DE2530852C3

DE2530852C3 - Überspannungsschutzvorrichtung für Wechselstromkreise

Info

Publication number: DE2530852C3
Application number: DE2530852A
Authority: DE
Inventors: Yotsuo Ebina Kanagawa Ishida; Hiroshi Itami Hyogo Kuwahara
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1980-02-21
Also published as: JPS5249134B2; DE2530852B2; US4107754A; SE7507870L; SE413356B; JPS5112648A; DE2530852A1; CA1058694A

Description

2. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der einen Hauptelektrode (10) zwei Triggerelektroden (14, 14') angeordnet sind und daß eine Mittelanzapfung der Sekundärwicklung (64) des Transformators (60) an die eine Hauptelektrode (10) angeschlossen ist, während die beiden Enden der Sekundärwicklung (64) mit je einei der beiden Triggerelektroden (14, 14') verbunden sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutzvorrichtung für Wechselstromkreise gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Überspannungsschutzvorrichtung ist aus der CH-PS 4 43 460 bekannt. Dieser Überspannungsschutz dient zur Begrenzung von Überspannungen in Hochspannungsanlagen, bei welchen die Phasenleitung mit einer Vorrichtung mit einer auf 10-⁵mmHg evakuierten Kammer mit einer Überschlagstrecke verbunden ist. wobei die Vorrichtung bezüglich der Hochspannungsquelle einem zu schützenden elektrischen Apparat nachgeschaltet ist. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzvorrichtung ist lediglich eine einzige Triggerelektrode in einer der Hauptelektroden angeordnet und ist mit einem Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung verbunden.

Aus der CH-PS 4 34 438 ist ein Überspannungsableiter bekannt, der in einem ein Paar Leiter entgegengesetzter Polarität enthaltenden Gleichstrom-Stromkreis angeordnet ist und ein Paar voneinander getrennte und mit den elektrischen Leitern verbundene Hauptelektroden aufweist, von denen jede einen Bogen-Zündteil und einen dem Bogen-Zündteil benachbarten Bogen-Brennteil und eine Trigger-Vorrichtung enthält, die einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung enthält. Die Trigger-Vorrichtung besteht aus einer nahe der Hauptelektroden angeordneten Trigger-Elektrode, um zwischen dem Bogen-Zündteil der Hauptelektrode einen Bogen zu erzeugen, wenn eine in dem Gleichstromkreis auftretende Überspannung von einer bestimmten minimalen Größe die Trigger-Vorrichtung erregt und an der Sekundärwicklung des Transformators und der damit verbundenen Trigger-Elektrode, sobald die Primärwicklung durch eine Überspannung in dem Gleichstromkreis erregt ist, ein Spannungsimpuls mit der Überspannung entgegengesetzter Polarität erscheint Bei diesem bekannten Überspannungsableiter treten kurz nach dem Zünden des Triggerspaltes in der Spannung der niedrigerliegenden Hauptelektrode Oszillationen auf, die zu einer sehr viel höheren Spannung führen, weiche anschließend über dem Hauptspalt auftritt Dabei kann jedoch nicht bei jeder Polarität der entstehenden Oszillationen die Trigger-Einrichtung ausgelöst werden. Um den Transformator dieses bekannten Überspannungsabieiters gegen Beschädigung durch hochfrequente Überspannungen zu schützen, wird eine zweite Trigger-Vorrichtung in Form einer Trigger-Elektrode vorgesehen, die der ersten Trigger-Elektrode und der Hauptelektrode benachbart angeordnet ist, jedoch durch eine Isolation gegenüber der Hauptelektrode und der ersten Trigger-Elektrode isoliert ist. Ein dieser zweiten Trigger-Elektrode zugeleiteter Impuls leitet den Überschlag des Triggerspaltes zwischen der zweiten Trigger-Elektrode und der Hauptelektrode in der gleichen Weise ein, wie dies bei der ersten Trigger-Elektrode erfolgt, wenn dieser ein Triggerimpuls zugeleitet wird. Der Überschlag des Triggerspaltes liefert dann geladene Teilchen, die in den Hauptspalt geschleudert werden und den Überschlag bzw. die Zündung des Hauptspaltes einleiten.

