DE1513155B2 - Ueberspannungsableiter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke, der mindestens ein durch eine zweite Funkenstrecke überbrückter nichtlinearer Widerstand in Reihe geschaltet ist.

Aus der FR-PS 9 95 659 ist bereits ein Überspannungsableiter bekannt, der eine Reihenschaltung aus einer ersten Funkenstrecke, einem Widerstand, einem Schalter und einer Drossel enthält. Der den Widerstand, den Schalter und die Drossel enthaltende Teil der Reihenschaltung ist mit einer zweiten Funkenstrecke überbrückt. Der Widerstand kann aus irgendeinem "^- geeigneten Material, z. B. einem Metall, einer Flüssig-' "" ₇_ keit oder einem Halbleitermaterial bestehen. \|

Es ist ferner aus der FR-PS 10 64 556 ein Überspannungsableiter bekannt, der in Reihe zwischen der zu schützenden Leitung und Masse eine magnetisch beblasene Hörnerfunkenstrecke und eine Anzahl hintereinandergeschalteter spannungsabhängiger

Widerstände enthält.

Bei einem Überspannungsableiter der obenerwähnten Art fällt unter normalen Spannungsverhältnissen die gesamte Spannung an der Funkenstrecke ab, deren Widerstand im nicht gezündeten Zustand im Vergleich zum Widerstandswert des in Reihe geschalteten spannungsabhängigen Widerstandes praktisch unendlich ist. Wenn jedoch infolge eines Blitzschlages oder eines Schaltvorganges eine Überspannung auftritt, schlägt die Funkenstrecke beim Überschreiten eines bestimmten, von den Eigenschaften der Funkenstrecke abhängigen Spannungswertes durch, und es beginnt Strom durch den Überspannungsleiter nach Masse zu fließen. Unter einem spannungsabhängigen Widerstand oder Ventilwiderstand soll hier ein Widerstand verstanden werden, dessen Widerstandswert praktisch ver- / zögerungsfrei eine inverse Funktion der anliegenden Spannung ist. Bei Blitzüberspannungen nimmt der Überspannungsableiter daher einen sehr geringen Widerstandswert an, da der Spannungsabfall an der Funkenstrecke im Vergleich zur Blitzüberspannung sehr klein ist und die praktisch im vollen Umfang am spannungsabhängigen Widerstand abfallende Spannung dessen Widerstandswert augenblicklich auf einen relativ kleinen Wert herabsetzt. Durch den Überspannungsableiter fließen daher bei Blitzüberspannungen extrem hohe Ströme nach Masse, was verhindert, daß die Spannung auf der geschützten Leitung auf einen gefährlichen Wert ansteigt. Da Blitzüberspannungen eine nur kurze Dauer haben, nämlich wenige Mikrosekunden, leiden die stromführenden Teile des Überspannungsableiter trotz der extrem hohen Ströme keinen Schaden.

Die normale Betriebsspannung neigt nach dem Abklingen der Überspannung dazu, einen sogenannten Leistungsnachstrom durch den Überspannungsableiter fließen zu lassen. Da die normale Betriebsspannung jedoch sehr viel kleiner ist als die Blitzspannung, kann der Widerstandswert des spannungsabhängigen Wider-

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Standes so weit zunehmen, daß der Leistungsnachstrom auf einen Wert absinkt, bei dem die Funkenstrecke unterbricht.

Im Zuge der laufenden Erhöhung der Betriebsspannungen elektrischer Netze ist es üblich geworden, mehrere gleichartige Überspannungsableitereinheiten, die jeweils eine Funkenstrecke und ein Ventilelement (spannungsabhängiger Widerstand) enthalten, in Reihe zu schalten, da sich dann die Spannung am Überspannungsableiter besser verteilt als wenn alle Funkenstrekken am einen Ende und alle spannungsabhängigen Widerstände am anderen Ende wären. In der Praxis enthält eine typische Überspannungsableitereinheit eine Funkenstreckenanordnung, die eine Reihe von mehreren hintereinanderliegenden Einzelfunkenstrecken und ein Ventilelement enthält eine oder mehrere Scheiben aus einem Widerstandswerkstoff mit nichtlineärer Charakteristik. Die Nennspannung solcher Einheiten entspricht dem höchsten Effektivwert der Spannung für 60 Hz, bei der der Leistungsnachstrom noch unterbrochen werden kann. Eine bekannte Einheit hat z. B. eine Nennspannung von 6 kV, die sowohl für die Funkenstrecke als auch für das Widerstandselement gilt, da beide zu verschiedenen Zeiten ungefähr die gleiche Spannung aushalten müssen, nämlich das Widerstandselement den Spannungsabfall während des Leistungsnachstromes und die Funkenstrecke während der Erholungszeit nach der Unterbrechung. Ein für eine Nennspannung von 12 kV bestimmter Überspannungsableiter besteht dann also aus zwei solchen Einheiten in Reihenschaltung, ein Überspannungsableiter für eine Nennspannung von 48 kV enthält acht in Reihe geschaltete Einheiten. Die Einheiten werden gewöhnlich in einem länglichen Porzellangehäuse, das an beiden Enden elektrische Anschlüsse aufweist, aufeinander gestapelt. Der Länge eines solchen Gehäuses und damit der Nennspannung des in ihm befindlichen Überspannungsableiter sind jedoch praktische Grenzen gesetzt, und bei noch höheren Spannungen werden daher mehrere solcher Gehäuse in Reihe geschaltet.

