DE1588238C3 - Überspannungsschutzvorrichtung - Google Patents

Description

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■ Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer In der F i g. 1 ist als Ausführungsbeispiel eine

Überspannungsschutzvorrichtung, insbesondere für Blitz- oder Überspannungsvomchtung 1 dargestellt, Gleichstromnetze, mit zwei oder mehr parallel- die als Ventil mit einer Funkenstrecke 2 und mit geschalteten Stromzweigen, bei denen die Zerstörung Ventilwiderständen 3 ausgebildet ist. Die Überspaneiner Funkenstrecke durch Überhitzung infolge eines 5 nungsschutzvorrichtung 1 verbindet eine. Leitung 4 ununterbrochenen Flusses des Stromstoßes durch eines Netzes mit der Erde G. Die Netzleitung 4, die · den Stromzweig mit dieser einen Funkenstrecke ver- für dieses Beispiel dargestellt ist, weist eine Über- mieden wird. , - , -· ...·.. · ■ Spannungsimpedanz Z₀ auf. Weiterhin enthält-das

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, daß Netz eine Überspannungsquelle, "wie beispielsweise in Serie mit den parallelgeschalteten Stromzweigen 10 Schalter. Zwischen der Überspanungsquelle und dem ein gemeinsamer Ventilwiderstand liegt, jeder der Überspannungsschutz ist in den meisten Anwendunparallelen Stromzweige eine negative Widerstands- gen eine Überspannungsimpedanz vorhanden. Das charakteristik hat und daß durch jede der Funken-. ist jedoch für die richtige Funktion des Überspanstrecken nach ihrer Zündung rasch eine Gegenspan- nungsschutzes nicht notwendig. So kann es beispielsnung über ihrem Stromzweig aufbaubar ist, die zu- 15 weise in manchen Fällen günstig sein, dem Überspansammen mit dem Spannungsabfall des in Serie liegen- nungsschutz einen Kondensator direkt parallel zu den Ventilwiderstandes eine Gesamtspannung ergibt, legen. Dieses bewirkt, daß der innere Widerstand in welche die Zündspannung der anderen Funkenstrecke der Überspannung vernachlässigbar klein wird, wähübertrifft, so daß durch jede Funkenstrecke nach rend andererseits das Vorhandensein des Kondenihrer Anregung eine rasche Umleitung des Strom- 20 sators die Funktion des Überspannungsschutzes nicht Stoßes von ihrem Stromzweig auf mindestens einen beeinträchtigt

der anderen parallelen Stromzweige erzwingbar ist. Der Überspannungsschutz ist für eine Verwendung

Daher können auch über längere Zeitspannen in Gleichspannungsnetzen bestimmt, und sein Funkenhinweg Überspannungen abgeleitet werden, da zwei streckenteil 2 unterscheidet sich von einem üblichen oder mehr Strombegrenzungsfunkenstrecken so par- 35 Überspannungsschutz für Wechselstrom darin, daß allel geschaltet sind, daß eine Flip-Flop-Wirkung zwei gleich aufgebaute Stromzweige aus mehreren entsteht Das heißt, beispielsweise zwei Funken- hintereinandergeschalteten Strombegrenzungsfunkenstrecken zünden abwechselnd und leiten jeweils nur strecken A und B -parallel geschaltet sind. Wie das für eine verhältnismäßig kurze Zeitspanne, deren Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt, enthält jeder Summe pro Funkenstrecke nur etwa gleich der halben 30 dieser Stromzweige vier Hauptfunkenstrecken 5, die Zeitspanne ist, während der die Überspannung auf- hintereinandergeschaltet sind und in Serie mit einer tritt. Diese Maßnahme ist keineswegs naheliegend, magnetischen Blasspule 6 liegen, die eine Schutzda nach der bisherigen Lehrmeinung Funkenstrecken funkenstrecke 7 überbrückt Der Lichtbogen in der ihres negativen Widerstandes wegen nicht parallel Schutzfunkenstrecke 7 wird von der Magnetspule 6 betrieben werden können. Diese Lehrmeinung ist 35 ausgeblasen oder verlängert Diese Funkenstrecke natürlich richtig, und die beiden Strombegrenzungs- und die Blasspule sind ähnlich aufgebaut, wie es in funkenstrecken werden nicht und können auch nicht der bereits erwähnten USA.-Patentschrift 3151273 im üblichen Sinne parallel betrieben werden, d. h., beschrieben ist Die Elektroden der Funkenstrecken auf solche Weise, daß jede der beiden Funkenstrecken sind mit Hörnern ausgestattet, und die Elektroden nur die Hälfte des gesamten Stromes führt Was 40 sind sandwichartig zwischen porösen Isolierplatten durch die Parallelschaltung der beiden Strombegren- angeordnet, um sehr rasch und genau auf Grund der zungsfunkenstrecken nun tatsächlich erreicht wird, Wechselwirkung des Magnetflusses der Spule 6 mit ist eine Unterteilung der gesamten Zeitspanne, wäh- allen Lichtbogen der Hauptfunkenstrecken und auf rend der die Überspannung vorhanden ist, in kürzere Grund der Wechselwirkung zwischen der Spannung Zeitabschnitte, so daß jede Funkenstrecke in einem 45 an der Hilfsfunkenstrecke 7 und der Spule 6 die solchen kurzen Zeitabschnitt den gesamten Strom . Bogenspannung aufbauen zu können, führt, während die andere Funkenstrecke sich wäh- Zusätzlich sind die beiden Funkenstreckenstrom-

rend dieser Zeitspanne abkühlen, kann. zweige mit Spanungsteilerimpedanzen versehen, die

