DE274034C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Es ist bekannt, daß man elektrische Apparate und Maschinen, die an längere Freileitungen oder Kabel angeschlossen sind, durch Einschaltung von Drosselspulen in die Leitung gegen das Eindringen unregelmäßiger Spannungswellen schützen kann. Fig. ι zeigt eine derartige Anordnung, bei der I die Leitung, s eine konzentrierte Selbstinduktion und m eine elektrische Maschine bedeutet. Jede auf der Leitung fortwandernde Spannungs- und Stromwelle ü, die einen schnell verlaufenden Überschuß oder ein Manko gegenüber der normalen Betriebsspannung darstellt, soll von einer derartigen Schutzdrosselspule reflektiert und auf die Leitung zurückgeworfen werden.

In Wirklichkeit ist die Wirkung dieser Schutzvorrichtung nur beschränkt, da man einerseits Ihre konzentrierte Selbstinduktion nicht beliebig groß ausführen kann und da andererseits

ao für sehr schnelle Störungen, beispielsweise für Spannungssprünge, wie sie beim Einschalten von Leitungen und Apparaten entstehen, nicht die gesamte Selbstinduktion der Schutzdrosselspule in Betracht kommt, sondern nur ein Wert, der bis auf die Streuinduktion zwischen zwei benachbarten Windungen herabsinken kann.

Eine andere bekannte Schutzvorrichtung ist in Fig. 2 dargestellt; sie besteht aus einer konzentrierten Kapazität k, die kurz vor der Maschine m zwischen die Leitung I und die Erde geschaltet ist. Auch diese Anordnung bewirkt eine Reflektion jeder auftretenden Störungswelle ü an den Klemmen des Kondensators, so daß nur ein geringer von der Größe des Kondensators abhängiger Teil der Störung in die Maschine eintreten kann. Ein vollkommener Schutz der Maschinenwicklung wird also auch durch dieses System nicht ermöglicht.

Die Schutzdrosselspule und der Schutzkondensator haben den gemeinsamen Nachteil, daß sie zwar, ohne den niedrigperiodischen Betriebsstrom nennenswert zu beeinflussen, alle auftretenden schnell verlaufenden Störungen der Spannung von der Maschine bis zu einem gewissen Grad fernhalten, daß sie aber diese ■ Energie der Störungswelle ungeschwächt auf die Leitung reflektieren. Die Störungswellen wandern daher unter dauernden Reflektionen auf der Leitung hin und her, bis sie schließlich durch den sehr geringen Leitungswiderstand aufgezehrt werden. Jede Reflektion durch eine Schutzvorkehrung ist, wie bereits gesagt, nicht vollkommen, sondern die letztere läßt einen Teil der Störung hindurchtreten, so daß die Wicklungen der elektrischen Maschine bis zum völligen Erlöschen der Störungswelle andauernd über das normale Maß hinaus beansprucht werden.

Um die Energie der Störungswelle zu vernichten, ist verschiedentlich vorgeschlagen worden, konzentrierte Selbstinduktion mit Parallelwiclerstand in die Leitung einzuschalten oder konzentrierte Kapazität mit Serienwiderstand zwischen zwei Leitungen oder zwischen Lei-

tungen und Erde zu schalten. In Fig. 3 und 4, die diese Anordnungen darstellen, bedeutet r den Ohmschen Widerstand, der zur Absorption der Störungswelle dienen soll. Auch diese beiden Anordnungen sind ohne nennenswerten Einfluß auf den langsamperiodischen Betriebsstrom, weil dieser in Fig. 3 durch die Selbstinduktion mit sehr geringem Widerstand fließen kann, und bei Fig. 4 durch den Kondensator am Übertritt in die andere Leitung wirksam verhindert wird.

Damit die zuletzt beschriebenen Schutzanordnungen die Energie der Störungswelle möglichst stark absorbieren, muß man für durchlaufende Leitungen dem Widerstands nach Fig. 3 die Größenordnung der doppelten, nach Fig. 4 der halben Leitungscharakteristik geben. Als Charakteristik gilt dabei die Quadratwurzel aus dem Quozienten von Selbstinduktion und Kapazität der Längeneinheit der Leitungen. Die Energie wird dann zur Hälfte in Joulesche Wärme verwandelt, ein Viertel der einfallenden Wellenenergie wird reflektiert, das letzte Viertel tritt durch die Schutzvorrichtung hindurch in den zweiten Leitungsabschnitt über. Man erkennt daraus, daß diese Anordnungen keine wirksamen Schutzvorrichtungen gegen starke Störungswellen bilden, da sowohl die reflektierte als auch die durchgelassene Störungswelle die halbe Strom- und Spannungsamplitude der ursprünglichen Welle besitzen. Um die durchgehende Welle kleiner zu erhalten, müßte man den Wert des Ohmschen Widerstandes erheblich verändern, wodurch dann aber der Vorteil der starken Energieabsorption verlorengeht und die Wirkungsweise sich wieder den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 nähert.