Bei jüngeren Überspannungsableiter-Konstruktionen arbeitet man mit magnetischer Lichtbogenlöschung, wie sie schon länger bei Reihenunterbrechungsstellen von Leistungsschaltern angewendet wurde, um die Bogenspannung oder den effektiven Widerstand des Lichtbogens zu erhöhen mit dem Ziel, den Ventilwiderstand zu verkleinern oder sogar ganz überflüssig zu machen. Mit anderen Worten gesagt, ist der Gesamtwiderstand des Überspannungsabieiters die Summe aus dem Widerstandswert des Ventilwiderstandes und dem dem Spannungsabfall entsprechenden effektiven Widerstand der in Reihe geschalteten Überschlagstrecke.

Ein Problem bei der Konstruktion von Überspannungsableitern des obenerwähnten Typs besteht darin, die Gefahr einer Überhitzung durch die Energie der zu übernehmenden Schaltüberspannungen zu schützen, ohne dabei die Schutzwirkung gegen Überspannungen herabzusetzen. Schaltüberspannungen entstehen beim Ein- oder Ausschalten einer Fernleitung oder eines Kabels durch öffnen bzw. Schließen eines Schalters od. dgl. Die entstehenden Schaltüberspannungen sind oft hoch genug, um den Überspannungsableiter ansprechen zu lassen, und der Überspannungsableiter muß dann die in der Leitung gespeicherte Energie vernichten. Die in einer Fernleitung oder einem Kabel gespeicherte Energie ist gleich Clß/2, dabei bedeuten C die Kapazität der Leitung oder des Kabels und U die Spannung, auf die die Leitung oder das Kabel aufgeladen sind. Da die maximale Ladespannung der Betriebsspannung der Anlage proportional ist, nimmt die gespeicherte Energie ungefähr mit dem Quadrat der Betriebsspannung zu. Bei einer Betriebsspannung von 230 VNetf zwischen den Phasen eines 60-Hz-Drehstromnetzes ist die durch eine Blitzüberspannung und den Leistungsfolgestrom verursachte Gesamtbelastung des Überspannungsabieiters ungefähr gleich der Schaltüberspannungsbelastung. Bei Spannungen von 345 kV und darüber, bei Kabeln schon bei geringeren Spannungen, nehmen die Belastungen durch Schaltüberspannungen solche Werte an, daß sie zu einem akuten Problem werden. Kabel sind in dieser Hinsicht ungünstiger als Freileitungen, da ihre Kapazität pro Längeneinheit größer ist Bei Freileitungen ist die Länge normalerweise proportional der Spannung. Da man bei höheren Betriebsspannungen jedoch Bündelleiter verwendet, nimmt die Kapazität stärker als proportional mit der Länge zu, so daß mit zunehmender Leitungslänge gewöhnlich sowohl U als auch C, die beide als Faktoren in die Gleichung für die Schaltüberspannungsenergie eingehen, zunehmen.

Es gibt im wesentlichen zwei Möglichkeiten, unzulässige Erwärmungen infolge der bei Schaltüberspannungen auftretenden Belastung zu vermeiden: 1. Das Volumen des Ventilwiderstandsmaterials pro Nennlasteinheit bei gleichbleibendem Widerstandswert zu vergrößern, so daß die Wärmekapazität dieses Widerstandes und damit seine thermische Belastbarkeit zunehmen, und 2. den effektiven Widerstand der Funkenstrecke zu vergrößern, so daß diese einen nennenswerten Teil der Energie der Schaltüberspannung übernimmt Beide Maßnahmen haben ihre Vorzüge und sind bei Spannungen bis einschließlich 345 kV angewendet worden. Bei Betriebsspannungen von 500 kV und 700 kV und bei Hochspannungskabeln wird die zu vernichtende Energie zu groß, da sowohl C als auch U erheblich angestiegen sind. Außerdem werden die die Schaltüberspannungen begleitenden Entladungsströme so groß, daß eine thermische Überlastung der Funkenstrecke eintritt, wenn man nicht zur Begrenzung der Stromamplitude den Widerstand des Überspannungsabieiters erhöht. Dies kann-durch Erhöhen des Widerstandswertes des Ventilelements (nichtlinearen Widerstandes) oder der Anzahl der Ventilelemente geschehen, hierdurch wird jedoch auch die bei atmosphärischen Entladungen am Überspannungsableiter auftretende Spannung vergrößert und die Schutzwirkung gegen Überspannungen wird dementsprechend herabgesetzt Diese Maßnahmen führen daher für sich alleine nicht zu befriedigenden Ergebnissen.

