DE2008219A1 - überspannungsableiter - Google Patents

Description

Patentanwalt

6 Frankfurt/Main 1 " _JA„.

Niddastr.52 2 0. Feb. 197©

General Electric Company, Sehenectady, N.Y.

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Ueberspannungsableiter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ueberspannungsableiter mit einer Entladungsstreckenanordnung und mit einer ein magnetisches Feld erzeugenden Spule zur Längung der durch Ueberspannungen am Ableiter in der Entladungsstrecke erzeugbaren Lichtbogen.

herkömmliche Ueberspannungsableiter umfassen bekanntlich Mittel zur Längung eines gezündeten Lichtbogens im Ableiter, um dessen Spannung für ein Löschen des Lichtbogens zu erhöhen und um zu verhindern, dass der folgende Strom |n der Kraftleitung durch den Ableiter hindurch zur JErde gelangt.

Solche Ueberspannungsableiter sind ausführlich und im einzelnen im USA-Patent Nr. 3 151 273 beschrieben. Bei diesen Üeberspannungsableitern bildet sich die Liehtbogen-

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spannung durch Längung des Lichtbogen bis zu einem Punkt, wo der Lichtbogen die Wandung einer Lichtbogenkammer berührt, was bewirkt, dass der Lichtbogen rasch abgekühlt wird und verlöscht.

Werden solche Überspannungsableiter zum Schuts foe elektrischen Kraftleitungssystemen mit besonder* beben Spannungen verwendet, ergeben sich Schwierigkeiten bezüglich einer ausreichend raschen Löschung der Entladungsstreckenanordnung nach dem Zünden auf einen üeberspannungsstoss hin.

Werden hingegen solche Ueberspannungsableiter zum Schutz von an einer Kraftleitung über eine Anzahl seriegeschalteter Drosselspulen, bekannt als Glättungdrosselanordnung, angeschlossenen Gleichetromumformern verwendet, kann, wenn nach einer Entladung die Löschwirkung zu rasch erfolgt, ein hoher induktiver Stoss entstehen, welcher eine Spannung über der Drosselspulen und somit über dem Ueberspannungsableiter induziert, deren Höhe ausreichen kann, die zu schützende Anordnung zu zerstören.

Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und einen Ueberspannungsableiter mit einer Entladungsstreckenanordnung und mit einer ein magnetisches Feld erzeugenden Spule zur Längung der durch üeberspannungen am Ableiter in der Entladungsstrecke erzeugbaren Lichtbogen zu schaffen, welcher gestattet, auf den EntladungsVorgang so Einfluss zu nehmen, dass die Betriebscharakteristik des Ueberspannungsableiters verbessert werden kann, insbesondere soll hierbei die Lichtbogenspannung so geregelt werden, dass der Spannungs-

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aufbau am Lichtbogen nach dem Zünden über eine vorgegebene Zeit gedrosselt werden kann. Zudem sollen die Wandungen der Lichtbogenkammern gegen Zerstörungen durch den Lichtbogen geschützt werden. Dies wird erfindungsgemäse erreicht durch Mittel zur Steuerung der Spulenerregung derart, dass für eine vorbestimmte Zeit nach Zündung der Entladungsstreckenanordnung die Spulenerregung nicht ausreicht» den Lichtbogen zu längen und dass nach Ablauf dieser Zeit die Spulenerregung ausreicht, ein magnetisches Feld für eine Längung des Lichtbogens zu erzeugen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes können die Mittel zur Steuerung der Spulenerregung nichtlineare Widerstandsmittel umfassen, welche der Spule paLrallelgeschaltet sind. Zudem kann die Spule eine vorgegebene Anzahl Windungen aufweisen zur Erzeugung einer induktiven Reaktanz grosser als die Impedanz der nichtlinearen Widerstandsmittel innerhalb des vorgenannten vorbestimmten Zeitabschnittes.

Hierbei können die nichtlinearen Widerstandemittel eine Hilfsentladurigsstrecke oder einen Körper aus nichtlinearem Ventilwiderstandsmaterial umfassen.

Beispielsweise Ausf Uhrungsformen des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Entladungsetreckenanordnung mit nichtlinearem Ventilwiderstand und LSschspule ' zur Bildung eines Üeberspannungsableiter*»

Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung eines Details der Anordnung gemäss Fig. 1 und

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Pig. 3 eine auseinandergezogene Darstellung einer Ausführungevariante des Details gemäss Fig. 2.

Oemäss Fig. 1 befindet sich zwischen zwei metallischen Anschlussplatten 2 und 3 eine Entladungsstreckenanordnung 1, mit welcher nichtlineare Ventilwiderstandsmittel 4 seriegeschaltet sind, an deren Ende sich eine weitere Anschlussplatte 5 anschlieast. Ueberspannungsableiter mit einem solchen Aufbau sind bereits üblich und beispielsweise im USA-Patent Nr. 3 151 273 im einzelnen beschrieben.

