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Steuerung für die Funkenstrecken
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eines Uberspsnnungsableiters Die Erfindung betrifft eine Steuerung
für die Funkenstrecken eines Überspannungsableiters, bestehend aus einem Stapel
spannungsabhängiger Widerstände in Reihe geschaltet mit mindestens zwei hintereinandergeschalteten
Stapeln von Funkenstrecken, bei welcher die Steuerwiderstände parallel zu den einzelnen
Funkenstreckenstapeln mit verschiedenei Exponent bemessen sind. Mit wachsender Netzspannung
wird das Verhältnis Stehspannung der Betriebsmittel : Betriebsspannung immer kleiner.
Daher entsteht die Forderung nach einer immer niedriger werdenden Begrenzungsspannung
der Ableiter.
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Die Wirkungsweise der Überspannungsableiter besteht darin, daß sie
bei Erreichen eines bestinsten Spannungspegels relativ niederohmig leitend werden
und so die OberspAnnangen gegen Erde begrenzen. Beim Absinken des Spannungspegels
in die Nähe der Nennspannung muß Jedoch diese Verbindung gegen Erde wieder unterbrochen
werden, um den ableiter nicht
thermisch zu überlasten und den Netznebenschluß
zu beseitigen.
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Es ist offensichtlich, daß der Schutz durch die Ableiter um so besser
ist, je kleiner das Verhältnis Ansprechspannung zu Nennspannung ist, ohne daß dabei
sein Löschvermögen beim Wiederkehren der einem Ableitvorgang folgenden betriebsfrequenten
Spannung beeinträchtigt wird.
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Ein Ableiter kann also als um so besser angesehen werden, je kleiner
sein charakteristisches Verhältnis von Uzünd zu Ulösch ist.
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Um die Ansprechspannung der einzelnen Funkenstrecken von verschiedenen
Parametern und äußeren Einflüssen möglichst unabhängig zu machen, ist es bekannt,
ihnen Steuerwiderstände parallelzuschalten, die für eine gleichmäßige Aufteilung
der anliegenden Spannung bis zum Durchzünden sorgen. Damit ist eine Verkleinereng
des Verhältnisses von Ansprech- zu Löschspannung jedoch nur begrenzt möglich.
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Um eine weitere Verminderung der Ansprechspannung der Ableiter zu
erreichen, gibt es verschiedene bekannte Wege: Man kann natürlich die Ansprechspannung
der Funkenstrecken allgemein herabsetzen, allerdings auf Kosten der Löschiähigkeit
und der Rückzündungsfestigkeit, außerdem ist der Steuerstrom kurz vor dem Ansprechen
sehr klein, was, wie später noch erläutert wird, nachteilig ist.
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Eine andere bekannte besondere Maßnahme, um die Ansprechspannung herabzusetzen
ohne gleichzeitig proportional die Löschspannung zu senken, besteht darin, die Funkenstrecken
mit parallelgeschalteten Steuerwiderständen mit verschiedenem Exponent derart zu
steuern, daß bei Nennspannung eine gleichmäßige Aufteilung der Spannung, bei höherer
Spannung Jedoch
eine ungleichmäßige Aufteilung der Spannung über
die Funkenstrecken entsteht. (CH-PS 387 152) Wenn die Spannung an dieser Parallelschaltung
von Funkenstrecken und Steuerwiderständen ansteigt, übernehmen diejenigen Steuerwiderstände
mit dem kleineren Exponenten einen größeren Anteil des Spannungsanstiegs als dieJenigen
mit dem größeren. Infolgedessen erreichen die ersten Funkenstrecken ihre Ansprechspannung
zuerst, so daß sie durchzünden, wodurch die gesamte Spannung nun noch an den Funkenstrecken
mit den Widerständen mit dem größeren Exponenten in Parallelschaltung anliegt, 80
daß auch diese nun sofort durchzünden.
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Diese bekannte Anordnung arbeitet einwandfrei, solange Jeder Uberspannungssorgang
und damit ein Ansprechen des ableiters aus kaltem Zustand heraus erfolgt und das
Verhältnis Ansprechspannung zu Löschspannung nicht zu klein wird. Folgen Jedoch
mehrere flberspannungsvorgänge kurz hintereinander, so daß die Abkühlung insbesondere
der Funkenstrecken zwischen den einzelnen Vorgängen nicht ausreichend ist, erfolgten
thermisch bedingte Rückzündungen, die zum Ausfall des Ableiters führen können.