Für die Zündung des Hauptspaltes dient somit bei Auftreten von niederfrequenten Überspannungen die erste Trigger-Vorrichtung mit dem Transformator, während dagegen hochfrequente Überspannungen auf die zweite Trigger-Elektrode einwirken und das Zünden des Triggerspaltes und des Hauptspaltes in ausreichend kurzer Zeit hervorrufen, um dabei zu verhindern, daß die hochfrequente Überspannung eine zu hohe Spannung über der Primärwicklung des Transformators aufbaut.

Bei dieser bekannten Konstruktion ist jedoch die zweite Trigger-Vorrichtung nicht in der Lage, auf beide Polaritäten der auftretenden hochfrequenten Überspannung anzusprechen, so daß also bei der zweiten Trigger-Elektrode die Zündung nicht immer in dem schnellen Bereich erfolgt.

Aus der DE-OS 19 02 214 ist schließlich eine Anordnung zum Schutz gegen Überspannungen bekannt, die aus einem evakuierten Gehäuse mit einer angesteuerten Vakuumfunkenstrecke besteht, welche Hauptelektroden und eine Trigger-Elektrode besitzt, die einer der genannten Hauptelektroden benachbart angeordnet ist, jedoch so weit von ihr entfernt ist, daß eine Trigger-Funkenstrecke gebildet wird. Diese bekannte Anordnung enthält eine Auslöseschaltung, die ein Widerstandsnetz und ein sekundäres Funkenstrekkensystem besitzt, das elektrisch in Reihe geschaltet ist und zu den Hauptelektroden parallel liegt. Weiter ist ein sekundäres Funkenstreckensystem, welches normalerweise nicht leitend ist und welches nur bei einer vorbestimmten Spannung zwischen den Hauptelektroden leitend wird, derart ausgebildet und angeordnet, daß das Widerstandsnetz nur dann in Funktion gesetzt werden kann, wenn das Sekundärfunkenstreckensystem leitend ist, wobei ferner Schaltmittel vorgesehen sind, um eine durch das sekundäre Funkenstreckensystem erzeugte Spannung der angesteuerten Funkenstrecke zuzuführen, so daß ein Funkenüberschlag erfolgen kann, wenn dem Widerstandsnetz Energie zugeführt wird.

Bei dieser bekannten Anordnung ist in jeder

Hauptelektrode eine Trigger-Elektrode angeordnet, die jedoch in keinem Fall mit einem elektrischen Potential beaufschlagt werden, welches in Relation ?u einer der Hauptelektroden entgegengesetzt verläuft

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Überspannungssdiutzvorrichtung für Wechselstromkreise gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei welcher beständig stabile elektrische Entladungen unabhängig von der Polarität der an den Hauptelektroden anstehenden Spannung mit besonders schnellem Ansprechen erzeugt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichnungstei¹. des Anspruchs 1.

Die Sicherheit und auch die Schnelligkeit der Ausbildung einer Funkenstrecke zwischen Trigger-Elektrode und Hauptelektrode ist bei der Oberspannungsschutzvorrichtung nach der Erfindung im Vergleich zu den bekannten Ausführungsformen verbessert, da dann, wenn in einer einzigen Hauptelektrode beispielsweise zwei Trigger-Elektroden mit entgegengesetztem Potential angeordnet sind, sich die elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden abstimmen läßt

Die Überspannungsschutzvorrichtung nach der Erfindung ist somit in der Lage, eine beständige stabile elektrische Entladung unabhängig von der Polarität der an den Hauptelektroden anstehenden Überspannung vorzusehen. Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzvorrichtung entfällt somit die Notwendigkeit der Verwendung von z. B. Einrichtungen zur Bestimmung der Polarität der Spannung an den Hauptelektroden, Einrichtungen zur Änderung der Polarität der Triggerspannung usw., weil die angestrebte elektrische Entladung unabhängig von der Polarität an den Hauptelektroden herbeigeführt werden kann. Darüber hinaus vermag die Überspannungschutzvorrichtung nach der Erfindung aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit und Stabilität, einen Reihenkondensator od. dgl. mit hoher Zuverlässigkeit zu schützen. Wenn die Überspannungsschutzvorrichtung nach der Erfindung für den Schutz eines Reihenkondensators an einem Punkt hohen Potentials von z. B. 500 kV installiert ist, erfolgt außerdem die Übertragung eines Triggersignals durch Verwendung eines Stromwandlers, so daß die elektrische Isolierung einfach und wirtschaftlich wird. Darüber hinaus ist die Wartung der Trigger-Steuerschaltung einfach, weil diese Schaltung an der Massepotentialseite liegt.

