DE2227397B2

DE2227397B2 - Ueberspannungsschutzanordnung

Info

Publication number: DE2227397B2
Application number: DE19722227397
Authority: DE
Original assignee: Gosudarstvennyj Nautschno-Issledovatelskij Energetitscheskij Institut Imeni G.M. Krschischanovskogo, Moskau
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1972-06-06
Publication date: 1977-11-10
Also published as: JPS4964846A; US3848156A; DE2227397A1; DE2227397C3; GB1354245A; CH540589A; SE361989B; IT957988B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen mit wenigstens einer mittels einer Zündeinrichtung steuerbaren Funkensirecke und mit einer parallel zur Funkenstrecke geschalteten, aus wenigstens zwei gegensinnig in Reihe liegenden l.awinendioden bestehenden Kette zur Begrenzung der Spannung an der Funkenstrecke und an den Ausgangsklemmen der zu schützenden Anlage. Eine solche Anordnung ist aus der DT-OS 19 47 349 bekannt.

Bei dieser bekannten Anordnung ist die Zündeinrichlung für die Funkenstrecke ein Impulstransformator, dessen Primärwicklung in Reihe mil den Lawinendioden liegt. Bei einer solchen Ausbildung kommt es jedesmal beim Überschreiten einer vorgegebenen Spannung iin zu schützenden Netz odei an der zu schützenden elektrischen Anlage zu einem Ansprechen der Anordnung, wodurch die Spannung im Netz zusammenbricht. Dies ist deswegen nachteilig, weil hierdurch ganze vom Netz gespeiste Anlagen stillgelegt werden können,

13er Frfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzanordnung zu schaffen, bei der unter Aufrechterhaltung der Sicherheit des Schutzes die Häufigkeit des Ansprechens verbunden mit einem Zusammenbruch der Netzspannung verringert ist.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, dall die Lawinendioden in Reihe mit dem Fingang eines .Stromgebers liegen, dessen Ausgang über eine Steuereinheil mit der Zündeinrichtung verbunden ist.

Bei dieser Ausbildung wird die Spannung des zu schützenden Netzes durch die Lawinendioden auf einem ungefährlichen Niveau gehalten. Fin Durchbrechen der Lawinendioden führt nicht, wie bei der bekannten Ausbildung, sofort auch zu einer Zündung der steuerbaren Funkenstrecke, sondern dies geschieht erst, wenn die in den Lawinendioden vernichtete Energie, die vom .Stromgeber und der Steuereinheit überwacht wird, das zulässige Maß erreicht. Solange also die Lawinendioden it) der Lage sind, die Spannung im Netz zu begrenzen, erfüllen diese die Schui/fuiiklion und es kommt nicht zu einem Zusammenbruch der Spannung im Net/. Dadurch isl der Fall des Ansprcchens der Funkenstrecke b/w. der Funkenstrecke!! und damit ties möglichst zu \ crmeidriulen Zusammenbruchs der Spannung erheblich scheuer geworden.

Die Ι.ιΙΊικΙιϋ,μ wird nachfolgend durch die !k-.chreibuiiL' von Aiisluhnini'slieispiekn anhand der Zeiehnun

gen weiter erläutert. Ls zeigt

Fig. 1 die Schaltung einer Uberspannungsschut/an Ordnung für elektrische Anlagen mit mehreren hinteremandergeschalteten nichisteuerbaren Funkenstrecke!! und einer steuerbaren Funkenstrecke,

F i g. 2 die Schaltung gemäß Fig. 1 mit detaillierter Darstellung der Steuereinheit,

F i g. J die Schaltung einer Überspannungsschulzanordnung für elektrische Anlagen mit mehreren hintereinandergeschalteten nichtslcuerbaren Funkenstrecken und zwei steuerbaren Funkensirecken, wobei jeder der gegensinnig in Reihe geschalteten l.awinendioden zwei zusätzliche Lawinendioden gleichsinnig vorgeschaltet sind.

Die Schutzanordnung gemäß Fig. I und 2 enthält in Reihe geschaltete nichtsteuerbare Funkenstrecken 1.7 bis Im. parallel zu welchen über Widerstände 2a bis 2/n je eine kette aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden 3.7/4.7 bis 3m/4m sowie je ein Kondensator 5;j bis 5m gelegt ist.