Selbstverständlich ist es möglich, eine Reihe solcher vorbeschriebener Ueberspannungsableiter in Serie zu schalten, um verschiedene Grössenordnungen von Durchschlagsspannungsweiten zu erreichen. Ebenso selbstverständlich ist, dass die vorbeschriebene Anordnung in bekannter Weise von einem hier nicht näher gezeigten Gehäuse umgeben werden kann, welches die Entladungsstreckenanordnung und die Ventilwiderstandsmittel elektrisch isoliert und gegen Witterungseinflüsse schützt. Wie im genannten USA-Patent beschrieben, kann im weiteren die Entladungsstreckenancrdnung eine Mehrzahl Etektrodenpaare umfassen, welche eine entsprechende Anzahl in Serie befindliche Lichtbogenüberschlagsspalte bilden, welche je durch eine eigene Lichtbogenkammer voneinander getrennt sind.

In Fig. list eine Elektrode eines solchen Elektrodenpaares 6 in einer obersten Lichtbogenkammer angedeutet und durch einen Kupferstift 7 mit einem zweiten Elektrodenpaar 8 in einer zweiten Lichtbogenkammer direkt unter der ersten

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elektrisch verbünden. In gleicher Weise sind Elektrodenpaare 9 und 10 elektrisch in Serie mit den Elektrodenpaaren 6 und 8 verbun den, wobei sich sowohl Elektrodenpaar, 9 .als auch Elektrodenpaar 10 in einer eigenen Lichtbogenkammer befinden. Die vorgenannte Anschlussplatte 2, ist hierbei mit der einen Elektrode des obersten Elektrodenpaares 6 durch einen Kupferstift 11 elektrisch verbunden, ebenso die eine Elektrode des untersten Elektrodenpaares 10 über einen Kupferstift 12 mit der unteren Anschlussplatte 3.

Wie das genannte USA-Patent im einzelnen ausführt, sind die die Lichtbogenkammern begrenzenden Wandungsteile aus einem geeigneten Isoliermaterial gebildet. Ferner ist in Serie zwischen den Elektroden 8 und 9 eine Spule 13 geschaltet, welche auf einem Kunststoff träger I¹I aufgewickelt ist und welche über diesen bezüglich der Entladungsstreckenanordnung so montiert ist, dass ein erzeugtes magnetisches Feld in der Lage ist, die-Lichtbogen zwischen den Elektrodenpaaren nach aussen zu treiben, um durch Licht bogenlängung eine wirkungsvolle Löschung des Lichtbogens zu bewirken. Aus diese Vorgänge sind ausführlich im genannten USA-Patent Nr. 3 151 273 beschrieben.

In elektrischer Shunt-Schaltung über die Spule 13 ist ein Hilfsüberschlagsspalt vorgesehen., wie Fig. 2 mehr im einzelnen zeigt. Hierbei ist das eine Ende 13a der Spule mit einer Elektrode 15 und das andere Ende 13b der Spule mit einer Elektrode 16 verbunden, welche zwischen sich den Hilfsüberschlagsspalt begrenzen. Fig. 2 zeigt ferner, dass sich der Spulenträger 14 der Spule 13 zwischen der oberen Fläche der das Elektrodenpaar 9 enthaltenden. , Entladungsstreckeneinheit un d der unteren Fläche der das Elektrodenpaar 8 enthaltenden Entladungsstreckeneinheit

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befindet. Ein Kupferstift 8a verbindet die Elektroden 15 und 8 in geeigneter Weise derart, dass eine gute elektrische Verbindung zwischen diesen erreicht wird, nach Zusammenfügen der Entladungsstreckenanordnung. In gleicher Weise verbindet ein Kupferstift 9a die Elektroden 9 und 16. Entsteht nun über den Anschlussplatten 2 und 3 oder 2 und 5 gegen Erde eine hohe Ueberspannung, etwa durch einen üeberspannungsstoss in dem durch den Ueberspannungsableiter zu schützenden Kraftleitungssystem, erfolgt an den Entladungsstreckeneinheiten ein Ueberschlag, wodurch ein direkter Kurzschlusskreis ^ durch die Entladungsstrecken und den Ventilwiderstandsmitteln k zur Erde entsteht. Infolge Lichtbogenspannungsabfall über dem Hilfsüberschlagsspalt entsteht zudem ein Stromfluss durch die Spule 13.