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Die Verkleinerung des Verhältnisses Ansprechspannung zu Löschspannung
findet bei solchen Anordnungen eine weitere Grenze in der Tatsache, daß die gleichmäßige
Aufteilung der Spannung bei Löschapannung nicht für Jeden Augenbliekswert der Spannung
gilt, sondern nur für deren Scheitelwert.
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Die Sicherheit einer Funkenstrecke gegen Rückzündung beim Wiederkehren
der Spannung nach einem Ansprechvorgang, hängt Jedoch nicht nur vom Verhältnis der
Ansprochspannung zum Scheitelwert der wiederkehrenden Spannung, sondern auch von
der Anstiegsgeschwindigkeit der Wiaderverfestigungsspannung zur Anstiegsgeschwindigkeit
der wiederkehrenden Spannung ab.
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Die Wiederverfestigungsspannung einer Funkenstrecke ist die Spannung,
deren Augenblickswerte nach dem Löschen nicht
überschritten werden
dürfen. Diese Spannung folgt bekanntlich annähernd einer e-Funktion und ist von
der Bauart der Funkenstrecken und von der Restionisation der Zündstelle abhängig.
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Werden nun Steuerwiderstände mit unterschiedlichen Exponenten verwendet,
so ist beim Anliegen einer sinusförmigen Spannung an einer Reihenschaltung solcher
Widerstände die Spannung an den einzelnen Widerständen nicht mehr sinusförmig sondern
entsprechend dem Verhältnis der Exponenten stark verzerrt, wobei die Spannung über
dem Widerstand mit dem höheren Exponenten sehr viel schneller ansteigt als die über
dem Widerstand mit dem kleineren Exponenten. In Fig. 1 ist dieser Sachverhalt dargestellt.
Kurve 1 ist die sinusförmige Löschspannung über der Gesamtanordnung, Kurve 2 ist
die Wiederverfestigungsspannung der Teilfunkenstrecken und Linie 3 bezeichnet den
Scheitelwert der Ansprechspannung der Xeiltunkenstrecken.
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Ist nun das Verhältnis groß und die Aufteilung der Spannung gleichmäßig,
so kann die Spannung über dem Widerstand mit dem größeren Exponenten, Kurve 4, die
Wiederverfestigungsspannung erreichen und sogar überschreiten und damit eine Rückzündung
einleiten, während die Spannung über dem Widerstand mit dem kleinen Exponenten,
Kurve 5, einen großen Abstand zur Wiederverfestigungsspannung hat.
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Außerdem kann bei der bekannten Anordnung der Steuerstrom durch die
parallelgeschalteten Widerstände ummittelbar vor dem Zundensder Ansprechsteuerstrom
wieder nur sehr klein sein.
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Je kleiner der Steuerstrom kurz vor dem Ansprechen ist, um so empfindlicher
reagiert die Spannungsverteilung auf von außen kapazitiv eingekoppelte Störeinflüsse,
insbesondere den Grad und die Art der Verschmutzung oder Benässung des äußeren Gehäuses,
das im allgemeinen ein keramischer mit Schirmen versehener Porzellanisolator ist.
Demzufolge ist infolge dieser Einflüsse keine Konstanz der Ansprechspannung erreichbar.
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Dasselbe ist auch bei anderen bekannten Anordnungen der Fall, bei
welchen zu einem Teil der gleichartigen, in Reihe geschalteten und kettenartig in
den Funkenstreckenstapel hineingeschalteten Steuerwiderständen besondere Zündfunkenstrecken,
gegebenenfalls mit einer kleinen Impedanz in Reihe, parallelgeschaltet werden (CH-PS
323 146). Werden jedoch frequenzabhängige Netzwerke für die Steuerung von Funkenstreckenstapeln
in Ableitern eingesetzt, so lassen sich zwar bei den höherfrequenten atmosphärischen
Uberspannungen niedrigere Begrenzungsspannungen erreichen, nicht jedoch für den
Bereich der niederfrequenten netz eigenen Uberspannungen-Schaltüberspannungen.
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Bei schneller Folge von Ansprechvorgängen ist zudem die Ansprechspannung
von Hochspannungsableitern, vor allem solcher mit strombegrenzenden Funkenstrecken,
wegen des Energieumsatzes in den Funkenstrecken nicht stabil. Bei starker örtlicher
Erwärmung im Bereich des Löschraumes muß immer mit einem Absinken der Ansprechspannung
gerechnet werden, solange sich die Ansprechstelle im thermischen Kontakt mit dem
Löschraum befindet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht im Folgenden: 1.) Ein
optimal kleines Verhältnis von Ansprech- zu Löschspannung zu realisieren, ohne das
Löschvermögen zu beeinträchtigen, 2.) die Ansprechspannung thermisch zu. stabilisieren,
d. h.
