DE1588238A1 - UEberspannungsschutz - Google Patents

Description

Dr Erhart Ziegler Dipl.-lng.Lothar Michaelis '585238

Patentanwalt Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1 6 Frankfurt/Main .1.

Postfach 3011 Λ»** 30"

7O5-5D-3O76

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.T., OSA

Überspannungss chutζ

Die Erfindung bezieht sich auf einen Uberspannungs- oder Blitzschutz, insbesondere für Gleichstromnetze, der in der Lage ist, Überspannungen hoher Energie und langer Dauer abzuleiten.

Jeder uberspannungs- oder Blitzschutz muß unter anderem zwei
Forderungen erfüllen. Einmal muß er in der Lage sein, die Energie abzuleiten, die mit einer Überspannung auf dem Leitungsnetz verbunden ist, zu dessen Schutz er verwendet ist. Anschließend muß der Überspannungsschutz wieder sperren, so daß sich die normale Netzspannung wieder einstellen kann. Die bisher bekannten Überspannungsschutzvorrichtungen für Wechselstromnetze beruhten auf der Erscheinung des zweimaligen Stromnulldurchganges während
einer jeden Periode. Dadurch war eine ausreichende Zeit zum Entionisieren und zum Sperren der Überspannungsschutzvorrichtungen gegeben. In jüngster Zeit wurden Überspannungsschutzvorrichtungen mit sogenannten Strombegrenzungsfunkenstrecken verwendet, an

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denen sich seht rasch nach dem Zünden eine sehr erhebliche Gegenspannung aufbauen kann, die den Spannungsabfall unmittelbar nach dem Durchschlag der Funkenstrecke beträchtlich übersteigt und der Netzspannung entgegengesetzt ist. Auf diese Weise wurde ein künstlicher Stronnulldurchgang hervorgerufen, so daß zur Entionisierung der Überspannungsschutzvorrichtung ebenfalls eine ausreichende Zeitspannung zur Verfügung stand. Ein solcher Überspannungsschutz, der mit der eben beschriebenen Strombegrenzung arbeitet, ist in der US-Patentschrift 3 151 273 vom 29. September 1964 beschrieben worden.

Die Entwicklung dieser Strombegrenzungsfunkenstrecken hat die Möglichkeit zur Herstellung von Überspannungsschutzvorrichtungen für Gleichstromnetze eröffnet, da diese Strombegrenzungsfunkenstrecken auch in solchen Systemen einen Stromnulldurchgang erzwingen können, in denen üblicherweise keine Stromnulldurchgänge auftreten. So ist beispielsweise eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einer Strombegrenzungsfunkenstrecke, die für 6 kV Wechselspannung ausgelegt ist, tatsächlich in der Lage, auch ein 6 kV-Gleichstromnetz gegenüber kurzen Überspannungen zu schützen, wie sie beispielsweise durch Blitzeinschläge hervorgerufen werden können. Grundsätzlich bedeutet dies, daß ein solcher Überspannungsschutz auch als Blitzschutz in einem Gleichspannungsnetz verwendet werden kann, dessen Netzspannung nicht höher als die Wechselspannung ist, für die der Überspannungsschutz ausgelegt ist. Es' treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn man mit einer solchen für Wechselstrom ausgelegten Überspannungsschutzvorrichtung solche Überspannungen von Gleichspannungsnetzen ab-

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leiten will, die über eine längere Zeitspanne andauern. Solche längerdauernden Überspannungen können beispielsweise durch Schaltvorgänge oder durch Fehler im Netz' hervorgerufen werden; Wenn eine solche für 44·-Wechselspannung ausgelegte Uberspannungsschutzvorrichtung von Gleichspannungsnetzen Überspannungen ab- - leiten soll, die länger als etwa 1 Millisekunde andauern (also über ein Zeitspanne, die etwas länger als diejenige ist, in der sich der maximal mögliche Spannungsabfall an der Strombegrenzungsfunkenstrecke aufbaut), überhitzt sich die Funkenstrecke sehr rasch und verliert damit ihre Fähigkeit, das Gleichstromnetz wieder frei zu machen. Dieses führt dann schließlich auf einen Ausfall des überspannungsschutzes. Für Anwendungen in heutigen Gleichstromnetzen ist es aber wesentlich, daß die uberspannungsschutzvorrichtungen auch über längere Zeitspannen Strom führen können, da es physikalisch unmöglich ist, die vorhandenen langen Leitungsnetze in Zeitspannen zu entladen, die kurzer als viele Millisekunden lang sind.

