DE1563499A1 - Pegelfunkenstrecke fuer Hoechstspannungsanlagen - Google Patents

Description

• Fegeltunkenstrecke für Iiöchstspannungs-

  anlagen

  Mit Rücksicht auf die durch verschnfutzung bedingte Isolationsminderung müssen die äu..eren Kriechwege.der in Hochspannungs= Freiluftanlagen benützten.Isolatorketten,.Stütz-. und Durchfüh- .. rurigsisolatoren relativ groß gewählt werden. Dies hat zur Folge, daß die Wechsel- und Stoßüberschlaspannungen bei trocke-: nen und sauberen Isolatoren wesentlich höher liegen als die verlangten Wechsel- und Stoßstehspannungen. Bei Anlagen ohne besonderen Uberspannungssehutz wird vor allem die Höhe der Blitzüberspannungen nur durch die Außenüberschlagfestigkeit der Isolatoren begrenzt. Dies hätte zur Folge, daß, wenn die I.solatoren trocken und sauber sind,* die innere Isolierung-der in einer Hochspannungsanlage vorhandenen Transformatoren, Meßwandler usw. wesentlich höheren Beanspruchungen ausgesetzt würden, als sie bei der Prüfurig mit den Nennstehspannungen auftreten. - Urri unter allen Betriebsbedingungen die Höhe der maximal an den Klemmen möglichen Überspannungen auf ein brauchbares Maß zu begrenzen, schaltet man schon seit langem parallel zu den Durchführungen oder Klenmen von Iiochspannungsgeräten sogenannte Pegelfunkenstrecken. Die Überschlagspannung dieser Pegelfunkenstrecken wird so eingestellt, daß sie möglichst etwas unter der gewünschten Nennstehspannung des zu schützenden Germes liegt. Da die Überschlagspannung der Pegelfunkenstrecken vm den Witterungsbedingungen weitgehend unabhängig ist, ergeben- . diese Pegelfunkenstrecken einen brauchbaren Grobschutz der Geräte. Unbefriedigend ist bei Pegelfunkenstrecken die relativ starke Polaritätsabhän`igkeit der Überschlagspannung und die relativ starke Zunahme der Überschlagspannung bei Beanspruchungszeiten unterhalb von etwa 10k5. Außerdem hat das Ansprechen einer solchen Pegelfunkenstrecke einen Erdschlüß oder Erdkurzsehluß zur Folge. Hochwertige GerUte und Anlagen schützt iaan daher heute fast ausnahmslos nicht mehr mittels Pegelfunkenstrecken, sondern durch überspannungsableiter.
• Bei von einer Schaltanlage abgehenden Hochspannungs-Fernleitungen ist es aus betrieblichen Gründen (synehronisierung, TfH-überträgüng) vielfach notwendig, Stromwandler, Spannungswandler oder"Koppelkondensatoren leitungsseitig vor den Leistungs- und Trennschaltern anzuordnen. Ist dann gemäß Fig. 1 der leistungsschaltsr, 1 geöffnet, dann kann der auf der Anlagenseite eingebaute Überspannunssableiter 2 die vor dem Leistungsschalter angeordneten Stromwandler 3, Bpannu::gszvandler 4 -und Koppelkondensatoren 5 nicht r..ehr gegen von der Leitung her einlaufenden Überspannungen schützen. Da dir Preis . eines vberspannungsableiters, verglichen mit dem Preis-dieser vor dem Leistungsschnlter eingebauten Geräte, verhältnismäßig hoch ist, verzichtet ran fast immer darauf,.diese. Geräte durch einen. besonderen vor dem-Leistungsschalter eingebauten Überspanntuzgsableiter zu schützen. Man begnügt sich vielmehr auch bei modernen Hochspannungsanlagen meist damit, die vor dem Leistungsschalter eingebauten Geräte durch Fegelfun'-_kenstrecken zu schützen. Diese Pegelfunkenstrecken er= geben sine befriedigende Schutzwirkung für Anlagen bis etwa Reihe '220.
• Bei Höchstspannungsanlagen mit Nennspannungen von 400 kV und darüber ist jedoch die Schutzwirkung einer-Pegelfunkenstrecke i.n der herkömmlichen _ Bauart nicht .mehr befriedigend, iVie..uM-fangreiche Untersuchungen in verschiedenen Hochspannungslaboratorien der Welt zeigten, liegt die-Überschlagspannung gro'.er Schlagweiten in Luft bei Beanspruchung mit sogenannten Sqhaltüberspannungen weit tiefer als bei Stoßspannung und auch tiefer als bei netzfrequenten Jechselspannungen. Die äußeren Schlagweiten derartiger Höchstspannungsanlagen müssen folglich nach den im Betrieb möglichen Schaltüberspannungen dimensioniert werden.
• Dementsprechend Sind auch Pegelfunkenstrecken so zu bemessen, daß sie bei Schaltüberspannungen normaler@Höhe noch nicht ansprechen. Die hierfür zu wählenden Schlagreiten bei PegelfLn-