Man hat auch schon versucht, diese sich im Hinblick auf atmosphärische Entladungen ergebenden Schwierigkeiten dadu-ch zu lösen, daß man den zusätzlichen Widerstand, der den Strom bei Schaltüberspannungen begrenzen und zur Energievernichtung beitragen soll, mit einer gewöhnlichen Löschfunkenstrecke zu überbrücken, die bei atmosphärischen Entladungen (Blitzschlägen) zündet nicht jedoch bei den niedrigeren Schaltüberspannungen. Der zusätzliche Widerstand wird dann also bei atmosphärischen Entladungen durch die Löschfunkenstrecke kurzgeschlossen, während er bei Schaltüberspannungen wirksam bleibt und den dabei auftretenden Entladungsstrom begrenzt.

Die zuletzt erwähnte Anordnung hat jedoch eine Reihe von Nachteilen. Einerseits trägt der zusätzliche Widerstand nämlich nicht zur Begrenzung des Lei-

stungsnachstromes zur Verfügung, der auf eine atmosphärische Entladung folgt. Andererseits ist die Einstellung der Impulszündspannung der Parallelfunkenstrecke sehr kritisch, und sie muß ziemlich hoch sein, da der Überspannungsableiter durch den Schaltüberspannungen begleitenden extrem hohen Strom zerstört würde, wenn die Parallelfunkenstrecke bei einer außergewöhnlich hohen Schaltüberspannung zündet und der Strom dann nicht durch den kurzgeschlossenen Zusatzwiderstand begrenzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsableiter für sehr hohe Betriebsspannungen anzugeben, der eine relativ niedrige Ansprechspannung hat und auch energiereiche Schaltüberspannungsimpulse sicher zu beherrschen vermag.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.

Der Überspannungsableiter gemäß der Erifndung eigent sich insbesondere zum Schutz von Drehstromanlagen, bei denen die Betriebsspannungen von Phase zu Phase 230 kV, insbesondere 345 kV übersteigen, also beispielsweise 500 kV, 700 kV und mehr betragen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 eine vereinfachte Darstellung einer nicht strombegrerizenden Löschfunkenstrecke, die bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung verwendet werden kann,

F i g. 3 eine vereinfachte Darstellung einer Überbrükkungs- oder Stromschaltfunkenstrecke für die in F i g. 1 dargestellte Anordnung,

F i g. 4 eine F i g. 1 entsprechende schematische Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform, die sich insbesondere für niedrigere Nennspannungen eignet,

F i g. 5 eine vereinfachte Darstellung strombegrenzender Funkenstrecken, die bei der in F i g. 4 dargestellten Anordnung Verwendung finden können,

F i g. 6 ein Diagramm mit typischen Spannungs-Strom-Kennlinien der wesentlichen Schaltungselemente der in F i g. 1 und 4 schematisch dargestellten Anordnungen,

F i g. 7 graphische Darstellungen des zeitlichen Verlaufes von Strömen, wie sie bei der Unterbrechung eines Leistungsnachstromes in einem Überspannungsableiter gemäß der Erfindung auftreten, und

Fig.8 graphische Darstellungen des zeitlichen Verlaufes von Strömen beim Auftreten von Schaltüberspannungen.

Der in F i g. 1 schematisch als Blockschaltbild dargestellte Überspannungsableiter hat eine Nennspannung von ν Volt und besteht aus π Einheiten, die in Reihe geschaltet sind und jeweils eine Nennspannung von ν Volt haben. Jede Einheit besteht aus einer Löschfunken-Streckeneinheit 2, einem Ventilwiderstand 3 als Hauptventilwiderstand, einem Ventilwiderstand 4 als Hilfsventilwiderstand zur Vernichtung der Energie von Schaltüberspannungen, und einer den Ventilwiderstand 4 überbrückenden Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5. Wie eingangs erwähnt, haben die einzelnen spannungsabhängigen Ventilwiderstände und Funkenstreckeneinheiten jeweils eine der Nennspannung der ganzen Einheit entsprechende Nennspannung von ν Volt.