Um die eben geschilderten Schwierigkeiten lösen zu können, um also mit einer Überspannungsschutzvorrichtung auch über längere Zeitspannen hinweg Überspannungen ableiten zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, 2 Strombegrenzung^unkenstrecken parallel zu schalten, so daß eine Flip-Flop-Wirkung entsteht. Das heißt, die Funkenstrecken zünden abwechselnd und leiten jeweils nur für eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne, deren Summe pro Funkenstrecke nur etwa gleich der halben Zeitspanne ist, während der die überspannung auftritt. Diese Maßnahme ist keines-

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wegs haheliegend, da nach der bisherigen Lehrmeinung Funkenstrecken ihres negativen Widerstandes wegen nicht parallel betrieben werden können. Diese Lehrmeinung ist natürlich richtig, und die beiden Strombegrenzungsfunkenstrecken werden nicht und können auch nicht im üblichen Sinne parallel betrieben werden, das heißt, auf solche Weise, daß jede der beiden Funkenstrecken nur die Hälfte des gesamten Stromes führt. Was durch die Parallelschaltung der beiden Strombegrenzungsfunkenstrecken nun tatsächlich erreicht wird, ist eine «Unterteilung der gesamten Zeitspanne·, während der die überspannung, vorhanden ist, in kürzere Zeitabschnitte, so daß jede Funkenstrecke in einem solchen kurzen Zeitabschnitt den gesamten Strom führt, während die andere Funkenstrecke sich während dieser Zeispanne abkühlen kann.

Ziel der Erfindung ist somit eine Überspannungs- oder Blitzschutzvorrichtung. Diese überspannungs- oder Blitzschutzvorrichtung soll zum Schutz von Gleichspannungsnetzen verwendet werden können.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen im einzelnen beschrieben werden.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Überspannungs- oder Blitzschutzvorrichtung nach der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine Überspannungs- oder Blitzschutzvorrichtung nach der Erfindung für höhere Spannungen.

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Figur 3 zeigt eine Ansicht auf die Blitzschutzvorrichtungen, die schematisch in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind.

Figuren 4 - IO sind graphische Darstellungen, anhand derer die Wirkungsweise der Erfindung erläutert werden soll.

Figuren 11, 12 und 13 sind Abwandlungen der überspannungs- oder Blitzschutzvorrichtung, nach den Figuren 1, 2 und 3.

In der Figur 1 ist als Ausführungsbeispiel eine BStz- oder Überspannungsvorrichtung 1 dargestellt, die als Ventil mit einer Funkenstrecke 2 und mit Ventilwiderständen 3 ausgebildet ist. Die Überspannungsschutzvorrichtung 1 verbindet eine Leitung 4 eines Netzes mit der Erde G. Die Netzleitung 4, die für dieses Beispiel dargestellt ist, weist eine Überspannungsimpedanz Z auf. Weiterhin enthält das Netz eine Überspannungsquelle, wie beispielsweise Schalter. Zwischen der Überspannungsquelle und dem Überspannungsschutz ist in den meisten Anwendungen eine Überspannungsimpedanz vorhanden. Das ist jedoch für die richtige Funktion des Überspannungsschutzes nicht notwendig. So kann es beispielsweise in manchen Fällen günstig sein, dem Überspannungsschutz einen Kondensator direkt parallel zu legen. Dieses bewirkt, daß der innere Widerstand in der Überspannung vernachlässigbar klein wird, während andererseits das Vorhandensein des Kondensators die Funktion des Überspannungsschutzes nicht beeinträchtigt.

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Der überspannungsschutz ist für eine Verwendung in Gleichspannungsnetzen bestimmt, und sein Funkenstreckenteil 2 unterscheidet sich von einem üblichen überspannungsschutz für Wechselstrom darin, daß zwei gleich aufgebaute Stromzweige aus mehreren hintereinander geschalteten Strombegrenzungsfunkenstrecken A und B parallel geschaltet sind. Wie das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 zeigt, enthält jeder dieser Stromzweige vier Hauptfunkenstrecken 5, die hintereinander geschaltet sind und in Serie mit einer magnetischen Blasspule 6 liegen, die eine Schutzfunken-

⁷/ . strecke/überbrückt. Der Lichtbogen in der Schutzfunkenstrecke wird von der Hagnetspule 6 ausgeblasen oder verlängert. Diese Funkenstrecke und die Blasspule sind ähnlich aufgebaut, wie es in der bereits erwähnten US-Patentschrift 3 151 273 beschrieben ist. Die Elektroden der Funkenstrecken sind mit Hörnern ausgestattet, und die Elektroden sindsandwichartig zwischen porösen Isolierplatten angeordnet, um sehr rasch und genau aufgrund der Wechselwirkung des Hagnetflusses der Spule 6 mit allen Lichtbögen der Hauptfunkenstrecken und aufgrund der Wechselwirkung zwischen der Spannung an der Hilfsfunkenstrecke 7 und der Spule " 6 die Bogenspannung aufbauen zu können.

Zusätzlich sind die beiden Funkenstreckenstromzweige mit Spannungsteilerimpedanzen versehen, die mit Z , Z_g, Z_1Qund Z₁₁ bezeichnet sind. Diese Spannungsteilerimpedanzen dienen dazu, die Durchschlagsspannung für jede Funkenstrecke auf einen Wert zu erniedrigen, der unter dem Wert der Gegenspannung ist, die

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de Überspannungsschutzvorrichtung erzeugen kann, wenn Strom durch sie hindurch fließt. Das Zünden der Hauptfunkenstrecken findet Üblicherweise nacheinander statt', und anschließend zündet dann die Hilfsfunkenstrecke 7. Dieses aufeinanderfolgende Zünden geschieht sehr rasch, d.h. hier, in einem Bruchteil einer Mikrosekunde.