Im folgenden soll die Erfindung sowie deren vor- mit Z₃, Z₉, Z₁₀ und Z₁₁ bezeichnet sind. Diese Spanteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 2 50 nungsteilerimpedanzen dienen dazu, die Durchbis 4 in Verbindung mit den Zeichnungen an Hand Schlagsspannung für_ jede Funkenstrecke auf einen von Ausführungsbeispielen im einzelnen beschrieben Wert zu erniedrigen, der unter dem Wert der Gegenwerden, spannung ist, die die Überspannungsschutzvorrich-

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer rung erzeugen kann, wenn Strom durch sie hindurch-Überspannungsoder Blitzschutzvorrichtung nach 55 fließt Das Zünden der Hauptfunkenstrecken findet der Erfindung; - üblicherweise nacheinander-statt, .und anschließend _.

F i g. 2 zeigt eine Überspannungs- oder Blitzschutz- zündet dann die Huf sfunkenstrecke 7. Dieses aufein- ~~ vorrichtung nach der Erfindung für höhere Span- anderfolgende Zünden geschieht sehr rasch, d.h. nungen; hier, in einem Bruchteil einer Mikrosekunde. .":.■_:."

Fig. 3 zeigt eine Ansicht auf die Blitzschutzvor- 60 Diese Konstruktion hat zur Folge, daß nach dem richtungen, die schematisch in den Fig. 1 und 2 Durchzünden aller Funkensrrecken und nach dem dargestellt sind; Aufbau des Stromes durch diese Funkenstrecken

F i g. 4 bis 10 sind graphische Darstellungen, an sehr schnell eine beträchtliche Gegenspannung entHand derer die Wirkungsweise der Erfindung er- steht, die in etwa 500 Mikrosekunden etwa den läutert werden soll; 65 Durchschlagsspannungen entspricht Die Gegenspan-

Fig. 11, 12 und 13 sind Abwandlungen der Über- nung kann noch um einiges höher als die Durchspannungs- oder Blitzschutzvorrichtung, nach den Schlagsspannung werden, da während der Zeit, wäh-Fig. 1, 2 und 3. rend der Strom fließt, die Gegenspannung nicht von

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den Spannungsteilerimpedanzen sondern von jeder . nung V_c der Leitung gleicht, auf die die Leitung auf-" Funkenstrecke erzeugt wird. Diese Gegenspannung geladen worden ist. Dann wird der Strom in dem bestimmt nun die Spannungsverteilung zwischen den Überspannungsschutz gegen Null· gedruckt, wie noch Funkenstrecken, so daß eine sehr gleichförmige, deutlicher aus den Fig. 5 und 6 hervorgeht, die unten praktisch lineare Spannungsverteilung entsteht Wenn 5 noch erörtert werden. Wie weiterhin noch in Verdie Funkenstrecken dagegen nicht leiten, ist die bindung mit den Fig. 7, 8 und 9 erläutert wird, Spannungsverteilung in hohem Grade nicht linear zündet der Funkenstreckenstromzweig B, und die oder ungleichförmig und wird von den Spannungs- Lichtbogen im · Funkenstreckenstromzweig A erteilerimpedanzen bestimmt. ' Wenn' jedoch eine löschen. Am Zeitpunkt T₁ fällt daher der Spannungs-

" Funkenstrecke ihre volle Gegenspannung entwickelt io abfall an Überspannungsschutz praktisch unmittelbar hat, läuft der Lichtbogen nicht mehr weiter die Hörner vom Wert V_c auf den Wert V_VR ab, und es baut sich hinauf, sondern tritt auf die Bogenlöschbleche der erneut eine Spannung auf, die fast den Wert V_c er-Funkenstrecken auf. Wenn nun der Strom unter reicht, da nun am Funkenstreckenstromzweig B die diesen Umständen für mehr als einige wenige Milli- Bogenspannungen immer größer werden, bis sich am Sekunden aufrechterhalten wird, werden die Funken- 15 Zeitpunkt T₂ das Spiel erneut wiederholt, der Funkenstrecken durch Überhitzung beschädigt. '- - Streckenstromzweig erneut wieder zündet und die Nun soll in Verbindung mit den Fig. 4 bis 9 im Lichtbogen im FunkenstreckenstromzweigB wieder einzelnen erläutert werden, wie die Flip-FIop-Wirkurig ■ erlöschen. Zum Zeitpunkt T₃ zündet wieder der oder das Umschalten des Stromes zwischen den bei- Funkenstreckenstromzweig B,. und dieses Spiel wird den parallelgeschalteten Funkenstreckenstromzwei- 20 laufend wiederholt' '

gen A und B zustande kommt, um eine Überhitzung In der Fig.5 ist der Strom in den Funkenstrek-

der einzelnen Funkenstrecken zu verhindern und um kenstromzweig A in gleichem Maßstab wie in der es möglich zu machen, Überspannungen auf einem Fig. 4 gegenüber der Zeit aufgetragen. Wie man Gleichstromnetz rabzuleiten, die viele Millisekunden sieht, steigt dieser Strom am Zeitpunkt T₀, wenn der

