhöhtem Schutzwert überspannungsableiter mit Löschfunkenstrecke
und spannungsabhängigen Widerständen spielen heute in Hochspannungsanlagen eine
große Rolle zur Sicherstellung des sogenannten Schutzpegels, d. h. einer Spannungsgrenze,
und zwar einer StoßspannungsLyrenze, die bei der Beanspruchung einer Anlage mit
sehr hohen Überspannungen nicht überschritten weiden darf.
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Ausgehend von diesem Schutzpegel sind die sogenannten Isolationspegel
der Hochspannungseinrichtungen einer Anlage festgelegt, und zwar für die sogenannte
äußere Isolation, d. h. die Luftstrecken zwischen Leitern und Erde und auch parallel
zu Stützer-und Durchführungsisolatoren als unterer Isolationspegel, und für die
innere Isolation der Hochspannungsapparate, etwa von Transformatoren, Meßwandlern
und Schaltern, sowie von geöffneten Schaltertrennstrecken als sogenannter oberer
Isolationspegel. Diese beiden Isolationspegel sind Stehstoßspannungen, die von den
Geräten und -Isolatoren gehalten werden müssen.
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Es ist nun ohne weiteres einleuchtend, daß, je niedriger der Schutzpegel
gewählt werden kann, auch die Isolationspegel niedriger gewählt werden können, d.
h. aber, daß bei Anlagen, besonders sehr hoher Betriebsspannung, der Aufwand für
die Isolierung ganz erheblich reduziert werden könnte.
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Die Werte des Schutzpegels, wie sie heute in den entsprechenden Leitsätzen
und Regeln der anerkannten Verbände, etwa des Verbandes Deutscher Elektrotechniker,
festgelegt sind, sind durch die Charakteristik der L7berspannungsableiter bzw. deren
Begrenzungswiderstand gegeben. Beim gegenwärtigen Stand der Technik ist z. B. der
Schutzpegel für die Reihe 110 (d. h. für eine mittlere Betriebsspannung von 110
kV) bei einem Nennableiterstrom von 10 kA mit 425 kV festgelegt, der zugehörige
untere Pegel beträgt 505 kV, der obere 630 kV.
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Würde es gelingen, den Schutzpegel bei unverändertem Nennableitstoßstrom
um etwa 10 bis 20% zu senken, so könnten damit auch der untere und der obere Isolationspegel
entsprechend gesenkt werden. Damit lassen sich der Isolationsaufwand und auch der
Platzaufwand für die Hochspannungsanlagen erheblich reduzieren, desgleichen die
Kosten hierfür.
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Das Ziel der Absenkung des Schutzpegel ist einmal durch Verbesserung
der Charakteristik der spannungsabhängigen Widerstände möglich, durch Materialeigenschaften
sind hier aber bestimmte Grenzen gesetzt. Zwar ist auch schon vorgeschlagen worden,
die Restspannung einer überspannungsschutzein, richtung dadurch zu senken, daß zwei
Ableiter mit Löschfunkenstrecke und spannungsabhängigem Widerstand parallel geschaltet
werden, wobei zweckmäßig dann die Ansprechspannung derselben so festgelegt wird,
daß nach dem Ansprechen des einen Ableiters der zweite Ableiter unter der Einwirkung
der am ersten Ableiter auftretenden Spannung dann anspricht, wenn der Strom durch
den ersten Ableiter als Langzeitstromstoß dem Ableiter kritisch werden könnte.
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Eine derartige Einstellung der Ansprechspannung der beiden Ableiter
ist aber nicht ganz einfach, da, wie aus der Abbildung ersichtlich ist, die Spannung
an einem Ableiter nach dem Ansprechen um etwa 5 bis 1004 abfällt. Die Darstellung
der Spannung an einem Ableiter, wie sie in der Abbildung gegeben ist, gilt für einen
in eine Kopfstation eingebauten Ableiter. Als Abszisse ist die Höhe der auf einer
Freileitung anlaufenden L7berspannungswelle eingetragen, als Ordinate die Spannung
am Ableiter. Bis zum Erreichen der Ansprechspannung des Ableiters, die hier mit
etwa 300 kV angesetzt ist, verläuft die Spannung in der Station nach dem Kurvenstück
1. Das heißt, in der Kopfstation tritt zufolge der Reflexion die Spannung mit der
doppelten Höhe der einlaufenden Welle auf. Sobald im Punkt 2 der Ableiter anspricht,
tritt ein plötzlicher Spannungsabfall nach dem Punkt 3 ein, der sich zufolge des
Spannungsabfalls des durch den Ableiter fließenden Stromes an dem Wellenwiderstand
der vorgeschalteten Leitung ergibt. Dieser etwa 5 bis 100h betragende Spannungsabfall,
der bei relativ hoher Ansprechspannung der Ableiter auch noch größer werden kann,
wird im vorliegenden
Fall erst beim Nachfließen eines Stromes durch
den Ableiter von etwa 450 A wieder so weit kompensiert, daß die ursprüngliche Ansprechspannung
erreicht wird. (Bemerkt sei hier, daß der Verlauf der Spannung am Ableiter nach
dem Ansprechen vom Punkt 3 ausgehend durch die Kurve 4 dargestellt ist.) Den eben
genannten Strom von 450 A müßte im vorliegenden Fall der Ableiter -als. Langzeitstrom
führen können, da erst bei dessen überschreitung der zweite Ableiter anspricht und
den ersten entlastet. Das bedeutet aber, daß auch der erste Ableiter schon sehr
reichlich bemessen werden muß, und andererseits, daß die Ansprechspännung des zweiten
Ableiters sehr genau justiert werden muß. Die Zuschaltung eines dritten oder weiteren
Ableiters wird unter diesen Verhältnissen sehr schwierig.