Auch durch gemeinsame Anwendung der Schutzanordnungen nach den Fig. 3 und 4 für dieselbe Leitung erhält man keinen wesentlich besseren Schutz gegen Störungswellen, weil auch dann noch stets ein erheblicher Teil der Wellen reflektiert wird und ein anderer Teil durch beide Schutzanordnungen hindurchdringt.

Es ist nun aber möglich, und dies bildet den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Schutzanordnung herzustellen, die jede einfallende Störungswelle vollkommen absorbiert und ihre Energie in Joulesche Wärme verwandelt. Es tritt dann weder eine Reflektion der einfallenden Welle ein, noch kann sie durch die Schutzvorrichtung hindurch auf die weitere Leitung übertreten. Zur Herstellung einer derartigen Anordnung genügt es nicht, nur Selbst- induktion und Widerstand oder nur Kapazität und Widerstand für sich zu verwenden, sondern man muß notwendig die drei Elemente: konzentrierte Selbstinduktion, konzentrierte Kapa-' zität und einen der Charakteristik der Leitungen angepaßten Ohmschen Widerstand, gleichzeitig an räumlich naheliegenden Punkten der Leitung in bestimmter gegenseitiger Anordnung einschalten.

Daß die Schutzvorrichtung Ohmsche Widerstände enthalten muß, geht ohne weiteres daraus hervor, daß sie Energie von beliebig unregelmäßiger Wellenform vernichten soll. Als Ohmscher Widerstand im Sinne des Patentes ist demgemäß jede Vorrichtung zu verstehen, in der elektrische Energie vernichtet und in andere Energie umgeformt wird. Daß man Selbstinduktion und Kapazität gemeinsam verwenden muß, läßt sich auf die Weise erläutern, daß eine konzentrierte Selbstinduktion jede einfallende schnelle Spannungswelle im wesentliehen mit gleichem Vorzeichen reflektiert, daß eine konzentrierte Kapazität aber die Spannungswelle im wesentlichen mit vertauschtem Vorzeichen auf die Leitung zurückwirft. Wünscht man die reflektierte Welle zum Verschwinden zu bringen, so kann dies also nur durch die gemeinsame Wirkung von Selbstinduktion und Kapazität bewerkstelligt werden, deren eigene fiktive Reflektionswellen sich gegenseitig aufheben. Sorgt man dabei durch passende Bemessung der Widerstände für völlige Absorption der einfallenden Störungswellen, so läßt diese Schutzvorrichtung auch keine Energie durch sich hindurchtreten. Die Theorie ergibt, daß der Ohmsche Widerstand in diesem günstigen Falle.ungefähr gleich der Charakteristik der zu schützenden Leitungsschleife sein muß, ziemlich unabhängig von dem besonderen Aufbau der Schutzvorrichtung.

Eine sehr wirksame Schutzanordnung der beschriebenen Art ist in Fig. 5 dargestellt. In die Leitung Z, die z. B. zu einer zu schützenden Maschine m führt, sind konzentrierte Selbstinduktionen s eingeschaltet, während hinter diesen ein Kondensator k zwischen die Leitungen gelegt ist. Die Widerstände r sind parallel zu den Selbstinduktionen geschaltet. Der normale Betriebsstrom wird durch, die Schutzapparate nicht wesentlich beeinflußt, sondern läuft durch die Selbstinduktionen s und an der Kapazität k vorbei. Jede von der Leitung I ankommende schnelle Störungswelle kann dagegen nicht in die Selbstinduktion s eintreten, sondern findet ihren Weg durch den Widerstand r. Sie wird am Kondensator k reflektiert, so daß sie den Widerstand, nochmals durchlaufen muß. Wäre die Selbstinduktion und die Kapazität unendlich groß, so würde eine vollständige Vernichtung der Störungsenergie im Widerstand eintreten. Da man beide nur in endlicher Größe ausführen kann, so treten geringe Abweichungen ein, es ist jedoch, wie. die Theorie lehrt, bei jeder Größe von Selbstinduktion und Kapazität stets möglich, eine derartige Größe des Dämpfungswiderstandes r anzuwenden, daß nur ein außerordentlich geringer Betrag der einfallenden Welle durchgelassen oder reflektiert wird.