  kenstrecken normaler Hauart sind so groß, daß sich daraus un-

  tragbar holte Stoßansprechspannungen vor allen bei negativen

  Stoß ergeben. In Fig. 2 ist die Stoß- und SchaltUberschlag-

  spannung einer Stabfunicenstrecke der bisher üblichen Bauart

  abhängig von der Schlagweite aufgetragen. Gemäß Fig. 2 wäre

  für eine 50 ä-Überschlagschaltspannung von 1650 1£V, wie sie

  etwa für eine Anlage mit einer Nennspannung von 500 kV not-

  wendig wäre, die 50 °,@,-Übersc%lagstoßspannung negativer Po-

  larität 270 kV, das ist etwa das 1,6fache der 50 %-Uber-

  schlagschaltspannung. Als ideal wäre jedoch ein Verhältnis

  z:iisehen Überschlagstoßspannvng und Überschlagschaltspannung

  von etwa 1,15.- 1,2 anzusehen. Da, die Streuung der Überschlag-

  spannungen bei Stoß nur etwa 2,5 dp, bei Schaltspannung dage-

  gen etwa 7,5 betr--Igt, ist dann das Verhältnis der Stehstoß-

  spannung zur Stehschaltspannungetwa 1,35 und.entspricht damit

  etwa den Verhältnis der Stehsto2spannung zur Stehschaltspannung

  der. inneren Isolierung von Transformatoren und @lä3,.andlern.

  Eine Pegelfunkenstrecke üblicher Hauart mit einer Verhältnis

  Stoß- zu Scraltüberschlagspannung von 1,6 ergibt dagegen fUr

  die innere Isolieru:i£; viel zu hohe Stoßspannungsbewnspruchux:gen,

  d. h. sie hat bei Stoßsoannungen keine ausreichende Schutz:rir-

  kung.

  Aus gründlichen Lind umfangreichen Versuchen ergab sich, daß

  inan das VerhUltnis zwischen Stoßüberschlag- und Schaltüber-

  schlagspa3-Änung einer Luftfunkenstrecke erheblich beeinflua-

  sen '.kann, wenn @m3n statt einer reinen Stabfunkenstrecke er-

  findungsgemäß eine Stabfunkenstrecke mit zusätzlichen weit

  ausladenden Steuerelektroden auf der Hoehspannungs- und auf

  der Erdseite benutzt. Durch derartige weit ausladende Elek-

  troden kann man zunächst vor allen die Uberschlagspannung bei

  Beanspruchung mit Schaltspannungen .bei gegebener Schlagweite

  vergrößern, d. h. aber, man kon-.wnat bei einer vorgegebenen ver-

  langten Schaltspannungsfestigkeit mit einer kleineren Schlag-

  weite aus. Physikalisch läßt sic:i die Erhöhung der Schalt-

  spannungsiestigkeit so erkl-ren, daß sich bei einer reinen

  -Stabfunkeristrecke °di-e- schon vor dem endgL'ltig-en überschlag

  weit unterhalb der eigentlichen überschlagspannung einsQtzen-

  den. Vorentladungen an den-beiden Stabenden jeweils praki:isch.