Diese Konstruktion hat zur Folge, daß nach dem Durchzünden aller Funkenstrecken und nach dem Aufbau des Stromes durch diese Funkenstrecken sehr schnell eine beträchtliche Gegenspannung ent- ( steht, die in etwa 500 Mikrosekunden etwa den Durchschlagsspannungen entspricht. Die Gegenspannuogkann noch um einiges höher als die Durchschlagsspannung werden, da während der Zeit, während der Strom fließt, die Gegenspannung nicht von den Spannungsteilerimpedanzen sondern von jeder Funkenstrecke erzeugt wird. Diese Gegenspannung bestimmt nun die Spannungsverteilung zwischen den Funkenstrecken, so daß eine sehr gleichförmige, praktisch lineare Spannungsverteilung entsteht. Wenn die Funkenstrecken dagegen nicht leiten, ist die Spannungsverteilung in hohem Grade nicht linear oder ungleichförmig und wird von den Spannungsteilerimpedanzen bestimmt. Wenn jedoch eine Funkenstrecke ihre volle Gegenspannung entwickelt hat, läuft der Lichtbogen nicht mehr weiter die Hörner hinauf,sondern tritt auf die Bogenlöschbleche der Funkenstrecken auf. Wenn nun der Strom unter diesen Umständen für mehr als einige wenige Millisekunden aufrecht erhalten wird, werden die Funkenstrecken durch Überhitzung beschädigt.

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Nun soll in Verbindung mit den Figuren 4 - 9 im einzelnen erläutert werden, wie die Flip-Flop-Wirkung oder das !Anschalten des Stromes zwischen den beiden parallel geschalteten Funkenstreckenstromzweigen A und B zustande kommt, um eine Überhitzung der einzelnen Funkenstrecken zu verhindern und um es möglich zu machen, Überspannungen auf einem Gleichstromnetz abzuleiten, die viele Millisekunden lang vorhanden sein können. Die Figuren 4 bis 9 sind graphische Darstellungen, auf deren horizontalen Achsen die Zeit aufgetragen ist.

Figur 4 zeigt den gesamten Spannungsabfall an der überspannungsschutzvorrichtung 1 in Abhängigkeit von der Zeit. Auf der senkrechten Achse stellt Y die Normalbetriebsspannung der Netzlei-

tung 4 dar. V ist die Überschlagsspannung der Funkenstrecken-S

stromzweige A und B, V,„, stellt den Spannungsabfall an den Wider-

VK

ständen der Überspannungsschutzvorrichtung dar, der von dem maximalen Überstrom hervorgerufen wird, der unmittelbar nach dem Durchschlag der Funkenstrecken fließt, während die Spannung Vp diejenige Spannung bedeutet, die die Leitung 4 durch eine Überspannung oder einen Stromstoß erreichen kann. V^ ist doppelt so groß wie V_n angenommen. Dieses ist ein typischer Wert, der erreicht werden kann, wenn eine nicht abgeschlossene Leitung plötzlich erregt und die angelegte Spannung am offenen Ende der Leitung reflektiert wird. T bezeichnet den Zeitpunkt, an dem die Spannung auf der Leitung 4 an dem Punkt, an dem sie mit der Überspannungsschutzvorrichtung 1 verbunden ist, den Wert V_g erreicht. An diesem Zeitpunkt zündet zuerst einer der beiden Funkenstrecken-

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stromzweige A oder B. Es ist zwar auch denkbar, daß beide Funkenstreckenstromzweige gleichzeitig zünden. Dieses ist aber sehr unwahrscheinlich, da es praktisch unmöglich ist, zwei Funkenstrecken mit absolut identischen Durchschlagseigenschaften und Durchschlagskennlinien herzustellen. Aber selbst dann, wenn der unwahrscheinliche Fall auftritt, daß beide Funkenstreckenstromzweige gleichzeitig zünden, wird durch die negative Kennlinie dieser beiden Stromzweige bewirkt, daß der eine Funkenstreckenstromzweig den gesamten Strom übernimmt und der Strom im anderen Funkenstreckenstromzweig erlischt.