Eine andere Schutzvorrichtung von ähnlicher Wirkung zeigt Fig. 6. Der Kondensator k ist hier mit einem Serienwiderstand r versehen und vor den Selbstinduktionen s zwischen die Leitungen / geschlossen. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist ganz entsprechend der eben beschriebenen. Hier ist am klarsten zu sehen, daß die von Kapazität und Selbstinduktion reflektierten Wellen mit umgekehrtem Vorzeichen sich gegenseitig aufheben können, so daß die gesamte Energie der Störungswelle im Widerstand r aufgezehrt werden kann.

Die beiden Anordnungen der Fig. 5 und 6 sind derart aufgebaut, daß für jede einfallende elektrische Welle entweder in dem Kondensator k, der die Leitungen für schnell veränderliche Vorgänge kurzschließt, ein Spannungsknoten mit einem Strombauch gebildet wird, oder daß durch die Selbstinduktion s, die schnelle Wellen am Durchtritt verhindert, ein Stromknoten mit einem Spannungsbauch gebildet wird. In jedem Falle ist daher die Leitungsschleife für deii Verlauf der Wanderwellen nur über den Widerstand r geschlossen, und diese Anordnung allein ermöglicht die völlige Vernichtung der Wellenenergie im richtig bemessenen Widerstand.

Ebenso wie vor Endapparaten elektrischer Leitungen kann man diese Schutzanordnungen auch an beliebigen Stellen der Leitungen selbst, beispielsweise an den Übergangsstellen von Freileitungen und Kabeln, anwenden. Um von beiden Seiten einfallende Wellenzüge zu vernichten, ist es zweckmäßig, entweder die Kon'-densatoren oder die Selbstinduktionen mit ihren Widerständen doppelt auszuführen.

In Fig. 7 ist eine derartige Anordnung gezeichnet. Die Widerstände r werden natürlich zweckmäßig in verschiedener Größe ausgeführt, falls Leitungen verschiedener Charakteristik aneinandergeschlossen sind. Während Fig. 7 die Doppelausführung der Anordnung nach Fig. 6 darstellt, ist in Fig. 8 die Anordnung der Fig. 5 für die Absorption beiderseits einfallender Wellen gezeichnet. Die Anordnung ist dadurch besonders günstig, daß man an der Anschlußstelle des Kondensators an die Widerstände die in die Hauptleitungen geschalteten Selbstinduktionen gemäß den punktierten Linien nicht mit anzuschließen braucht, so daß man einerseits mit wenig Apparaten auskommt und andererseits die Gefahr des Netzkurzschlusses beim Durchschlagen des Kondensators nach Fig. 5 vermeidet, weil stets Widerstand vorgeschaltet bleibt.

Da die Größe der Dämpfungswiderstände sich sehr wesentlich nach der Charakteristik der zu schützenden Leitung richtet, so wird man häufig für die verschiedenen Leitungen eines Mehrphasensystems verschieden große Widerstände anwenden. Die Charakteristik jeder Leitung gegenüber der Erde ist im allgemeinen größer als die Charakteristik gegen eine der anderen Leitungen, so daß es sich empfiehlt, den Dämpfungswiderstand der Schutzvorrichtung gegen Erde erheblich größer auszuführen. Es werden dann nicht nur alle störenden Spannungswellen, die zwischen zwei Leitungen verlaufen, beim Auftreffen auf die Schutzvorrichtung vollkommen absorbiert, sondern es wird auch jede Spannungswelle, die zwischen einer beliebigen Leitung und der Erde verläuft, völlig vernichtet.

Fig. 9 zeigt eine derartige Schutzvorrichtung, bei der die Widerstände r¹, r² und r³ zur Dämp-. fung für die Leitungen gegeneinander dienen und der Widerstand rⁱ als Zusatzdämpfung gegen Erde.

Freie elektrische Schwingungen können in allen diesen Schutzanordnungen trotz des gleichzeitigen Vorhandenseins von Kondensatoren und Selbstinduktionen nicht auftreten, weil die einzuschaltenden Dämpfungswiderstände an sich so groß sein müssen, daß jede Eigenschwingung unterdrückt wird. .