■"•lang vorhanden sein können. Die Fig. 4 bis.9 sind 35 Funkenstreckenstromzweig A zündet, praktisch • graphische Darstellungen, auf deren horizontalen augenblicklich von 0 bis zu einem Spitzenwert an · Achsen die Zeit aufgetragen ist. ' ' und fällt dann fortschreitend bis zum Zeitpunkt T₁

F i g. 4 zeigt den gesamten Spannungsabfall an der auf einen sehr niedrigen Wert I₁ ab. Dieser Strom-Überspannungsschutzvorrichtung 1 in Abhängigkeit abfall wird durch Aufbau der Spannung im Funkenvon der Zeit. Auf der senkrechten Achse stellt V_n 3° streckenstromzweig A hervorgerufen. Wie noch andie Normalbetriebsspannung der Netzleitung 4 dar. ' schließend näher in Verbindung mit den F i g. 7, 8 V₃ ist die Überschlagsspannung der Funkenstrecken- und 9 erläutert wird, ist der Spannungsabfall an dem stromzweige A und B, V_VR stellt den Spannungs- · Funkenstreckenstromzweig A zum Zeitpunkt T_n abfall an den Widerständen der Überspannungs- wenn der Strom I₁ durch diesen Stromzweig hinschutzvorrichtung dar, der von dem maximalen 35 durchfließt und der Funktenstreckenstromzweig B Überstrom hervorgerufen wird, der unmittelbar nach kein Strom führt, so groß, daß der Funkenstrecken-

- dem Durchschlag der Funkenstrecken fließt, während stromzweig B .zündet. Dann fällt der Strom im Fun-

• die Spannung V_c diejenige Spannung bedeutet, die' kenstreckenstromzweig A praktisch unmittelbar auf die Leitung 4 durch eine "Überspannung oder einen' 0 zurück, wie es in der Fig. 5 dargestellt ist. Der · Stromstoß erreichen kann. V_c ist doppelt so groß wie 40 Strom im Funkenstreckenstromzweig B ändert sich V_n angenommen. Dieses ist ein typischer Wert, der . dagegen praktisch unmittelbar vom Wert 0 bis zu · erreicht werden kann, wenn eine nicht abgeschlossene * seinem Spitzenwert, wie in der F i g. 6 bei T₁ zu Leitung plötzlich erregt und die angelegte Spannung sehen ist Zwischen den Zeitpunkten T₁ und T₂ in j

am offenen Ende der Leitung reflektiert wird. T₀ be- Fig. 6 nimmt der Strom in dem Funkenstrecken- (\ zeichnet den Zeitpunkt, an dem die Spannung auf der 45 stromzweig B wieder ab, da die Spannung an die-Leitung 4 an dem Punkt, an dem sie mit der Über- .sem Funkenstreckenstromzweig zunimmt. Wenn der ,

Spannungsschutzvorrichtung 1 verbunden ist, den . . Strom den Wert I₁ unterschreitet, ist die Spannung Wert V₃ erreicht. An diesem Zeitpunkt zündet zuerst am Funkenstreckenstromzweig B so groß geworden, einer der beiden Funkenstreckenstromzweige A daß der Funkenstreckenstromzweig A erneut zün- oder B. Es ist zwar auch' denkbar, daß beide Funken- so den kann. Dieses geschieht am Zeitpunkt T₂ in streckenstromzweige gleichzeitig zünden. Dieses ist Fig.5 und der Strom im Funkenstreckenstromaber sehr unwahrscheinlich, da es praktisch unmög-' zweigB geht am Zeitpunkt T₂ in Fig. 6 wieder auf lieh ist, zwei Funkenstrecken mit absolut identischen 0 zurück. Dieses wechselseitige Zünden der beiden Durchschlagseigenschaften .und Durchschlagskenn- Funkenstreckenstromzweige wird so lange fortgelinien herzustellen. Aber selbst dann, wenn der un- 55 setzt, bis die Spannung auf der Leitung auf einen wahrscheinliche Fall auftritt, daß beide Funken- Wert vermindert worden ist, dem die Überspanriungsstreckenstromzweige gleichzeitig zünden, wird durch schutzvorrichtung standhalten kann. Die F i g. 7, 8 die negative Kennlinie dieser beiden Stromzweige und 9 zeigen nun gemeinsam die Summe der Spanbewirkt, daß der eine Funkenstreckenstromzweig nungen oder Spannungsabfälle zwischen der Erde den gesamten Strom übernimmt und der Strom im 60 und demjenigen Teil der Leitung 4, die auf die Spananderen Funkenstreckenstromzweig erlischt. " nung V_c aufgeladen ist In den Fig. 7, 8 und 9 bein der nachfolgenden Beschreibung soll angenom- deuten die graphischen Darstellungen einmal den men werden, daß der Funkenstreckenstromzweig A Spannungsabfall auf Grund des inneren Widerstanzuerst zündet Zum Zeitpunkt T₁, der etwa 500 Mi- des der Überspannungsquelle, der durch den Strom krosekunden nach dem Zeitpunkt T₀ auftreten kann, 65 im Überspannungsschutz zustande kommt, weiterhin ist die Spannung am Fünkenstreckenstromzweig A so den Spannungsabfall an den Funkenstreckenstromgroß geworden, daß der gesamte Spannungsabfall an kreisen und schließlich den Spannungsabfall am Wider Überspannungsschutzvorrichtung etwa der Span- dcrstand des Uberspannungsschutzes. Der Verlauf

