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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Messtechnik, und zwar ein Gerät
zur Zuverlässigkeitsprüfung eines nichtlinearen Überspannungsschutzes, kann
bei der Zuverlässigkeitsprüfung eines nichtlinearen Überspannungsschutzes
eingesetzt werden, der kontinuierlich unter Betriebsspannung steht,
und weist eine unkomplizierte Ausführung auf.
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Bekannt
ist eine ähnliche, technische Lösung (s. z. B. "Energetika
i promyschlennost Rossiji", Zeitung Nr. 2 (54), Februar
2005, Abb. 1B), die Folgendes enthält:
- – eine elektrische Spannungsquelle,
- – einen nichtlinearen Überspannungsschutz,
dessen erster Anschluss an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen
ist,
- – einen Metallring, der mit der unteren Planfläche eines
unteren, spannungsabhängigen Widerstand des nichtlinearen Überspannungsschutzes verbunden
ist,
- – einen Schalter, dessen erster Anschluss an den Metallring
und dessen zweiter Anschluss an den zweiten (Erdungs-)Anschluss
der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen ist,
- – eine Messschaltung, deren Eingänge parallel zum
Schalter angeschlossen sind.
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Die
gemeinsamen Merkmale der vorgeschlagenen, technischen und oben genannten, ähnlichen Lösung
sind folgende:
- – eine elektrische
Spannungsquelle,
- – ein nichtlinearer Überspannungsschutz, dessen erster
Anschluss an den ersten Anschluss der elektrischen Spannungsquelle
angeschlossen ist,
- – eine Messschaltung.
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Bekannt
ist auch eine ähnliche, technische Lösung (s.
Veröffentlichung
des Forschungszentrums "Spektr-Energo", Moskau, „Nichtlineare Überspannungsschutze
mit Polymergehäusen für Wechselstromnetze 1–35
kV"), die als Prototyp gewählt ist und
Folgendes umfasst:
- – eine elektrische
Spannungsquelle,
- – einen nichtlinearen Überspannungsschutz,
der mindestens einen spannungsabhängigen Widerstand (Varistor)
enthält, dessen erster Anschluss an den ersten Anschluss
der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen ist,
- – einen Schalter, dessen Anschluss an den zweiten Anschluss
des nichtlinearen Überspannungsschutzes und dessen anderer
Anschluss an den zweiten (Erdungs-)Anschluss der elektrischen Spannungsquelle
angeschlossen ist,
- – einen Widerstand, dessen erster Anschluss an den
zweiten Anschluss des nichtlinearen Überspannungsschutzes
und dessen zweiter Anschluss an den zweiten (Erdungs-)Anschluss
der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen ist,
- – einen Ableiter, der parallel zum Widerstand angeschlossen
ist,
- – eine Messschaltung, deren erster Eingang an den ersten
Anschluss des Widerstands und deren zweiter Eingang an den zweiten
(Erdungs-)Anschluss der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen
ist.
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Die
gemeinsamen Merkmale der vorliegenden Erfindung und der technischen
Lösung des Prototyps sind:
- – eine
elektrische Spannungsquelle,
- – ein nichtlinearer Überspannungsschutz, der mindestens
einen spannungsabhängigen Widerstand (Varistor), dessen
erster Anschluss an den ersten Anschluss der elektrischen Spannungsquelle
angeschlossen ist, und einen Widerstand aufweist, dessen erster
Anschluss an den zweiten Anschluss des nichtlinearen Überspannungsschutzes
und dessen zweiter Anschluss an den zweiten (Erdungs-)Anschluss
der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen ist,
- – eine Messschaltung, deren erster Eingang an den ersten
Anschluss des Widerstands und deren zweiter Eingang an den zweiten
(Erdungs-)Anschluss der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen
ist.