F i g. 2 zeigt die wesentlichen Einzelheiten einer nicht strombegrenzenden Löschfunkenstreckeneinheit 2, wie sie bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung verwendet werden kann. Die Löschfunkenstreckeneinheit 2 enthält, wie dargestellt, mehrere in Reihe geschaltete Teilfunkenstrecken in Form von Hörnerfunkenstrecken 6, zwischen Platten 7,8 aus einem porösen keramischen Werkstoff, deren aneinander angrenzende Flächen eine Kammer bilden, in der sich ein zwischen den Elektroden der Hörnerfunkenstrecke bildender Bogen selbsttätig durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem von den Anschlußklemmen durch die Elektroden und den Lichtbogen fließenden Strom und dem begleitenden Magnetfeld verlängert und gekühlt wird. Wie dargestellt, hat jede Hörnerfunkenstrecke 6 zwei Elektroden, die sich von ihren Anschlußpunkten aus gesehen zuerst nähern und dann nach dem Punkt minimalen Abstandes wieder auseinanderlaufen. Der Überschlag tritt am Punkt minimalen Abstandes auf, für den daher enge Toleranzen eingehalten werden. Der Hauptzweck dieser Konstruk- -,. tion besteht darin, den Bogen vom Überschlagbereich'-:- längs der Elektroden rasch nach außen zu treiben, so g daß ein Abbrand der Elektroden im Bereich minimalen * Abstandes und damit eine Änderung der Übergangsspannung nach Möglichkeit vermieden werden. Jeder Hörnerfunkenstrecke 6 ist vorzugsweise eine Vorionisierungsfunkenstrecke 9 parallel geschaltet, die über eine öffnung 10 in den Platten 7, 8 in Sichtverbindung mit dem Überschlagsbereich steht. Die Vorionisierungsfunkenstrecke kann in bekannter Weise ausgebildet sein und beispielsweise zwei Elektroden enthalten, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Isolierkörpers angeordnet sind und die gewünschte Vorionisation der Funkenstrecke durch die elektrische Beanspruchung des Kriechweges um den Isolierkörper bewirken. Den Hörnerfunkenstrecken 6 ist außerdem ein Widerstandselement 11 parallel geschaltet, das eine gleichmäßige Aufteilung der 60-Hz-Betriebswechselspannung auf die in Reihe geschalteten Hörnerfunkenstrecken 6 gewährleistet.

In Fig.3 sind die wesentlichen Einzelheiten einer Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 (F i g. 1) dargestellt, die außer einer Reihe von den Hörnerfunkenstrecken 6 f (Fig.2) entsprechenden, in Reihe geschalteten Entla- ν dungsstrecken 6' (Hörner-Teilfunkenstrecken) noch eine Mangnetspule 12 enthält, die zum Schutz gegen Überspannungen und um eine gewünschte Stromschaltcharakteristik zu erreichen, durch eine als Hörnerfunkenstrecke ausgebildete Entladungsstrecke 6" überbrückt ist. Die Entladungsstrecken 6' und 6" sind zwischen porösen Keramikplatten T, 8' eingeschlossen, die den Platten 7,8(Fi g. 2) ähneln mit der Ausnahme, daß sie im Inneren der Bogenkammer Zähne 13 aufweisen, durch die ein gewundener Weg für die Verlängerung des Lichtbogens gebildet wird und die Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 im Vergleich zur Löschfunkenstreckeneinheit 2 eine verhältnismäßig hohe Bogenbrennspannung hat. Außer durch die Vorionisierungsfunkenstrecken 9 und die Widerstandselemente 11 ist mindestens ein Teil der Entladungsstrekken 6' durch als Zündhilfekondensatoren arbeitende kapazitive Elemente 14 unterschiedlichen Kapazitätswertes überbrückt, so daß steile Überspannungen, wie sie durch Blitzschläge oder Schaltvorgänge entstehen, ungleichmäßig auf die Teilfunkenstrecken aufgeteilt werden und diese dann der Reihe nach zünden, so daß

die Zündspannung der Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 als Ganzes herabgesetzt wird.