In Reihe mit den nichtsleuerbarcn Funkensirecken liegt eine steuerbare Funkenstrecke 6, wobei parallel zu dieser eine Keite aus gegensinnig in Reihe geschalteten l.awinendioden 3nl4n geschaltet ist. Ihre Zündelektrode 7 ist mit dem Ausgang einer Steuereinheit 8 verbunden, an deren Fingang der Ausgang eines Stromgebers 9 gelegt ist, dessen Fingang in Reihe mit den Lawinendioden 3 j/4ü bis 3n/4n geschaltet ist.

Die Überspannungsschutzanordnung wird an die zu schützende elektrische Anlage oder das zu schützende Netz über Klemmen 11711" angeschlossen.

Die Sekundärwicklung des Stromgebers 9 ist an den Fingang eines Slromintcgrierorgans 10 (Fig. 2) der Steuereinheil 8 der Funkenstrecke 6 gelegt. Das Stromintcgricrorgan 10 besteht aus einem Gleichrichter 12 mit Dioden 13, 14, 15, 16. Der Ausgang des Gleichrichters 12 ist an einen Speicherkondensator 17 über einen Widerstund 18 angeschlossen. Parallel zum Speicherkondensator 17 ist ein Widerstand 19 geschaltet.

Der Ausgang des Slromintegrierorgans 10 ist mit der Steuerelektrode eines Thyristors 20 über eine Entkopplungsdiode 21, einen Dynistor 22 und einen Begrenzungswiderstand 23 sowie an die Kathode dieses Thyristors 20 angeschlossen. An die Kathode der Entkopplungsdiode 21 und die Anode des Dynistors 22 ist die Kathode einer Diode 24 angeschlossen, während an die Anode der letzteren eine Parallelschaltung aus einem Kondensator 25 und einer Zenerdiode 26 angeschlossen ist, wobei die Anode der letzteren und der freie Belag des Kondensators 25 mit der Kathode des Thyristors 20 verbunden sind. Noch parallel zu der Zenerdiode 26 ist eine Gleichstromquelle 27 geschaltet.

Der Thyristor 20 liegt in einem aus der Primärwicklung 28 eines Impulstransformators 29 und einem Kondensator 30 bestehenden Kreis, wobei an den Kondensator 30 über einen Widerstand .31 eine Gleichstromquelle 32 angeschlossen ist.

Die Sekundärwickking 33 des Impulstransformator 29 ist an den I lauptanschliill 54 und die Zündelektrode 7 der steuerbaren Funkenstrecke 6 angeschlossen.

Die I 'unkt iod i\vr heschiiebenen Anordnung isl folgende:

In normalen Bctnebs/iisiändcn übersteij/i die einwir keink· Spannung an ilen Klemmen 11711" nicht clic Siiniinenspei'!"spannung der Lawinendioden einer Rieh tuüg (?;.' hi·- l/i h/w 4.1 bis 4n. ie nach der Polarität dei mil die K eile einwirkenden Spannung), so dal! nicht alle

Dioden einer Richtung im l.awinenabschniu der .Stromspannungskennlinie arbeiten können. Hierbei ist der durch die Primärwicklung des .Stromgebers 9 fließende Strom der Siretistrom der Lawinendioden und reicht nicht zur Erzeugung eines Auslösesignals für die Funkenstrecke 6 durch die Steuereinheit 8 aus.

Beim Auftreten von Überspannungen erreicht die Spannung an den Klemmen 11711" den Wert der Summensperrspannung der L.awinendioden Ja bis Λ/ι bzw. 4a bis 4/;. Dies führt da/u, daß alle Dioden einer Richtung im Lawinenteil der Stromspannungskennlinie arbeiten, wonach die Spannungszunahme an den Klemmen 11711" aufhört. Im Lawinendiodenkreis fließt ein Γ-ntlaslungsslrom, dessen Amplitude und Dauer durch die elektrischen Parameter der einwirkenden Überspannungen bestimmt sind und der einige zehn bis hundert Ampere betragen kann.