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Das
technische Ergebnis, das sich durch keine ähnliche, technische
Lösung erzielen lässt und die Zuverlässigkeitsprüfung
des nichtlinearen Überspannungsschutzes sichert, der kontinuierlich
unter der Betriebsspannung steht und den ununterbrochenen Schutz
gegen entstehende Überspannungen gewährleistet,
besteht in Folgendem: es wird eine komplizierte, technische und
bauliche Ausführung des Geräts für die
Zuverlässigkeitsprüfung des nichtlinearen Überspannungsschutzes
ausgeschlossen, die mit dem Einsatz von leistungsfähigen
Hochspannungsschaltern und Ableitern verbunden ist. Das oben genannte,
technische Ergebnis ist unmöglich. Denn die Praxis bei
der Zuverlässigkeitsprüfung des nichtlinearen Überspannungsschutzes
sieht die Messung des Leitungsstroms des nichtlinearen Überspannungsschutzes
nur nach der Abschaltung des nichtlinearen Überspannungsschutzes
von der Erdungsleitung sowie beispielsweise den Anschluss der nichtlinearen
Messschaltung an den freien Schutzanschluss vor. Das ist wiederum
mit wesentlichen, technischen und baulichen Schwierigkeiten sowie
gefährlichen Arbeitsbedingungen verbunden, unter denen
die Messung zur Zuverlässigkeitsprüfung des nichtlinearen Überspannungsschutzes
vorgenommen wird.
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Angesichts
der Eigenschaften und der Analyse der bekannten, technischen Lösungen
kann die Schlussfolgerung gezogen werden, dass die Aufgabe zur Entwicklung der
Mittel zur Zuverlässigkeitsprüfung des nichtlinearen Überspannungsschutzes,
der kontinuierlich unter der Betriebsspannung steht und eine weniger
komplizierte, technische und bauliche Ausführung sowie
sichere Messbedingungen aufweist, heutzutage aktuell ist.
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Das
oben genannte, technische Ergebnis wird durch Folgendes erreicht:
das Gerät zur Zuverlässigkeitsprüfung
des nichtlinearen Überspannungsschutzes, der kontinuierlich
unter der Betriebsspannung steht, umfasst
- – eine
elektrische Spannungsquelle,
- – einen nichtlinearen Überspannungsschutz,
zu dem mindestens ein spannungsabhängiger Widerstand (Varistor),
dessen erster Anschluss an den ersten Spannungsanschluss der elektrischen Spannungsquelle
angeschlossen ist, und ein Widerstand gehört, dessen erster
Anschluss an den zweiten Anschluss des nichtlinearen Überspannungsschutzes
und dessen zweiter Anschluss an den Erdungsanschluss der elektrischen
Spannungsquelle angeschlossen ist,
- – und eine Messschaltung, deren erster Eingang an den
ersten Anschluss des Widerstands und deren zweiter Eingang an den
zweiten Erdungsanschluss der elektrischen Spannungsquelle angeschlossen
sind.
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An
dem oben genannten Gerät werden gemäß der
Erfindung folgende Änderungen vorgenommen:
- – ein zusätzlicher, spannungsabhängiger
Widerstand (Varistor) mit einer mittig ausgebildeten Öffnung
wird eingesetzt, dessen obere Planfläche auf der unteren
Planfläche von mindestens einem spannungsabhängigen
Widerstand (Varistor) des nichtlinearen Überspannungsschutzes
im Lichtbogenverfahren befestigt und dessen untere Planfläche
an den zweiten Erdungsanschluss der elektrischen Spannungsquelle
angeschlossen ist,
- – der erste Anschluss des Widerstands ist von der Innenfläche
der Öffnung und der unteren Planfläche des zusätzlichen,
spannungsabhängigen Widerstands (Varistors) elektrisch
isoliert.
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Der
Einsatz des zusätzlichen, spannungsabhängigen
Widerstands (Varistors) mit einer mittig ausgebildeten Öffnung,
seine Positionierung und sein genannter Anschluss erlauben Folgendes:
die Spannung am Ausgang der elektrischen Spannungsquelle wird an
die Ausgänge des nichtlinearen Überspannungsschutzes
angelegt, der mindestens einen spannungsabhängigen Widerstand
(Varistor) aufweist. Dies erlaubt, am Ausgang des Überspannungsschutzes
einen Leitungsstrom zu gewinnen, der beim Durchfließen
des Widerstands einen Spannungsabfall in diesem verursacht, der
proportional zum Leitungsstrom des nichtlinearen Überspannungsschutzes
ist. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit des
nichtlinearen Überspannungsschutzes genau bestimmen. Deshalb
kann anhand des gemessenen Spannungsabfalls am Widerstand immer die
Zuverlässigkeit des nichtlinearen Überspannungsschutzes
bestimmt werden, der kontinuierlich unter der Betriebsspannung steht,
und zwar ohne die Funktionsfähigkeit und Schutzeigenschaften
des nichtlinearen Überspannungsschutzes zu stören.
