DE2364033A1

DE2364033A1 - Hochspannungsableiter

Info

Publication number: DE2364033A1
Application number: DE2364033A
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Phys Dr Wittel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1973-12-21
Publication date: 1975-07-03
Also published as: JPS5096858A; JPS5834919B2; SE397236B; FR2255723B1; NO744044L; DE2364033B2; SE7416018L; DE2364033C3; GB1476659A; FR2255723A1; NO139877C; NO139877B; IT1027910B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsabieiter mit mehreren Funkenstrecken und mit einer Steuerfunkenstrecke»

Yenti!ableiter, die für ein elektrisches Kraftnetz bestimmt sind, enthalten "bekanntlich Funkenstrecken, die "bei einer Überspannung zünden und eine Strombahn, mit niedrigem Widerstand durch äen Ableiter öffnen.. Anschließend wird der Lichtbogen gelöscht und der Ableiter wieder stromlos gemacht. Wenn der wesentliche feil des Überspannungsimpulses abgeleitet ist, der Lichtbogen aber noch nicht erloschen ist» tr j !'=->, die Betriebsspannung des Kraftnetzes einen Strom durch dien Ableiter. Die Funkenstrecken müssen in der Lage sein, diesen Folgestrom zu unterbrechen.

Zu diesem Zweck können die Funkenstrecken aus Hörnerelektroden gebildet sein, die jeweils in einer Lichtbogenkammer angeordnet sind und von denen jeweils eine größere Anzahl einen Stapel bilden, deren einzelne Funkenstrecken in Reihe geschaltet sind. Diesem Stapel ist wenigstens eine sogenannte Blasspule zugeordnet, deren magnetisches Feld äen zwischen jeweils zwei Hörnerelektroden gebildeten Lichtbogen verlängert und dadurch zum Erlöschen bringt. Der Lichtbogen des Folgestroms nimmt einen wesentlich erhöhten Spannungsabfall auft der sich zum Spannungsabfall an Widerständen addiert, die mit den Funkenstrecken in Reihe geschaltet sind und äen von der Netzspannung getriebenen Folgestrom begrenzen.

Die Ansprechspannung von solchen Hochspannungsableitern ist im allgemeinen abhängig von der Steilheit der Stirnflanke

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der Stoßspannungswelle, die auf den Ableiter trifft. Für .Stoßspannungen, deren Anstiegszeit wesentlich, kleiner als beispielsweise eine/Hs ist» kann die Ansprechspannung solcher Ableiter um mehr als 20^ höher werden. Die Zunahme der Ansprechspannung für Spannungsstöße mit steiler Stirnflanke ist bedingt durch den Entladeverzug und die Aufladezeit des Durchschlags. Bei Plattenf unkenstrecken mit annähernd homogenem Feld ist die Zunahme der Ansprechspannung weniger stark als bei <ien im allgemeinen verwendeten modernen magnetisch beblasenen Ableitern (DAS 1286 190). Solche Plattenfunken strecken sind aber ohne besondere Maßnahmen nicht geeignet für Stoßspannungen» weil die Konzentration des elektrischen Feldes an äen Bändern eine große Streuung der Ansprechspannung zur Folge hat.

Es ist außerdem bekannt, 'die Überspannungsableiter mit einer Vorionisierung zu versehen, um einen Überschlag in einer Funkenstrecke bei niedriger und gleichbleibender Spannung zu gewährleisten. Zur ¥orionisierung kann beispielsweise eine besondere Elektrode vorgesehen sein, die mit den beiden Hauptelektröden kapazitiv gekoppelt ist und die durch Corona- -Entladung die Hauptelektroden vorionisiert (schweiz.Patentschrift 324 862). Diese gestaltung eines Überspannungsableiters kann aber bei Funkenstrecken-Elektroden nicht angewendet werden. ·