Um die Lawinendioden nicht zu gefährden, soll die beschriebene Schutzwirkung nur so lange dauern, bis die in ilen Lawinendioden vernichtete elektrische Energie den maximal zulässigen Wert erreicht oder der Strom selbst den Zerstörungswert erreicht hat.

in diesem Falle soll die Steuereinheit 8 ein Signal zum Auslösen der steuerbaren Funkenstrecke 6 erzeugen, welches diese zündet, wonach dann auch die nichtsteuerbaren Funkenstrecken la bis 1/;; ansprechen, wodurch die Spannung an den Klemmen 11711" zusammenbricht.

Dies geschieht folgendermaßen:

Da man die Spannung an den Klemmen 11711" nach dem Hinsetzen des Betriebs der Lawinendioden im L.awiuenteil der Stroni'pannungskennlinie in erster Annäherung als unveränderlich annehmen kann, so ist die hierbei in den Lawinendioden freiwerdenden Energie proportional dem Integral des durch diese fließenden Stromes.

In der Steuereinheit 8 wird periodisch die in den l.awindendiodenkelten vernichtete Energie mit dem zulässigen Wert verglichen. Zu diesem Zweck ist in der Steuereinheit 8 das Stromintegrierorgan 10 zur periodischen Integration des durch die Lawinendioden fließenden Stromes vorhanden. Die Integration erfolgt mit Hilfe des Speicherkondensators 17, der über den Gleichrichter 12 mit den Dioden 13 bis 16 durch den durch die l.awinendioden fließenden Strom aufgeladen wird, wobei dieser Strom dem Stromintegrationsorgan 10 von der Sekundärwicklung des Stromgebers 9 zugeführt wird.

Die Spannung an dem Speicherkondensator 17 ist proportional zu der in den Lawinendiodenkettcn freigewordenen Energie. Als Einstellspannung dient die Umschaltspannung des Dynistors 22. Sobald die Spannung am Speicherkondensator 17 und Widerstand 18 den Wert der Umschaltspannung des Dynistors 22 erreicht, wird dieser leitend und bildet einen Entladungskreis für den von der Gleichstromquelle 27 aufgeladenen Kondensator 25. Die Stromkreise des Speieherkondensaiors 17 und des Kondensators 25 sind durch die Entkopplungsdiode 21 und die Diode 24 getrennt. Die Spannung am Kondensator 25 ist durch die Zenerdiode 26 stabilisiert, während der Wert dieser Spannung wesentlich kleiner als die umschaltspannung des Dynistors 22 ist.

Bei der Entladung des Kondensators 25 wird ein Impuls er/eiigl, der über die F" 1 kopplnngsdiode 21 und den Begren/.ungswidersUnd 2\ den Thyristor 20 einschaltet. Beim Einschalten des thyristors 20 findet die Entladuni; des von der Gleichstromquelle i2 über den Widerstand 31 aufgeladenen Kondensators 30 stau. Die Entladung des Kondensators 30 erfolgt über die Primärwicklung 28 des hochtransformierenden Impulstransformators 29, dessen Sekundärwicklung 33 an die Zündelektrode 7 und den Hauptanschluß 34 der Funkenstrecke 6 angeschlossen ist.

Die Einstellung der Steuereinheit 8 wird so getroffen, daß die Umschaltung des Dynistors 22 sowohl erfolgt, wenn die in den Lawinendioden vernichtete Energie den

κι hochstzulässigen Wert erreicht hat, als auch wenn der Strom durch die Lawinendioden wenigstens kurzzeitig den maximal zulässigen Wert überschreitet. Dadurch sind die Lawinendioden vor Zerstörung sowohl durch übermäßige Energieumsetzung als auch durch Überströme geschützt.

Der Widerstand 18 des Stromintegration iorgans 10 dient zur Überstromschutzeinstellung, während der Widerstand 19 zur periodischen Entladung des Speicherkondensators 17 dient.

