DE2227397C3

DE2227397C3 - Überspannungsschutzanordnung

Info

Publication number: DE2227397C3
Application number: DE2227397A
Authority: DE
Inventors: Valerij Ottovitsch Baljasinskij; Ivan Pavlovitsch Batschkatov; Boris Iljitsch Grinschtejn; Valerij Pavlovitsch Schmurov; Vladimir Efremovitsch Dolgoprudnyj Moskovskoj Oblasti Skorovarov; Valentina Gavrilovna Stepanova; Jurij Georgievitsch Moskau Tolstov; Jurij Danilovitsch Vinizkij
Original assignee: Gosudarstvennyj Nautschno-Issledovatelskij Energetitscheskij Institut Imeni Gm Krschischanovskogo Moskau
Current assignee: Gosudarstvennyj Nautschno-Issledovatelskij Energetitscheskij Institut Imeni Gm Krschischanovskogo Moskau
Priority date: 1972-05-18
Filing date: 1972-06-06
Publication date: 1978-06-22
Also published as: DE2227397A1; GB1354245A; DE2227397B2; US3848156A; SE361989B; JPS4964846A; IT957988B; CH540589A

Description

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

Bei dieser bekannten Anordnung ist die Zündeinrichtung für die Funkenstrecke ein Impulstransformator, dessen Primärwicklung in Reihe mit den Lawinendioden liegt. Bei einer solchen Ausbildung kommt es jedesmal beim Überschreiten einer vorgegebenen Spannung im zu schützenden Netz oder 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.

Der Erfindung l'egt 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, daß die Lawinendioden in Reihe mit dem Eingang eines Stromgebers liegen, dessen Ausgang über eine Steuereinheit mit der Zündeinrichtung verbunden ist.

Bei dieser Ausbildung wird die Spannung des zu schützenden Netzes durch die Lawinendioden auf einem ungefährlichen Niveau gehalten. Ein 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 in der Lage sind, die Spannung im Netz zu begrenzen, erfüllen diese die Schutzfunktion und es kommt nicht zu einem Zusammenbruch der Spannung im NeIz. Dadurch ist der Fall des Ansprechens der Funkenstrecke b/w. der Funkensirecken und damit des möglichst zu vermeidenden Zusammenbruchs der Spannung erheblich seltener geworden.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Schaltung einer Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen mit mehreren liintereinandergeschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken und einer steuerbaren Funkenstrecke,

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

F i g. 3 die Schaltung einer Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen mit mehreren hintereinandergeschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken und zwei steuerbaren Funkenstrecken, wobei jeder der gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden zwei zusätzliche Lawinendioden gleichsinnig vorgeschaltet sind.

Die Schutzanordnung gemäß Fig. 1 und 2 enthält in Reihe geschaltete nichtsteuerbare Funkenstrecken la bis Im, parallel zu welchen über Widerstände 2a bis 2m je eine Kette aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden 3a/4.7 bis 3m/4m sowie je ein Kondensator 5a bis 5m gelegt ist.

In Reihe mit den nichtsteuerbaren Funkenstrecken liegt eine steuerbare Funkenstrecke 6, wobei parallel zu dieser eine Kette aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden ZnIAn geschaltet ist. Ihre Zündelektrode 7 ist mit dem Ausgang einer Steuereinheit 8 verbunden, an deren Eingang der Ausgang eines Stromgebers 9 gelegt ist, dessen Eingang in Reihe mit den Lawinendioden 3a/4a bis 3;:/4n geschaltet ist.

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

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

Der Ausgang des Stromintegrierorgans 10 ist mit der Steuerelektrode eines Thyristors 20 über eine Entkopplungsdiode 2i, 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 treie 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 Sekundärwicklung 33 des Impulstransformators 29 ist an den Hauptanschluß 34 und die Zündelektrode 7 der steuerbaren Funkenstrecke 6 angeschlossen.

Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist folgende:

In normalen Betriebszuständen übersteigt die einwir-

H5 kende Spannung an den Klemmen 11711" nicht die .Summensperrspannung der l.awinendiouen einer Richtung (3.7 bis 3n bzw. 4a bis An, je nach der Polarität der auf die Kette einwirkenden Spannung), so daß nicht alle