Die Seriekreisinduktanz der Spule 13 ist hierbei so bemessen, dass der Stromfluss durch die Spule über eine vorbestimmte Zeit nach Zündung der Entladungsstreckenanordnung gedrosselt wird. Die Grosse der induktiven Reaktanz für die optimale Betriebscharakteristik hängt hierbei von der Grosse der Zündspannung an der Entladung»- Streckenanordnung ab. Es hat sich aber gezeigt, dass für fc eine Zündspannung in der Grössenordnung von 6'00O Volt eine Induktanz der Spule 13 in der Grössenordnung zwischen 20 und 30 mH und ein Ohmscher Widerstand der Spule 13 von 20 bis 30 Ohm wünschenswert erscheint. Ein solcher Induktanzwert der Spule 13 gestattet nur einen kleinen Strom durch die Spule während der Zündphase der Entladungsstreckenanordnung, so dass zunächst nur ein sehr schwaches elektromagnetisches Feld entsteht, was die Lichtbogen in den Hauptentladungsstrecken nur langsam entlang den be-

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treffenden Hornelektroden nach aussen gegen die Wandung der betreffenden Lichtbogenkammer treibt» Diese geringe Lichtbogenbewegung trifft auch für den Lichtbogen in der die Spule 13 shuntenden Hilfsentladungsstrecke zu, so dass der Strom durch die Spule 13 nach der Zündphase zunimmt. Der sich daraus ergebende Spannung über der Spule ist hierbei langsam genug, um den Ueberspannungsstoss gegen Erde abzuleiten, ehe der Lichtbogen im Hilfsentladungsspalt der Spule ausreichend gelängt wurde, um eine genügend grosse Rückspannung zu ereeugen für einen vorgegebenen Spulenstrom.

Infolge einer grossen Windungszahl der Spule 13 bewirkt eine geringe Zunahme des Spuleristromes eine grössere Zunahme des von der Spule 13 erzeugten magnetischen Feldes, wodurch dann die Lichtbogen schnell in ihre grösste gelängte Lage gegen die Abkühlflächen der betreffenden Lichtbogenkammern gelangen. Wenn der ueberspannungsstoss abgeleitet ist, beginnt der Entladestrom durch den Ueberspannungsableiter abzunehmen. Hat dieser dann einen Wert erreicht, welcher dem Maximalstrom durch den Spulenkreis entspricht, verlöscht der Lichtbogen im parallelen Hilfsspalt zwischen den Elektroden 15 und Nunmehr muss der gesamte verbleibende Strom durch den Ueberspannungsableiter durch die Spule 13 hindurch und da dieser Strom abnimmt, ist die in der Spule durch diesen Strom induzierte Spannung von einer Polarität umgekehrt der Abnahme. Somit bewirkt die induktive Reaktanz der Spule eine Drosselung der Grosse der Abnahme des Stromes und verlangsamt die Löschung des Ueberspannungsableiters. Diese verlangsamende Wirkung hat eine "weiche" Löschung

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des Ueberspannungsableiters zur Folge und verhindert das Auftreten hoher "Induktivschläge" über Elemente hoher Induktanzen im zu schützenden System. Die Anzahl der Windungen einer Spule 13 mit 20 bis 30 mH beträgt vorzugsweise ^50. Je nach gewünschter Drosselzeit kann aber diese Windungszahl für die Spule 13 abweichen.

Eine Ausführungsvariante ist nun in Fig. 3 veranschaulicht. Anstelle einer Verwendung einer Hilfsentladungsstrecke über der Spule 13 ist hier nunmehr ein blockförmiger nichtlinearer Ventilwiderstand 17 zwischen einer oberen Anschlussplatte 18 und einer unteren Anschlussplatte 19 vorgesehen. Der Ventilwiderstand 17 ist hierbei zwischen den Elektroden 8 und 9 (Fif;. 1) seriegeschaltet und befindet sich parallel der Spule 13. Hierfür erfolgt der Anschluss über Spulenanchlüsse 13a und 13b, welche an der Anschlussplatte 18 bzw. 19 angelötet sind. Im Fertigungszustand des Ueberspannungsableiters befindet sich der nichtlineare Ventilwiderstand 17 im Kern der Soule 13 und ist von dieser durch den Spulenkörper lh isoliert. Selbstverständlich ist die Spule 13, wie unbeschrieben, in Serie mit der Entladungsstreckenanordnung 1 geschaltet.