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dieser drei Spannungen ist über der gleichen horizon- und Strom führen. Man kann daher den Fig. 5, 6 · talen Zeitachse aufgetragen. Die Summe der Span- und 8 entnehmen, daß die kritische Zeitspanne, in nungen, die in den Fig. 7, 8 und 9 dargestellt sind, der jede Funkenstrecke aufgeheizt wird, .verhältnisgleicht zu jedem beliebigen Zeitpunkt der Spannung mäßig kurz gegenüber den darauffolgenden Zeitspanne, auf die die Leitung 4 aufgeladen worden ist. 5 nen ist, in denen jede Funkenstrecke stromlos ist ■

Wie aus der Fig. 7 hervorgeht, sind zu jedem be- - und sich", abkühlen kann, ΐ;^·^·^^:^^:^· ;" -^:.-. liebigen Zeitpunkt der Strom durch die Funkenstrek- · Die Fig. 10 zeigt nun eine Überspannungsschutz- --_"-kenstromzweige und der Spannungsabfall auf Grund vorrichtung - nach der Erfindung, die mit'einer des inneren Widerstandes der Überspannungsstrom- 1300 km^Iangen-400 kV-GIeichstromleitung^yerbun- _, quelle einander proportional. Das liegt daran, daß io den ist, die auf 80OkV aufgeladen wurde. Der Zeit- -der innere Widerstand der Überspannungsquelle eine punkt Tdt ist die sogenannte doppelte Laufzeit der. lineare Impedanz ist. Wie aus der F i g. 9 hervorgeht, Leitung, und die Zeit Tdt liegt bei ,einer 1300 km verläuft der Spannungsabfall am Widerstand des langen. Leitung bei etwa 8000 Mikrosekunden. Wäh- ' Überspannungsschutzes ähnlich wie der Spannungs- , rerid dieser verhältnismäßig langen ,Zeitspanne wird -' abfall auf Grund des inneren Widerstandes der Über- 15 die Flip-Flop-Wirkung in der Überspannungsschutz-, Spannungsquelle. Der Spannungsverlauf am Wider- vorrichtung viele Male wiederholt, und die. Über- "-■-stand "ist jedoch merklich. steiler und stärker ge- Spannungsschutzvorrichtung leitet Energie von" der ', krümmt als der Spannungsverlauf am inneren Wider- . Leitung während dieser Zeit ab, die von der,Über- }']:'' stand der Überspannungsquelle, da das Material, spannung herrührt. Dieses hat jedoch auf .die Spanaus dem der Widerstand des Überspannungsschutzes 20 nung an der Stelle, an der die Leitung mit dem Über- hergestellt ist, nichtlineare. Widerstandseigenschaften spannungsschutz verbunden ist, bis zum Zeitpunkt hat, was bei dieser Art von Überspannungs- oder . Tdt keinen merklichen Einfluß, bis die Spannungs-Blitzschutzvorrichtung üblich ist. verminderung, die durch das erstmalige Zünden und

Der Grund, warum an den Zeitpunkten T₁, T₂, T₃ Stromleiten des Funkenstreckenstromzweiges A bis .;. usw. in den F i g. 4, 7 und 9 die Spannung an" der 25 zum Ende der Leitung gelaufen und anschließend _ Überspannungsschutzvorrichtung, die in Fig.4 dar- bis zu dem Punkt zurückreflektiert ist, an dem der gestellt ist, nicht genau gleich der Spannung V₀ ist Überspannungsschutz mit der Leitung verbunden ist. und der Grund, warum der Spannungsabfall auf Zu diesem Zeitpunkt fällt die Überspannung auf der Grund des inneren Widerstandes der Überspannungs- Leitung ab und nimmt einen Wert an, der als Beispiel quelle und der Spannungsabfall am Überspannungs- 30 in der Nähe der Spannung V_s angenommen worden schutz nicht genau 0 sind, ist darin zu erblicken, daß ist. Da der Überspannungsschutz hierfür verhältniszu diesen Zeitpunkten der minimale Strom durch mäßig lange Strom führen muß, kann die Durch- .' die Funkenstreckenstromzweige/j beträgt, wie es in Schlagsspannung der Funkenstrecke in dem Überden F i g. 5 und 6 dargestellt ist. Einer der Gründe, spannungsschutz zeitweilig etwas vermindert sein, so warum der minimale Spannungsabfall im Widerstand 35 daß selbst dann, wenn die Spannung auf der Leitung des Überspannungsschutzes so viel größer als der etwas unter die normale Zündspannung des Übefminimale Spannungsabfall auf Grund des inneren Spannungsschutzes abfällt, der" Überspannungsschutz Widerstandes der Überspannungsquelle an den Zeit- "noch weiterhin zünden kann. Dieses fortlaufende punkten T_x, T₂, T₃ usw. ist, besteht darin, daß zu Zünden des Überspannungsschutzes wiederholt sich diesen Zeitpunkten der Strom I₁ sehr niedrig ist, wie 40 wie bei einem Flip-Flop bis zum Zeitpunkt 2 Tdt. es in den F i g. 5 und 6 dargestellt ist, und daß bei Zu diesem Zeitpunkt fällt die Spannung auf der Leisehr niedrigen Strömen der Wert des Widerstandes tung erneut ab, und diesmal vielleicht schon auf des Überspannungsschutzes viel größer als bei höhe- einen Wert, der so niedrig ist, daß die Funkenstrekren Strömen ist. · ken in dem Überspannungsschutz nicht mehr zünden

