DE2364034B2 - Überspannungsableiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsableiter für Hochspannung mit mehreren gegen ein elektrisches Potential in Reihe geschalteten Hauptfunkenstrecken, von denen mindestens einer eine Steuerfunkenstrecke parallelgeschaltet ist.

Mit einem Isoliergas gefüllte Schaltanlagen haben bekanntlich den Vorteil, daß sich der Flächen- und Raumbedarf auf etwa 10% des Bedarfs der herkömmlichen Bauweisen vermindert. Alle an Hochspannung liegenden Bestandteile dieser Anlagen, wie Leiterkontakte und Schaltlöschkammern, sind polweise in einem metallischen Gehäuse untergebracht. Diese bekannten Schaltanlagen können auch mit Überspannungsableitern versehen sein. Überspannungsableiter, die in bekannter Weise aufgebaut sind, können aber nichl innerhalb der gekapselten Anlage selbst angeordnet werden.

Zur Gasisolation wird vorzugsweise Schefelhexafluorid verwendet, dessen elektrische Durchschlagsfestigkeit je nach der Elektrodenform und der Art der Spannungsbeanspruchung bei Atmosphärendruck etwa das zwei- bis dreifache der Spannungsfestigkeit von Luft beträgt. Im allgemeinen ist man bestrebt, die Durchschlagsfestigkeit durch einen erhöhten Druck des Gaseis auf etwa 3 bis 4 bar, bezogen auf 20°C innerhalb de-Schaltanlagc noch zu steigern. Werden solche Schaltanlagen für hohe Spannungen mit Überspannungsableilern versehen, so wird auch deren Ansprechspannunj; durch das Isoliergas entsprechend erhöht. Die AnSprechspannung der Überspannungsableiter soll aber möglichst gering sein und unter Umständen den Scheitelwert der Betriebsspannung nicht wesentlich überschreiten. Eine Verringerung des Elektrodenab-. stands ist aus Gründen der Fertigungstoleranzen nur bis auf clwa 1 mm möglich, was zur genügenden Verringerung der Ansprechspannung noch nicht ausreicht

Die Ansprechspannung von solchen Überspannungsableitern ist im allgemeinen abhängig von der Steilheit

.-. der Stirnflanke der Stoßspannungswelle, die auf den Ableiter trifft Für Stoßspannungen, deren Anstiegszeit wesentlich kleiner als beispielsweise 1 μ-s 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 Platten funkenstrecken mit annähernd homogenem Feld ist die Zunahme der Ansprechspannung weniger stark als bei den im allgemeinen

.·■· verwendeten modernen magnetisch beblasenen Ableitern. Solche Plattenfunkenstrecken sind aber ohne besondere Maßnahme nicht geeignet für Stoßspannungen, weil die Konzentration des elektrischen Feldes an den Rändern einen undefinierbaren Entladeverzug und

■ damit eine entsprechend große Streuung der Ansprechspannung zur Folge hat.

In einer bekannten Ausführungsform eines Überspannungsableiter mit mehreren gegen Hochspannung in Reihe geschalteten Hauptfunkenstrecken ist parallel zu ' mindestens einer der Hauptfunkenstrecken eine Steuerfunkenstrecke angeordnet. Diese Steuerfunkenstrecke enthält Plattenelektroden, die durch Abrunden des Randes als Becherelektroden gestaltet sind. Die Steuerfunkenstrecke ist außerdem zur Vorionisierung ■ mit einer tritiumhaltigen Gasfüllung versehen. Eine der Plattenelektroden enthält eine öffnung mit entsprechend kantigem Rand, die als Gaszuführung dient (DE-OS 19 47 046).

Bei dieser Anordnung soll sichergestellt werden, daß

!·> bei Ansprechen einer Steuerfunkenstrecke die an den Hauptfunkenstrecken verbleibende anliegende Spannung diese Hauptfunkenstrecken mit Sicherheit zum Ansprechen bringt. Wird nun die Ansprechspannung der Hauptfunkenstrecken durch eine Isoliergasfüllung

: ■ besonders heraufgesetzt, dann genügt die Herabsetzung der Ansprechspannung der Hauptfunkenstrecken durch eine Anordnung der bekannten Art nicht mehr.

Es besteht daher die Aufgabe, in einer beispielsweise voll gekapselten mit Isoliergas gefüllten Schaltanlage ι eine geringere einestellbare konstante Ansprechspannung zu schaffen. Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Der Vorteil einer solchen Anlage besteht darin, daß

■■ man die Ansprechspannung eines Überspannungsableiter, dessen Hauptfunkenstrecken sich mit anderen Bauelementen in einem mit Isoliergas gefüllten Behälter befinden, trotz der Isoliergasfüllung innerhalb des verlangten Schutzpegels legen kann.