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unabhängig von vorangegangenen energiereichen Ableitvorgängen zu
machen; 3.) den Ansprechsteuerstrom, d. h. den Steuerstrom kurz vor dem Ansprechen
des Ableiters möglichst groß zu machen, wodurch die Ansprechspannung von den kapazitiv
eingekoppelten äußeren Verhältnissen, insbesondere dem Verschmutzungs- und Feuchtigkeitszustand
des äußeren
Gehäuses, weitgehend unabhängig wird; 4.) auch bei Betriebsspannung
die Steuerung unter Berücksichtigung von 1.) und 3.) thermisch stabil zu halten;
5.) nach einem Ableitvorgang die an F1 und F2 wiederkehrenden Spannungen so aufzuteilen,
daß deren Augenblickswerte zu jedem Zeitpunkt kleiner sind als die zum betrachteten
Zeitpunkt erreichte Wiederverfestigungsspannung der beiden Funkenstrecken. Eine
mögliche Aufteilung zeigen Kurven 6 und 7 in Fig. 1.
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Diese Aufgabe wird bei einer Steuerung für die Funkenstrecken eines
Uberspannungsableiters, bestehend aus spannungsabhängigen Widerständen in Reihe
geschaltet mit mindestens zwei hintereinandergeschalteten Stapeln von Funkenstrecken,
bei welchen die Steuerwiderstände parallel zu den einzelnen Funkenstreckenstapeln
mit verschiedenem Exponent bemessen sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem
Steuerwiderstand mit dem kleineren Exponent eine Reihenschaltung aus linearem Widerstand
und Schaltfunkenstrecke parallelgeschaltet ist, daß die Widerstände R1 und R2 so
bemessen sind, daß bei Löschspannung die Amplitude der Spannung an dem Widerstand
mit dem kleineren Exponenten größer ist als die der Spannung an dem Widerstand mit
größerem Exponent, und daß bei schaltungsmäßiger Unterteilung der Funkenstrecken
in mehr als zwei hintereinandergeschaltete Teilstapel abwechselnd einem Stapel das
bezeichnete Netzwerk, dem nächsten nur ein Steuerwiderstand mit höherem Exponent
parallelgeschaltet ist, und daß die Schaltfunkenstrecken räumlich von den Hauptfunkenstrecken(stapeln)
getrennt sind.
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Anhand der anliegenden Zeichnung werden die Erfindung und ihre Wirkungsweise
erläutert:
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist den Hauptfunkenstrecken(stapeln)
F1 und F2 ein Netzwerk aus den Widerständen R1, R2, R3 und der Schaltfunkenstrecke
F3 parallelgeschaltet, wobei die Strom Spannungscharakteristik dieser Widerstände,ausgedrückt
durch die Gleichung I - KUn so gewählt ist, daß im Bereich der Betriebsspannungen
am Widerstand mit dem größeren Exponenten die kleinere Spannung und am Widerstand
mit dem kleineren Exponenten die größere Spannung anliegt und/oder die Ansprechspannung
der Teilfunkenstrecke mit stark nichtlinearem Nebenwiderstand kleiner, die Ansprechspannung
der Teilfunkenstrecke mit schwächer nichtlinearem Nebenwiderstand größer ist als
die jeweils anteilige Betriebsspannung,und der Exponent n des Widerstandes R2 mehrfach
höher als der des Widerstandes R1 ist.
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Ist z. B. der Exponent des Widerstandes R1 gleich 1, so kann der Exponent
des R2-7 betragen. Parallel zum Widerstand Rl und der Hauptfunkenstrecke F1 liegt
in Reihe geschaltet die Schaltfunkenstrecke F3 und der Widerstand R3, der ein linearer
Widerstand sein kann. Will man besonders hohe Exponenten -etwa 210 erhalten, so
können Widerstände aus einem geeigneten Metalloxyd verwendet werden.
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In Fig. 3 ist nun das Spannungadiagramm gezeigt. Steigt die Spannung
über den Klemmen der Gesamtanordnung an, so ändert sich die Spannungsverteilung
gemäß U æ iR1 + iR2 mit n - 7 für R2 und n - 1 für Ri nach Kurve 1, U 3 iR1 + i1/7C
Die Spannung 2 über dem linearen Widerstand R1 steigt demnach überproportional an
und bringt die Schaltfunkenstrecke F3 zum Ansprechen. Die Ansprechspannung Ua3 dieser
Funkenstrecke F3 wird so eingestellt, daß mit den Werten von R1 und R2 F3 dann anspricht,
wenn die gewünschte Ansprechspannung U - Kurve 3, mit iR1 I Ua3 in Gleichung Ua
- Ua3 + i1/nC erreicht ist.
