-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen HochspannungsabIeiter mit
mehreren in Reihe geschalteten Funkenstrecken und spannungsabhängigen Widerständen
sowie parallel zu den Funkenstrecken oder Reihenschaltungen einer Funkenstrecke
und eines spannungsabhängigen Widerstandes angeordneten Spannungsverteilungskondensatoren.
-
Die Ansprechspannung von Hochspannungsableitern der genannten Art
nimmt im allgemeinen für steile Spannungsstöße, deren Frontzeiten kleiner als etwa
1 #ts sind, zu. So hat es sich gezeigt, daß für eine Anstiegszeit von 0,5 lcs der
Stoßspannung bis zum Ansprechen des Ableiters die Ansprechspannung etwa 20
% höher liegt als für eine Anstiegszeit von 1 #ts. Die Zunahme der Ansprechspannung
für steile Spannungsstöße ist bedingt durch den Entladeverzug und die Aufladezeit
des Durchschlags. Bei Plattenfunkenstrecken mit annähernd homogenem Feld ist die
Zunahme weniger stark als bei den üblicherweise verwendeten, modernen, magnetisch
beblasenen Ableitern, die wegen der Wanderung des Lichtbogens auf eine verhältnismäßig
kleine Ansprechfläche angewiesen sind.
-
Der Entladeverzug läßt sich in bekannter Weise durch Vorionisation
der Funkenstrecke verringern. Jedoch läßt sich die Zunahme der Ansprechspannung
von einer bestimmten Steilheit der Stoßspannungen an durch eine Vorionisation nicht
weiter verkleinern, da die eine Zunahme der Ansprechspannung ebenfalls verursachende
Aufladezeit des Durchlags durch die Vorionisation nicht beeinflußt wird.
-
Zweck der Erfindung ist, den angeführten Nachteil bei den eingangs
genannten Hochspannungsableitern zu vermeiden. Erfindungsgemäß ist der Hochspannungsableiter
dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu mindestens einem der Kondensatoren eine
Impedanz geschaltet ist, um beim Auftreten einer Stoßspannung an der Funkenstrecke,
welcher der Kondensator zugeordnet ist, eine höhere Spannung zu erzeugen als an
den übrigen Funkenstrecken.
-
Die Impedanz kann als ohmscher Widerstand ausgebildet sein.
-
Die Impedanz kann auch als Induktivität ausgebildet sein, die mit
den mit ihr verbundenen Kapazitäten einen Schwingkreis bildet, um beim Auftreten
der Stoßspannung eine Schwingung zu erzeugen, deren Spannung sich der an der Funkenstrecke
liegenden, ansteigenden Spannung überlagert.
-
Die Erfindung wird anschließend an Hand von Figuren beispielsweise
erläutert. Es zeigt F i g. 1 in schematischer Darstellung ausschnittsweise einen
Hochspannungsableiter nach der Erfindung mit ohmschen Widerständen als Impedanzen,
F i g. 2 in schematischer Darstellung ausschnittsweise einen Hochspannungsableiter
mit Induktivitäten als Impedanzen, F i g. 3 eine graphische Darstellung des Spannungsanstiegs
an einer Funkenstrecke des Ableiters gemäß F i g. 2, F i g. 4 in schematischer Darstellung
eine weitere Ausführungsform des Schwingkreises eines Ableiters gemäß F i g. 2,
F i g. 5 im Schnitt eine Ausführungsform einer Induktivität des Ableiters gemäß
F i g. 2 oder 4.