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Es sind nun schon Wege aufgezeigt worden, welche die Parallelschaltung
von zwei überspannungsableitern ermöglichen bzw. deren gleichzeitiges Ansprechen
sicherstellen. Ausgegangen wird dabei von der Tatsache, daß durch Belichtung einer
auf eine bestimmte Ansprechspannung eingestellten Funkenstreckenanordnung, z. B.
auch einer Kugelfunkenstrecke, diese Ansprechsparmung ganz erheblich, bis zu 201/o
und noch mehr, herabgesetzt werden kann, wenn die fragliche Funkenstrecke durch
eine kräftige elektrische Entladung, etwa durch einen an einer zweiten Funkenstrecke
übergehenden Entladungsfunken oder Lichtbogen durch direkte Bestrahlung ionisiert
wird.
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Um nun eine besonders günstige Bauart von parallel geschalteten überspannungsableitern,
insbesondere mit Löschfunkenstrecke und spannungsabhängigen Widerständen, zu erhalten,
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, mindestens die Löschfunkenstrecken in einem
gemeinsamen Isoliergehäuse ohne Trennwand unterzubringen.
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Die überspannungsableiter bzw. deren Löschfunkenstrecken sind dabei
in einem gemeinsamen Isoliergehäuse ohne Trennwand so untergebracht, daß beim Ansprechen
eines Ableiters die zwischen den Elektroden der Löschfunkenstrecken auftretende
sehr kräftige Funken- bzw. Lichtbogenentladung den Entladungsraum der Löschfunkenstrecken
des parallel geschalteten Ableiters belichtet bzw. ionisiert und damit die Ansprechspannung
dieser Löschfunkenstrecke so weit erniedrigt, daß sie im Bruchteil einer Mikrosekunde
ebenfalls zum Ansprechen kommt.
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Sinngemäß zu einer Anordnung mit zwei parallel geschalteten überspannungsableitern
läßt sich auch eine Anordnung von drei und mehr überspannungsableitern angeben,
wobei dann zweckmäßig die Funkenstrecken in einem gemeinsamen Isoliergehäuse ohne
Trennwand so angeordnet werden, daß sämtliche von der Funkenstrecke des erstzündenden
Ableiters belichtet bzw. ionisiert werden.
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Für Ableiter hoher und höchster Nennspannung kann die Erfindung dann
nicht angewendet werden, wenn, wie teilweise üblich, die Löschfunkenstrecke konzentriert
in einem eigenen Isoliergehäuse untergebracht ist. Zum Aufbau von überspannungsableitern
hoher und höchster Spannung nach der Erfindung müssen daher diese Ableiter in sogenannte
Teilableiter unterteilt werden, wobei komplette Ableiter begrenzter Nennspannung
in einem gemeinsamen Gehäuse ohne Trennwand untergebracht sind. Zur Bildung von
Ableitern hoher Nennspannung ist dann eine entsprechende Zahl dieser Teilableiter
in Serie zu schalten. Um dann aber eine definierte Spannungsverteilung über die
Summe der Teilableiter sicherzustellen, empfiehlt es sich, in an sich bekannter
Weise die einzelnen Teilableiter bzw. deren Funkenstrecke derart zu steuern, daß
mindestens kurz vor dem Ansprechen des Ableiters die auf den Ableiter auftreffende
Spannung sich etwa linear oder nach einem gewünschten Gesetz aufteilt. Zweckmäßig
werden hierzu in an sich bekannter Weise Steuerwiderstände mit spannungsabhängiger
Charakteristik verwendet. In Verbindung mit der Eigen- und Erdkapazität der Teilableiter
läßt sich in an sich bekannter Weise erreichen, daß die Ansprechspannung frequenzabhängig
wird, etwa derart, daß bei niedriger Frequenz, vor allem bei Betriebsfrequenz, die
Spannung sich auf die überspannungsableiter linear verteilt, während bei Beanspruchung
der Ableiter mit rasch ablaufenden überspannungen, d. h. Spannungen mit hoher Ersatzfrequenz,
die Ansprechstoßspannung wesentlich kleiner wird als der Scheitelwert der Ansprechwechselspannung.
