DE2364034C3 - Überspannungsableiter - Google Patents
ÜberspannungsableiterInfo
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- H01T4/16—Overvoltage arresters using spark gaps having a plurality of gaps arranged in series
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Description
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45
55
Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsableiter
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mit einem Isoliergas gefüllte Schaltanlagen haben bekanntlich den Vorteil, daß sich der Flächen- und Raumbedarf
auf etwa 10% des Bedarfs der herkömmlichen Bauweise 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 nicht innerhalb der
gekapselten Anlage selbst angeordnet werden.
Zur Gasisolation wird vorzugsweise Sehwefelhexa· fluorid verwendet, dessen elektrische iDurchschlagsfestigkeit
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 Gases auf etwa 3 bis 4 bar, bezogen auf 20°C innerhalb
der Schaltanlage noch zu steigern. Werden solche Schaltanlagen für hohe Spannungen mit Überspannungsableitern
versehen, so wird auch deren Ansprechspannung 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 Elektrodenabstands
ist aus Gründen der Fertigungstoleranzen nur bis auf etwa 1 mm möglich, was zur genügenden Verringerung
der Ansprechspanung 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 μ5 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 Plattenfunkenstrecken 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 ej^ktrischen Feldes an den Rändern
einen Undefinierten Entladeverzug und damit eine entsprechend große Streuung der Ansprechspannung zur
Folge hat
Ein bekannter Überspannungsableiter enthält eine Reihenschaltung aus einer Vielzahl von Einzelfunkenstrecken,
die anteilsweise mit verschiedenen Kenndaten, d. h. Zünd- und Löschspannungen, ausgebildet sowie mit
die unterschiedlichen Zündspannungen kompensierenden Einzelsteuerungen versehen sind. Die unterschiedlichen
Kenndaten der Einzeifunkenstrecken erhält man,
indem die Einzelfunkenstrecken mit verschiedenen Gasen gefüllt werden. Als Füllgas ist Schwefelhexafluorid
SF6. Luft oder Stickstoff vorgesehen. A jßerdem sind die
Steuerelemente den Einzelfunkenstrecken parallel geschaltet.
Als Steuerelemente sind lineare oder nichtlineare ohmsche Widerstände und/oder Steuerkapazitäten
vorgesehen (DE-OS 1803 770).
Außerdem ist ein Überspannungsableiter bekannt, der eine Reihenschaltung aus mehreren Hauptfunkenstrecken
enthält, die jeweils mehrere Teilfunkenstrekken enthalten. Einer der Hauptfunkenstrecke dieses
Überspannungsableiter sind eine oder mehrere Zündfunkenstrecken
parallel geschaltet. Diese Zündfunkenstrecken haben eine geringere Ansprechspannung als
die parallelgeschaltete Hauptfunkenstrecke. Die Zündfunkenstrecken
sind mit einem linearen oder nichtlinearen Widerstand in Reihe geschaltet (belgische Patentschrift
6 44 470).
In einer gattungsgemäßen Ausführungsform eines Überspannungsabieiters mit mehreren gegen Hochspannung
in Reihe geschalteten Hauptfunkenstrecken ist parallel zu mindestens einer der Hauptfunkenstrek·
ken eine Steuerfunkenstrecke angeordnet. Diese Steuerfunkenstrecke enthält Plattenelektrode!!, die durch
Abrunden, des Randes als Becherelektroden gestaltet *
sind. Die Steuerfunkenstrecke ist außerdem zur Vorio- *
nisicrung mit einer iritiumhaltigen Gasfüllung versehen. Eine der Plattenclektroden 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 Steuerfunkenstreckc die an den
Hauptfunkenstrecken verbleibende anliegende Span-
nung diese Hauptfunkenstrecken mit Sicherheit zum Ansprechen bringt. Wird nun die Ansprechspannung
der Hauptfunkenstrecke 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, für eine gekapselte, mit
Isoliergas gefüllte Schaltanlage einen Überspannungsableiter mit einer konstanten Ansprechspannung zu
schaffen, die innerhalb des Schutzpegelbereichs liegt. 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 Überspannungsableiters, 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 Potentialsprung an der betreffenden Hauptfunken&trekke
erhält, sobald eine der Steuerfunkenstrecken gezündet hai, die die Hauptfunkenstrecke überbrückt
Die Gasfüllung der Hauptfunkenstrecke kann vorzugsweise aus Schwefelhexafluorid SFe bestehen, während
als Gasfüllung der Steuerfunkenstrecken Stickstoff, ein Edelgas oder Luft geeignet ist.
Neben Schwefelhexafluorid SFö sind auch andere Gase,
die negative Ionen bilden, als Isoliergas geeignet, das sind beispielsweise Tetrachlorkohlenstoff CCl4 und Tetrafluorkohlenstoff
CF4. Die Steuerfunkenstrecken können vorzugsweise jeweils in einem Behälter angeordnet
sein, der mil Stickstoff gefüllt ist. Auch Luft ist als Gas geeignet, das die Zündspannung der Steuerfunkenstrekken
vermindert.
Eine genaue Einstellung der verschiedenen Ansprechwerte de- Steuerfunkenstrecke ist dadurch möglich,
daß für die Steuerfunkenstrecken Plattenelektroden verwendet werden, deren Rand so ausgebildet ist,
daß die Feldstrecke an ihrem Rand kleiner ist ais 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 Stralilungsquellen,
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 ± 03% begrenzt.