-
In F i g. 1 ist schematisch ein Teil eines Hochspannungsableiters
dargestellt, der eine Mehrzahl von in Reihe abwechselnd angeordneten Funkenstrecken
1,
2, 3 und spannungsabhängigen Widerständen 4 aufweist. Jeder
Funkenstrecke 1, 2, 3 ist ein Kondensator 5 bzw. 6 bzw. 7 parallel geschaltet, um
eine gleichmäßige Aufteilung der abzuleitenden überspannung auf alle Funkenstrecken
zu erzielen. Die Anzahl der in Reihe angeordneten Funkenstrecken und spannungsabhängigen
Widerstände richtet sich natürlich nach der gewünschten Ansprechspannung des gesamten
Ableiters und den Ansprechspannungen der einzelnen Funkenstrecken. Hierbei können
die Spannungsverteilungskondensatoren 5, 6, 7 auch der .Reihenschaltung je einer
Funkenstrecke 1, 2, 3 mit einem Widerstand 4 parallel geschaltet sein.
-
In Reihe zu mindestens einem der Spannungsverteilungskondensatoren,
im dargestellten Ausführungsbeispiel in Reihe zu den beiden obersten Kondensatoren
5 und 6, ist je ein ohmscher Widerstand 8 bzw. 9 geschaltet. Durch die Anordnung
der Widerstände 8 und 9 wird die im folgenden beschriebene Wirkung
erzielt.
-
Beim Stoßvorgang fließt durch die Kondensatoren 5, 6, 7 ein kapazitiver
Strom, der direkt proportional zur Steilheit der Spannungswelle ist. An den Widerständen
8 und 9 entsteht deshalb eine von der Steilheit abhängige Spannung,
die sich zu der am zugehörigen Kondensator 5 bzw. 6 liegenden, ansteigenden Stoßspannung
addiert. Die beiden obersten Funkenstrecken 1 und 2 sprechen deshalb
bei einem Steilstoß früher an, da an diesen Funkenstrecken 1
und 2 eine höhere
Spannung als an den übrigen Funkenstrecken 3 liegt. Die beiden Funkenstrecken
1
und 2 stellen nach ihrem Ansprechen in der Anordnung der in Reihe
geschalteten Funkenstrecken einen Kurzschluß dar. Dadurch steigt die Spannung an
den übrigen Funkenstrecken 3 an, so daß auch an diesen Funkenstrecken eine höhere
Spannung als die über alle Funkenstrecken 1, 2, 3 verteilte momentane Stoßspannung
liegt und ein Ansprechen aller Funkenstrecken 3 bewirkt, ohne daß die am gesamten
Ableiter liegende Spannung bei einem Steilstoß den Wert der Ansprechspannung des
Ableiters für Normalstöße merklich überschreiten würde.
-
Die beispielsweise als Metallfilm ausgebildeten Widerstände
8 und 9 sind so zu dimensionieren, daß sich bei einem Normalstoß die
zusätzliche Spannung nur unbedeutend, bei einem Steilstoß jedoch möglichst stark
auswirkt. Als Beispiel sei angenommen, daß die Spannungsverteilungskondensatoren
5, 6, 7 eine Kapazität von je 40 pF und die in Reihe zu den Kondensatoren 5 und
6 geschalteten Widerstände 8 bzw. 9 einen Wert von je 10 kQ aufweisen. Zudem
sei angenommen, daß bei einem -Normalstoß die Spannung in 1 Rs auf 30 kV pro Stapel
des Ableiters steige, wobei die Ansprechspannung des Stapels bei 30 kV liegt, und
für einen Steilstoß die Spannung annähernd linear in 0,4 #ts auf 35 kV pro Stapel
ansteige. Es zeigt sich in diesem Fall, daß bei einem Normalstoß die Spannung an
den beiden oberen Funkenstreckenstapeln, also den Funkenstrecken 1
und
2 der schematischen Darstellung von F i g.1, wesentlich rascher ansteigt
als an den übrigen Funkenstrecken 3, nämlich in 1 is auf einen Maximalwert von 31,5
kV gegenüber einem Anstieg auf 30 kV in 2 l,s an den übrigen Stapeln.
-
Bei einem Steilstoß würde an den ersten beiden Funkenstrecken
1 und 2 eine Spannung von 35 kV bereits nach etwa 0,25 gs erreicht,
statt erst nach 0,4 #ts bei denjenigen Funkenstrecken 3, die keine
Widerstände
in Reihe zu ihren Spannungsverteilungskondensatoren aufweisen.