  auf einen einzigen Punkt konzentrieren. Folglich treten an

  den Stabenden in*der umgebenden Duft relativ hohe Stromdich-

  ten auf. Infolge der fallenden Stromspannungs-Kennlini° der

  Entladungen ist dann in der Nähe der Stabenden der Spannungs-

  abfall in den Vorentladungen klein, d. h. das Potential der

  betreffenden Stabelektrode wird weit in den Elektroden--Zai-

  schenraum vorgeschoben. Ordnet man dagegen entsprechend Fig. 3

  um die Stäbe weitausladende Ringelektroden an, so fliet von

  diesen Ringelektroden ausgehend ebenfalls ein Vorentladungs-

  strom, der sich aber über-den ganzen Urifang jedes Einges ver-

  teilt. Entsprechend den wesentlich kleineren Strom.--dichten sind

  dann die Spannungsabfälle in C:Le!;r@ctexi?@ähe bet.rclit1ch höher,

  wodurch die überelahlagspacinung der ''riordriunä ansteigt. Lurch

  die :treitausladenderl

  n"t,t :.'E.iaE'te

  Stabfunkenstrecken entlastet, d. h. gleichzeitig nehmen auch die-von den Stabenden ausgehenden Vorentlanungsströme und damit die Stroüdichten an diesen ab.
• wie weitere umfangreiche Versuche zeigten, erhält man erfindungsgemäß eine weitere Verbesserung dadurch, daß man statt einer einzigen Stabfurkenstrecke mehrere hintereinandergeachältete.Stabfunkenstrecken benützt und gleichzeitig durch geeignete ausreichend vrcitaüsladende Schirmringe an der Hochspannungs- und der Erdelektrode das Feld so steuert, daß die einzelnen in Reihe geschalteten Funkenstrecken hinreichend gleichmäßig beansprucht Bind. Die Wirkung dieser Maßnahme .wird anhand der Fig. 2 grundsätzlich erläutert. Eine einzige Stabfunkenstrecke erfordert nach Fig. 2 z. B. für eine Sehaltspannungsfestigkeit von otvia -1 8500 * =;i` eine Schlagweite von*5 m. Bei negativer Polarität wäre dann die Stoßüberschlagspannung etwa 2,8 @@t'. Würde man dagegen zwei Stabfunkenstrecken in Reihe schalten und durch Feldsteuerung dafür sorgen, daß jede dieser Funkenstrecken nur genau die halbe Spannung übernehmen muß, so hätte die Schlagweite-bei zwei-in Reihe geschalteten Stabfunkenstrecken je etwa 1,6 m entsprechend 9C0 kV Schaltspannung betragen. Die Stoßüberschlagspännung negativ wäre dann etwa 11C0 kV ja Teilfunkenstrecke. Für die Gesamtanordnung erhielte rar: also wiederum 1800 kV Schaltspannung, aber nur 2,2 MV Sto.;span-

  nung, Das Verhältnis Stoß- zu Schaltspanr_ungsfestigkei-t; c::re

  folt;li :h bei zwei in Reihe geschalteten

  heblich günstiger als'bei einer einzigen Funkenstrecke.

  Fig. 3 zeigt eine Ausführung für eine solche aus zwei hinter-

  einander geschalteten Teilfunkenstrecken bestehende Schutz-

  fun.kezistrecke. Die beiden Teilfunkenstrecken befinden sich

  zwischen den Stabelektroden 6, 8 und g, die zur Veimeidiang

  von Sprühentladungen an-ihren Enden mit -Kugel ele troden 7,

  12 und 13 versehen sind. Die Feldsteuerung wird durch die

  vaeit ausladenden-Schirmringe 10 und 11 bewirkt. Die Radien

  der Kugelelektroden 7,'12 und 13, sor:ie der, Schirmrings 10 '

  --uhd 11 .sind -so gevrähl-t; daB -bel -der -normalen. Betriebsspan- . .

  nung noch keine Vorentladungen-auftreten, so d"3 die Funken-

  strecke auch keine unzulässigen Punkstörspannungen'hervor- -

  ruf t .

  Zäßt man die _Stabelektroden 8 und 9 nur wenig -1*",bcr die Schirm-

  ringe 10 und 11 hinausragen, d. h. nacht man die überstände A

  Ünd B im Vergleich zu dem Abstand 0 klein, so findet man, wenn

  man die Zwischenelektrode 6 wegläßt, das die Überscnl,;;o nicht'

  t

  etwa zwischen den Elektroden _12 und 13, sondern außen z-vischen

  den Schirmringen 10 und 11 erfolgen, obwohl die Schlagweite

  zwischen den letzteren größer ist als zwischen den ersi:eren.

  Dies ist darauf zurückzufü_aren, daß das Feld im Bereich der

  weit ausladenden Schirnringe 10 und 11 eesentlich inhorio gener

  als im mittleren Bereich der Schirniyingo ist, wo die Elektro-

  den 12 und 13 angeordnet'sind. Versuche zeigten, daß dies

  ganz besonders für Schaltopannungen gilt. Bei Schaltspannungen

  kann tatsächlich die Schlagweite C zwischen den beiden Stäben

  8 und 9 erheblich geringer sein als die SohlaGvieite D zwischen

  den weit ausladenden Schirmringen und trotzdem erfolgen die

  Überschläge längs der größeren Schlagweite D. Bei konstantge--

  haltener Schlagweite D kann man folglich bei Schaltspannung

  die Schlagveite C beträchtlich reduzieren, ohne daß sich an

  der Überschlagspannung etwas ändert. Bei Sto:@spannung erfol-

  gen dagegen die Überschläge schon bei wesentlich geringeren

  Überständen A und B nicht mehr längs der Schlagweite D, son-

  dern zwischen den Stabfunkenstzecken 8 und 9, also längs der .