Wenn im Betrieb an der in Fig.3 dargestellten Anordnung eine durch einen Blitzschlag oder einen Schaltvorgang verursachte Überspannung auftritt, zünden die einzelnen Teilfunkenstrecken praktisch augenblicklich nacheinander. Eine Beschädigung der Magnetspule 12 wird durch das Zünden der Entladungsstrecke 6" verhindert. Nach dem Zünden nimmt die Brennspannung der Bögen zwischen den Hörnerelektroden zu, und der die Magnetspule 12 durchfließende Strom wächst daher ebenfalls, wobei ein Magnetfeld entsteht, das das Eigenmagnetfeld der Hörnerfunkenstrecken verstärkt und die Lichtbögen längs der divergierenden Hörnerelektroden nach außen in die Bogenkammer und gegen die Zähne 13 sowie in die porösen Keramikplatten T, 8' treibt. Diese Wirkung nimmt progressiv zu, da der Spulenstrom mit wachsender Spannung zwischen den Elektroden der Entladungsstrecken 6" zunimmt und damit auch das auf die Bögen einwirkende Magnetfeld. Auf diese Weise steigen der Gesamtspannungsabfall an den Lichtbögen oder die Bogenspannung innerhalb weniger hundert Mikrosekunden auf einen verhältnismäßig großen Wert an, der die Hälfte und mehr der Überschlagsspannung betragen kann und die Zündspannung der Funkenstreckeneinheit geringfügig übersteigt.

Fig.4 zeigt eine etwas abgewandelte Ausführungsform 15 eines Überspannungsabieiters gemäß der Erfindung, der η in Reihe geschaltete Abschnitte enthält, die jeweils aus einer Anzahl gleichartiger Einheiten bestehen. Es sind beispielsweise drei solcher Einheiten dargestellt und außerdem ein zur Vernichtung von Schaltüberspannung dienender Ventilwiderstand 4', der durch eine Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 überbrückt ist. Die Einheiten entsprechen jeweils den in Fig. 1 dargestellten Einheiten mit der Ausnahme, daß hier Reihenfunkenstreckeneinheiten 2' in Form von strombegrenzenden Funkenstreckeneinheiten verwendet werden. Ein Beispiel einer solchen strombegrenzenden Funkenstreckeneinheit ist in F i g. 5 dargestellt.

Sowohl in F i g. 1 als auch in F i g. 4 können die Ventilwiderstände 3, 4 identisch sein, dies ist jedoch nicht wesentlich. Die Ventilwiderstände 3,4 bestehen in bekannter Weise aus einem Widerstandsmaterial mit nichtlinearem spannungsabhängigem Widerstandswert. Im allgemeinen werden eine oder mehrere Scheiben aus einem solchen Material verwendet.

F i g. 5 zeigt Einzelheiten einer bevorzugten Ausführungsform einer strombegrenzenden Reihenfunkenstreckeneinheit 2'. Die Reihenfunkenstreckeneinheiten 2' entsprechen weitgehend der in F i g. 3 dargestellten Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 mit der Ausnahme, daß eine Magnetspule 12' verwendet wird, die aus einem Werkstoff höheren Widerstandes gefertigt ist als die Magnetspule 12, damit das erzeugte Magnetfeld und damit die Bogenspannung nicht so rasch ansteigen. Im allgemeinen können auch die bei F i g. 3 vorhandenen, als Zündhilfekondensatoren dienenden kapazitiven Elemente 14 entfallen.

F i g. 6 zeigt zur Erläuterung der Arbeitsweise der in den F i g. 1 und 4 dargestellten Überspannungsableiter beim Auftreten von Schaltüberspannungen den ungefähren Verlauf der Spannungs-Strom-Kennlinien der verschiedenen Bauelemente dieser Überspannungsableiter. Die Gerade Uo stellt die Spannung pro 6-kV-Einheit dar, auf die eine durch einen Überspannungsableiter geschützte Leitung durch einen Schaltvorgang gebracht wurde. Die Leitung hat eine endliche Impulsimpedanz Z, so daß der durch die Leitung fließende Impulsstrom einen Spannungsabfall /Z verursacht, hierbei ist / der Impulsstrom. Der Spannungsabfall an der Leitungsimpedanz Z ist durch den senkrechten Pfeil /Z dargestellt, und die am Überspannungsableiter abfallende Gesamtspannung ist daher gleich der Leitungsspannung i/o abzüglich des Spannungsabfalles /Z und entspricht für eine Einheit und die verschiedenen Impulsströme der Spannung Ug. Unter der Annahme, daß die in den F i g. 1 und 4 dargestellten Einheiten für eine Nennspannung von 6 kV ausgelegt und daß die spannungsabhängigen Ventilwiderstände 3, 3', 4,4' gleich sind, ergibt sich für die Ventilwiderstände eine typische Strom-Spannungskennlinie, wie sie durch die Kurve W in F i g. 6 dargestellt ist. Die Spannungs-Strom-Kennlinie der nicht strombegrenzenden Löschfunkenstreckeneinheit 2 ist durch die gestrichelte Gerade F2 dargestellt. Die mit F5 bezeichnete Kurve stellt die Strom-Spannungskennlinie der Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 (F i g. 1 und 2) und die Kurve Fb stellt die Spannungs-Strom-Kennlinie der strombegrenzenden Reihenfunkenstreckeneinheit 2' (F i g. 4 und 5) " dar. Die Kennlinien für die Ventilwiderstände, die Stromschaltfunkenstreckeneinheiten und die strombegrenzenden Funkenstrecken gelten alle für die erwähnten Einheiten selbst und nicht für Parallel- und/oder Reihenschaltungen dieser Schaltungselemente.

