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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Abschneidefunkenstrecke für
ein Hochspannungs-Impulsprüfsystem, vorzugsweise zur Qualitätssicherung
von Leistungstransformatoren.
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Die
Hochspannungsprüfung verfolgt den Zweck, transiente Überspannungen
in Drehstromnetzen mittels künstlich erzeugten impulsförmigen
Stößen zu simulieren. Dabei wird klassischerweise
zwischen äußeren Überspannungen, die
beispielweise durch einen Blitzschlag hervorgerufen werden, und inneren
Schaltungsüberspannungen, die auf Grund von Schaltvorgängen
im Netz entstehen, unterschieden. Die Vielzahl der Überspannungserscheinungen werden
für Prüfzwecke auf genormte Blitz- und Schaltstoßspannungen
reduziert. Für diese Prüfspannungen werden Kenngrößen
festgelegt, die den Anstieg der Spannung, den Scheitelwert und den
Rückenabfall innerhalb bestimmter Toleranzen beschreiben.
Bei der abgeschnittenen Blitzstoßspannung, die die Wirkung
sehr schneller Spannungsänderungen simulieren soll, kommt
als weitere Kenngröße die Abschneidezeit hinzu.
Die Anforderungen, Spannungsformen sowie die Bestimmung derer Parameter
sind in der ICE 60060-1 definiert. Je nach durchgeführter
Normprüfung umfasst das Hochspannungs-Impulsprüfsystem
dafür einen Impulsgenerator und Hilfskomponenten wie eine
Abschneidefunkenstrecke, einen Spannungsteiler und eine Overshoot-Kompensation.
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Zur
Erzeugung der erforderlichen impulsförmigen Stoßspannungen
haben sich im Laufe der Jahre besonders Marx'sche Vervielfachungsschaltungen,
auch Marx-Generatoren genannt, auf dem Markt etabliert. Der von
dem gleichnamigen Erfinder 1923 entwickelte und unter der Nummer
DE 455 933 zum Patent erteilte
Schaltungstyp ist in mehreren Schaltungsstufen aufgebaut, wobei
jede der Stufen in Serie geschaltet eine Stoßkapazität
und ein Schaltorgan, insbesondere eine Schaltfunkenstrecke, und zu
der Stoßkapazität und dem Schaltorgan parallelgeschaltet
einen Widerstand sowie hierzu in Serie geschaltet einen Widerstand
aufweist. Dabei sind zwei aufeinanderfolgende Stufen derart miteinander verbunden,
dass sie parallelgeschaltet aufladbar und in Serie geschaltet entladbar
sind.
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Die
Stoßkondensatoren werden mittels einer Ladegleichspannung
aufgeladen. Eingeschleifte Ladewiderstände begrenzen hierbei
nicht nur den Ladestrom, sondern erlauben auch eine kurzzeitige Reihenschaltung
der Kondensatoren mittels der Funkenstrecken. Die Schlagweiten der
Funkenstrecken sind so gewählt, dass diese bei Erreichen
der maximalen Ladespannung gerade noch nicht durchschlagen.
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Nachdem
alle Stoßkondensatoren auf ihren quasistationären
Endwert der Spannung aufgeladen sind, erfolgt die Zündung
der untersten Funkenstrecke, die daraufhin durchschlägt.
An der nächsten Funkenstrecke steht nunmehr die doppelte
Ladespannung an, so dass diese mit Sicherheit zünden wird.
Unabhängig von der Anzahl der verbauten Stufen setzt sich
der Entladungsvorgang auf Grund der Addition der Ladespannungen
vorherig gezündeter Stufen bis zur letzten Stufe fort.
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Auf
diese Weise sind Stoßspannungsimpulse sehr kurzer Zeitdauer
und gleichzeitig großer Amplitude erzeugbar, die sich insbesondere
für Prüfzwecke und Versuche in der Hochspannungstechnik
zum Nachweis der Isolationsfestigkeit sowie Störfestigkeit in
der elektromagnetischen Verträglichkeit eignen.