In der nachfolgenden Beschreibung sofl. angenommen werden, daß der Funkenstreckenstromzweig A zuerst zündet. Zum Zeitpunkt T₁, der etwa 500 Hikrosekunden nach dem Zeitpunkt T auftreten kann, ist die Spannung am Funkenstreckenstromzweig A so groß geworden, daß der gesamte Spannungsabfall an der Überspannungsschutzvorrichtung etwa der Spannung V_n der Leitung gleicht, auf die die Leitung aufgeladen worden ist. Dann wird der Strom in dem überspannungsschutz gegen Null gedrückt, wie noch deutlicher aus den Figuren 5 und 6 hervorgeht, die unten noch erörtert werden. Wie weiterhin noch in Verbindung mit den Figuren 7, 8 und 9 erläutert wird, zündet der Funkenstreckenstromzweig B, und die Lichtbogen im Funkenstreckenstromzweig A erlöschen. Am Zeitpunkt T^ fällt daher der Spannungsabfall an Überspannungsschutz praktisch unmittelbar vom Wert Vg auf den Wert Vy» ab, und es baut sich erneut eine Spannung auf, die fast den Wert Vg erreicht, da nun am Funkenstreckenstromzweig B die Bogenspannungen immer größer

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werden, bis eich an Zeitpunkt T₂ das Spiel erneut wiederholt, der Funkenstreckenstromzweig erneut wieder zündet und die Lichtbogen im Funkenstreckenstromzweig B wieder erlöschen. Zum Zeitpunkt T₃ zündet wieder der Funkenstreckenstromzweig B, und dieses Spiel wird laufend wiederholt.

In der Figur 5 ist der Strom in den Funkenstreckenstromzweig A in gleichem Maßstab wie in der Figur 4 gegenüber der Zeit aufgetragen. Wie man sieht, steigt dieser Strom am Zeitpunkt T , wenn der Funkenstreckenstromzweig A zündet, praktisch augenblicklich von 0 bis zu einem Spitzenwert an und fällt dann fortschreitend bis zum Zeitpunkt T₁ auf einen sehr niedrigen Wert ab. Dieser Stromabfall wird durch Aufbau der Spannung im Funkenstreckenstromzweig A hervorgerufen. Wie noch ansdiießend näher in Verbindung mit den Figuren 7, 8 und 9 erläutert wird, ist der Spannungsabfall an dem Funkenstreckenstromzweig A zum Zeitpunkt T₁, wenn der Strom I₁ durch diesen Stromzweig hindurchfließt und der Funkenstreckenstromzweig B kein Strom führt, so groß, daß der Funkenstreckenstromzweig B zündet. Dann fällt der Strom im Funkenstreckenstromzweig A praktisch unmittelbar auf 0 zurück, wie es in der Figur 5 dargestellt ist. Der Strom im Funkenstreckenstromzweig B ändert sich dagegen praktisch unmittelbar vom Wert 0 bis zu seinem Spitzenwert, wie in der Figur 6 fad T₁

ο zu sehen ist. Zwischen den Zeitpunkten T₁ und T₂ in Figur 6

co nimmt der Strom in dem Funkenstreckenstromzweig B wieder ab, da

^M die Spannung an diesem Funkenstreckenstromzweig zunimmt. Wenn ο der Strom den Wert I₁ unterschreitet, ist die Spannung am Fun- -x kenstreckenstromzweig B so groß geworden, daß der Funkenstreckenstromzweig A erneut zünden kann. Dieses geschieht am Zeitpunkt T₂ in Figur 5 und der Strom im Funkenstreckenstromzweig B geht

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am Zeitpunkt T₉ in Figur 6 wieder auf O zurück. Dieses wechselseitige Zünden der beiden Funkenstreckenstromzweige wird solange fortgesetzt, bis die Spannung auf der Leitung auf einen Wert · vermindert worden ist, dem die überspannungachutzvorrichtung standhalten kann. Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen nun gemeinsam die Summe der Spannungen oder Spannungsabfälle zwischen der Erde und demjenigen Teil der Leitung 4, die auf die Spannung Vg aufgeladen ist. In den Figuren 7, 8 und 9 bedeuten die graphischen Darstellungen einmal den Spannungsabfall aufgrund des inneren Widerstandes der Überspannungsquelle, der durch den Strom im Oberspannungsschutz zustande kommt, wdterhin den Spannungsabfall an den Funkenstreckenstromkreisen und schließlich den Spannungsabfall am Widerstand des Überspannungsschutzes. Der Verlauf dieser 3 Spannungen ist über der gleichen horizontalen Zeitachse aufgetragen. Die Summe der Spannungen , die in den Figuren 7, 8 und 9 dargestellt sind, gleicht zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Spannung V_c, auf die die Leitung 4 aufgeladen worden ist.

Wie aus der Figur 7 hervorgeht, sind zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Strom durch die Funkenstreckenstromzweige und der Spannungsabfall aufgrund des inneren Widerstandes der Überspannungsstromquelle einander proportional. Das liegt daran, daß der innere Widerstand der Überspannungsquelle eine lineare Impedanz ist. Wie aus der Figur 9 hervorgeht, verläuft der Spannungsabfall am Widerstnd des Überspannungsschutzes ähnlich wie der Spannungsabfall aufgrund des inneren Widerstandes der Überspannungsquelle. Der Spannungsverlauf am Widerstand ist jedoch

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merklich steiler und stärker gekrümmt als der Spannungsverlauf am inneren Widerstand der Überspannungsquelle, da das Material, aus den der Widerstand des Überspannungsschutzes hergestellt ist, nicht-lineare Widerstandseigenschaften hat, ims bei dieser Art von überspannungs- oder Blitzschutzvorrichtungen üblich ist.