Als Strahlungsquelle wird vorzugsweise ein Material
gewählt, dessen Halbwertzeit wenigstens 10 Jahre beträgt. Für die Vorionisierung der Steuerfunkenstrecken
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 Elektrodp.noberflächen.
Zur weiteren Erläuterung-der Erfindung wird auf die
Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Hf «hspannungsableiters nach
"der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Fig.2
zeigt eine besondere Ausführungsform des Hochspannungsableiters, der Bausteine der Anordnung nach
Fig. 1 enthält.
Ein Überspannungsableiter nach F i g. 1 für hohe Spannungen enthält vier Stapel von Teüfunkenstrecken,
die die Hauptfunkenstrecken 40 bis 43 bilden. Jeder Hauptfunkenstrecke sind jeweils wenigstens eine (in der
Figur nicht dargestellte) magnetische Blasspule zuge-
to ordnet und ein Steuerwiderstand 46 bis 49 parallel geschaltet 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 parallel geschaltet 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 Einy ,ngsleitung einer zu schützenden Aniage darsteiien soi'i. D'ese Anlage
kann beispielsweise eine Betriebsspannung von 48 kV haben. Der untere Anschluß a der Reihenschaltung der
Hauptfunkenstrecken 43 liegt auf Nullpotential.
In gleich τ Weise ist die Verbindungsleitung der beiden
Hauptfunkenstrecken 41 und 42 über eine Steuerfunkenstrecke 51 und einen Begrenzungswidersiand 55
mit dem Potential des Netzleiters verbunden. Auch die Verbindungsleitung 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 Plattenelektroden 60 und 61 für die Sieuerfunkenstrecken 50, 51, 52 mit PiOgowski-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 Strahlungsquellen. 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 HC 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 ;n der Figur strichpunktiert
angfiei. .et ist und der mit einem Isoliergas, vorzugsweise
Schwefelhexafluorid SFö, gefüllt ist, das zweckmäßig
unter erhöhtem Druck gehalten wird und die Durch-Schlagsspannung 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, oetragen. Durch diesen erhöhten Druck
wird die Isolierfähigkeit des Gases, damit aber auch die Ansprechspannung der Hauptfunkenstreckeii 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 2 kV eingestellt ist, kann die Ansprechstoßspannung
jeweils einer der .Hauptfunken-
strecken 8OkV betragen. Die Ansprechspannung des
aus vier Hauptfunkenstrecken bestehenden Überspannungsableiter
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 so ausgelegt, daß das Potential zwischen den Steuerwidersländen 48
und 49 am Verbindungspunkt 630 kV, am Verbindungspunkt c 60 kV und am Verbindungspunkt d 90 kV beträgt,
wenn eine Stoßspannung von 120 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 Stcucrfunkcnstrecke. 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 Gesamtspannung 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 Nullpotentiul
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 Gesamtanordn:.ng genau eingehalten werden, der
sich weder mit zunehmender Steilheit der Stirnflanke von Überspannungen noch nach einem mehrmaligen
Ansprechen des Überspannungsabieiters ändert
Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 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
Fafl ändert sich die Ansprechspannung der Steuerfunkenstrecken
in umgekehrter Reihenfolge; es müßte dann die Steuerfunkenstrecke 50 für die höhere und die
Steuerfunkenstrecke 52 für die niedrigere Ansprechspannung ausgelegt sein.
Nach F i g. 2 soll ein Überspannungsableiter für eine
240-kV-AnIage eine Reihenschaltung von 4 Überspannungsableitern
74, 76, 78 und 80 enthalten. Der Überspannungsableiter 74 soll in bekannter Weise eine Reihenschaltung
von Funkenstrecken enthalten, die für eine Betriebspannung 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 isl 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. Überspannungsableiter für Hochspannung mit mehreren gegen ein elektrisches Potential in Reihe
geschalteten Hauptfunkenstrecken, von denen mindestens einer eine Steuerfunkenstrecke parallel geschaltet
ist, deren Elektroden in einem abgeschlossenen Behälter angebracht sind, der mit einem deren
Ansprechspannung gegenüber der Ansprechspannung der Hauptfunkenstrecken vermindernden Gas
gefüllt ist, und die an einem Verbindungspunkt zweier benachbarter Reihenschaltungen von Hauptfunkenstrecken
und an ein niedrigeres Potential angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, !5
daß die Verbindungspunkte (b. c, d) zweier benachbarter Reihenschaltungen von Hauptfunkenstrekken
(42,43.fc'w. 41,42 bzw. 40,41) jeweils über eine
SteuerfunktTiStrecke (52 bzw. 51 bzw. 50) gemeinsam
an das höhere oder das niedrigere Potential angeschlossen sind und daß die Ansprechspannungen
der Steuerfunkenstrecken (50,51,52) derart gestaffelt
sind, daß diejenige mit der höchsten Potentialdifferenz als erste und diejenige mit der niedrigsten
Potentialdifferenz als letzte zündet.
2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasfüllung der
Hauptfunkenstrecken (40 bis 43) aus Schwefelhexafluorid SF6 t"is*,eht und die Gasfüllung der Steuerfunkenstrecken
(50 bis 52) Stickstoff. Edelgas oder Luft ist.
3. Überspannungsablei.er nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die j'teuerfunkenstrekken
(50 bis 52) Plattenelektroden (60, 61) mit Rogowski-Profil enthalten und daß in der Mittelebene
zwischen den Plattenelektroden (60,61) und konzentrisch zur Achse der Plattenelektroden radioaktive
Strahlungsquellen angeordnet sind.
4. Überspannungsableiter nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen einen
Ring (62) bilden.
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