<<<■■ Die Ansprechspannung der Steuerfunkenstrecken ist derart gestaffelt, daß man eine Folgezündung der einzelnen Hauptfunkenstrecken durch den auftretenden Potenlialsprung an der betreffenden Hauptfunkenstrekke erhält, sobald eine der Steuerfunkenstrecken gezündet hat, die die Hauptfunkenstrecke überbrückt.

Die Gasfüllung der Hauptfunkenstrecke kann vorzugsweise aus Schwefelhexafluorid SFe, bestehen, während als Gasfüllung der Steuerfunkenstrecken Stick-

stoff, ein Edelgas oder Luft geeignet ist.

Neben Schefelhexafluorid SF₆ sind auch andere Gase, die negative Ionen bilden, als Isoliergas geeignet das sind beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff CQ und Tetrafluorkohlenstoff CF₄. Die Steuerfui ikenstrecken können vorzugsweise jeweils in einem Behälter angeordnet sein.-der mit Stickstoff gefüllt ist Auch Luft ist als Gas geeignet das die Zündspannung der Steuerfunkenstrecken vermindert

Eine genaue Einstellung der verschiedenen Ansprechwerte der ,Steuerfunkenstrecken ist dadurch möglich, daß für die Steuerfunkenstrecken Plattenelektroden verwendet werden, deren Rand so ausgebildet ist, daß die Feldstrecke an ihrem Rand kleiner ist als in der Elektrodenmitte. Das Profil dieser Funkenstrecken ist von Rogowski für Meßfunkenstrecken entwickelt worden (B. Gänger »Der elektrische Durchschlag von Gasen«, Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1953, Seiten 9 bis 12,insb.Abb.5).

Mit dieser Gestaltung der Elektrodenoberfläche erhält man ein von der Elektrodenachse zum Rand der Elektroden abnehmendes Feld an der Elektrodenoberfläche.

In Verbindung mit ringförmig angeordneten Strahlungsquellen, deren ionisierende Strahlung von allen Seiten gleichmäßig auf die einander zugewandten Oberflächen der Elektroden gerichtet ist, wird die Streuung der Ansprechspannung dieser Steuerfunkenstrecken auf einen Bereich von weniger als ±0,5% begrenzt.

Als Strahlungsquelle wird vorzugsweise ein Material gewählt, dessen Halbwertzeit wenigstens 10 Jahre beträgt. Für die Vorionisierung der Steuerfunkenstrekken vorzugsweise geeignet ist die energiereiche Strahlung der Isotopen des Kohlenstoffs, Siliziums oder Bors. Diese ringförmige Strahlungsquelle, beispielsweise aus aktiviertem Kohlenstoff ¹⁴C, strahlt radial und etwas gegen die Richtung der Elektrodenachse geneigt auf die einander zugewandten Elektrodenoberflächen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genomen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Hochspannungsabieiters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt eine besondere Ausführungsform des Hochspannungsabieiters, der Bausteine der Anordnung nach Fig. 1 enthält.

Ein Überspannungsableiter nach Fig. 1 für hohe Spannungen enthält vier Stapel von Teilfunkenstrecken, die die Hauptfunkenstrecken 40 bis 43 bilden. Jeder Hauptfunkenstrecke sind jeweils wenigstens eine (in der Figur nicht dargestellte) magnetische Blasspule zugeordnet und ein Steuerwiderstand 46 bis 49 parallelgeschaltet. Die Steuerwiderstände können vorzugsweise spannungsabhängige Widerstände sein. Der Hauptfunkenstrecke 40 ist eine Steuerfunkenstrecke 50 zugeordnet, die in Reihe mit einem Begrenzungswiderstand 54 der Hauptfunkenstrecke 40 parallelgeschaltet ist. Über diese Steuerfunkenstrecke 50 ist der Verbindungspunkt zwischen den Hauptfunkenstrecken 40 und 41 an das Potential eines nicht näher bezeichneten Netzleiters angeschlossen, der beispielsweise die Eingangsleitung einer zu schützenden Anlage darstellen soll. Diese Anlage kann beispielsweise eine Betriebsspannung von 48 kV haben. Der untere Anschluß a der Reihenschaltung der Hauptfunkenstrecken 43 liegt auf Nullpotential.