Dadurch wird das technische Ergebnis erreicht, das oben angeführt
wurde.
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Eine
durchgeführte Analyse der bekannten, technischen Lösungen
zeigte, dass keine von ihnen weder die ganze Gesamtheit der Merkmale
noch die Unterscheidungsmerkmale der vorliegenden Erfindung aufweist,
so dass die ”Neuheit” und die ”erfinderische
Höhe” der vorliegenden Erfindung gegeben sind.
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Das
Gerät zur Zuverlässigkeitsprüfung des nichtlinearen Überspannungsschutzes
gemäß der Erfindung, der kontinuierlich unter
der Betriebsspannung steht, weist Folgendes auf:
- – eine
elektrische Spannungsquelle 1, beispielsweise eine Hochspannungsfernleitung,
- – einen nichtlinearen Überspannungsschutz,
der beispielsweise als mindestens ein spannungsabhängiger
Hauptwiderstand (Varistor) 2 ausgebildet und dessen erster
Anschluss an den ersten Anschluss der elektrischen Spannungsquelle 1 angeschlossen
ist,
- – einen zusätzlichen, spannungsabhängigen
Widerstand (Varistor) 3 mit einer mittig ausgebildeten Öffnung 4,
dessen obere Planfläche auf der unteren Planfläche von
mindestens einem spannungsabhängigen Widerstand (Varistor) 2 des nichtlinearen Überspannungsschutzes
im Lichtbogenverfahren befestigt und dessen untere Planfläche
an den zweiten Erdungsanschluss der elektrischen Spannungsquelle 1 angeschlossen ist,
- – einen Widerstand 5, dessen erster Anschluss von
der Innenfläche der Öffnung 4 und der
unteren Planfläche des zusätzlichen, spannungsabhängigen
Widerstands (Varistors) 3 elektrisch isoliert und dessen
erster Anschluss an die untere Planfläche von mindestens
einem spannungsabhängigen Hauptwiderstand (Varistor) 2 des
nichtlinearen Überspannungsschutzes und dessen zweiter
Anschluss an den zweiten Anschluss der elektrischen Spannungsquelle 1 angeschlossen ist,
- – eine Messschaltung 6, deren erster Eingang
an den ersten Anschluss des Widerstands 5 und deren zweiter
Eingang an den zweiten (Erdungs-)Anschluss der elektrischen Spannungsquelle 1 angeschlossen
ist.
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Das
Gerät gemäß der Erfindung zur Zuverlässigkeitsprüfung
eines nichtlinearen Überspannungsschutzes, der kontinuierlich
unter der Betriebsspannung steht, arbeitet in folgender Weise.
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Bei
der anliegenden Nennspannung der elektrischen Spannungsquelle
1 fließt über
den nichtlinearen Überspannungsschutz ein Leitungsstrom
in Milliampere, der mit der folgenden Formel berechnet wird:
wobei |I
y|
das Modul des Leitungsstroms, U
p die Betriebsspannung
und |Z| das Modul des komplexen Widerstands von mindestens einem
spannungsabhängigen Widerstand
2 ist. Dabei hat
der Leitungsstrom bei der anliegenden Nennspannung der elektrischen
Spannungsquelle
1 einen hauptsächlich kapazitiven
Charakter.
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Im
allgemeinen Fall ist der Leitungsstrom: I y = I c + I R, wobei I c der
Kapazitätsstrom und I R der aktive Strom (Wirkstrom) ist.
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Die
Punkte auf den Formelgliedern I y, I c, I p sollen andeuten, dass eine Vektoraddition
vorliegt.
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In
einem normal funktionierenden, nichtlinearen Überspannungsschutz
ist der aktive Strom: I
R ≤ 0,31
c des Kapazitätsstroms. Folglich
ist:
wobei |I
y|
das Modul des Leitungsstroms ist. Daher fällt das Modul
des Leitungsstroms praktisch mit dem Kapazitätsstrom I
c zusammen.