Der Srund, warum an den Zeitpunkten T-, T„, T„ etc. in den

Figuren 4, 7 und 9 die Spannung an der überspannungschutzvorrichtung, die in Figur 4 dargestellt ist, nicht genau gleich der Spannung V_n ist und der Grund, warum der Spannungsabfall aufgrund des inneren Widerstandes der Überspannungsquelle und der Spannungsabfall am überspannungsschutz nicht genau O sind, ist darin zu erblicken, daß zu diesen Zeitpunkten der minimale Strom durch die Funkenstreckenstromzweige I₁ beträgt, wie es in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist. Einer der Gründe, warum der minimale Spannungsabfall im Widerstand des Überspannungsschutzes soviel größer als der minimale Spannungsabfall aufgrund des inneren Widerstandes der Überspannungsquelle an den Zeitpunkten T-, T_n, T₀ usw. ist, besteht darin, daß zu diesen Zeitpunkten der Strom I-sehr niedrig ist, wie es in den Figuren 5 und 6 dargestellt ist, und daß bei sehr niedrigen Strömen der Wert des Widerstandes des Überspannungsschutzes viel größer als bei höheren ■Strömen ist.

Die Figur 8 zeigt, daß zum Zeltpunkt T_Q gerade nach dem Zünden des Funkenstreckenstromzweiges A der Spannungsabfall an diesem Stromzweig praktisch null 1st, und rasch mit der Zeit ansteigt,

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bis diese Spannung am Zeitpunkt T₁ die Durchschlagsspannung V_g erreicht oder übersteigt. Dann zündet der Funkenstreckenstromzweig B₁ und der Spannungsabfall an den Funkenstreckenstromzweigen fällt wieder augenblicklich auf null zurück. Zwischen dem Zeitpunkt T₁ und T₂ wächst wieder der Spannungsabfall am Funkenstreckenstromzweig B auf einen Wert an, der etwa der Zündspannung V. gleicht, so daß am Zeitpunkt T_n die bei den Funkenstreckenstromzweige wieder umgeschaltet werden. Dieses wiederholt sich an den Zeitpunkten T₃, T₄₁ T. und so fort.

In den Figuren 5, 6 und 8 heizen sich die einzelnen Funkenstrecken während der Zeit, während der sie Strom führen nicht gleichförmig mit der Zeit auf, und die Aufheizgeschwindigkeit ist nur dort kritisch, wo die Spannung an den einzelnen Funkenstrecken am höchsten ist. Die Zeitspanne Jedoch, an denen an den einzelnen Funkenstrecken hohe Spannungen anliegen, ist verhältnismäßig kurz im Vergleich zu den Zeitspannen, in denen die Funkenstrecken zünden und Strom führen. Man kann daher den Figuren 5, 6 und 8 entnehmen, daß die kritische Zeitspanne, in der jede Funkenstrecke aufgeheizt wird, verhältnismäßig kurz gegenüber den darauffolgenden Zeitspannen 1st, in denen jede Funkenstrecke stromlos ist und sich abkühlen kann.

Die Figur 10 zeigt nun eine Überspannungsschutzvorriehtung nach der Erfindung, die mit einer 1300 km langen 400 kV-Gleichstro» leitung verbunden ist, die auf 800 kV aufgeladen wurde. Der Zeltpunkt Tdt ist die sogenannte doppelte Laufzeit der Leitung, und

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die Zeit Tdt liegt bei einer 1300 km langen Leitung bei etwa 8000 Mikrosekunden. Während dieser verhältnismäßig langen Zeitspanne wird die Flip-Flop-Wirkung in der Überspannungsschutzvorrichtung viele Male wiederholt, und die Überspannungsschutzvorrichtung leitet Energie von der Leitung während dieser Zeit ab, die von der Überspannung herrührt. Dieses hat jedoch auf die Spannung an der Stelle, an der die Leitung mit dem Überspannungsschutz verbunden ist, bis zum Zeitpunkt Tdt keinen merklichen Einfluß, bis die Spannungsverminderung, die durch das erstmalige Zünden und Stromleiten des Funkenstreckenstromzweiges A bis zum Ende der Leitung gelaufen und anschließend bis zu dem Punkt zurückreflektiert ist, an dem der Überspannungsschutz mit der Leitung verbunden ist. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Überspannungauf der Leitung ab und nimmt einen Wert an, der als Beispiel in der Nähe der Spannung V₀ angenommen worden ist. Da der Überspannungsschutz hierfür verhältnismäßig lange Strom führen muß, kann die Durchschlagsspannung der Funkenstrecke in dem Überspannungsschutz zeitweilig etwas vermindert sein, so daß selbst dann, wenn die Spannung auf der Leitung etwas unter die normale Zündspannung des Überspannungsschutzes abfällt, der Überspannungsschutz noch weiterhin zünden kann. Dieses forlaufende Zünden des Überspannungs-Schutzes wiederholt sich wie bei einem Flip-Flop bis zum Zeitpunkt 2Tdt. Zu diesem Zeitpunkt fällt die Spannung auf der Leitung erneut ab, und diesmal vielleicht schon auf einen Wert, der' so niedrig ist, daß die Funkenstrecken in dem Überspannungsschutz nicht mehr zünden können. Wenn somit die Spannung auf der Leitung etwas niedriger als V₈ sein kann, so kann die Spannung auf der

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Leitung trotzdem noch merklich höher als die Nennspannung V sein.