Die F i g. 8 zeigt, daß zum Zeitpunkt T₀ gerade 45 können. Wenn somit die Spannung auf der Leitung nach dem Zünden des Funkenstreckenstromzweiges A etwas niedriger als V₅ sein kann, so kann die Spander Spannungsabfall an diesem Stromzweig praktisch nung auf der Leitung trotzdem ..noch merklich höher . null ist, und rasch mit der Zeit ansteigt, bis diese als die Nennspannung V_n sein. Dieses stellt jedoch... Spannung am Zeitpunkt T₁ die Durchschlagsspan- · für" die Isolation des Leitungsnetzes ,keine Gefahr nung V₅ erreicht oder übersteigt. Dann zündet der 50 mehr dar, und außerdem wird die Leitungsspannung ~ Funkenstreckenstromzweig B, und der Spannungs- durch Kriechströme und ähnliche Erscheinungen allabfall an den Funkenstreckenstromzweigen fällt wie- mählich auf den Nennwert^'vermindert.-Solche der augenblicklich auf Null zurück. Zwischen dem Kriechströme können beispielsweise" durch' die Span-Zeitpunkt T₁ und 7*₂ wächst wieder der Spannungs- nungsteilerimpedanzen im Überspannungsschutz ababfall am Funkenstreckenstromzweig B auf einen 55 fließen, so daß es nur eine Frage vpn Minuten ist, ; Wert an, der etwa der Zündspannung V_s gleicht, so bis die Spannung auf der. Leitung den normalen __. daß ani Zeitpunkt T₂ die beiden Funkenstrecken- Nennwert V_n erreicht hat. Die Frage, wie viele dop-.'.r.. stromzweige wieder umgeschaltet werden. Dieses pelte Laufzeiten der Überspannungsschutz -benötigt, ·. wiederholt sich an den Zeitpunkten T₃, T₄, T₅ usf. um die Überspannung auf der Leitung zu beseitigen. ~.y

In den F i g. 5, 6 und 8 heizen sich die einzelnen 60 hängt einmal von der Größe der .^ursprünglichen ·. Funkenstrecken während der Zeit, während der sie Überspannung auf der Leitung und zunranderen von Strom führen nicht gleichförmig mit der Zeit auf, dem Strom ab, den der Überspannungsschutz^ von".:'·~~^r" und die Aufheizgeschwindigkeit ist nur dort kritisch, der Leitung abführt, wenn er gezündet hat. Dieses wo die Spannung an den einzelnen Funkenstrecken wiederum bestimmt sich weitestgehend aus dem Leitam höchsten ist. Die Zeitspanne jedoch in der an 65 wert des Materials, aus dem der Widerstand des den einzelnen Funktenstrecken hohe Spannungen an- Überspannungsschutzes hergestellt ist. In der Fig. 10 liegen, fst verhältnismäßig kurz im Vergleich zu den sind als Beispiel die Verhältnisse dargestellt, die aufZeitspannen in denen die Funkenstrecken zünden treten, wenn der Überspannungsschutz zwei doppelte

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Laufzeiten benötigt. Der Überspannungsschutz kann oder Blitzschutzvorrichtung konstruiert sein kann, die aber genauso gut nur eine oder auch fünf oder gar nach den F i g. 1 oder 2 aufgebaut ist. In der F i g. 3 " zehn doppelte Laufzeiten benötigen. ■ ist ein Isolatorgehäuse 12 vorgesehen, in dem das