Die Erfindung schafft somit eine Überspannungsschutzvorrichtung für Wechselstromkreise, bei welcher zwei Trigger-Elektroden unter Isolierung durch die eine der beiden einander gegenüberliegenden Hauptelektroden hindurchgeführt und mit den beiden Enden der Sekundärwicklung eines Stromwandlers verbunden sind. Eine Mittelanzapfung der Sekundärwicklung ist mit der Hauptelektrode verbunden, durch welche sich die Trigger-Elektroden erstrecken. An die Hauptelektroden wird eine Spannung angelegt, und den Trigger-Elektroden wird durch den Stromwandler ein Triggerimpuls zugeführt, um eine elektrische Entladung über die Hauptelektroden einzuleiten.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Überspannungsschutzvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung und

Fig.2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung gemäß Fig. 1.

Die Erfindung bezweckt die beständige Erzeugung einer elektrischen Entladung im schnellen Bereich mittels einer Überspannungsschutzvorrichtung mit mehreren Trigger-Elektroden.

Die dargestellte Anordnung weist eine elektrische Funkenstrecke in Form zweier einander mit Abstand gegenüberliegender Hauptelektroden 10 und 12 auf, wobei die Hauptelektrode 10 mit zwei auf Abstand ίο stehenden, in fester Anordnung durch die Hauptelektrode hindurchgeführten und mittels elektrischer Isolationen 22 gegenüber der Hauptelektrode elektrisch isolierten Trigger-Elektroden 14 und 14' versehen ist Die Vorrichtung weist weiterhin einen Transformator 60 mit einem Eisenkern 62, einer induktiv um diesen herum angeordneten, mit Anzapfung versehenen Sekundärwicklung 64 und einer ebenfalls induktiv um den Eisenkern 62 herum angeordneten Primärwicklung 66 auf. Der Anfang der Windungen der Sekundärwicklung 64 ist mit der Trigger-Elektrode 14 verbunden, während eine Mittelanzapfung mit der Hauptelektrode 10 und das Windungsende mit der Trigger-Elektrode 14' verbunden ist. Die Primärwicklung 66 ist dagegen an eine Stromversorgung 68 angeschlossen. Gemäß F i g. 1 sind die Hauptelektroden 10 und 12 an die beiden Klemmen einer Wechselstromversorgung 70 zur Anlegung einer Spannung V_M angeschlossen.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der Anordnung

gemäß Fig. 1 unter Bezugnahme auf Fig.2 erläutert.

Dabei sei angenommen, daß es sich bei der Spannung Vm um eine Wechselspannung handelt, deren Größe, wie durch die Wellenform (a) in F i g. 2 gezeigt, zeitabhängig variiert. Außerdem sei angenommen, daß zu einem Zeitpunkt ίο eine Spannung an die Hauptelektroden 10 und 12 angelegt wird, um die Hauptelektrode 12 gegenüber der Hauptelektrode 10 positiv zu machen, und daß ein Primärstrom Ip von der Stromversorgung 68 über einen Primärkreis des Transformators 60 (Fig. 1) fließt. Durch diesen Fluß des Primärstroms Ip wird ein Magnetfluß Φ erzeugt, der durch den Eisenkern 62 in Pfeilrichtung fließt und der sich durch die Gleichung

Φ =

Jib

ausdrücken läßt, in welcher A/die Zahl der Windungen der Primärwicklung 66 gleich 1 und R die magnetische Reluktanz des Eisenkerns 62 bedeuten. Unter der Voraussetzung, daß die Sekundärwicklung 64 eine Zahl /V₂ von Windungen besitzt und die Mittelanzapfung in ihrer Mitte angeordnet ist, so daß sie die Wicklung in zwei gleich große Abschnitte unterteilt, werden an beiden Abschnitten der Sekundärwicklung 64 zwei einander entsprechende, mit dem Magnetfluß Φ verkettete Spannungen Vm und Vn erzeugt, die jeweils die gleiche Größe entsprechend der Gleichung

besitzen, in welcher t die Zeit bedeutet. Wie durch die Wellenform (b) in Fig.2 dargestellt, wird an der Trigger-Elektrode 14 eine positive Spannung und an der Trigger-Elektrode^' eine negative Spannung erzeugt, während die Hauptelektrode 10 an einem Bezugspotential liegt.