Wenn die Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 des in Fig. 1 dargestellten Überspannungsabieiters beim Auftreten einer Schaltüberspannung nicht zündet, wird der Strom auf etwa 550 A begrenzt, und die an den einzelnen Ventilwiderständen 3,4 abfallende Spannung beträgt dabei etwa die Hälfte der Gesamtspannung für die Einheit, die hier etwa 12,8 kV ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Strom bei jeder einzelnen Einheit durch die beiden gleichen, in Reihe geschalteten Ventilwiderstände 3,4 begrenzt wird, die verhältnismäßig geringe Spannung an den nicht strombegrenzenden Löschfunkenstreckeneinheiten 2 kann dabei vernachlässigt werden. Die beiden Ventilwiderstände 3,4 arbeiten dabei im Punkt a der Kennlinie W.

Wenn die Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 (Fig. 1) jedoch bei einer Schaltüberspannung ebenfalls zündet, beginnt der Strom auf einen Wert anzusteigen, der allein durch den Ventilwiderstand 3 bestimmt wird und 1000 Ampere und mehr betragen kann. Bei solchen Strömen ist die Spannung am Ventilwiderstand 4 und der ihm parallelliegenden Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 dann gleich der Differenz zwischen der Gesamtspannung an der Einheit und der Spannung am Ventilwiderstand 3. Diese Spannung ist in F i g. 6 durch die strichpunktierte Linie Uk dargestellt. Innerhalb weniger Mikrosekunden beginnt sich die Spannung an der Parallelfunkenstrecke zu erhöhen und der Strom nimmt so lange ab, bis sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat, der einem Strom von etwa 570 Ampere entspricht. Die Gesamtspannung am Überspannungsableiter beträgt dann 12,7 kV. Die Spannung am Ventilwiderstand 3 ist dabei etwa 6,5 kV entsprechend einem Arbeitspunkt b auf der Kennlinie W. Der den überbrückten Ventilwiderstand 4 durchfließende Strom beträgt etwa 520 A und die entsprechende Spannung ist etwa 6,2 kV, was dem Arbeitspunkt c auf der Kennlinie W entspricht Die Gesamtspannung am Überspannungsableiter ist dementsprechend 6,2+6,5 = 12,7 kV, wobei wieder der kleine Spannungsabfall an der nicht strombegrenzenden Löschfunkenstreckeneinheit 2 vernachlässigt ist. Durch die Parallelfunkenstrecke fließt

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dabei ein Strom von 570 —520=50 A, entsprechend dem Arbeitspunkt d auf der Kennlinie Fs, und die Spannung an der Parallelfunkenstrecke ist nahezu 6,2 kV entsprechend der Spannung am überbrückten Ventilwiderstand 4. Der Stromkreis befindet sich unter diesen Umständen im Gleichgewicht. Es ist ersichtlich, daß der Stromkreis sehr rasch nach einem Zünden der parallelliegenden Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 einen Zustand annimmt, der dem Zustand bei nichtgezündeter Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 weitgehend entspricht und bei dem der Ventilwiderstand 4 zur Begrenzung des bei einer Schaltüberspannung auftretenden Stromes und zu einer Vernichtung der Energie der Schaltüberspannung zur Verfügung steht.

Die sich mit weniger überbrückten Ventilwiderständen 4' und Verwendung von strombegrenzenden Reihenfunkenstreckeneinheit 2' entsprechend Fig.4 beim Auftreten von Schaltüberspannungen ergebende Arbeitsweise entspricht der oben beschriebenen Arbeitsweise mit der Ausnahme, daß an den strombegrenzenden Reihenfunkenstreckeneinheit 2' eine Spannung abfällt, die durch die Kennlinie Fs in F i g. 6 gegeben ist. Bei dem Leistungsnachstrom, der auf eine durch einen Blitzschlag verursachte Überspannung folgt, ist die Gesamtspannung beim Scheitelwert der Betriebsspannung für ein 6-kV-Modul nur 6 kV χ \β=8,48 kV. F i g. 6 zeigt, daß die in F i g. 1 und 4 dargestellten Überspannungsableiter den Strom bei dieser niedrigen Spannung ohne Schwierigkeiten auf einen kleinen Wert herabdrücken können.

