20
Z, +Z2
gemäß der Wellenfrontlänge (t) einer dem Blitzschutz eingeprägten Blitzstoßspannung variiert und
dabei die Funkenanfangsspannung der Entladungsstreckeneinrichtung (30) im wesentlichen auf einem
festen Niveau gehalten wird.
2. Blitzschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannnngsverhältnis (a) mit einer
Winkelfrequenz (ω) als Parameter variiert, welche
sich reziprok zur Wellenfrontlänge (l) verhält.
3. Blitzschutz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzwerte (Z\. Zi) so gewählt
sind, daß das Spannungsverhältnis (n) ansteigt, wenn die Wellenfrontlänge (I) kleiner wird als ein vorbestimmter
Wert und die Winkelfrequcnz (eo) höher wird als ein vorbestimmter Wert.
4. Blitzschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktanzelement
der ersten Impedanzschaltung (20) durch ein erstes kapazitives Reaktanzelement (22) mit vorgegebener
Kapazität (C\) gebildet ist und daß die zweite Impedanzschaltung (21) durch die Parallelschaltung eines
Widerstandselements (27) und eines zweiten kapazitiven Reaktanzelements (25) mit vorgegebener Kapazität
(Ci) gebildet ist, wobei die Kapazität (Ci) des
zweiten kapazitiven Reaktanzelementes (25) größer ist als die (C\) des ersten kapazitiven Reaktanzelements
(22).
5. Blitzschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungsstreckeneinrichtung eine
Umhüllung, deren luftdichte Kammer mit einem Isoliergas gefüllt ist, zwei zylindrische Elektroden
(11,12) die räumlich innerhalb der Umhüllung angeordnet sind, und eine Schaltungseinrichtung aufweist,
die an der Umhüllung angeordnet und mit Funkenlöschspulen (13, '.(j) und Widerständen (14,
17) versehen ist, wobei jede Funkenlöschspule und jeder Widerstand mit jeder der zylindrischen Elektroden
(11,12) verbunden ist.
h. Blitzschutz nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet,
dall die Entladungsstreckeneinrichtung eine Umhüllung, deren luftdichte Kammer mit einem
Isoliergas gefüllt ist. zwei innerhalb der Umhüllung br>
räumlich angeordnete zylindrische Elektroden (ti, 12) und eine Dauermagneteinrichtung (.38, 39) aufweist,
die an der Umhüllung angebracht und so an-Die Erfindung bezieht sich auf einen Blitzschutz, insbesondere
zum Schutz von Kraftwerksausrüstungen vor Beschädigungen durch Blitzcinschlag, entsprechend
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Beim herkömmlichen Blitzschutz sind mehrere nichilineare
Widerstandsclcmente auf ZnO-Basis entsprechend dem Niveau der sekundären Nennspannung /u
einem Ventilblock in Reihe geschaltet. Ein Ende dieses Ventilblocks ist mit einer Leitung verbunden, die mit
den zu schützenden Einrichtungen im Kraftwerk gekoppelt ist. Das andere Ende des Ventilblocks ist geerdet.
Das bedeutet, daß der herkömmliche Blitzschutz keine Funkenstrecke hat. Der Grund, weshalb keine Funkenstrecke
vorhanden zu sein braucht, besteht darin, daß beim Einprägen einer Spannung von niedrigerem als
dem vorgeschriebenen Niveau in ein nicht-lineares Widerstandselement auf ZnO-Basis, im wesentlichen kein
Strom durch das Element fließt. Wenn umgekehrt die Spannung das vorgeschriebene Niveau übersxeigt, zeigt
das nicht-lineare Widerstandselement auf ZnO-Basis eine solche Einprägespannungs-Stromcharakteristik, daß
ein pulsierender Strom durch das Widerstandselemcnt fließt.
Beim bekannten Blitzschutz,der wie beschrieben, aufgebaut
ist, ist die Funkenanfangsspannung des Vcntilblocks proportional zur Anzahl der in Reihe geschalteten
nicht-linearen Widcrstandseleniente. Mit anderen Worten, je kleiner die Anzahl Widerstandsclemenic,
umso stärker reduziert ist die Funkenanfangsspanming
beim bekannten Blitzschutz. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Gesamtwiderstand des Ventilblocks umso
mehr abnimmt, je stärker die Anzahl der Widcrstandselemente verringert ist; unter normalen Bedingungen
fließt mehr Leckstrom durch den Veniilblock, wodurch die Temperatur des Ventilblocks sich erhöht. Dieser
Temperaturanstieg führt dazu, daß mehr Leckstrom durch den Ventilblock fließt, bis dieser beschädigt wird,
so daß der Blitzschutz unwirksam wird.