Man kann auf langen Fernleitungen natürlich eine Reihe derartiger Schutzanordnungen anbringen, so daß schnelle Gleichgewichtsstörungen, die auf irgendeinem Leitungsabschnitt eintreten, die geschützten Enden dieses Abschnittes nicht passieren können, sondern an ihnen aufgezehrt werden. Um mit Sicherheit die völlige Absorption von Störungswellen zu erzielen, kann es zweckmäßig sein, mehrere der beschriebenen Schutzsysteme hintereinander einzuschalten, um auch die Reste der Wellen, die wegen der endlichen Kapazität und Selbstinduktion eine Schutzanordnung noch durchlaufen, mit Sicherheit zu verzehren.

Die Widerstände, die zur Vernichtung der Störungswellen dienen, werden zweckmäßig aus Material von hohem spezifischem Widerstand angefertigt, damit sie eine kurze Längserstreckung haben und wirklich als konzentrierte Ohmsche Widerstände wirken. Als konzentrierte Selbstinduktion und Kapazität gemäß dieser Erfindung gilt jede künstliche Erhöhung der Leitungsinduktivität und Kapazität. Es ist nicht unbedingt nötig, daß besondere Kondensatoren und Selbstinduktionsspulen eingeschaltet werden. Man kann z. B. eine wirksame konzentrierte Selbstinduktion auf die Weise herstellen, daß man den stromführenden Leiter durch konzentrische dünne Eisenblechscheiben hindurchführt, in denen sich ein starkes Selbstinduktionsfeld ausbilden kann. Auch können diese Scheiben mit einem Luftspalt versehen sein, um die Wirkung der veränderlichen Permeabilität zu verringern. Als konzentrierte Kapazitäten können außer elektrostatischen und elektrolytischen Kondensatoren beispielsweise kurze Kabelstrecken in

die Leitung eingeschaltet werden, die eine erheblich höhere Kapazität besitzen als die zu schützende Leitung.

Die beschriebene Schutzeinrichtung hat den Vorteil, nicht nur, wie es die meisten bisherigen Schutzeinrichtungen tun, bei erheblichen Spannungserhöhungen über die normale Netzspannung hinaus anzusprechen, sondern jede beliebig kleine Störungswelle zu vernichten.

ίο Treten starke Erhöhungen der Netzspannung auf, so wird das Dielektrikum der Kondensatoren natürlich stark beansprucht. Um es vor dem Durchschlagen zu schützen, kann man sehr zweckmäßig Funkenstrecken parallel zu den Kondensatoren schalten, die bei starken Überspannungen die Kondensatoren kurzschließen und so einerseits ihr Dielektrikum schützen, andererseits eben wegen des Kurzschlusses, der wie ein unendlich großer Kondensator wirkt, die Wirkung der Schutzanordnung für Überspannungen nicht beeinflussen. Nach Bedarf kann man diesen Schutzfunkenstrecken noch besondere Dämpfungswiderstände vorschalten, die ganz oder teilweise mit den Dämpfungswiderständen der Kondensatoren vereinigt werden können. Elektrolytische Kondensatoren zeigen das günstige Verhalten des Durchschlagens bei übermäßig hohen Spannungen bereits von selbst und bedürfen daher im allgemeinen keiner besonderen Parallel-Funkenstrecken.

Claims (6)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Schutzanordnung für elektrische Stromkreise gegen Überspannungen und ähnliche Störungen mit gleichzeitiger Verwendung von Selbstinduktion und Kapazität an räumlich naheliegenden Punkten der Leitung, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Charakteristik der Leitung angepaßter Ohmscher Widerstand in Serie zur Leitung und parallel der Selbstinduktion oder in Parallele zur Leitung und in Serie mit der Kapazität geschaltet ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrierte Kapazitäten mit Serienwiderständen zu beiden Seiten der in den Leitungen liegenden konzentrierten Selbstinduktionen zwischen die Leitungen geschaltet sind (Fig. 7).
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrierte Selbstinduktionen mit Parallelwiderständen zu beiden Seiten einer zwischen den Leitungen oder nur zwischen den Widerständen liegenden konzentrierten Kapazität in die Leitungen geschaltet sind (Fig. 8).
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzvorrichtungen zwischen zwei Leitungen und zwischen Leitungen und Erde mit verschieden großen Widerständen versehen sind, die auf die jeweiligen Charakteristiken der Leitungsschleifen abgestimmt sind (Fig. 9).
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für Leitungsschleifen mit verschiedener Charakteristik zum Teil gemeinsame Widerstände benutzt werden (Fig. 9).
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder den Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrierte Kapazität durch Parallel-Funkenstrecken mit oder ohne Dämpfungswiderstände gegen Durchschlag gesichert ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.