Im folgenden sei angenommen, daß V_B eine dielektrische Durchbruchspannung an den Hauptelektroden, V₁ eine dielektrische Durchbruchspannung an der Hauptelektrode 10 und an jeder Trigger-Elektrode 14 bzw. 14', V_M eine an die Hauptelektroden 10 und 12 angelegte Spannung sowie V₁₁ und V₁₂ Triggerspannungen bedeuten. Unter den angenommenen Bedingungen kann die elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden kompromißweise auf die Elektroden abgestimmt werden, so daß die Bedingung

10

V_B > V_s > V_n =

(3)

erfüllt wird. Zum Zeitpunkt ίο gilt dann die Beziehung

V,<V_U+ V₁₂

(4)

Die obige Beziehung (4) ermöglicht, daß die mit Trigger-Elektrode versehene, durch die Elektroden 10, 12 und 14' gebildete Funkenstrecke über ihre Hauptelektroden eine elektrische Entladung im schnellen Bereich herbeiführen kann. Dies führt dazu, daß die Spannung V_M an den Hauptelektroden augenblicklich und spontan kurzgeschlossen wird, wie dies durch die Wellenform (c) in F i g. 2 dargestellt ist.

Bei einem Stromfluß von der Stromversorgung 68 zum Zeitpunkt fi über die Primärwicklung 66 des Transformators, wobei die Spannung Vm — wie durch die Wellenform (a) in F i g. 2 gezeigt — die entgegengesetzte Polarität besitzt, genügt die an die Trigger-Elektrode 14 angelegte Spannung V, 1 der Beziehung

V_M

V_n .

Dies bedeutet, daß die elektrische Entladung im schnellen Bereich über die Hauptelektroden der mit Trigger-Elektrode versehenen, aus den Elektroden 10, 12 und 14 bestehenden Funkenstrecke herbeigeführt wird.

Ersichtlicherweise wird mit der Erfindung also eine Überspannungsschutzvorrichtung geschaffen, über die

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on mit

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Ansprechen erzeugt werden können. Dies ist darauf zurückzuführen, daß an zwei bei dieser Vorrichtung vorgesehene Trigger-Elektroden gleichzeitig Triggerspannungen von jeweils gleicher Größe und mit zueinander entgegengesetzter Polarität angelegt werden, so daß die Spannung an einer der Triggerelektroden gegenüber der Spannung an der Hauptelektrode 12 stets die entgegengesetzte Polarität besitzt, obgleich sie gegenüber der Hauptelektrode 10 an einem positiven oder negativen Potential liegt

Die vorstehend beschriebene Oberspannungsschutzvorrichtung läßt sich besonders leicht im schnellen Bereich über die Funkenstrecken entladen, wenn die beiden erfindungsgemäß vorgesehenen Trigger-Elektroden in einem elektrisch isolierenden Gas, z. B. Schwefelhexafluorid (SFe) angeordnet sind, obgleich eine solche Entladung auch an der Luft möglich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Überspannungsschutzvorrichtung für Wechselstromkreise mit zwei auf Abstand angeordneten Hauptelektroden und mit einer im Bereich der Hauptelektroden angeordneten Triggereinrichtung, die durch einen Transformator bei Auftreten einer Überspannung erregt wird, um die Ausbildung einer Lichtbogenstrecke zwischen den Hauntelektroden einzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrichtung aus mehreren, in einer der Hauptelektroden (iO) angeordneten Triggerelektroden (14,14') besteht, die derart an den Transformator (60) angeschlossen sind, daß unabhängig von der Polarität der auftretenden Überspannung wenigstens eine der Triggerelektrodei (14,14') mit einem zum elektrischen Potential der anderen Triggerelektroden entgegengesetzten Potential versorgt wird, wobei alle Triggerelektroden (14, 14') gleichzeitig mit elektrischem Potential versorgt werden.