Dioden einer Richtung im Lawinenabschnitt der Stromspannungskennlinie arbeiten können. Hierbei ist der durch die Primärwicklung des Stromgebers 9 fließende Strom der Streustrom der Lawinendnden 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 Lawinendioden 3a bis Zn bzw. 4a bis 4n. Dies führt dazu, daß alle Dioden einer Richtung im Lawinenteil der Stromspannungskennlinie arbeiten, wonach die Spannungszunahme an den Klemmen 11711" aufhört Im Li'winendiodenkreis fließt ein Entlastungsstrom 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 den 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 FunkenstiLLken la bis Im ansprechen, wodurch die Spannung an den Klemmen 11' 11" zusammenbricht.
Dies geschieht folgendermaßen:
Da man die Spannung an den Klemmen 1171:1" nach dem Einsetzen des Betriebs der Lawinendioden im Lawinenteil der Stromspannungskennlinie in erster Annähening 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 Lawindendiodenketten vernichtete Energie mit dem zulässigen Wert verglichen. Zu diesem Zweck ist in der Steuereinheit 8 das Stromintegrierorgan HO 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 Lawinendioden 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 Lawinendiodenketten 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 Speicherkondensators 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 erzeugt, der über die Entkopplungsdiode 21 und den Begrenzungswiderstand 23 den Thyristor 20 einschaltet. Beim Einschalten des Thyristors 2(1 findet die Entladung des von der Gleichstromquelle :\2 über den Widerstand 31 aufgeladenen Kondensators 30 statt. Die Entladung des Kondensators 30 erfolgt über die Primärwicklung 28 des hochtransformierenden Impulstransformator 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

ίο höchstzulässigen 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 Stromintegrationsorgans 10 dient zur Überstromschutzeinstellung, während der Widerstand 19 zur periodischen Entladung des Speicherkondensators 17 dient.

Wenn bei Überspannungen d;e in den Lawnendiodenketten 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 Falle auf die Beschränkung der Überspannungen an den Klemmen 11711" der zu schützenden Anlage auf die zulässige Summensperrspannuig der Lawinendioden hinaus. Falls jedoch die Energie der Überspannungen die in den Lawinendioden maximal absorbierbare Energie übersteigt, so erzeugt die Steuereinheit 8 das Signal zum Auslösen der Funkenstrecke 6.

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

j5 gleichen Spitzenwerten der negativen und positiven Spannung zu empfehlen.

Für elektrische Anlagen mit einer Spannung über 100 kV wird zweckmäßigerweise eine Schutzanordnung gemäß Fig.3 mit in Reihe geschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken la und steuerbaren Funkenstrekken 6a und 6b verwendet.

In Reihe mit jeder der nichtsteuerbaren Funkenstrekken und steuerbaren Funkenstrecken 6a und 6i> sind Fehlerstrombegrenzungselemente 35a bis 35/j geschal· tet. Die Schaltung der Fehlerstrombegrenzungselemente 35a bis 35/j in Reihe mit jeder der Funkenstrecken la und 6a/6i> wird aus konstruktiven Gründen vorgenommen. Bei Bedarf können alle Fehlerstrombegrenzungselemenle 35a bis 35/7 zusammen in Reihe mit jeder beliebigen Funkenstrecke 1 a bzw. 6a geschaltet werden.

In Reihe mit jeder der gegensinnig in Reihe

geschalteten Lawinendioden 3a bis 3n und 4a bis 4n sind zusätzlich zwei Lawinendioden 3a', 3a"bis 3n\ 3/7"und 4a', 4a "bis 4n', 4/7"geschaltet.

Zur Steuerung der Funkenstrecken 6a und 6b dienen Steuereinheiten 8a und 8b, die der oben beschriebenen Steuereinheit 8 entsprechen.

Da in elektrischen Anlagen mit einer Spannung von über 100 kV energiereichere Überspannungen zu erwarten sind, so ist es bei der Entwicklung von Schutzanordnungen zweckmäßig, die zulässige Verlustenergie der Lawinendiodenkfitie zu erhöhen, was vorliegend durch das Einschalien der zusätzlichen Lawinendioden 3λ'bis 4/7"erreic:ht ist.

t,-, Außerdem können in solchen Hochspannungsanlagen beim Ansprechen aller Funkenstrecken beträchtliche Kurzschlußströme auftreten, die eine Beschädigung weiterer Anlugeriteile. z. B. von Netz-

transformatoren hervorrufen können. Zur Herabsetzung der Kurzschlußströme dienen die Fehlerstrombegrenzungsclemente 35a bis 35n.

Schließlich ist bei einer erhöhten Spannung an den Klemmen 11711" von über 100 kV zur Erhöhung der Ansprechzuverlässigkeit der nichtsteuerbaren Funkenstrecken eine beträchtliche Steigerung der Spannung an jeder von diesen erforderlich, was vorliegend durch die Vergrößerung der Anzahl der bei gefährlichen Überspannungen angesteuerten steuerbaren Funkenstrecken erreicht ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen mit wenigstens einer mittels einer Zündeinrichtung steuerbaren Funkenstrecke und mit einer parallel zur Funkenstrecke geschalteten, aus wenigstens zwei gegensinnig in Reihe liegenden Lawinendioden bestehenden Kette zur Begrenzung der Spannung an der Funkstrecke und an den Ausgangsklemmen der zu schützenden Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Lawinendioden (3a/4a bis 3n/An; ZaIAa bis 3n"/4n") in Reihe mit dem Eingang eines Stromgebers (9) liegen, dessen Ausgang über eine Steuereinheit (8) mit der Zündeinrichtung (Impulstransformator 29) verbunden ist.