Bei einer anderen bekannten Blitzschlitzeinrichtung sind zwei räumlich angeordnete Elektroden mit dem
Ventilblock in Reihe geschaltet, um dessen Zusammenbruch durch Wärmeeinfluß zu verhindern. Ein zwischen
den paarweise angeordneten Elektroden vorhandener Raum verhindert, daß Strom unter normalen Bedingungen
durch die nicht-linearen Widerstandselemente des Ventilblocks fließt, wodurch die Widerstandselemente
bzw. der Ventilblock vor dem Versagen durch Erwärmen geschützt werden. Das Niveau der Funkenanfangsspannung,
die in dem genannten Raum zwischen den
Elektroden bzw. in der Funkenstrecke auftritt, schwankt
je nach der Wellenform einer ungewöhnlichen Stoßspannung, die einem Blitzschutz eingeprägt wird. Mit
anderen Worten ausgedrückt, wenn die Dauer der Wellenfront der Stoßspannung verkürzt wird und sich ein
steiler Anstieg des ßlitzstroms ergibt, wird das Niveau
der Funkenanfangsspannurig angehoben und dadurch in unerwünschter Weise die .Schulzwirkung des Blitzschutzes
für die Kral'twerksanliigcn verringert.
Aus der DE-AS 12 8b 190 ist ein Hochspannungsableiter
mit mehreren in Reihe geschalteten Funkenstrekken und spannungsabhangigen Widerständen bekannt,
wobei parallel zu den Funkenstrecken oder Reihenschaltungen einer Funkenstrecke und eines spannungsabhängigen
Widerstandes jeweils Spannungsverteilungskondensatoren angeordnet sind. Um dort die
Ansprechspannung bei hoher Steilheit der Stoßspannung gering zu halten, wird vorgesch'f.gen, in Reihe zu
mindestens einem der Spannungsverteilungskondensatoren je einen Ohmschen Widerstand zu schalten. Dadurch
soll die betreffende Funkenstrecke früher ,:um
Ansprechen gebracht weiden als die übrigen Funkcnsirccken.
Ditse bekannte Maßnahme ist allerdings nur möglich, wenn mehrere Funkenstrecken und spannungsabhängige
Widerstände hintereinander geschaltet sind, so daß die einzelnen Funkenstrecken zu unterschiedlichen
Zeitpunkten ansprechen können. Es ist jedoch dort keine Möglichkeit vorgesehen, die Funkenanfangsspannung
an einer einzelnen Funkenstrecke im wesentlichen konstant zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Blitzschutz zu schaffen, bei dem die Funkenanfangsspannung unabhängig
von der Dauer der Wellenfront einer ungewöhnlichen, dem Blitzschutz eingeprägten Sloßspannung ein
festes Niveau hat. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläuvert. In den Zeichnungen
zeigt
lrig. 1 ein Schaltschcma eines Blitzschut/.cs ger>äß
einem Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung, bei dem zwei
Ringelektroden, zwischen denen eine Funkenstrecke begrenzt ist, mit einem Ventilblock in Reihe geschaltet
sind;
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Funkcnstrcckenbereichs
des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein Diagramm, welches graphisch die Beziehung
zwischen dem Verhältnis a. welches ein der Funkenstrecke eingeprägtes Spannungsniveau zu dem am
ganzen Blitzschutz gemäß F i g. 1 angelegten Spannungsniveau hat. und der Dauer ι der Wellenfront einer
.Stoßspannung zeigt;
Fig.4 ein Diagramm, welches graphisch die Beziehung
zwischen der verbesserten oder verringerten Funkenanfangsspannung des Blitzschutzes gemäß Fig. 1
und der Dauer r der Wellenfront der Stoßspannung zeigt;
F i g. 5 ein Schaltdiagramm eines Blitzschutzes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung:
Fig. b eine vergrößerte Schnittansichi des Funkensircckenbereiclis
lies Blitzschutzes gemäß F i g. 5.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sinn zwei zylindrische
Elektroden 11, 12 unter Schaffung einer vorherbestimmten
Funkenstrecke C einander zugewandt angeordnet. Die zylindrische Elektrode 11 ist über eine
Parallelschaltung mit einer Funkenlöschsp'Je 13 und einem
Nebenschlußwiderstand 14, z. B. aus einem Material auf der Basis von Siliziumcarbid (SiC) an eine Übertragungsleitung
15 angeschlossen. Die hohle zylindrische Elektrode 12 ist ähnlich über eine Parallelschaltung
aus einer Funkenlöschspule 16 und einem Nebensciilußu
!(.!erstand 17 an ein Ende eines Veniilblocks 18 angeschlossen.
Das andere finde des Ventilblocks 18 isl geerdet. Der Ventilblock 18 besteht aus einer Vielzahl in
Reihe geschalteter, nicht-linearer Widersiandselemente
18./. 18/j die ieweils /. B. aus einem Material auf der
Basis von Zinkoxid (ZnOj hergestellt sind.
Mit einer Serienschaltung, die aus einer die Funkenlöschspule 13 und den Nebenschlußwiderstand !4 aufweisenden
Parallelschaltung und einer Parallelschaltung besteht, zu der die paarweise angeordneten zylindrischen
Elektroden 11, 12, die Funkenlöschspule 16 und
der Nebenschlußwiderstand 17 gehören, ist ein impedanzelement 20 in Form einer Serienschaltung aus einem
Kondensator 22 und einem Nebenschlußwiderstand 24 elektrisch parallelgeschaltet, welches eine vorherbestimmte
Frequenzcharakteristik in bezug auf eine eingeprägte ungewöhnliche Sloßspannung (z. B. Blitzstoßspannung)
hat. Ahnlich ist mit dem Ventilblock 18 ein weiteres Impedanzelement 21 elektrisch parallelgeschaltet,
welches aus einer Parallelschaltung aus einem Kondensator 25 und einem Nebenschlußwiderstand 27
besteht.