  Schlagweite C. Bei weiterer Verminderung der Schlagweite C

  ist dann die Stoßüberschlagspannung ungefMhr proportional

  -zu dieser Schlagweite. Ein ähnliches Verhalten findet man

  auch, vienn man bei konstantgohaltener äußerer Schlafseite D

  innen zwei Stabfunkenetrecken in Reihe schaltet und die innere

  SChläg#qeite durch üergrö'ßerun; äer lange der Zwischenelektrode

  vermindert. Auch hierbei kann die innere Schlagseite vresent-

  -lich gegenüber der äußeren Schlagweite D verkürzt werden, ohne

  daß sich die So haltüberschlagspannung ändort, vaähreild sich die

  Stoßüberschlagspannung proportional z ur inneren ScUlagweite

  verändert. Man kann folglich durch geeignete Wahl der ä z? "eren

  und der inneren Schi a Zureite das Verhältnis von

  zu Sto3o:pannungsfestigkeit verhältnismä ßig starkeein @: lu^sen.

  Bei normalen Stabftuikenstracken stört au:er dem ungUnsti en

  1-2

  Verhältnis von Stoße zu nch::#1tspannungsfestigkei*@ tauch :loch

  der Polaritätseffekt. Gemäß Fig. 2 ist oowohl bei @toC-- ai.o

  I auch bai. Schaltspannung die Überschiagspannung negativ beträchtlich höher als positiv. Auch dieser Polaritätseffekt läßt sich mit der Funkenstrecke nach Fig. 3 in weiten Grenzen verändern. Von Einfluß auf den Polaritätseffekt sind sowohl die Überstände A und B als auch die Durchmesser der Elektroden 7, 12 und 13. Bei Schaltspannung kann man den Po-.laritä.tseffekt außerdem noch dadurch beeinflussen, daß man den Durchmesser E des oberen . Schirriringes 10 anders. wählt als den des unteren Schirmringes 11. Auf3erdem ist von Ein--CD ob man sowohl hochspannungs- als auch erdseitig nicht nur je einen Schir:iring, sondern_evtl. mehrere Schirmringe vorsieht. Man .kann so die Polaritätsabhängigkeit durch un-.terschiedliche Zahl, Abmessungen und Anordnungen der oberen und unteren Schirmringe verändern. Der Polaritätseffekt wird sowohl bei Schalt= als auch :hei~ ütoßspannung dadurch vertir@ sacht, daß bei geometriech genau symmetrischen Aufbau der .Funkenstrecke infolge der nicht unendlich weit entfernten Erde die hochspannungsführende Elektrode stets höher als die geerdete Elektrode beansprucht wird. Soll folglich der Polaritätseffekt soweit als möglich vermieden werden, so muß man durch die geschilderten Maßnahmen dafür sorgen, daß die

  Feldstärken an den hochspannungsseitigen und an den erd.8°1-

  'ti.gen Elektroden und auch an den Enden der @wisc'_@enslc:@@ Trog

  s. 6 möglichst gleich werden. Dies bedeutet, da'3 die an Hoch-

  5,3.,:..aiinung"liegenden Elektroden stets grö3er als die erdseitigen.