Der Grund, warum die Spannungsänderungen zwi- Material für den Widerstand 3 oder 3' des Übersehen den Zeitpunkten Tdt. und 2 Tdt geringer als S Spannungsschutzes untergebracht ist. Das Isolatorzwischen den Zeitpunkten T₀' und Tdt ist, liegt daran, gehäuse 12 sitzt oben auf zwei nebeneinander aufgedaß zwischen den Zeitpunkten Tdt und ITdt die stellten gleichartigen Isolatprgehäusen 13 auf, .von Überspannung auf der Leitung bereits geringer ist.. denen.das eine die Funkenstrecken A und das andere Dadurch wird auch die Größe des Stromes durch den die Funkenstrecken B enthält. Die beiden Isolator_T Überspannungsschutz und demzufolge ..auch. _:der io gehäuse enthalten somit zusammen den aus Funken-Spannungsabfall am Widerstand des Überspannungs- ■ strecken aufgebauten Flip-Flop-Teil 2 oder 2' des Schutzes geringer.γ ,. ' ;·----" -.-„"' ....'« Überspannungsschutzes. Man könnte die Funken-'Wehn die Überspannung von einem Blitz- oder strecken A" und B auch in einem gemeinsamen Ge-Überschlag herrührt, arbeitet der erfindungsgemäße häuse unterbringen. Dieses gemeinsame Gehäuse Überspannungsschutz ■ wie ein üblicher Überspan- 15 müßte dann aber so groß sein, daß sämtliche Funnuhgsschutz mit Strombegrenzung. Da nun die Zeit- kenstrecken beider Funkenstreckenstromzweige vondauer einer solchen durch Blitz verursachten Überr einander elektrisch isoliert untergebracht werden spannung viel kürzer .,ist als die Zeit, die irgendein können, da diese Stromzweige nur an ihren beiden Funkenschalter benötigt, der. durch diese Überspan- * Enden miteinander verbunden sind, nung gezündet worden ist, um seinen eigenen Span-' 20 Ein Nachteil der Konstruktion nach F i g. 3 benungsabfall auf einen Wert anzuheben, der über steht darin, daß ,die Isolatorsäulen nur ungenügend dem Spannungswert V_n. liegt,. kann der Überspan- ausgenützt werden, da die Isoliersäule 12, in der das nungsschutz den Überstrom schon vor dem Zeit- Material für den Widerstand 12 untergebracht ist, punkt T_x beseitigen. Diese Zeitspanne ist wesentlich im Normalbetrieb nichts von der anliegenden Spankürzer als die Zeitdauer einer- halben Periode bei 25 nung aufnimmt. Es wäre daher günstig, wenn man einem 60-Hz-Netz, also wesentlich kürzer als die einen Teil dieses Widerstandsmaterials in den beiden . Zeitdauer, die zahlreiche übliche Überspannungs- Funkenstreckensäulen verteilen könnte, die in den Schutzvorrichtungen für Wechselspannung zum Ab- Isolatorsäulen 13 montiert sind, da man dadurch die leiten der Überspannung benötigt. gesamte Länge der drei Isolatorsäulen zur Isolation

' Für Netze mit Spannungen, die höher als diejeni- 30 gegenüber der anliegenden Spannung heranziehen gen Spannungen sind,- für die der Überspannungs- und dadurch die Störanfälligkeit des Überspannungsschutz-aus Fig.l ausgelegt ist, könnte man ver- Schutzes gegenüber Verschmutzungen verbessern muten, daß der Überspannungsschutz nach F i g. 1 könnte. Wenn man das Widerstandsmaterial zwials Baustein für die Herstellung von Überspannungs- sehen den Funkenstrecken im gleichen Gehäuse anschutzvorrichtungen dienen kann, die auch für höhere 35 ordnet, braucht die Länge des Gehäuses nicht ver-Spannungen geeignet sind. Hierzu könnten die not- größert zu werden, da die einzelnen Elemente zwar wendige Anzahl dieser Bausteine hintereinanderge- . elektrisch hintereinandergeschaltet werden müssen, " schaltet werden. Ein solches Vorgehen hat sich als räumlich aber nebeneinander angeordnet werden nicht zweckmäßig erwiesen, und ein solcher aus Bau- können Hierdurch tritt aber eine ernsthaftere Schwiesteinen' hergestellter Überspannungsschutz" würde 40 rigkeit auf. Wenn nämlich die beiden Funkenstrekauch nicht arbeiten, da Rein Grund vorhanden ist, kenstromzweige mit dem zwischen den einzelnen warum das flipfiopartige Umschalten in den verschie- Funkenstrecken angeordneten Widerstandsmaterial denen Bauteilen dieses Überspannungsnetzes syn- gleichzeitig zünden, kann der Fall auftreten, daß die chron verlaufen sollte. Wenn dieses flipfiopartige beiden Funkenstreckenzweige nicht mehr wie bei Umschalten jedoch nicht synchron verläuft, kann 45 einem Flip-Flop abwechselnd leiten, sondern den dieses zu einer Zerstörung eines solchen Überspan- Strom parallel führen und sich dadurch selber zernungsschutzes führen, der aus mehreren. Bausteinen stören. Der Grund hierfür liegt darin, daß die· posinach Fig. 1 aufgebaut ist. Eine Möglichkeit, das tive Widerstandskennlinie des Widerstandsmaterials Flip^Flop-Prinzip aus Fig. 1 auch.auf höhere Span- die negativen Kennlinien der Funkenstrecken übernungen ■ auszudehnen, ist in_:der Fig..2 dargestellt, 50 kompensieren kann, so daß die resultierende Widerbei der alle Funkenstrecken in zwei getrennten Sau- Standskennlinie positiv ist. Dann können aber beide Ien untergebracht sind und nur an. ihren äußeren Stromzweige parallel zueinander gleichzeitig Strom Enden miteinander verbunden sind. Bei dieser An- führen, und dieser Zustand ist stabil. Es sei noch Ordnung müssen alle' Funkenstrecken A synchron einmal daran erinnert, daß es für die abwechselnde zünden, da sie alle vom gleichen Strom durchflossen 55 Übernahme des Stromes durch die beiden Funkenwerden. Genauso müssen auch alle-Funkenstrek- streckenzweige notwendig ist, daß.die Funkenstrekkenß synchron arbeiten, da die Funkenstrecken B kenzweige eine negative Widerstandskennlinie haben, ebenfalls alle vom gleichen Strom durchflossen wer- da es nur dann nicht möglich ist, daß beide Funkenden. Daher ist die Flip-FIop-Wirkung mit gleichför- streckenzweige gleichzeitig stabil Strom führen, wenn ' miger Umschaltgeschwindigkeit genauso 'wie im 60 beide Funkenstreckenzweige gleichzeitig zünden.' Überspannungsschutz nach Fig. l· sichergestellt. .Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, nur Weiterhin sind in der Fig. 2 zwei Ketten aus Span- einen Teil des gesamten Widerstandes des Überspannungsverteilungsimpedanzen Z₁ bis " Z_n dargestellt', nungsschutzes zwischen den Funkenstreckenstromdie über die Funkenstrecken geschaltet sind. Durch zweigen zu verteilen, so daß der gesamte Widerstand die Verteilungsimpedanzen kann man die anliegende 65 der beiden Funkenstreckenstromzweige negativ Spannung gleichförmig oder auch ungleichförmig auf bleibt, und das restliche Widerstandsmaterial in die Funkenstrecken verteilen. · ■ " , Serie zu den beiden parallel angeordneten Funken-