-
Durch die an Hand der F i g. 1 beschriebene Anordnung kann also die
bei einem Steilstoß üblicherweise auftretende Erhöhung der Ansprechspannung des
Ableiters vermieden werden, wobei gleichzeitig eine nur geringe Senkung der Ansprechspannung
bei einem Normalstoß in Kauf genommen werden muß, nämlich etwa 5 % im angeführten
Beispiel.
-
In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt, welches in vorteilhafter Weise einen noch flacheren Verlauf der Ansprechspannung
des Ableiters in Funktion der Anstiegszeit der Stoßspannung bewirkt. Der teilweise
dargestellte Hochspannungsableiter weist wiederum eine Mehrzahl von in Reihe abwechselnd
angeordneten Funkenstrecken 1, 2, 3 und spannungsabhängigen Widerständen 4 sowie
den Funkenstrecken parallelgeschalteten Spannungsverteilungskondensatoren 5, 6,
7 auf. In Reihe zu beispielsweise zwei Kondensatoren 5 und 6 ist nun je eine Induktivität
11 bzw. 12 geschaltet. Mit diesen Induktivitäten wird bezweckt, beim Auftreten einer
Stoßspannung eine Schwingung zu erzeugen, deren Spannung sich der an der betreffenden
Funkenstrecke 1 bzw. 2 liegenden, ansteigenden Spannung überlagert.
-
Die Induktivität 11 bzw. 12 bildet zusammen mit dem Kondensator 5
bzw. 6, mit welchem sie in Reihe geschaltet ist, sowie den weiteren, den Funkenstrecken
3 parallelgeschalteten Kondensatoren 7 und den Streukapazitäten eine schwingfähige
Anordnung. Wenn nun am gesamten Ableiter eine beispielsweise linear mit der Zeit
ansteigende Stoßspannung auftritt. so wird bei entsprechender Dimensionierung der
Induktivität eine Schwingung angeregt, deren Schwingungsdauer durch die Induktivitäts-
und Kapazitätswerte des Schwingkreises gegeben ist. An der Funkenstrecke 1 ist demnach
gemäß dem Diagramm von F i g. 3 der beispielsweise linear ansteigenden Stoßspannung
u. eine oszillierende Spannung u1 überlagert, die sich in ihrer ersten Halbperiode
zur Stoßspannung uo addiert und in der folgenden Halbperiode von ihr subtrahiert.
An der Funkenstrecke 1 (F i g. 2), die mit der Induktivität ausgerüstet ist,
liegt deshalb im Zeitpunkt des ersten Schwingungsmaximums eine um den Wert
AB höhere Spannung als an den übrigen Funkenstrecken 3, welchen bloß ein
Kondensator 7 parallel geschaltet ist. Diese Funkenstrecke 1 spricht also früher
an als die übrigen Funkenstrecken 3 und stellt in der Anordnung der in Reihe geschalteten
Funkenstrecken einen Kurzschluß dar. Dasselbe gilt für die Funkenstrecke 2. Dadurch
steigt die Spannung an den übrigen Funkenstrecken 3 an, so daß auch an diesen Funkenstrecken
eine höhere Spannung als die über alle Funkenstrecken 1, 2 und 3 verteilte momentane
Stoßspannung liegt und ein Ansprechen aller Funkenstrecken 3 bewirkt.