Eine Vorionisierung ist aber auch bei einer Funkenstrecken- -Anordnung möglich, deren Elektroden in einem vorgegebenen Abstand einander gegenüber liegen und die in der Richtung quer zu diesem Abstand bevorzugt ausgedehnt und so gestaltet sind» daß sie ein annähernd homogenes elektrisches Feld erzeugen. In einer bekannten Ausführungsform erfolgt die Vorionisierung durch eine Grasfüllung mit fritium-Gas. Die Energie dieser radioaktiven Strahlung des Tritium-G-ases ist so groß, daß Elektronen aus der Oberfläche der metallischen Elektroden der Funkenstrecke gelöst werden ("Separation of Gap Funktions, a new Concept in Station Class Lightning Arrester Design", Westinghouse Electric Corp., Dez.1971 j

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Seiten 2104 "bis 2113)· Diese "bekannte Elektrodenanordnung mit ihrer radioaktiven Füllung muß gasdicht gekapselt und der Behälter muß so dicht sein, daß auch eine Diffusion des radioaktiven Gases nach außen verhindert wird.

Ferner ist eine Anordnung mit zwei Funkenstrecken bekannt. Es hat sich nun herausgestellt, daß bei solchen Funkenstrekken die Ansprechspannung vermindert wird, wenn die Anordnung mehrmals anspricht. Dieses Absinken der Ansprechspannung kann nun dadurch begrenzt werden, daß einer der JPunkenstrekken eine besondere Steuerfunkenstrecke zugeordnet ist, die in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand einer der Funkenstrecken parallel geschaltet ist. Die Steuerfunkenstrecke enthält zwei bandförmige Elektroden, die nach Art einer Wellpappe gestaltet sind, und die somit in einem über ihre Längsausdehnung unregelmäßigen Abstand einander gegenüber liegen. Der geringste Abstand der Bänder innerhalb einer Öffnung eines Isolierstoffkörpers, der zwischen den Elektroden angeordnet ist, bestimmt die Ansprechspannung der Funkenstrecke. Die Ansprechspannung kann nun dadurch in einem gewissen Grade eingestellt werden, daß der Abstand mittels einer Schraube veränderbar ist (sowj.Patentschrift 126 175). Mit dieser Gestaltung wird zwar das erwähnte Absinken der Ansprechspannung begrenzt, die Streuung der Ansprechspannung bleibt jedoch noch verhältnismäßig groß, weil der Überschlag bevorzugt an den Rändern der Elektroden erfolgt, bedingt durch die dort auftretende erhebliche Feldkonzentration.

Der Erfindung liegt, nun die Aufgabe zu Grunde, diesen Überspannungsableiter dahin zu verbessern, daß seine Ansprechspannung praktisch konstant bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerfunkenstrecke Plattenelektroden enthält, deren Rand so ausgebildet ist, daß die Feldstärke am Rand kleiner ist als in der Elektrodenmitte, und daß der Raum zwischen den Elektroden von mehreren radioaktiven Strahlungsquellen umgeben ist, die wenigstens annähernd in der Mittelebene zwischen den Elektroden und konzentrisch zur Elektrodenachse

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angeordnet sind. Das Profil dieser Funkenstrecken ist τοη Rogowski für Meßfunkenstrecken entwickelt worden (B. Gänger "Der elektrische Durchschlag von Gasen", 1953, Seiten 9 "bis 12, insbes. Abb.5). Den Verlauf der einander gegenüberliegenden Elektrodenoberflächen erhält man, indem man den Rand einer' Elektrodenplatte dem Verlauf einer Aequipotentialflache annähert, die durch Rotation einer Aequipotentiallinie um die Elektrodenachse entsteht, wenn das Potential f dieser Potentiallinie höchstens die Hälfte des Potentials ^f_c. an der Elektrodenplatte beträgt, von der die Aequipotentiallinie abgeleitet ist. Mit dieser Bedingung y ™ ~% Jo erhält man den Verlauf der Aequipotentiallinie in einem Koordinatensystem, dessen y-Achse in der Mittelachse der Elektroden liegt und dessen x-Achse in der Mittelebene zwischen den Elektroden verläuft, aus

)f - _ oL -L ' (α. η d

Jo -# J£

wobei d der Elektrodenabstand und ~ψ ein Parameter ist. Aus dieser Beziehung erhält man eine Aequipotentiallinie, indem man % einen festen Wert erteilt und Tf von - oo bis 4- co verändert.