N Dieses stellt jedoch für die Isolation des Leitungsnetzes keine Gefahr mehr dar, und außerdem wird die Lqitungsspannung durch Kriechströme und ähnliche Erscheinungen allmählich auf den Nennwert V^ vermindert. Solche Kriechströme können beispielsweise durch die Spannungsteilerimpedanzen im Überspannungsschutz abfließen, so daß es nur eine Frage von Minuten ist, bis die Spannung, auf der Leitung den normalen Nennwert V„ erreicht hat. Die Frage, wieviele

doppelte Laufzeiten der überspannungsschutz benötigt, um die überspannung auf der Leitung zu beseitigen, hängt einmal von der Größe der ursprünglichen überspannung auf der Leitung und zum anderen von dem Strom ab, den der überspannungsschutz von der Leitung abführt, wenn er gezündet hat. Dieses wiederum bestimmt sich weitestgehend aus dem Leitwert des Materials, aus dem der Widerstand des Überspannungsschutzes hergestellt ist. In der Figur IO sind als Beispiel die Verhältnisse dargestellt, die auftreten, wenn der überspannungsschutz 2 doppelte Laufzeiten benötigt. Der überspannungsschutz kann aber genauso gut nur eine oder auch 5 oder gar 10 doppelte Laufzeiten benötigen.

Der Grund, warum die Spannungsänderung zwischen den Zeitpunkten Tdt und 2Tdt geringer als zwischen den Zeitpunkten T_Q und Tdt ist, liegt daran, daß zwischen den Zeitpunkten Tdt und 2Tdt die überspannung auf der Leitung bereits geringer ist. Dadurch wird auch die Größe des Stromes durch den überspannungsschutz und demzufolge auch der Spannungsabfall am Widerstand des Überspannungeschutzes geringer.

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Wenn die überspannung von einem Blitz- oder Überschlag herrührt, arbeitet der erfindungsgemäße Überspannungsschutz wie ein üblicher überspannungsschutz mit Strombegrenzung. Da nun die Zeitdauer einer sdchen durch Blitz verursachten überspannung viel kürzer ist als die Zeit, die irgendein Funkenschalter benötigt, der durch diese überspannung gezündet worden ist, um seinen eigenen Spannungsabfall. auf einen Wert anzuheben, der über dem Spannungswert V_n liegt, kann der Überspannungsschutz den Überstrom schon vor dem Zeitpunkt T₁ beseitigen. Diese Zeitspanne ist wesentlich kürzer als die Zeitdauer einer halben Periode bei einem 60 Hz Netz, also wesentlich kürzer als die Zdtdauer, die zahlreiche übliche Überspannungsschutzvorrichtungen für Wechselspannung zum Ableiten der Überspannung benötigt.

Für Netze mit Spannungen, die höher als diejenigen Spannungen sind, für die der Überspannungsschutz aus Figur 1 ausgelegt ist, könnte man vermuten, daß der überspannungsschutz nach Figur 1 als Baustein für die Herstellung von Überspannungsschutzvorrich-

tungen dienen kann, die auch für höhere Spannungen geeignet sind. Hierzu könnten die notwendige Anzahl dieser Bausteine hintereinander geschaltet werden. Ein solches Vorgehen hat sich als nicht zweckmäßig erwiesen, und ein solcher aus Bausteinen hergestellter überspannungsschutz würde auch nicht arbeiten, da kein Grund vorhanden ist, warum das flipflop-artige Umschalten in den verschiedenen Bauteilen dieses Überspannungsnetzes synchron verlaufen sollte. Wenn dieses flipflopartige Umschalten jedoch nicht synchron verläuft, kann dieses auf eine Zerstörung eines

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solchen Überspannungsschutzes führen, der aus mehreren Bausteinen nach Figur 1 aufgebaut ist. Eine Möglichkeit, das Flip-Flop-Prinzip aus Figur 1 auch'auf höhere Spannungen auszudehnen, ist in der Figur 2 dargestellt, bei der alle Funkenstrecken in zwei getrennten Säulen untergebracht sind und nur an ihren äußeren Enden miteinander verbunden sind. Bei dieser Anordnung müssen alle Funkenstrecken A synchron zünden, da sie alle vom gleichen Strom durchflossen werden. Genau so müssen auch alle Funkenstrecken B synchron arbeiten, da die Funkenstrecken B ebenfalls alle vom gleichen Strom durchflossen werden. Daher ist die Flip-Flop-Wirkung mit gleichförmiger Umschaltgeschwindigkeit genau so wie im Überspannungsschutz nach Figur 1 sichergestellt. Weiterhin sind in der Figur 2 zwei Ketten aus Spannungsverteilungsimpedanzen Z- bis Z dargestellt, die über die Funkenstrecken geschaltet sind. Durch die Verteilungsimpedanzen kann man die anliegende Spannung gleichförmig oder auch ungleichförmig auf die Funkenstrecken verteilen.