Die F i g. 3 zeigt nun, wie eine Überspannungs- streckenzweigen anzuordnen und das restliche Wider-

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Standsmaterial vorzugsweise in einer getrennten Iso- abfall an den Zweigen, die aus Funkenstrecken allein latorsäule unterzubringen. Beispiele für diese Ab- aufgebaut sind. Daher kann die Stromübernahme Wandlung sind in den Fig. 11,12 und 13 dargestellt, vom stromführenden Funkenstreckenzweig durch den die den Fig. 1, 2 und 3 ähnlich sind. In der Fig. 11 noch nicht gezündeten Funkenstreckenzweig bereits sind daher die Teilmengen 3" des Widerstandsmate- 5 bei niedrigeren Werten erfolgen, da die gesamte rials in Serie mit den Funkenstrecken A und B an- Spannung, die dem noch nicht gezündeten Funkengeordnet, während das restliche Widerstandsmate- streckenzweig aufgeprägt wird, nicht nur aus der rial 3'" in Serie zu den parallel gelegten Funken- Summe der Spannungsabfälle an den stromführenden Streckenstromzweigen A und B geschaltet ist. Funkenstrecken besteht, sondern auch noch dieSpan-

Fig. 12 zeigt, wie diese Abwandlung auf Über- io nungsabfälle an den Teilmengen "des Widerstandsspannungsschutzvorrichtungen für höhere Spannun- materials enthält. Man kann also eine kleine Menge gen übertragen werden kann. In der Fig. 12 sind des Widerstandsmaterials dazu verwenden, diemaxiwieder die Teilmengen 3" des Widerstandsmaterials mal an der Überspannungsschutzvorrichtung aufzwischen die Funkenstrecken in den beiden Funken- tretende Spannung zu verringern, so daß die Schutzstreckenzweigen eingesetzt worden. Dadurch wird die 15 wirkung der Überspannungsschutzvorrichtung ver-Restmenge 3'" des Widerstandsmaterials kleiner, die bessert werden kann.

in Serie zu den parallelgeschalteten Funkenstrecken- Wenn man die Fig. 13 mit der Fig. 3 vergleicht,

zweigen gelegt werden muß. so sieht man, wie man die Gehäuselängen und die

Ein weiterer Vorteil der Anordnungen nach Bauhöhen für Überspannungsschutzvorrichtungen Fig. 11 und 12 besteht in folgendem. Wenn man ao nach den Fig. 11 und 12 im Vergleich zu den Geeinen Teil des Widerstandsmaterials zwischen die häuselängen und der Bauhöhe für Überspannungseinzelnen Funkenstreckenzweige legt, ist der Span- schutzvorrichtungen nach den Fig. 1 und 2 verminnungsabfall, der entsteht, wenn dann die einzelnen dem kann, die für die gleichen Spannungen aus-Zweige Strom führen, größer als der Spannungs- gelegt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1 2 Patentansprüche· spannung aufbauen kann, die den Spannungsabfall unmittelbar nach dem Durchschlag der Funken-

1. Überspanungsschutzvorrichtung für Strom- strecke beträchtlich übersteigt und der Netzspannung netze hoher Spannung mit mindestens zwei par- entgegengesetzt ist. Auf diese Weise wurde ein künstallelgeschalteten' Stromzweigen und mindestens 5 licher Stromnulldurchgang hervorgerufen, so daß zur · einer mit Strombegrenzung arbeitenden Funken- Entiomsierung" der "Überspannungsschutzvorrichtung strecke in jedem Stromzweig, dadurch ge- ebenfalls,eljie" ausreichenderiZeiispannung zur Ver-

• kennzeichnet, daß in Serie mit den parallel- fügung stand. Ein solcher Überspannungsschutz, der geschalteten Stromzweigen (A, B) ein gemein- mit der eben beschriebenen SFfombegrenzung arbeitet, samer Ventilwiderstand (3) liegt, jeder der par- io ist in der USAJ-Pateritschrift 3 151273 vom 29. Sep-

■ allelen Stromzweige (A, B) eine negative Wider- ■ tember 1964 beschrieben worden.