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Auch
ist es beispielsweise aus der
DE
196 39 023 bekannt, die Grenzbelastungskapazität
des eben beschriebenen Marx-Generators mittels eines Schaltungszusatzes
zu erhöhen, indem man während des Überschwingens
an der Belastungskapazität, d. h. am Prüfling,
eine Spannungsverringerung erreicht, die nach dem Abklingen des Überschwingens
wieder aufgehoben wird. Der Schaltungszusatz, auch als serielle
Overshoot-Kompensation bezeichnet, reduziert damit nicht die Ursache
des Überschwingens, sondern kompensiert das Überschwingen
an der Belastungskapazität, d. h. insbesondere am Prüfling.
Die Overshoot-Kompensation besteht aus einer Kompensationskapazität
und zumindest einem zu dieser parallelgeschalten Entladungswiderstand
oder einer Entladungsfunkenstrecke, wobei der Schaltungszusatz in
serieller Bauweise zu dem Prüfobjekt in die Marx'sche Vervielfachungsschaltungen
einzuschleifen ist. Neben der zum Prüfobjekt seriell geschalteten
Overshoot-Kompensation ist es auch bekannt, diese in parallel geschalteter
Bauform zum Prüfling auszugestalten. Anders als bei der
eben beschriebenen Bauform sind bei einer derart ausgebildeten Overshoot-Kompensation
die Kompensationskapazität und der zumindest eine Entladungswiderstand
oder Entladungsfunkenstrecke seriell angeordnet.
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Weiterhin
ist es für die Nachbildung einer betriebsmäßigen Überspannungsbeanspruchung
und zum Nachweis der Isolationsfestigkeit von Hochspannungsbauteilen
auch erforderlich, die Prüfobjekte wie bereits erwähnt
mit einer abgeschnittenen Stoßimpulsspannung zu beaufschlagen.
Für einen erfolgreichen Verlauf einer derartigen Normprüfung
ist es notwendig, dass die angelegte Spannung innerhalb einer Toleranz
von wenigen Mikrosekunden der gewünschten seit Beginn der
Spannungswelle verflossenen Zeit unterbrochen wird. Technisch realisiert wird
dies mit Abschneide-Funkenstrecken, wie sie bereits seit Langem
aus dem Stand der Technik, z. B. aus der
DD 143 130 oder der
DE 1 255 192 , bekannt geworden sind.
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Zudem
wird in einem Hochspannungs-Impulsprüfsystem an die letzte
Stufe der Marx'schen Vervielfachungsschaltung neben dem Prüfobjekt
auch ein kapazitiv gedämpfter Impulsspannungsteiler angeschlossen,
der die beim Entladen der Stufen erzeugte Blitzstoßpannung
auf Werte reduziert, die von den Mess- und Aufzeichnungsgeräten
verarbeitet werden können.
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All
diese verbauten Systemkomponenten des Hochspannungs-Impulsprüfsystems
haben eine beachtliche räumliche Ausdehnung und müssen
in einem vorgegebenen, vom Spannungspegel abhängigen Mindestabstand
zueinander im Prüffeld angeordnet werden. Darüberhinaus
müssen ebenfalls definierte spannungsabhängige
Mindestabstände zwischen spannungstragenden Elementen und
der Prüffeldbegrenzung eingehalten werden. Der Platzbedarf des
gesamten Hochspannungs-Impulsprüfsystems ist damit erheblich.
Weiterhin muss bei vielen Transformatorenherstellern zum Wechseln
des Prüfobjekts das gesamte Hochspannungs-Impulsprüfsystem
verschoben werden. In diesem Fall müssen der Marx-Generator
und die drei weiteren Hilfskomponenten einzeln durch die Prüfhalle
bewegt und als Hochspannungs-Impulsprüfsystem wieder neu
zusammengebaut und eingerichtet werden. Dieser Vorgang ist zeitaufwändig
und in der Handhabung umständlich.
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Auch
ergeben sich aus der bekannten Anordnung des Hochspannungs-Impulsprüfsystems, bestehend
aus Marx-Generator und den drei weiteren Hilfskomponenten, nicht
zu vernachlässigende zusätzliche kapazitive Lasten,
die die Nichterfüllung der Prüfnorm zur Folge
haben können.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die spannungsbedingte räumliche
Ausdehnung der Hilfskomponenten, insbesondere der Abschneide-Funkenstrecke
und der Overshoot-Kompensation, zu reduzieren und damit den Platzbedarf
des gesamten Hochspannungs-Impulsprüfsystems zu verringern,
um die Prüfhalle effizienter betreiben zu können.
Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, die kapazitiven Lasten
des Prüfkreises im Vergleich zu aus dem Stand der Technik
bekannten Hochspannungs-Impulsprüfsystemen zu verringern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine gesteuerte Abschneidefunkenstrecke mit den
Merkmalen des ersten Schutzanspruches gelöst. Die Unteransprüche
betreffen besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
allgemeine erfinderische Idee besteht dabei darin, die Funktionalitäten
einer gesteuerten Abschneidefunkenstrecke und einer Overshoot-Kompensation
in nur einer einzigen Hilfskomponente zu vereinen. Erfindungsgemäß wird
die gesteuerte Abschneidefunkenstrecke dafür mit einer zusätzlichen
Dämpfungseinheit, bestehend aus einem in Reihe geschalteten
Dämpfungswiderstand und einer Dämpfungsinduktivität
und einer parallel dazu geschalteten Funkenstrecke, erweitert. Die
zusätzliche Dämpfungseinheit ist dabei mindestens
einer Stufe der Abschneidefunkenstrecke zu einer Reihenschaltung
vor- oder nachgeschaltet, d. h. mit mindestens einer der Stufen
der Abschneidefunkenstrecke seriell elektrisch verbunden. Die Dämpfungseinheit
nimmt die Energie der Oszillation im Spannungsmaximum des Blitzimpulses
auf und gibt sie in dessen Rückenabfall wieder ab, wodurch
die effektive Oszillation im Spannungsmaximum des Blitzimpulses
reduziert wird. Zündet die Abschneidefunkenstrecke durch,
so bringt sie das Spannungspotential entlang der Säule
auf Null. Die verbauten Kondensatoren der Abschneidefunkenstrecke
werden damit quasi überbrückt. Zudem muss das
Spannungspotential, das über die Dämpfungseinheit
abfällt ebenfalls auf Null gebracht werden, was durch einen
Kurzschluss, also eine Zündung, der parallel zum dem seriellen
Dämpfungswiderstand und der Dämpfungsinduktivität
angeordneten Funkenstrecke bewirkt wird. Abhängig vom jeweiligen
Anwendungsfall sind die verwendeten Bauteile der zusätzlichen
Dämpfungseinheit austauschbar und decken somit einen großen Parameterbereich
der Prüfnormen ab.
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Für
die einzelnen Normprüfungen ergeben sich folgende funktionalen
Kombinationsmöglichkeiten der Abschneidefunkenstrecke mit
zusätzlicher Dämpfungseinheit:
- – Für
einen Blitzstoßimpuls ist die zusätzliche Dämpfungseinheit
zugeschaltet; die erfindungsgemäße Abschneidefunkenstrecke
funktioniert wie eine Overshoot-Kompensation.
- – Für einen abgeschnittenen Blitzstoßimpuls
wird die Dämpfungseinheit überbrückt
und damit wirkungslos, da auf Grund der kurzen Impulsdauer keine
Dämpfung durch die Overshoot-Kompensation benötigt
wird. Der Impuls kann nach der vorgegebenen Zeitdauer mit der Abschneidefunkenstrecke
abgeschnitten werden.
- – Für die Normprüfung von Schaltstoßimpulsen kann
die Abschneidefunkenstrecke mit zusätzlicher Dämpfungseinheit
aus dem Prüfkreis genommen werden, da für eine
derartige Prüfung ihre Funktionalitäten nicht
benötigt werden.