Die Figur 3 zeigt nun, wie eine Überspannungs- oder Blitzschutz-' vorrichtung konstruiert sein kann, die nach den Figuren 1 oder 2 aufgebaut ist. In der Figur 3 ist ein Isolatorgehäuse 12 vorgesehen, in dem das Material für den Widerstand 3 oder 8* des Überspannungsschutzes untergebracht ist. Das Isolatorgehäuse 12 sitzt oben auf zwei nebeneinander aufgestellten gleichartigen Isolatorgehäusen 13 auf, von denen das eine die Funkenstrecken A und das andere die Funkenstrecken B enthält. Die beiden Isolatorgehäuse

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enthalten somit zusammen den aus Funkenstrecken aufgebauten Flip-Flop-Teil 2 oder 2* des ÜberspannungsSchutzes. Man könnte die Funkenstrecken A und B auch in einem gemeinsamen Gehäuse unterbringen. Dieses gemeinsame Gehäuse müßte dann aber so groß sein, daA sämtliche Funkenstrecken beider Funkenstreckenstromzweige voneinander elektrisch isoliert untergebracht werden können, da diese Stromzweige nur an ihren beiden Enden miteinander verbunden sind.

Ein Nachteil der Konstruktion nach Figur 3 bet eht darin, daß die Isolatorsäulen nur ungenügend ausgenützt werden, da die Isoliersäule 12, in der das Material für den Widerstand 12 untergebracht ist, im Normalbetrieb nichts von der anliegenden Spannung aufnimmt. Es wäre daher günstig, wenn man einen Teil dieses Widerstandsmaterials in den beiden Funkenstreckensäulen verteilen könnte, die in den Isolatorsäulen 13 montiert sind, da man dadurch die gesamte Länge der drei Isolatorsäulen zur Isolation gegenüber der anliegenden Spannung heranziehen und dadurch die Störanfälligkeit des Überspannungsschutzes gegenüber Verschmutzungen verbessern könnte. Wenn man das Widerstandsmaterial zwischen den Funkenstrecken im gleichen Gehäuse anordnet, braucht die Länge des Gehäuses nicht vergrößert zu werden, da die einzelnen Elemente zwar elektrisch hintereinander geschaltet werden müssen, räumlich aber nebeneinander angeordnet werden können. Hierdurch HLtt aber eine ernsthaftere Schwierigkeit auf. Wenn nämlich die beiden Funkenstreckenstromzweige mit dem zwisschen den einzelnen Funkenstrecken angeordneten Widerstandsmaterial gleichzeitig zünden, kann der Fall auftreten, daß die beiden Funkenstreckenzwftige nicht mehr wie bei einem Flip-Flop abwechselnd

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leiten, sondern den Strom parallel führen und sich dadurch selber zerstören. Der Grund hierfür liegt darin, daß die positive Widerstandskennlinie des Widerstandsmaterials die negativen Kennlinien der Funkenstrecken überkompensieren kann, so daß die resultierende Widerstandskennlinie positiv ist. Dann können aber beide Stromzweige parallel zueinander gleichzeitig Strom führen, und dieser Zustand ist stabil. Es sei noch einmal daran erinnert, daß es für die abwechselnde Übernahme des Stromes durch die beiden Funkenstreckenzweige notwendig ist, daß die Funkenstreckenzweige eine negative Widerstandskennlinie haben, da es nur dann nicht möglich ist, daß beide Funkenstreckenzweige gleichzeitig stabil Strom führen, wenn beide Funkenstreckenzweige gleichzeitig zünden.

Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, nur einen Teil des gesamten Widerstandes des Überspannungsschutzes zwischen den Funkenstreckenstromzweigen zu verteilen, so daß der gesamte Widerstand der beiden Funkenstreckenstromzweige negativ bleibt, und das restliche Widerstands»terial in Serie zu den beiden parallel angecrdneten Funkenstreckenzweigen anzuordnen und das restliche Widerstandsmaterial vorzugsweise in einer getrennten Isolatorsäule unterzubringen. Beispiele für diese Abwandlung sind in den Figuren 11, 12 und 13 dargestellt, die den Figuren 1, 2 und 3 ähnlich sind. In der Figur 11 sind daher die Teilmengen 3*' des Widerstandsmaterials in Serie mit den Funkenstrecken A und B angeordnet, während das restliche Widerstandsmaterial 3*** in Serie zu den parallel gelegten Funkenstreckenstromzweigen A und B geschaltet ist.