Standscharakteristik hat und daß durch "jede der Die Entwicklung dieser Strombegrenzungsfunken-

Funkenstrecken (5). naqh ihrer Zündung rasch strecken hat die Möglichkeit zur Herstellung von eine Gegenspannung über ihrem Sfrbmzweig (A, Überspannungsschutzvorrichtungen für Gleichstrom- B) aufbaubar ist, die zusammen mit dem Span- 15 netze eröffnet, da diese Strombegrenzungsfunkennungsabfall des in Serie liegenden Ventilwider- strecken auch in solchen Systemen einen Stromnullstandes (3) eine Gesamtspannung ergibt, weiche durchgang erzwingen können, in denen üblicherweise die Zündspannung der anderen Funkenstrecke keine Stromnulldurchgänge auftreten. So ist beispielsübertrifft, so daß durch jede Funkenstrecke nach weise eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einer ihrer Anregung eine rasche Umleitung des Stoß- 20 Strombegrenzungsfunkenstrecke, die für 6 kV Wechstroms von ihrem Stromzweig auf mindestens . selspannung ausgelegt ist, tatsächlich in der Lage, einen der anderen parallelen Stromzweige er- auch ein 6 kV-Gleichstromnetz gegenüber kurzen ( zwingbar ist. Überspannungen zu schützen, wie sie beispielsweise

2. Uberspannungsschutzvorrichtung nach An- durch Blitzeinschläge hervorgerufen werden können, spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem 35 Grundsätzlich bedeutet dies, daß ein solcher Überder parallelgeschalteten, mindestens eine mit spannungsschutz auch als Blitzschutz in einem Strombegrenzung arbeitende Funkenstrecke (5) Gleichspannungsnetz verwendet werden kann, dessen aufweisenden Stromzweige (A, B) mindestens ein Netzspannung nicht höher als die Wechselspannung Ventilwiderstand (3") in Serie geschaltet-ist. . ist, für die der Überspannungsschutz ausgelegt ist.

3. Uberspannungsschutzvorrichtung nach An- 30 · Es treten jedoch Schwierigkeiten auf, wenn man mit spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu jeder einer solchen für Wechselstrom ausgelegten Über-Funkenstrecke (5) in jedem der parallelgeschalte- Spannungsschutzvorrichtung solche Überspannungen ten Stromzweige (A, B) ein - Ventilwiderständ in von Gleichspannungsnetzen ableiten will, die über Serie geschaltet ist. ' eine längere Zeitspanne andauern. Solche länger-

4. Uberspannungsschutzvorrichtung nach An- 35 dauernden Überspannungen können beispielsweise spruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Schaltvorgänge oder durch Fehler im Netz mit den parallelen Stromzweigen (A, B) in Serie hervorgerufen werden. Wenn eine solche für Wechselliegende Ventilwiderstand (3) aus mehreren spannung ausgelegte Überspannungsschutzvorrichhintereinandergeschalteten Einzelwiderständen tung von Gleichspannungsnetzen Überspannungen (3'") aufgebaut ist. 40 ableiten soll, die langer als etwa 1 Millisekunde andauern (also über eine Zeitspanne, die etwas langer als diejenige ist, in der sich der maximal mögliche

Spannungsabfall an der Strombegrenzungsfunken-

strecke aufbaut), überhitzt sich die Funkenstrecke « 45 sehr rasch und verliert damit ihre Fähigkeit, das Gleichstromnetz wieder frei zu machen. Dieses führt

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspan- " dann schließlich auf einen Ausfall des Uberspannungsnungsschutzvorrichtung für Stromnetze hoher Span- Schutzes. Für Anwendungen in heutigen Gleichstromnung mit mindestens zwei parallelgeschalteten Strom- netzen ist es aberwesentlich, daß die Überspannungszweigen und mindestens einer mit Strombegrenzung 50 schutzvorrichtungen auch über längere Zeitspannen arbeitenden Funkenstrecke in jedem Stromzweig. Strom führen können, da es physikalisch unmöglich

Jeder Überspannungs- oder Blitzschutz muß unter , ist, die vorhandenen langen Leitungsnetze in Zeitanderem zwei Forderungen erfüllen. Einmal muß er spannen zu entladen, die kürzer als einige Milliin der Lage sein, die Energie abzuleiten, die mit Sekunden sind.

einer Überspannung auf dem Leitungsnetz verbunden 55 In der französischen Patentschrift 1279 790 wird ist, zu dessen Schutz er verwendet ist. Anschließend ein Überschlagsschutz mit zwei parallelen Strommuß der Überspannungsschutz wieder sperren, so zweigen beschrieben, die jeweils mindestens eine mit daß sich die normale Netzspannung wieder einstellen Strombegrenzung arbeitende Funkenstrecke besitzen, kann. Die bisher bekannten Überspannungsschutz- In Reihe zu beiden Zweigen liegt ein Ventilwidervorrichtungen für Wechselstromnetze beruhten auf 60 stand. Die Kenngrößen für die Funkenstrecken und der Erscheinung des zweimaligen Stromnulldurch- Widerstände beider Stromzweige sind so gewählt, · ganges während einer jeden Periode. Dadurch war daß ein Stromzweig bei niedrigeren Spannungen in eine ausreichende Zeit zum Entionisieren und zum Funktion tritt. Der andere der beiden parallelen Sperren der Überspannungsschutzvorrichtungen ge- Stromzweige tritt im Falle höherer Spannungen in geben. In jüngster Zeit wurden Überspannungs- 65 Funktion. Die Anordnung enthält keine Vorkehrunschutzvorrichtungen mit sogenannten Strombegren- gen zum abwechselnden Betrieb beider Stromzweige, zungsfunkenstrecken verwendet, an denen sich sehr während der Ableitung eines und desselben Spanrasch nach dem Zünden eine sehr erhebliche Gegen- nungsstoßes.