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Der
zusätzliche, spannungsabhängige Widerstand (Varistor) 3 mit
einer zentralen Öffnung 4 weist eine Höhe
auf, die viel kleiner als die Höhe von mindestens einem
spannungsabhängigen Haupt-Widerstand (Varistor) 2 ist,
und hat folglich einen viel kleineren, kapazitiven Widerstand. Deshalb
wird der Leitungsstrom des nichtlinearen Überspannungsschutzes
durch den kapazitiven Widerstand von mindestens einem spannungsabhängigen
Hauptwiderstand (Varistor) 2 bestimmt.
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Beim
Durchfließen des Widerstands 5, dessen Wert viel
kleiner als der kapazitive Widerstandswert des zusätzlichen,
spannungsabhängigen Widerstands (Varistors) ist, erzeugt
der Leitungsstrom einen Spannungsabfall am Widerstand 5,
der proportional zu diesem aktiven Strom (Wirkstrom) ist. Dieser Spannungsabfall
gelangt zu den Eingängen der Messschaltung 6 und
wird als konkreter Wert erfasst, der dem Zuverlässigkeitsniveau
des unter der Betriebsspannung stehenden, nichtlinearen Überspannungsschutzes
entspricht.
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Beim
Entstehen der Überspannungen, die die Ansprechgrenze der
spannungsabhängigen Widerstände (Varistoren) 2 und 3 des
nichtlinearen Überspannungsschutzes überschreiten,
vermindert sich rasch ihr dynamischer Widerstand. Dabei wird der
dynamische Widerstand des zusätzlichen, spannungsabhängigen
Widerstands (Varistors) 3 viel kleiner als beim Widerstand 5,
und der Strom durchfließt bei der Überspannung
den Kreis: Anschluss 1 des nichtlinearen Überspannungsschutzes,
sein spannungsabhängiger Hauptwiderstand (Varistor) 2,
der eingesetzte, spannungsabhängige Widerstand (Varistor) 3 und
der Erdungsanschluss 2 der elektrischen Spannungsquelle.
Auf diese Weise werden die Überspannungen begrenzt.
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Durch
häufige Einflüsse der Überspannungen
verändert sich aber die Strom-Spannungs-Kennlinie der spannungsabhängigen
Widerstände (Varistoren) 2, 3. Dies führt
zum Ansteigen des aktiven Leitungsstroms und, wenn die aktive Komponente
des Leitungsstroms die kapazitive Komponente des Leitungsstroms
um das 2- bis 3-Fache übertrifft, wird ein Voralarm ausgelöst.
Das Ansteigen des aktiven Leitungsstroms führt nämlich
zum Ansteigen der Verlustleistung beim nichtlinearen Überspannungsschutz
und folglich zu einer Temperaturerhöhung. Da aber der Temperaturkoeffizient
des Stroms bei den spannungsabhängigen Widerständen
(Varistoren) positiv ist, ruft die Temperaturerhöhung das
Ansteigen des aktiven Leitungsstroms und damit einen thermischen
Durchbruch des nichtlinearen Überspannungsschutzes hervor.
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Wenn
der Wert des Leitungsstroms beim unter der Betriebsspannung stehenden,
nichtlinearen Überspannungsschutz den maximal zulässigen
Wert erreicht, was auch dem maximal zulässigen Wert des Spannungsabfalls
am Widerstand 5 entspricht, soll zur Vermeidung der Störfälle
ferner ein unzuverlässiger, nichtlinearer Überspannungsschutz
durch einen anderen ersetzt werden, der das erforderliche Zuverlässigkeitsniveau
aufweist.
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Dieses
Gerät zur Zuverlässigkeitsprüfung des
unter der Betriebsspannung stehenden, nichtlinearen Überspannungsschutzes
erlaubt also, ohne seine Schutzeigenschaften zu verlieren, zu jeder
Zeit den Spannungsabfall zu messen, der proportional zum Leitungsstrom
des unter der Betriebsspannung stehenden, nichtlinearen Überspannungsschutzes
ist und dem Zuverlässigkeitsniveau des unter der Betriebsspannung
stehenden, nichtlinearen Überspannungsschutzes entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Energetika
i promyschlennost Rossiji”, Zeitung Nr. 2 (54), Februar
2005, Abb. 1B [0002]
- - Veröffentlichung des Forschungszentrums ”Spektr-Energo”,
Moskau, „Nichtlineare Überspannungsschutze mit
Polymergehäusen für Wechselstromnetze 1–35
kV” [0004]