-
Die vorgesehene Induktivität 11 bzw. 12 bewirkt also primär an derjenigen
Funkenstrecke 1 bzw. 2, an welcher sie liegt, eine Spannungserhöhung der aufgeteilten,
angelegten Stoßspannung und sekundär an den übrigen Funkenstrecken 3 infolge vorzeitigen
Zündens der ersten Funkenstrecke 1 bzw. 2 ebenso eine Spannungserhöhung, so daß
die unvermeidbare Erhöhung der Ansprechspannung jeder Funkenstrecke für steile Spannungsstöße
durch eine Erhöhung der effektiv an jeder Funkenstrecke liegenden Spannung ausgeglichen
ist und somit die Ansprech-Spannung des Ableiters nicht mehr von der Anstiegszeit
der Überspannung abhängt. Zweckmäßigerweise wird hierbei die Induktivität so dimensioniert,
daß das erste Spannungsmaximum der angeregten Schwingung in das Zeitgebiet zu liegen
kommt, in welchem eine Zunahme der Ansprechspannung des Ableiters bei steil ansteigenden
Stoßspannungen vorliegt, also unterhalb 1 [ts vom Spannungsanstieg an gerechnet.
Die im Diagramm der F i g. 3 dargestellte oszillierende Spannung u1 weist z. B.
eine Schwingungsdauer von 2 #ts auf.
-
Die Anzahl der anzuordnenden Induktivitäten richtet sich nach der
Zahl der im Ableiter in Reihe geschalteten Funkenstrecken sowie nach dem Ausmaß
der gewünschten Kompensation des Anstiegs der Ansprechcharakteristik für steile
Stoßspannungen. Es ist zweckmäßig, bei etwa 15 bis 40 % aller in Reihe geschalteten
Funkenstrecken zu den jeweiligen Spannungsverteilungskondensatoren eine Induktivität
in Reihe zu schalten. Die erzielbaren Resultate lassen sich aus dem folgenden Ausführungsbeispiel
ersehen: Ein Hochspannungsableiter für eine Nenn-Netzspannung von 123 kV besteht
aus 13 zusammen mit je einem spannungsabhängigen Widerstand in Reihe geschalteten
Funkenstrecken für 9,5 kV. Jeder dieser Funkenstrecken ist ein Spannungsverteilungskondensator
von etwa 500 pF parallel geschaltet. Wird an einem solchen Ableiter die Ansprechspannung
bei Stoßbelastung für kurze Zeiten um 1 ls gemessen, so kann man feststellen, daß
für eine Zeit von 1 [,s die Ansprechspannung bei etwa 230 kV und für eine Zeit von
0,5 [s bei etwa 300 kV, also rund 30'/o höher liegt.
-
Wenn nun gemäß der neuen Anordnung in Reihe zu zwei der 13 Spannungsverteilungskondensatoren,
z. B. zum 1. und 4. Kondensator, je eine Spule geschaltet wird, deren Induktivität
etwa 500 [H beträgt entsprechend einer Schwingungsdauer von etwa 2 l,s, so verläuft
die Ansprechspannung des Ableiters horizontal auf dem Niveau von 230 kV bis zu einer
Stoßzeit von 0,5 #ts und steigt erst für kürzere Zeiten an. Eine noch weitergehende
Kompensation läßt sich dadurch erreichen, daß zu weiteren Spannungsverteilungskondensatoren
entsprechende Spulen in Reihe geschaltet werden. Werden beispielsweise insgesamt
fünf Spulen zum 1., 4., 7., 10. und 13. Kondensator in Reihe geschaltet, so verläuft
die Charakteristik der Ansprechspannung des Ableiters horizontal bis zu einer Stoßzeit
von 0,3 t.s.
-
Im beschriebenen Ausführungsbeispiel, das in F i g. 2 dargestellt
ist, wird die Induktivität 11 bzw.12 im wesentlichen mit dem zugehörigen Spannungsverteilungskondensator
5 bzw. 6 derart abgestimmt, daß eine Schwingungsdauer von beispielsweise 2 [s vorliegt.
Wenn nun beim vorgesehenen Ableiter die Spannungsverteilungskondensatoren eine wesentlich
kleinere Kapazität als der im Beispiel angenommene Wert von 500 pF aufweisen, z.
B. den üblichen Wert von 30 pF, so muß die Induktivität im Verhältnis 500:30 erhöht
werden. Eine kaum überwindbare Schwierigkeit bringt in diesem Fall die Forderung,
daß die Eigenkapazität der die Induktivität darstellenden Spule wesentlich kleiner
als 30 pF sein müßte.