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Bisher
werden nach dem Stand der Technik Abschneidefunkenstrecke und Overshoot-Kompensation
als separate Komponenten betrieben und müssen in einem
definierten Abstand zueinander im Prüffeld stehen. Durch
die erfindungsgemäße funktionale Integration der
Abschneidefunkenstrecke und der Overshoot-Kompensation in einer
einzigen Hilfskomponente wird es dem Prüffeldbetreiber
erstmals möglich, die Anzahl der notwendigen Hilfskomponenten
zu reduzieren und damit den Platzbedarf des ganzen Prüffeldes
zu optimieren. Das Prüffeld kann damit effektiver betrieben
werden. Auch verursacht die erfindungsgemäße Abschneidefunkenstrecke
mit zusätzlicher Dämpfungseinheit eine geringere
kapazitive Last im Prüfkreis als die aus dem Stand der Technik
separaten Hilfskomponenten. Indem der Anlagenbetreiber nurmehr eine
funktional erweiterte Hilfskomponente zu kaufen hat und bei dieser
auf die hohen Kosten der zusätzlichen Kondensatoren der ansonsten
separaten Overshoot-Kompensation verzichtet werden kann, ist durch
die erfindungsgemäße Vorrichtung eine erhebliche
Kostenersparnis in der Produktion zu erwarten.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
Reihenschaltung der Dämpfungseinheit, bestehend aus Dämpfungswiderstand und
Dämpfungsinduktivität, um eine zusätzliche Dämpfungskapazität
erweitert, was eine Homogenisierung der Spannungsverteilung entlang
der Kondensatoren der Abschneidefunkenstrecke bewirkt.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die erfindungsgemäße Abschneidefunkenstrecke
mit zusätzlicher Dämpfungseinheit und eine weitere
Hilfskomponente, insbesondere ein Spannungsteiler, an einem gemeinsamen
Grundrahmen mit nur einer für beide Hilfskomponenten einzigen
Kopfelektrode angeordnet. Damit ist es möglich, die an
sich separaten Hilfskomponenten räumlich zusammenzuführen
und den einen einzigen gemeinsamen Grundrahmen in besonders einfacher
Weise in der Prüfhalle zu verfahren.
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Die
Vorrichtung soll nachstehend beispielhaft an Hand von Zeichnungen
noch näher erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 den
Schaltplan einer aus dem Stand der Technik bekannten Abschneidefunkenstrecke
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2 den
Schaltplan einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinheit
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3 den
Schaltplan einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dämpfungseinheit
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4 eine
bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Abschneidefunkenstrecke mit zusätzlicher Dämpfungseinheit.
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In
1 ist
ein aus der
DD 143 130 bekannt gewordener
Schaltplan einer gesteuerten Abschneidefunkenstrecke gezeigt. Dieser
beschreibt prinzipiell die Steuerung einer Abschneidefunkenstrecke
1 durch
einen kapazitiven Spannungsteiler
2. Die gesamte Anordnung
befindet in der Nähe eines hier nicht näher dargestellten
Prüflings parallel zu einem Hochspannungsprüfgenerator.
Die abzuschneidende Prüfspannung teilt sich entsprechend
den gleichgroß gewählten Kapazitäten
gleichmäßig auf die Kondensatoren
3 des
Spannungsteilers
2 und damit auch auf jede Einzelfunkenstrecke
4 der
Abschneidefunkenstrecke
1 auf. Die Zwischenpotentiale an
den einzelnen Kondensatoranschlüssen
5 des kapazitiven Spannungsteilers
2 sind
mit einer Hauptelektrode
6 der zugehörigen Einzelfunkenstrecke
4 durch
Querverbindungen
7 zur Potentialsteuerung verbunden. Eine
zweite Verbindung zur gleichen Einzelfunkenstrecke
4 erfolgt
durch einen Leitungszug
8 mit einer Hilfselektrode
9,
die in die besagte Hauptelektrode
6 zur Triggerung der
Einzelfunkenstrecke
4 eingesetzt ist.
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Die
Zündung der Abschneidefunkenstrecke 1 geschieht,
indem die unterste, erdnächste Einzelfunkenstrecke 4a mit
Hilfe eines an die Hilfselektrode 9a gelegten Triggerimpulses
in üblicher Weise extern gezündet wird, so dass
sich der Kondensator 3a dieser ersten Stufe über
die Einzelfunkenstrecke 6a entlädt. Der Entladestrom
fließt dabei auch durch die Querverbindung 7.