  rlektroden gewählt vier(-,en müssen. Die gleiche Wirkung erziGlt

  man, wenn man d:ra Durchmesser -E oder die Anzahl der ächirnringe

  auf der Hochspannungsseite größer als auf der Erdeeitt wählt. Eine solche Anordnung ist im Prinzip in Fig. 4 dargestellt. Damit eine ausreichende Steuerwirkung und folglich hinreichend gleichmäßige Spannungsaufteilung auf die in Reihe geschalteten Funkenstrecken erreicht vrird,' sollte das Verh-:ltni s E zu 0 etwa im Bereich 0,4 --1 liegen.
• Mit Rücksicht auf die Befestigung der Zwischenelektrode 6 erscheint ein Aufbau einer aus zwei in Reihe geschalteten Teilfunkenstrecken bestehenden Schutzfunkenstrecke entsprechend hig. 5 als vorteilhaft. Die Zwischenelektrode 6 ist hier an Freileitungskettenoder Langstab-Isolatoren 14 aufgehwngt. Um den beim Ansprechen -der Funkenstrecke entstehenden Lichtbogen von den. Isolatoren fernzuhalten, sind die Elektroden 12, 13 und 7 als Ringelektroden ausgebildet, die die Isolatorkette, in hinreichend weiten Abstand umgeben. Durch geeignete Ausbildung dieser Elektroden wird, wie vom Freileitungsbau her bekannt, der Lichtbogen nach außen abgelenkt und so von den Isolatoren ferngehalten.
• Eine Stabfunkenstrecke entsprechend Fig. 3, 4 oder 5 kann entweder für sich aufgestellt oder aber an eines der zu schützendenGeräte, z. B. einen rrießwandler entsprechend Zig. 6 angebaut vrerden. Damit die Ansprechspannung der Funkenstrecke weitgehend unnbhringig vom Verschmutzungszustand der 'iso@a@c@oberfläche den- tise.3irandlers wird und damit ferner bei einem Gberschlag der 2egelfunkenstrecke der ;Lichtbogen nicht das Porrel).an

  beschädigt, mu ß die Pegelfunkenstrecke seitlich genügend weit

  vom I;3f.;lator. entfernt ccin. Die notvrendige weite Ausladung

  der Fun':enstrec?:e kann in bestimmten Fällen stören.. .Es kann

  darin günstiger sein, die Ringe entsprechend Fi,. 7 konz-Intrisch

  zum Isolator anzuordnen.

  Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß der Unterschied zwischen Stoß-

  und Schaltspannungsfestigkeit umso geringer ist, je kleiner die

  Schlagweite einer Stabfunkenstrecke ist. Es ist folglich grund-

  sätzlich möglich, das Verhältnis Stoß- 2u Schaltspannun"y: festig-

  keit auüh durch die Zahl der in Reihe geschalteten Funkenstrek-

  ken zu beeinflussen. InsbesQndere bei. höchsten Sparnwijen kann

  es vorteilhaft sein, nicht nur zwei, sondern mehrere Funken-

  strecken in Reihe zu schalten. Sinngemäß gelten im einzelnen

  hierfür die Blechen Überlegungen wie oben schon für zwei in

  .Reihe geschaltete Funkenstrecken beschrieben.- . . .

Claims (1)

1. P a t.e n t ä n s p r ü e h e 1. Pegelfunkenstrecke zum ' Ubervrachungsschutz von Höchstspa.n- nungsanlagen, die als Zuftfunkenstrecke ausgebildet ist und ein gegenüber den üblichen Stabfunkenstrecken wesentlich . _ verbessertes Verhältnis vozi.-..Stoßsp-annungs- zu--Seha-ltsrüri- nungs-Ansprechspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daB sie aus zwei odermehreren in Reihe geschalteten Pegelfunken- strecken besteht, und daß sowohl an der Hochspanrzungs-- als auch an der Erdelektrode vreitausladende, rin gsörrnige Steuer- elektroden angeordnet sind. 2. Pegelfunkenstrecke nach Anspruch 1, dadurch ge kennzc? ahnet, daß die Schlagweite D der weit ausladenden Schirr-ringe der gewünschten Schaltspannunüafestigkeit, die Schlagweite der innenliegenden Stabfunkenstrecken dagegen der gewünschten Stoßspannungsfestigkeit entqpricht. 3. Pegelfunkenstrecke nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Durchmesser B und die Radien r der Schirm- ringe, sowie die Radien der an den Stabenden vorgesehenen Elektroden auf Hochspannungs- und Erdpotential unterschied- .lieh so gewählt werden, daß die Polaritätsabhängigkeit der Überschlagspannung.ausreichend klein ist. 4. Pegelfunkenstrecke nach Anspruch 1.und S, dadurch gekenn- zeichnet, daß hochspannungs- oder bzw. und erdseitig nicht nur je ein, sondern mehrere Schirmringe zur Feldverbesse- rung vorgeedhen Bind. 5. Pegelfunkenstrecke nach Anspruch 1 und 4, dadurch Bekenn- .- zeichnet, daß die Uberstände A und B der hochspannungs- und . . -erdseitigen Stabend.en ebenfalls zur Einstellung des Verhält- nis-ses,-zwischen, .Stoß.: und Zchaltspannungsfestigkeit t@rid- äes. Polaritätseffektes mit verwendet werden.