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Nach dem Ansprechen von F3 fließt der Strom über R3, F3, R2.
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Der Widerstand von R3 ist z. B. in der Größenordnung R1/100, so daß
zunächst nahezu die volle Spannung über R2 liegt. Da R2 stark nichtlinear ist, muß
eine beträchtliche Stromsteigerung erfolgen können, bevor die Spannung - Kurve 4,
über R2 wesentlich ansteigt. Die Ansprechspannung Ua2 von F2, die parallel zu R2
liegt, wird so eingestellt, daß die Bedingung Ua2 + iR3 Ua eingehalten ist, die
Spannung 5S U - i /nc + iR3 kann dann nicht größer als Ua werden. Nach dem Ansprechen
von F2 geht der Strom über R3, F3, F2. Die Spannung am Ableiterteil wird jetzt allein
durch den Strom und die Größe von R3 bestint. Da R3 nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt
werden muß und nur bei SpannungenSWa kurzzeitig belastet wird, kann sein Widerstandswert
relativ klein gewählt werden. Der erforderliche Steuerstrom, dessen Spannungsabfall
- Kurve 6- über R3 zum Ansprechen von Fi und damit zum Durchzünden der Hauptfunkenstrecken
führt, kann hier im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen auf beträchtliche Werte
eingestellt werden, so daß eine in außerordentlicher Weise verbesserte Stabilität
der Steuerung gegen Fremdschichteinfluß erzielt werden kann. In der Praxis wird
jedoch dieser Steuerstrom mit Rücksicht auf die Stabilität der Ansprechspannung
der Schalt- und Begrenzungsfunkenstrecke F3 auf einige 100 mA beschränkt bleiben
müssen, womit ein optimaler Kompromiß erreicht sein dürfte.
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Nach dem Löschen des Ableitstromes und des betriebsfrequenten Folgestromes
steigt die Spannung an den Klemmen der Hauptfunkenstrecken F 1 und F2 gemäß der
Widerstands charakteristik von R1 und R2 definitionsgemäß so an, daß am Widerstand
mit dem größeren Exponenten die kleinere Spannung und am Widerstand mit dem kleineren
Exponenten die größere anliegt. Die Ansprechspannung der Teilfunkenstrecke mit stark
nichtlinearem Nebenwiderstand ist kleiner, die Ansprechspannung der Teilfunkenstrecke
mit schwächer nichtlinearem Nebenwiderstand größer als die jeweils anteilige Betriebsspannung.
Da diese Ansprechspannungen
im Verhältnis zu den anteiligen Löschspannungen
beträchtlich höher eingestellt werden können als die Gesamtansprechspannung im Verhältnis
zur Gesamtlöschspannung, ergibt sich eine hohe Löschsicherheit bis nahe an die Ansprechspannung.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung liegt darin,
daß die Ansprechspannung der Hauptfunkenstrecken Fi, F2 in relativ weiten Grenzen
schwanken darf. Geht man davon aus, daß ein sicheres Löschen der Rauptfunkenstrecken
bei einem Verhältnis ihrer Ansprechspannung zu ihrer anteiligen Betriebsspannung
son von,6 gewährleistet ist, so ergibt sich, daß die Ansprechepannung der Funkenstrecke
F1 zwischen dem 1,6-fachen und dem 2,4fachen, und die Ansprechspannung der Funkenstrecke
F2 zwischen dem 1,6fachen und 2,1fachen der anteiligen Löschspannung schwanken kann.
Fertigungstoleranzen von 50 * bzw. 30 % sind nahezu unproblematisch einzuhalten,
wogegen die zulässige Toleranz bei herkömmlichen Steuerungen unter 20 % liegen muß,
um die zulässigen Begrenzungsspannungen und die Löschsicherheit andererseits zu
gewährleisten. Die Einstellung der Klemmen-Ansprechspannung über die Spannungsteilerwiderstände
R1, R2 und die Ansprechspannung der Schaltfunkenstrecke F3 ist ohne weiteres über
die Auswahl und Kombination der Widerstandwerte von R1, R2 und erforderlichenfalls
mittels einer einstellbaren F3 möglich.
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- Patentansprüche -
L e e r s e i t e