In gleicher Weise ist die Verbindungsleitung der beiden HaiiDtfunkenstreckcn 41 und 42 über eine Steuerfunkenstrecke 51 und einen Begrenzungswiderstand 55 mit dem Potential des Netzlciters verbunden. Auch die Verbindungsleilung der beiden Hauptfunkenstrecken 42 und 43 ist in gleicher Weise über eine besondere Steuerfunkenstrecke 52 und einen Begrenzungswiderstand 56 an den Netzleiter angeschlossen.

Einen genau einstellbaren und konstanten Ansprechwert der Steuerfunkenstrecken 50, 51, 52 erhält man durch die Verwendung von Platlenelektfoden 60 und 61 Jür die Steuerfunkenstrecken 50, 51, 52 mit Rogowski-Profil in Verbindung mit mehreren in der Mittelebene zwischen den Plattenelektroden 60 und 61 und konzentrisch zur Achse der Plattenelektroden angeordneten Ringen 62 als radioaktive Strahhingsquellen. Ihre Strahlungsenergie ist so groß, daß freie Elektronen aus der Oberfläche der Plattenelektroden 60 und 61 gelöst werden. Die ringförmige Strahlungsquelle bestrahlt etwa gleichmäßig die Oberfläche zwischen den Elektroden. Sie kann beispielsweise wenigstens teilweise aus aktiviertem Kohlenstoff ¹⁴C bestehen und ist mit den Plattenelektroden 60 und 61 in einem abgeschlossenen Behälter 63 angeordnet, der nach der Erfindung mit einem Gas, vorzugsweise Stickstoff, gefüllt ist das die Zündspannung der Steuerfunkenstrecke 50, 51, 52 herabsetzt.

Die Hauptfunkenstrecken 40 bis 43 sind in einem Behälter 73 angeordnet, der in der Figur strichpunktiert angedeutet ist und der mit einem Isoliergas, vorzugsweise Schwefelhexafluorid SF₆, gefüllt ist das zweckmäßig unter erhöhtem Druck gehalten wird und die Durchschlagsspannung der in Reihe geschalteten Hauptfunkenstrecken 40 bis 43 um einen mehrfachen Betrag erhöht. Der Druck dieses Isoliergases kann zweckmäßig etwa 1 bis 5 bar, vorzugsweise 2 bis 4 bar, insbesondere etwa 3,3 bar, betragen. Durch diesen erhöhten Druck wird die Isolierfähigkeit des Gases, damit aber auch die Ansprechspannung der Hauptfunkenstrecken 40 bis 43 ' weiter erhöht.

In der Anordnung für die angenommene Betriebsspannung von 48 kV können vier Hauptfunkenstrecken 40 bis 43 beispielsweise jeweils sechs Teilfunkenstrekken enthalten. Wenn jede Teilfunkenstrecke auf eine Betriebsspannung von 12 kV eingestellt ist, kann die Ansprechstoßspannung einer Hauptfunkenstrecke 80 kV betragen. Die Ansprechspannung des aus vier Hauptfunkenstrecken bestehenden Überspannungsabieiters würde ohne besondere Steuerfunkenstrecken 320 kV betragen. Für einen derartigen Überspannungsableiter muß die Ansprechstoßspannung auf 120 kV begrenzt sein. Die Ansprechspannung der Gesamtanordnung muß somit von 320 kV auf 120 kV vermindert werden. Zu diesem Zweck ist der Spannungsteiler mit den Steuerwiderständen 46 bis 49 ausgelegt, daß das Potential zwischen den Steuerwiderständen 48 und 49 am Verbindungspnkt b 30 kV, am Verbindungspunkt c 60 kV und am Verbindungspunkt c/90 kV beträgt, wenn eine Stoßspannung von 100 kV ansteht.

Sobald eine Überspannung an der Gesamtanordnung einen Wert erreicht, der an der Steuerfunkenstrecke 52 die Spannung auf 90 kV ansteigen läßt, zündet diese Steuerfunkenstrecke und es entsteht ein leitender Strompfad über die Steuerfunkenstrecke 52, den Begrenzungswiderstand 56 und den Steuerwiderstand 49. Der Begrenzungswiderstand 56 ist niederohmig im Vergleich zu der Größe der Steuerwiderstände 46 bis 49, so daß nach dem Zünden der Steuerfunkenstrecke 52 praktisch das gesamte Potential an der Hauptfunkenstrecke 43 abfällt Die Hauptfunkenstrecke 43 ist auf