Eine weitere Vereinfachung ergibt sich durch Eliminierung der Größen Tf und ^₀ aus diesen Gleichungen, wenn man ¹^f aus der Gleichung für χ ermittelt und in die Gleichung für y einsetzt. Damit erhält man

Durch rotationssymmetrische Ergänzung dieser Aequipotentiallinie ergibt sich dann der Verlauf der Elektrodenoberfläche. Mit dieser Gestaltung der Elektrodenoberfläche erhält man ein von der Elektrodenachse zum Rand der Elektroden abnehmendes PeId an der Elektrodenoberfläche.

In Verbindung'mit einer ringförmigen Strahlungsquelle, deren ionisierende Strahlung von allen Seiten gleichmäßig auf die einander zugewandten Oberflächen der Elektroden gerichtet

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ist, "wird .die.. Streuung der An sp rech spannung auf einen Bereich von; weniger alS₁+. 0,5$ begrenzt. .

Für die Toriönisierung vorzugsweise geeignet ist die energiereiche" Strahlung der Isotopen des Kohlenstoffs, Siliziums oder Bors/ Diese ringförmige Strahlungsquelle, beispielsweise aus aktiviertem Kohlenstoff C-.,, strahlt radial und etwas zur Richtung zur Achse der Elektroden geneigt auf die einander zugewandten Elektrodenoberflächen/ Als Strahlungsquelle wird vorzugsweise ein Material gewählt, dessen Halbwertszeit wenigstens 10 Jahre beträgt.

In gewissen Betriebsfällen kann auch eine verhältnismäßig geringe Ansprechspannung des Überspannungsabieiters vorteilhaft sein, insbesondere in Schaltanlagen, die vollständig gekapselt und mit elektronegativem Gas, beispielsweise Schwefelhexafluorid SFg, gefüllt sind. Solche die elektrische Isolation verbessernden Gase verhindern aber zugleich ein Ansprechen der Funkenstrecken bei niedrigen Vierten. Man kann zwar den Ansprechwert der Funkenstrecke mit dem Abstand der Elektroden einstellen. Dieser Abstand darf aber wegen der Fertigungstoleranzen einen vorbestimmten Mindestwert nicht überschreiten.

Mit einer besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung des Hochspannungsabieiters nach der Erfindung können nun geringe Ansprechwerte dadurch erreicht werden, daß die Steuerstrecke in einem abgeschlossenen Behälter angeordnet ist, der mit einem Gas gefüllt ist, das die Zündspannung der Steuerstrecke und damit die Ansprechspannung der Gesamtanordnung vermindert. Diese Eigenschaft haben beispielsweise Stickstoff". Bp, Wasserstoff Hp und Luft. Ferner sind Edelgase, beispielsweise Argon, zur Füllung geeignet. Zugleich werden die magnetisch beblasenen Funkenstrecken in einem elektronegativen Gas betrieben, das negative Ionen bildet. Diese Eigenschaft hat bekanntlich Schwefelhexafluorid FSg; außerdem sind beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff CCl, und Tetfafluorkohlen-

stoff GF. geeignet. Mit dieser Gestaltung wird die Ansprechspannung der Gesamtanordnung vermindert und zugleich bleibt die Isolationsfestigkeit der Reihenschaltung der

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- 6 Funkenstrecken erhalten. ■

Der die Steuerfunkenstrecke enthaltende Behälter kann zweckmäßig in der Kapselung der Gesamtanordnung enthalten und damit ebenfalls von dem Isoliergas umgeben sein.