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Figur 12 zeigt, wie diese Abwandlung auf Überspannungsschutzvorrichtungen für. höhere Spannungen übertragen werden kann. In der Figur 12 sind wieder die Teilmengen 3** des Widerstandsmaterials zwischen die Funkenstrecken in den beiden Funkenstreckenzweigen eingesetzt worden. Dadurch wird die Restmenge 3^ttf des Widerstandsmaterials kleiner, die in 8erie zu den parallel geschalteten Funkenstreckenzweigen gelegt werden muß.

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Ein weiterer Vorteil der Anordnung/nach Figuren 11 und 12 besteht in folgendem. Wenn man einen Teil des Widerstandsmaterials zwischen die einzelnen Funkenstreckenzweige legt, ist der Spannungsabfall, der entsteht, wenn dann die einzelnen Zweige Strom führen, größer als der Spannungsabfall an den Zweigen, die aus Funkenstrekken allein aufgebaut sind. Daher kann die Stromübernahme vom stromführenden Funkenstreckenzweig durch den noch nicht gezündeten Funkenstreckenzweig bereits bei niedrigeren Werten erfolgen, da die gesamte Spannung, die dem noch nicht gezündeten Funkenstreckenzweig aufgeprägt wir4, nicht nur aus der Summe der Spannungsabfälle an den stromführenden Funkenstrecken besteht, sondern auch noch die Spannungsabfälle an den Teilmengen des Widerstandsmaterials enthält. Man kann also eine kleine Menge des Widerstandemateri als dazu verwenden, die maximal an der Überspannungsschutzvorrichtung auftretende Spannung zu verringern, so daß die Schutzwirkung der Überspannungsschutzvorrichtung verbessert werden kann.

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Wenn man die Figur 13 mit der Figur 3 vergleicht, so sieht man, vie man die Gehäuselängen und die Bauhöhen für Überspannungs schutzvorrichtungen nach den Figuren 11 und 12 im Vergleich zu den Gehäuselängen und der Bauhöhe für Überspannungsschutzvorrichtungen nach den Figuren 1 und 2 vermindern kann, die für die gleichmSpannungen ausgelegt sind.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   lJüberspannungs- oder Blitzschutzvorrichtung für Stromnetze hoher Spannung) gekennzeichnet durch

   Mindestens zwei parallel geschaltete Stroazweige, von denen jeder mindestens eine mit Strombegrenzung arbeitende Funkenstrecke enthält.

   2. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den Funkenstrecken nach dem Zünden eine Spannung entwickelt *st, die höher als die Durchschlagsspannung der Funkenstrecken ist,

   3. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden parallel gelegten Stromzweige mehrere in Serie geschaltete Funkenstrecken aufweist.

   4. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Serie mit den parallel geschalteten Stromzweigen ein gemeinsamer Widerstand geschaltet ist.

   5. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem der parallel geschalteten, mindestens eine mit Strombegrenzung arbeitenden Funkenstrecke aufweisenden Stromzweige ein

   Widerstand in Serie gelegt ist.

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   6. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 3, d a -durch gekennzeichnet, daß jeder Funkenstrecke in jedem der parallel geschalteten Stromzweige ein Wi*-

   nachderstand in Serie/geschaltet ist.

   - 7. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem oder mehreren der Anspüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der parallel geschalteten Stromzweige einen negativen Widerstand aufweist.

   8. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennz eichnet, daß die Summe aller Spannungsabfälle an den Funkenstrecken in einem Parallelzweig nach dem Zünden der Funkenstrecken zuzüglich der Summe aller Spannungsabfälle an den in Serie zuden einzelnen Funkenstrecken geschalteten Widerständen den Wert der Durchschlagsspannung des noch nicht gezündeten Parallelzrae^es übersteigt.

   9. Überspannungsschutzvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den beiden parallele Stromzwftigen in Serie liegende Widerstand aus mehreren hintereinander geschalteten Einzelwiderständen aufgebaut ist.

   10. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 4, d a -durch gekennzeichnet, daß in zwei gleichen senkrecht nebeneinander angeordneten Isolatorgehäusen jeweils eine gleiche Anzahl von mit Strombegrenzung arbeitenden Funkenstrecken untergebracht sind, daß das untere Ende eines weiteren

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   Isolatorgehäuses, in dem der in Serie zu den parallel geschalteten Stromzweigen liegende Widerstand angeordnet ist, oben auf die beiden senkrecht nebeneinander angeordneten Isolatorgehäuse aufgesetzt ist, und daß die Parallelschaltung der in den beiden senkrecht nebeneinander angeordneten Isolatorgehäusen untergebrachten Funkenstreckenzweigen sowie die Verbindung der beiden parallel gelegten Funkenstreckenzweige mit dem Wi-

   derstand im oben aufgesetzten Gehäuse über Kontakte erfolgt, die oben und unten an den Gehäusen vorgesehen sind.

   11. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Funkenstrecken in den beiden senkrecht nebeneinander stehenden Isolatorgehäusen einzelne Widerstände eingeschaltet sind.

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