eine Ansprechspannung von 80 kV eingestellt und spricht nach dem Zünden der Steuerfunkenstrecke 52 sofort an. Damit ist der Steuerwiderstand 49 kurzgeschlossen und der Verbindungspunkt b erhält das Nullpotential des Anschlusses a. Damit verteilt sich die Gesamtspannung von 120 kV nur noch auf die Funkenstrecken 40 und 42 und auf die Steuerwiderstände 46 bis 48, so daß an den Funkenstrecken 40 bis 42 die Gesamlspannung von 120 kV abfällt. An jeder Hauptfunkenstrecke 40,41,42 liegt dann eine Spannung von 40 kV. Die Steuerfunkenstrecke 51 muß somit bei einer Spannung von 80 kV ansprechen. Sobald die Steuerstrecke 51 gezündet hat, erhält der Verbindungspunkt c Nullpotential und die Gesamtspannung von 120 kV liegt an den Hauptfunkenstrecken 40 und 41, so daß an jeder Hauptfunkenstrecke eine Spannung von 60 kV abfallen kann. Die Steuerfunkenstrecke 50 wird deshalb auf eine Ansprechspannung von 60 kV eingestellt. Sobald diese Steuerfunkenstrecke 50 anspricht, erhält der Verbindungspunkt d Nullpotential und an der Hauptfunkenstrecke 40 fällt die Gesamtspannung von 120 kV ab. Diese Reihenschaltung zündet dann unmittelbar nach dem Ansprechen der Steuerfunkenstrecke 50. Mit dieser Folgezündung nach Art einer Kaskade kann somit ein vorbestimmter Ansprechwert der Gesamtanordnung genau eingehalten werden, der sich weder mit zunehmender Steilheit der Stirnflanke von Überspannungen noch nach einem mehrmaligen Ansprechen des Überspannungsabieiters ändert.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Steuerfunkenstrecken 50 bis 52 jeweils mit dem höheren Potential verbunden. Die Anordnung der Steuerfunkenstrecken kann jedoch auch so gewählt werden, daß sie mit dem niedrigeren Potential verbunden sind. In diesem Fall ändert sich die Ansprechspannung der Steuerfunkenstrecken in umgekehrter Reihenfolge; es müßte dann die Steuerfunkenstrecke 50 für die höhere und die Sleuerfunkenstrecke 52 für die niedrigere Ansprechspannung ausgelegt sein.

Nach Fig. 2 soll ein Überspannungsableiter für eine 240-kV-Anlage eine Reihenschaltung von 4 Überspannungsableitern 74, 76, 78 und 80 enthalten. Der Überspannungsableiter 74 soll in bekannter Weise eine Reihenschaltung von Funkensirec&en enthalten, die für eine Betriebsspannung von 60 kV ausgelegt sind. Die Steuerimpedanzen sind in der Figur nicht dargestellt. Die Überspannungsableiter sind ebenfalls in einer vollständig gekapselten Anlage angeordnet. Die Kapselung ist strichpunktiert angedeutet und wird mit 73 bezeichnet. Die übrigen Überspannungsableiter 76, 78 und 80 sind jeweils nach der Erfindung gestaltet und ebenfalls jeweils für eine Betriebsspannung von 60 kV ausgelegt. Wenn die Überspannungsableiter 76 bis 80 gezündet haben, fällt an der Einheit 74 die gesamte Spannung ab, so daß diese sofort zündet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   J. Oberspannungsableiter für Hochspannung mit mehreren gegen ein elektrisches Potential in Reihe geschalteten Hauptfunkenstrecken, von denen mindestens einer eine Steuerfunkenstrecke paraUelgeschaltel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungspunkte (b, c, d) zweier benachbarter Reihenschaltungen von Hauptfunkenstrecken (42, 43 bzw. 41, 42, bzw. 40, 41) jeweils über eine Steuerfunkenstrecke (52 bzw. 51 bzw. 50) gemeinsam an das höhere oder das niedrigere Potentiell angeschlossen sind und daß die Steuerfunkenstrek.-ken (50 bis 52) jeweils mit einem Gas gefüllt sind, das deren Ansprechspannung vermindert gegenüber der Ansprechspannung der Hauptfunkenstrecken (40 bis 43), die sich in einem Gas befinden, das* ihre Ansprechspannung heraufsetzt
2. 2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllung der Hauptfunkenstrecken (40 bis 43) aus Schwefelhexafluorid SFb besteht und die Gasfüllung der Steuerfunkenstrecken (50 bis 52) Stickstoff, Edelgas oder Luft ist.
3. 3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfunkenstrekken (50 bis 52) Plattenelektroden (60, 61) mit Rogowski-Profil enthalten und daß in der Mittelebes ne zwischen den Plattenelektroden (60, 61) und konzentrisch zur Achse der Plattenelektroden radioaktive Strahlungsquellen angeordnet sind.
4. 4. Überspannungsableiter nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen einen Ring (62) bilden.