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Bei der Widerstandssteuerung der Teilableiter kann nun so vorgegangen
werden, daß zwischen den spannungsseitigen und erdseitigen Anschluß, also zwischen
die gemeinsamen Punkte der einzelnen Teilableiter, die Steuerwiderstände eingeschaltet
werden, oder auch so, daß die Funkenstrecken für sich gesteuert werden. Es ist dabei
nicht notwendig, jede der beiden Ableiterfunkenstrecken zu steuern, sondern es genügt,
wenn eine Funkenstrecke gesteuert wird.
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Hat einer der parallel geschalteten Ableiter ange= sprochen, so ist
die über der durchgeschlagenen Funkenstrecke abfallende Spannung praktisch gleich
Null, während bei den nicht angesprochenen Ableitern die Spannung über den Widerständen
praktisch nicht gleich Null ist, d. h., kurz vor dem Ansprechen der weiteren Ableiter
bestehen zwischen den an die Funkenstrecke angrenzenden Elementen der Widerstandsstapel
Spannungsdifferenzen, die unter Umständen erhebliche Abstände zwischen diesen Punkten
erforderlich machen können. Zweckmäßig wird daher-die Nennspannung der Teilableiter
auf Nennspannungen von etwa 5 bis 30 kV begrenzt, d. h. auf Spannungswerte, die
innerhalb der Widerstandsstapel mit einem wirtschaftlich tragbaren Abstand noch
beherrscht werden können.
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Im Interesse einer zuverlässigen, gegenseitigen Belichtung der einzelnen
Löschfunkenstrecken in einem gemeinsamen Isoliergehäuse ohne Trennwand ist es nützlich,
die Funkenstrecken der einzelnen Teilableiter auf einem entweder für die gesamten
Funkenstrecken gemeinsamen Trägerisolator zu befestigen oder auch auf jeweils einem
gemeinsamen Trägerisolator für die einzelnen Etagen der Funkenstrecke.
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Beim Aufbau mehrerer paralleler Ableiter in der vorgeschriebenen Weise
läßt sich nicht vermeiden, daß einer der parallelen Ableiter in seiner Ansprechspannung
am niedrigsten liegt. Das heißt, dieser Ableiter wird die häufigste Ansprechzahl
aufweisen, denn es ist grundsätzlich denkbar, daß die auf einen Ableiter der beschriebenen
Bauform aufgelaufene überspannung nur so groß ist, daß sie gerade nur zur Zündung
eines Ableiters ausreicht, und daß dann die Restspannung in diesem Ableiter so weit
zusammenbricht, daß ein zweiter Ableiter auch bei sehr starker Erniedrigung seiner
Ansprechspannung nicht mehr zur Zündung kommt. Ein solcher Fall könnte eintreten
bei Abschaltüberspannungen, die etwa aus der
Leerlaufabschaltung
eines Transformators herrühren. Der innere Widerstand der Überspannungsquelle ist
in diesem Fall so groß, daß nach dem Ansprechen eines Ableiters die Überspannung
praktisch vollständig zusammenbricht.
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Nach einer weiteren Erfindungsidee wird nun bewußt einer der parallel
geschalteten Ableiter in seiner Ansprechspannung so tief eingestellt, daß er mit
Sicherheit stets der erstansprechende Ableiter ist. Um diesen Ableiter jedoch nicht
zu überlasten, wird gleichzeitig vorgeschlagen, den Widerstandsstapel in bezug auf
seine Restspannung relativ hochohmig auszulegen, d. h. den Widerstandsstapel in
seinen elektrischen Daten so zu wählen, daß der aus dem Netz nach einer Zündung
des Ableiters nachfließende Strom sehr klein bleibt, so daß die Funkenstrecke und
damit der ganze erstansprechende Ableiter nur geringfügig beansprucht wird. Um diesen
erstansprechenden Ableiter auf Stoßspannung besonders empfindlich ansprechen zu
lassen, kann in an sich bekannter Weise eine Vorionisation für die Funkenstrecke
angewendet werden, die, sobald etwa die Ansprechspannung der Funkenstrecke erreicht
wird, zu einer Vorentladung führt, die ihrerseits den Entladeverzug der erstansprechenden
Funkenstrecke weitgehend aufhebt.