Das Isoliergas wird insbesondere bei vollgekapselten Anlägen zweckmäßig unter erhöhtem Druck erhalten, der Wenigstens 2 bar, vorzugsweise 5 bis-4-'bar, insbesondere etwa 3,3 bar, · betragen karmw \Dieser Druck wird aber zweckmäßig 10 bar nicht "wesentlich-überschreiten. Auch der Druck des'Gases, in. dem die Steuerfunkenstrecke angeordnet ist-, kann zweckmäßig: erhöht werden. Er kann vorzugsweise 2 bis 10 bar betragen. Dieser Druck wird wesentlich bestimmt durch die Betriebsspannung und den gewählten Elektrodenabstand, der vorzugsweise kleiner als 20 mm, insbesondere kleiner als 12 mm gehalten wird. In einer Ausführungsform des Hochspannungsabieiters mit einer Steuerfunkenstrecke, deren Elektrodenabstand-beispielsweise 10 mm beträgt, kann der Gasdruck bei Verwendung von Stickstoff 2 bar betragen. Mit einem Elektrodenabstand von 5 mm wird der Gasdruck beispielsweise auf 4 bar erhöht.

Der Strom durch die Steuerfunkenstrecke wird zweckmäßig durch einen Widerstand begrenzt. Dieser Begrenzungswiderstand ändert die Anspreehgenauigkeit der Steuerfunkenstrecke nicht.

Zur,weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen» in der ein Ausführungsbeispiel eines Hochspannungsabieiters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Ein Überspannungsableiter, der vorzugsweise für hohe Spannungen geeignet sein soll, besteht aus Stapeln 2 und 12 mit jeweils einer Reihenschaltung von Funkenstrecken 3 bis 8 bzw. 13 bis 18, die in bekannter Weise jeweils einzeln in einer Lichtbogen-Löschkammer angeordnet sein sollen. Die Stapel 2 und 12 sind an ihren Enden jeweils mit einer magnetischen Blasspule 9 und 10 bzw. 19 und 20 versehen. Diese Blasspulen sind vom Strom in den Überspannungsableitern

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durchflössen und so gestaltet, daß ihr magnetisches PeId wenigstens etwa in Richtung der Achse des Stapels verläuft. Beim Ansprechen des Überspannungsabieiters wird zwischen den in der Figur nicht näher dargestellten Funkenstrecken jeweils ein Lichtbogen gezündet und unter der Wirkung des magnetischen Feldes der Blasspulen 9 und 10 bzw. 19 und 20 in die Lichtbogen-Löschkammern getrieben. Während seiner Bewegung wird der Lichtbogen verlängert und nimmt eine entsprechend erhöhte Spannung auf. Sobald die Summe dieser Lichtbogenspannungen die treibende Spannung übersteigt, erlischt der Strom im Überspannungsableiter.

Jedem Stapel ist ein Steuerwiderstand 22 bzw. 24 parallel geschaltet, die vorzugsweise nichtlineare Widerstände sein können. Ferner kann auch eine Reihenschaltung von Kondensatoren oder eine Kombination von Yfiderständen und Kondensatoren zur Steuerung vorgesehen sein. Dem Stapel 2 mit den Funkenstrecken 3 bis 8 ist eine Reihenschaltung einer Steuerfunkenstrecke 30 parallel geschaltet, die als Plattenfunkenstrecke ausgebildet ist und zwei Elektroden 32 und 33 enthält, die in einem Behälter 35 angeordnet sind. Die Elektroden 32 und 33 sind so gestaltet, daß an den Rändern ihrer einander zugewandten Oberflächen keine Konzentration der Feldstärke auftreten kann. Mit dieser Gestaltung erhält man ein wenigstens etwa homogenes Feld zwischen den beiden Elektroden, und eine Feldkonzentration an den Rändern der Elektroden wird vermieden. Da der Abstand der Elektroden an ihren Rändern größer ist als in den parallel zueinander verlaufenden mittleren Teilen, so wird ein Spannungsdurchschlag immer zwischen diesen mittleren Teilen erfolgen.