Erscheint nun an dieser Ausführungsform eine Ueberspannungs· welle über den Elektroden 2 und 5 der Entladungsstreckenanordnung 1 und dem Hauptventilwiderstand ¹I, erfolgt der Ueberschlag zur Erde durch Zündung der Hauptentladungsstrecken, so dass der Ueberstrom durch die einzelnen Entladungsstrecken und durch den Hilfsventilwiderstand 17 und dem Hauptventilwiderstand M zur Erde gelangt. Wegen der hohen Induktanz der Spule 13 in der Grössenordnung von 20 bis 30 mH für einen 6 KV Ueberspannungsableiter fliesst zunächst nur ein kleiner Strom durch die Spule 13. Nach Abfall der Ueberspannung und des Ueberstromes nimmt der

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Stromfluss durch die Spule 13. zu, wodurch ein starkes elektromagnetisches Feld erzeugt wird, welches eine rasche Längung der Lichtbogen gegen die Wandungen der betreffenden Lichtbogeriammern bewirkt, Auch hier bewirkt die Induktanz der Spule eine "weiche" Löschung der Entladungsstreckenanordnung, allerdings nicht so wirksam als wenn die Spule durch eine Hilfsentladungsstrecke geshuntet ist, da der parallele Hilfsventilwiderstand den Spulenkreis nicht öffnen kann.

Auch hier können die Resistanz- und die Induktanz-Charakteristiken der Spule 13 wieder der gewünschten Zeit, bei welcher die Lichtbogenbewegung nach Zündung eingeleitet werden soll und der gewünschten Lichtbogenkühlung nach der_Zündung angepasst werden. Versuche haben aber gezeigt, dass die Spule 13 eine Induktanz von mindestens 15 mH und eine Resistanz von etwa 10 Ohm aufweisen sollte für eine ausreichende Drosselung der Lichtbogenbewegung, · um dem Ueberspannungsableiter Gelegenheit zu geben, die Ueberspannungswelle abzuleiten, ehe die Rückspannung über dem Shunt-Entladungsweg oder dem Shunt-Hilfsventilwiderstand erscheint.

Es ist aber auch möglich, die Lichtbogenlängungscharakteristik der Spule 13 und die wirksame Induktanz in Serie der Entladungsstrecken durch Aenderungen anderer Elemente im Kreis zu variieren. Beispielsweise kann eine Hilfsinduktanz in Serie mit der Spule 13 geschaltet werden und es lassen sich die Windungen der Spule 13 reduzieren, so dass ein . schwächeres magnetisches Feld erzeugt werden kann ohne, Aenderung der Drosselungscharakteristik der Spule beim Zündvorgang, Soll die Entladungszeit für die Ueberspannungswelle verlängert werden, während die Lichtbogenbewegung auf ihren relativ geringen Wert gehalten werden soll, müssen

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hingegen nur die Anzahl Windungen der Spule 13 konstant gehalten werden und der Spule 13 eine induktive Reaktanz in Serie zugeschaltet werden, derart, dass diese zusätzliche induktive Reaktanz das von der Spule 13 erzeugte magnetische Feld nicht beeinflusst.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1;) Ueberspannungsableiter mit einer Entladungsstreckenanordnung und mit einer ein magnetisches Feld erzeugenden Spule zur Längung der durch Ueberspannungen am Ableiter in der Entladungsstrecke erzeugbaren Lichtbogen, gekennzeichnet durch Mittel zur Steuerung der Spulenerregung derart, dass für eine vorbestimmte Zeit nach Zündung der Entladungsstreckenanordnung die Spulenerregung nicht ausreicht, den Lichtbogen zu längen und dass nach Ablauf dieser Zeit die Spulenerregung ausreicht» ein magnetisches Feld für eine Längung des Lichtbogens zu erzeugen.

   2. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Steuerung der Spulenerregung nichtlineare Widerstandsmittel umfassen., welche der Spule parallelgeschaltet sind und dass die Spule eine vorgegebene Anzahl Windungen aufweist zur Erzeugung einer induktiven Reaktanz grosser als die Impedanz der nichtlinearen

   Widerstandsmittel innerhalb des vorgenannten vorbestimmten Zeitabschnittes.

   3. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktanz der Spulenwindungen grosser als 15 mH ist.

   k. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, dass die Induktanz der Spulenwindungen im Bereich von 20 bis 30 mH liegt.

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   5. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen die Spule shuntenden, nichtlinearen Ventilwiderstand, dessen Widerstand bei Ueberspannung geringer ist als bei Normalspannung.

   6. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Steuerung der Spulenerregung eine mit der Spule in Serie geschaltete frequenzabhängige
   Impedanz umfassen.

   7. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlinearen Widerstandsmittel eine
   Hilfsentladungsstrecke umfassen.

   8. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlinearen Widerstandsmittel einen
   Körper aus nichtlinearem Ventilwiderstandsmaterial umfassen.

   9. Ueberspannungsableiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch elektrisch leitfähige Anschlussmittel, welche mit Abstand in einem Gehäuse angeordnet sind und zwischen welchen die Entladungsstreckenanordnung und die nichtlinearen Ventilwiderstandamittel im Gehäuse in Serie
   geschaltet sind.

   Pe/cb 18.2.1970 BAD ORIGINAL

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