Dies hat zum einen eine Selbstinduktionsspannung in der Querverbindung 7 zur
Folge und ruft zum anderen in dem in hinreichend großem Abstand
geführten Leitungszug 8 eine Gegeninduktionsspannung
hervor, die jedoch kleiner ist als die Spannung in der Querverbindung 7.
Da sowohl die Querverbindung 7, als auch der Leitungszug 8 im Kondensatorschluss 5 einen
gemeinsamen Verbindungspunkt besitzen, führt die Spannungsdifferenz an
der zugehörigen Einzelfunkenstrecke 4 zwischen der
Hilfselektrode 9 und der Hauptelektrode 6 zum Durchschlag
und damit zu einer Triggerung dieser Einzelfunkenstrecke 4.
In analoger Weise erfolgt das Durchzünden der weiteren
Stufen und damit der gesamten Abschneidefunkenstrecke 1.
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2 zeigt
die Dämpfungseinheit 20, bestehend aus einem seriellen
Kompensationswiderstand 21 und einer Kompensationsinduktivität 22 und
einer parallel dazu geschalteten Funkenstrecke 23, die
aus zwei gegenüberstehenden Kalotten 24 und 25 gebildet
wird. Die zusätzliche Dämpfungseinheit 20 ist
dabei mindestens einer Stufe der Abschneidefunkenstrecke 1 zu
einer Reihenschaltung vor- oder nachgeschaltet, d. h. mit mindestens
einer der Stufen der Abschneidefunkenstrecke 1 seriell
elektrisch verbunden. Für den Fall, dass die Dämpfungseinheit 20 an der
ersten Stufe der Abschneidefunkenstrecke 1 angeordnet wird,
muss die ansonsten dort vorhandene Erdung 26 an die zusätzliche
Dämpfungseinheit 20 verlegt werden. Zudem kann
die elektrische Dimensionierung der einzelnen Bauteile durch einfachen Austausch
an die äußeren Rahmenbedingungen angepasst werden.
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Im
Unterschied zu 2 weist die in 3 dargestellte
Dämpfungseinheit 20 eine zu dem Dämpfungswiderstand 21 und
der Dämpfungsinduktivität 22 zusätzlich
in Reihe geschaltete Dämpfungskapazität 27 auf,
die eine Homogenisierung der Spannungsverteilung entlang der Kondensatoren 3 der
Abschneidefunkenstrecke 1 bewirkt.
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4 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der
die erfindungsgemäße Abschneidefunkenstrecke 1 mit
zusätzlicher Dämpfungseinheit 20 zusammen
mit einer weiteren Hilfskomponente, nämlich dem Spannungsteiler 32,
an einem gemeinsamen Grundrahmen 30 mit nur einer für
beiden Hilfskomponenten einzigen Kopfelektrode 35 angeordnet
sind. Die beiden Hilfskomponenten finden sich in 4 aus
Gründen der Übersichtlichkeit nur schematisch
dargestellt wieder. Der Grundrahmen 30 wird dabei aus einem
beispielsweise sich längs ersteckenden, also linear aufgebauten
und mit zusätzlich seitlich befestigten Auslegern versehenen Rahmenkonstruktion
gebildet. An diesem Grundrahmen 30 befestigt und mit diesem
leitend verbunden sind die Hilfskomponenten. Zudem sind die oberen Enden
der entsprechenden Hilfskomponenten mittels elektrisch leitenden
Querstreben 33 und 34 mechanisch fixiert. Wiederum
mit den Querstreben 33 und 34 verbunden ist die
Kopfelektrode 35, die beispielsweise als Toroid ausgebildet
sein kann. Die leitenden Querstreben 33 und 34 erfüllen
somit sowohl die Aufgabe, die Kopfelektrode 35 mechanisch
zu halten, als auch einen Potentialausgleich zwischen den Hilfskomponenten
und der Kopfelektrode 35 zu schaffen. Zudem sind die Hilfskomponenten über
einen gemeinsamen Verbindungspunkt im Bereich der leitenden Querstreben 33 und 34 untereinander
galvanisch verbunden und weisen damit in diesem Bereich das gleiche
Spannungsniveau auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 455933 [0003]
- - DE 19639023 [0007]
- - DD 143130 [0008, 0025]
- - DE 1255192 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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