-
Um diese Schwierigkeit zu umgehen, kann gemäß einer weiteren, in F
i g. 4 ausschnittsweise dargestellten Ausführungsform der Erfindung die Induktivität
statt mit der Kapazität des Spannungsverteilungskondensators mit einer zur Induktivität
parallelgeschalteten
Kapazität, z. B. der Eigenkapazität der Spule,
abgestimmt werden. Gemäß Fig. 4 ist in Übereinstimmung mit F i g. 2 parallel zur
Funkenstrecke 1 die Reihenanordnung des Spannungsverteilungskondensators 5 und der
Spule 11 geschaltet. Die Eigenkapazität der Spule 11 liegt als Kondensator 12 parallel
zur Spule 11 und bildet mit ihr zusammen einen Parallelschwingkreis. Die Induktivität
der Spule 11 ist mit ihrer Eigenkapazität wiederum so abgestimmt, daß die Schwingungsdauer
der durch die auftretende Stoßspannung oszillierenden Spannung etwa 2 j,s beträgt,
d. h. daß die oszillierende Spannung ihr erstes Maximum nach etwa 0,5 R,s erreicht.
Falls erwünscht, kann zusätzlich zur Eigenkapazität der Spule 11 ein äußerer Kondensator
13 parallel geschaltet werden.
-
Als Beispiel sei angenommen, daß die Spannungsverteilungskondensatoren
eines Ableiters einen Kapazitätswert von 30 pF aufweisen und daß ferner die Eigenkapazität
der Spule bzw. ihre Eigenkapazität zusammen mit der Kapazität eines der Spule parallelgeschalteten
Kondensators 15 pF betrage. In diesem Fall wird als Induktivität der Spule mit Vorteil
ein Wert von etwa 5,5 mI-I gewählt. Mit diesen Maßnahmen läßt sich bei einem Hochspannungsableiter
der an Hand der F i g. 2 vorbeschriebenen Art ein in gleicher Weise günstiger Verlauf
der Ansprechcharakteristik des Ableiters erzielen.
-
Um zu vermeiden, daß die am Schwingkreis erzeugte oszillierende Spannung
die Ansprechcharakteristik des Ableiters bei Überspannungen mit verhältnismäßig
langsamem Anstieg der Stoßspannung ungünstig beeinflußt, ist es von Vorteil, die
Schwingung zu dämpfen, um sie rasch abklingen zu lassen. Dies kann durch Anordnen
eines Dämpfungswiderstandes im Schwingkreis, z. B. eines Widerstandes 14 (Fig. 4),
in Reihe zur Spule 11 erfolgen.
-
In F i g. 5 ist eine Ausführungsform einer Induktivität dargestellt,
die als scheibenförmige Spule ausgebildet ist. Ein scheibenförmiger Wickelkörper
21 aus einem Isoliermaterial weist eine Nut 22 auf, in welcher eine z. B. aus emailliertem
Kupferdraht bestehende und auf mehrere Lagen verteilte Wicklung 23 untergebracht
ist. Der Wickelkörper 21 ist beidseitig mit je einem leitenden Flansch 24
bzw. 25, beispielsweise aus Messing, versehen. Der Wicklungsanfang 26 ist
mit dem einen Metallflansch 24 und das Wicklungsende 27 mit dem anderen Flansch
25 verbunden. Eine in der dargestellten Weise ausgebildete Spule läßt sich ohne
Schwierigkeiten zwischen den üblicherweise gestapelten Elementen eines Ableiters,
wie Funkenstrecken, Widerständen und Kondensatoren, einfügen, beispielsweise indem
der eine Flansch 24 an eine Endfläche eines Kondensators und der andere Flansch
25 an eine Endfläche einer Funkenstrecke anliegend angeordnet wird. Die Spule kann
hierbei sehr flach gebaut werden, beispielsweise mit einer Höhe von etwa 10 mm.