Der zeitliche Verlauf des Leistungsnachstromes ist in Fig.7 dargestellt. Fig.7a zeigt zum Vergleich die Dauer einer durch einen Blitzschlag verursachten Überspannung Ub und eine Halbwelle Hder 60-Hz-Betriebsspannung. Die Kurve in F i g. 7b zeigt den Verlauf des Stromes durch den überbrückten Ventilwiderstand 4. Fig.7c zeigt den entsprechenden Strom in der parallelen Stromschaltfunkenstreckeneinehit 5. Die ausgezogene Kurve in Fig.7d zeigt, daß der den Überspannungsableiter durchfließende Gesamtstrom rasch auf Null absinkt und daß dies vor dem Null-Durchgang der 60-Hz-Betriebsspannung eintreten kann. Die gestrichelten Kurven in Fig.7c und 7d entsprechen dabei dem Strom in der Parallelfunkenstrecke und dem Gesamtstrom für den Fall, daß die Parallelfunkenstrecke eine einfache, nicht strombegrenzende oder Löschfunkenstrecke entsprechend der Löschfunkenstreckeneinheit 2 in F i g. 1 und 2 ist. Durch die Verwendung einer strombegrenzenden Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 in Kombination mit einem überbrückten Ventilwiderstand ergibt sich also eine sehr viel wirksamere Begrenzung des Leistungsnachstromes.

F i g. 8 zeigt beispielsweise den zeitlichen Verlauf von Strömen in einer Einheit des in F i g. 1 dargestellten Überspannungsabieiters bei Schaltüberspannungen. In F i g. 8 ist dabei der Gesamtstrom durch den Überspannungsableiter dargestellt, der rasch auf einen hohen Wert ansteigt und dann dadurch schnell und drastisch durch die Wirkungsweise der strombegrenzenden Stromschaltfunkenstreckeneinheit 5 herabgesetzt wird, die eine Übernahme eines Großteils des Stromes durch den zusätzlichen Ventilwiderstand 4 bewirkt, so daß der Gesamtstrom in wenigen hundert Mikrosekunden bei dem dargestellten Beispiel von 1800 A auf 600 A abfällt. Nach etwa 2700 Mikrosekunden wird die Überspannung in der Leitung reflektiert, so daß der Strom auf einen Wert von etwa 150 A absinkt, den er beibehält, bis bei etwa 5400 Mikrosekunden die nächste Reflexion auftritt. Der Gesamtstrom im Überspannungsableiter wird durch die aufeinanderfolgenden Reflexionen schließlich bis auf Null herabgesetzt. Wegen der in F i g. 6 dargestellten Eigenschaften der Parallelfunkenstrecke löscht diese nach der ersten Reflexion, wie in Fig.8b dargestellt ist, die den Strom durch die Parallelfunkenstrecke zeigt. Während der folgenden Reflexionen fließt der gesamte Ableiterstrom sowohl durch den Ventilwiderstand 4 als auch durch den in Reihe liegenden Ventilwiderstand 3. Der Strom durch den durch die Funkenstrecke überbrückten Ventilwiderstand ist in Fig.8c dargestellt, er sinkt bei den aufeinanderfolgenden Reflexionen progressiv ab, bis die ganze Energie der Überspannung vernichtet ist.

Der in Fig.4 dargestellte Überspannungsableiter arbeitet im wesentlichen wie der der F i g. 1 mit der Ausnahme, daß die Energie der Schaltüberspannung und des Nachfolgestromes durch die strombegrenzende Reihenfunkenstreckeneinheit 2' vernichtet wird. Bei sonst ungeänderten Verhältnissen ist der in Fig.4 dargestellte Überspannungsableiter weniger für Höchstspannungen geeignet als der in F i g. 1 dargestellte Ableiter, da nicht nur der Gesamtwiderstand der Ventilwiderstände kleiner ist, sondern auch da die bei Höchstspannungen sehr hohen Schaltüberspannungsenergien zu einer Überhitzung von strombegrenzenden Funkenstrecken und damit einer Beeinträchtigung ihrer Arbeitsweise führen können. Aus diesem Grunde werden bei F i g. 1 nicht strombegrenzende Funken-Streckeneinheiten 2 verwendet, die wesentlich weniger Energie übernehmen als strombegrenzende Funkenstreckeneinheiten. Bei geeigneter Wahl der Ventilwiderstandselemente können selbstverständlich die in F i g. 1 und F i g. 4 dargestellten Überspannungsableiter für jede gewünschte Nennspannung ausgelegt werden.

Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel hat der Überspannungsableiter einen Gesamtwiderstand R = R\ + i?2, wobei R\ das n-fache des~Widerstandwertes eines Ventilwiderstandes 3 und R2 das n-fache des Widerstandswertes des zusätzlichen Ventil-Widerstandes 4, der zur Vernichtung der Energie von Schaltüberspannungen und zur Begrenzung des Leistungsnachstromes dient, bedeuten. Der in Fig.4 dargestellte Überspannungsableiter hat einen Gesamtwiderstand R = R\ + R2, wobei hier R\ das 3n-fache des Widerstandswertes des Ventilwiderstandes 3' und R2 das η-fache des Widerstandswertes des Ventilwiderstandes 4' sind. In beiden Fällen ist R proportional dem Produkt aus dem Quadrat der Nennspannung Seiner zu schützenden Anlage und ihrer Kapazität gegen Masse, also der Schaltüberspannungsenergie. R\ ist der Maximalwiderstand, der hinsichtlich eines Schutzes gegen durch Blitzschläge verursachte Überspannungen zulässig ist und ist proportional der Nennspannung V des

Überspannungsabieiters oder in erster Näherung proportional der Nennspannung 5 der Anlage. R2 ist gleich dem zusätzlichen Widerstand, der benötigt wird, damit der Überspannungsableiter Schaltüberspannungen ohne Schaden standhalten kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

IO lüü Patentansprüche:

1. Überspannungsableiter mit einer Funkenstrekke, der mindestens ein durch eine zweite Funkenstrecke überbrückter nichtlinearer Widerstand in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Funkenstrecke aus einer in einer lichtbogenbegrenzenden Entladungskammer eingeschlossenen Entladungsstrecke (6") und einer Magnetspule (12), die koaxial zu dieser Entladungsstrecke und bei ihr angeordnet sowie ihr parallel geschaltet ist, besteht.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung mehrerer Entladungsstrecken (6', 6"), die koaxial übereinander in innen gezahnten Kammern aus porösem Werkstoff eingeschlossen sind.

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Reihenschaltung mehrerer Entladungsstrecken (6', 6"), die durch Niederfrequenzspannungsteiler-Widerstandselemente (11) überbrückt sind.

4. Überspannungsableiter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Entladungsstrecken (6') durch kapazitive Elemente (14) überbrückt sind, die eine solche Aufteilung hochfrequenter Spannungen bewirken, daß die Entladungsstrecken bei steilen Spannungsimpulsen der Reihe nach zünden.

5. Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Überspannungsableiter-Nennspannung für ein Dreiphasennetz, welche um soviel größer ist als die durch den Faktor ;/3 geteilte, von Leitung zu Leitung gerechnete Netz-Nennspannung, daß eine Unterbrechung des Leistungsnachstromes bei der maximalen Betriebsspannung gewährleistet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtwiderstand (R) des Überspannungsableiters proportional zum Quadrat der in Kilovolt gemessenen Netz-Nennspannung multipliziert mit der Kapazität des Netzes gegen Masse ist; daß der Gesamtwiderstand des Überspannungsabieiters einen ersten Teil (R\) aufweist, der proportional zu der in Kilovolt gemessenen Überspannungsableiter-Nennspannung und so groß bemessen ist, wie es hinsichtlich eines Schutzes gegen Blitzüberspannungen zulässig ist; und daß der verbleibende zweite Teil (R2) des Gesamtwiderstandes des Überspannungsableiter ein zusätzlicher Widerstand zur Vernichtung der Energie von Schaltüberspannungen und zur Begrenzung des Leistungsnachstromes ist und parallel zur Stromschaltfunkenstreckeneinheit (5) liegt.

6. Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den Entladungsstrecken (6', 6") Vorionisierungs-Funkenstrecken (9) parallel geschaltet sind und daß die die Entladungsstrecken (6', 6") einschließenden Entladungskammern öffnungen (10) aufweisen, über die eine Ionisation der Entladungsstrecken erfolgen kann.

7. Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von in Reihe geschalteten Einheiten vorgesehen ist, die jeweils zwei in Reihe geschaltete nichtlineare Ventilwiderstände (3,4), eine Löschfunkenstreckeneinheit (2) und eine einem der Ventilwiderstände parallelgeschaltete Stromschaltfunkenstreckeneinheit (5), die eine niedrigere Durchschlagspannung aufweist als die Löschfunkenstreckeneinheit (2), enthalten.

8. Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstrecken (6', 6") Hörner sind.