.Ό Wenn bei Überspannungen die in den Lawinendiodcnketten aufgenommene Energie den zulässigen Wert und der Strom den eingestellten Wert nicht übersteigt, spricht die Funkenstrecke 6 nicht an. Die Schutzwirkung der Schutzanordnung läuft in diesem

y. Falle auf die Beschränkung der Überspannungen an den Klemmen Ii 711" der zu schützenden Anlage auf die zulässige Summensperrspannung der Lawinendioden hinaus. Falls jedoch die Energie der Überspannungen die in den L.awinendioden maximal absorbierbare

ίο Energie übersteigt, so erzeugt die Steuereinheit 8 das Signal zum Auslösen der Funkenstrecke 6.

Die vorstehend beschriebene Schutzanordnung gemäß F i g. 1 und 2 ist zum Schutz von elektrischen Anlagen mit einer Spannung von etwa 100 kV bei

ij gleichen Spitzenwerten der negativen und positiven Spannung zu empfehlen.

[^:ür elektrische Anlagen mit einer Spannung über 100 kV wird zweckmäßigerweise eine Schutzanordnung gemäß Fig. 3 mit in Reihe geschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken la und steuerbaren Funkenstrekkcn 6a und (>b verwendet.

In Reihe mit jeder der nichtsteuerbaren Funkenstrekkcn und steuerbaren Funkenstrecken 6a und %b sind Fchlerstrombegrenzungselemente 35a bis 35/) geschal-

•ts tct. Die Schaltung der Fehlerstrombegrenzungsclemcnte 35a bis 35n in Reihe mit jeder der Funkenstrecken la und 6a/6£> wird aus konstruktiven Gründen vorgenommen. Bei Bedarf können alle Fehlerstrombegrenzungselcmente 35a bis 35« zusammen in Reihe mit jeder

so beliebigen Funkenstrecke 1 a bzw. 6a geschaltet werden.

In Reihe mit jeder der gegensinnig in Reihe

geschalteten Lawinendioden 3a bis 3π und 4a bis 4n sind zusätzlich zwei Lawinendioden 3a', 3a" bis 3/)', 3n" und 4a', 4a "bis 4/?', 4n" geschaltet.

γ-, Zur Steuerung der Funkenstrecken 6a und 66 dienen Steuereinheiten 8a und Sb, die der oben beschriebenen Steuereinheit 8 entsprechen.

Da in elektrischen Anlagen mit einer Spannung von über 100 kV energiereichere Überspannungen zu

h(i erwarten sind, so ist es bei der Entwicklung von Schut/anordniingen /.weckmäßig, die zulässige Verlustenergie der l.awinendiodenkette /u erhöhen, was vorliegend durch das Einschalten der zusätzlichen l.awinendioden 5a'Ins4n"erreicht ist.

Außerdem können in solchen ! lochspannungsanlagen beim Ansprechen aller Funkenstrecken b-oiräi/hiliche Kur.'schtuliströme üuftrelen. die eine Beschädigung weiterer Anlagenleile, /.. B. von Net/-

transformatoren hervorrufen können. Zur Herabsetzung der Kurzschluüströnie dienen die l'ehlerstronibegrcM/.ungselcmcnte 35,7 bis 35n.

Schließlich ist bei einer erhöhten Spannung an den Klemmen 11711" von über 100 kV zur Erhöhung tier Ansprechzuverlässigkeit der nichtsleuerbaren funken-

strecken eine beträchtliche Steigerung der Spanni jeder von diesen erforderlich, was vorliegend dur Vergrößerung der Anzahl der bei gefährlichen spannungen angesteuerten steuerbaren l'unkenstr erreicht ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Überspannungsschulzanordnung für elektrische Anlagen mil wenigstens einer mittels einer Zündeinrichtung steuerbaren Funkenstrecke und mit einer > parallel zur Funkenstrecke geschalteten, uns wenigstens zwei gegensinnig in Reihe liegenden i iiendioden besiehenden Kette zur Begrenz ..ng der Spannung an der Funkstrecke und an den Ausgangsklemmen der zu schützenden Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Lawinendioden (.3.7/4 a bis 3«/4/i; 3;i/4;i bis 3n"/4n') in Reihe mit dem Hingang eines Siromgebcrs (9) liegen, dessen Ausgang über eine Steuereinheit (8) mit der Zündeinrichtung (Impulstransformator 29) verbun- Ii den ist.