Die Elektrodenoberflächen sind einer energiereichen Strahlung ausgesetzt, die von allen Seiten wenigstens etwa gleichmäßig zur Achse der beiden Elektroden gerichtet ist. Als Strahlungsquelle ist ein ringförmiger Körper 37 vorgesehen, der wenigstens zum Teil aus einem radioaktiven Präparat besteht, dessen radioaktive Strahlung auf die Oberfläche der Elektroden 32 und 33 gerichtet ist und dort Elektronen aus

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dem Material auslöst. Mit dieser Strahlung ist die in "besonderer Weise ausgebildete Plattenfunkenstrecke auch für Stoßspannungen geeignet.

In Reihe mit der Steuerfunkenstrecke 30 ist noch ein Begrenzungswiderstand 38 vorgesehen, der den Strom in der Steuerfunkenstrecke auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Die Steuerfunkenstrecke 30 mit von außen einwirkender ionisierender Strahlung bestimmt eine Ansprechspannung der Gesamt an Ordnung, die unabhängig ist von der Größe und dem Verlauf der Überspannungen und die sich auch bei mehrfachem Ansprechen des Ableiters nicht ändert.

Die Funkenstrecke 30 kann vorteilhaft mit einem Gas gefüllt sein, das die Zündspannung der Funkenstrecke vermindert. Dieses Gas, beispielsweise Stickstoff, wird zweckmäßig unter einem erhöhten Druck gehalten werden. Die Funkenstreckenstapel 2 und 12 sind in einem in der Figur strichpunktiert angedeuteten Behälter 39 angeordnet, der ein elektronegatives Gas enthält und der auch die Steuerfunkenstrecke 30 und die Widerstände 22, 24 und 38 enthalten kann. Dieses Gas umgibt die Funkenstrecken 3 bis 8 und 13 bis 18 und erhöht deren Isolierfestigkeit. In dieser Anordnung wird somit die Ansprechspannung vermindert und zugleich die Isolierfestigkeit der Gesamtanordnung erhöht.

Im Ausführungsbeispiel ist die Steuerfunkenstrecke 30 der Reihenschaltung von Funkenstrecken 3 bis 8 paralleIgescnaltet. In Anlagen mit geringerer Spannung oder wenn Funkeil·- strecken mit größerer AbschaltIeistung verwendet werden, kann die Steuerfunkenstrecke auch einer einzigen Funkenstrecke zugeordnet sein. Ferner ist es nicht erforderlich, daß jeder Funkenstreckenstapel mit zwei Blasspulen versehen ist. Es kann ausreichend sein, wenn zwischen zwei Funkenstreckenstapeln nur eine Blasspule angeordnet ist.

9 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

VPA 73/7627 _ 9 P at ent a η s ρ r ü c h e-

1. jHochspannungsableiter mit mehreren Funkens trecken und

mit einer Steuerfunkenstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfunkenstrecke (30) Plattenelektroden (34, 35) enthält, deren Rand so ausgebildet ist, daß die Feldstärke am Rand kleiner ist als in der Elektrodenmitte, und daß der Raum zwischen den Elektroden (34 »35) von mehreren radioaktiven Strahlungsquellen umgeben ist, die wenigstens annähernd in der Mittelebene zwischen den Elektroden (34,35) und konzentrisch zur Elektrodenachse angeordnet sind.

2. Hochspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen einen Ring (37) bilden.

3.· Hochspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle ein Isotop des Kohlenstoffs, Bors oder des Siliziums vorgesehen ist.

4. Hochspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfunkenstrecke (31 * 32, 33) von einem Gas umgeben ist, das ihre Ansprechspannung vermindert.

5. Hochspannungsabieiter nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfunkenstrecke von Stickstoff, Wasserstoff oder Luft umgeben ist.

6. Hochspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch beblasenen Funkenstrecken von einem Gas umgeben sind, das negative Ionen bildet.

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7. Hochspannungsabieiter nach. Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als negative Ionen bildendes Gas Schwefelhexafluorid SFg vorgesehen ist.

8. Hochspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 6 und 7» gekennzeichnet durch einen erhöhten Druck des Gases.

9. Hochspannungsabieiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des Gases 2 bis: 10 bar, vorzugsweise 3 bis Φ bar, insbesondere etwa 3,3 bar, beträgt.

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