Fig. 2 ist eine Schniuansicht. die im einzelnen den Funkenstreckenbereich 30 des Blitzschutzes gemäß
dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt. Die zylindrischen Elektroden ti, 12 sind so angeordnet,
daß sie einander in axialer Richtung zugewandt sind. Beide zylindrische Elektroden 11, 12 sind in einem Isoliergehäuse
31 aufgenommen, welches gemeinsam mit abdichtenden Isolatoren 33, 34 eine luftdichte Kammer
bildet, in der die zylindrischen Elektroden 11, 12 an den abdichtenden Isolatoren 33, 34 befestigt sind. Die luftdichte
Kammer ist mit einem Isoliergas, z. B. Schwefelhexafluorid (SFn) gefüllt. Die Funkeniöschspule 13 und
so der Nebenschlußwiderstand 14 sind von einem Stützglied
35 getragen, welches am oberen offenen Ende des Isoliergehäuses 31 mit Hilfe des abdichtenden Isolators
33 befestigt ist. Die Funkenlöschspule 16 und der Nebenschlußwiderstand 17 sind von einem Stützglied 36
!5 getragen, welches am unteren offenen Ende des Isoliergehäuses
31 mit Hilfe des abdichtenden Isolators 34 befestigt ist. Die Funkenlöschspulen 13, 16 sind entgegengesetzt
gewickelt, so daß sie Magnetfelder Mi, M?
erzeugen, die einander in axialer Richtung der Funkenlöschspulen 13,16 abstoßen.
Wenn bei einem Blitzschutz mit diesem Aufbau gemäß Fig. 1 eine in die Übertragungsleitung 15 eingeprägte
Blitzstoßspannung das Niveau einer durch die Funkenstrecke G zwischen den zylindrischen Elektroden
11, 12 bestimmten Funken mfangsspannung übersteigt, erscheint in der Funkenstrecke C ein Entladungsbogen.
Im allgemeinen stellt eine solche Blitzstoßspannung einen steilen Stromanstieg dar, der innerhalb außerordentlich
kurzer Zeil, beispielsweise 1 bis 2 Mikro-Sekunden ein .Spannungsniveau in einer Höhe von 500
bis 1000 kV erreicht. Durch den Blitzschutz fließender
Strom wird über die Nebenschlußwiderstände 14, 17 statt durch die Funkenlösehspulen 13, 16 übertragen
und danach über den Vcntilblock 18 an Erde gelegt. Da der aus der Blit/sloßspannung resultierende steile
Stromanstieg nur außerordentlich kurz, nämlich von ! bis 2 Mikrosekunden auftritt, wird der dabei entstehende
Entladungsbogcn in der Funkenstrecke G in ebenso kurzer Zeit wieder gelöscht, wieder oben genannte stei-
bit Ie Stromanstieg dauert.
Wenn der Übertragungsleitung 15 die genannte Blitz stoßspannung eingeprägt wird, liegt am Blitzschutz eine
.Stoßspannung an, und infolgedessen Hießt ein Folgestrom
durch cite Funkensirecke G. Dieser Folgesirom
iv"i «.lauert ziemlich lange an (/. B. 100 bis 5000 Mikrosekiinden)
und zeigt eine sanft abfallende Wellenform. Der Folgestrom fließt durch die Funkenlösehspulen 13, 16.
Die von ilen entgegengesetzt gewickelten Funkenlösch-
spulen 13,16 erzeugten, einander abstoßenden Magnetfelder
Mi, M2 breiten sich radial durch die zwischen den
zylindrischen Elektroden II, 12 gebildete Funkenstrekke aus. Ein in der Funkenstrecke G erzeugter Entladungsbogen
wird unter einer Antriebskraft gemäß der r,
Dreifingerregel linker Hand gedrehi. welche von den Magnetfeldern Mi, M2 in Umfangsrichlung der zylindrischen
Elektroden 11, 12 erzeugl wird. Später, wenn die
Blitzstoßspannung verschwindet, sinkt die dem Blitzschutz eingeprägte Spannung ab. Wenn sich die absin- ι ο
kcndc Spannung weiter gegenüber der kritischen Spannung der Spannung-Strom-Charakteristik der nicht-linearen
Widerstandselemente, aus denen der Ventilblock 18 zusammengesetzt ist, verringert, wird durch
der die Funkenstrecke C fließende Strom extrem redii- H
ziert, beispielsweise auf einige mA. Der in der Funkenstrecke G entstandene Entladungsbogen wird daher
durch das Schwefelhexafluorid-iSFhJ-Isoliergas, welches
eine bogenlöschende Eigenschaft hat, ausgeschaltet.
Es sei angenommen, daß a das Spannungsverhältnis zwischen dem der Funkenstrecke G zwischen den zylindrischen
Elektroden 11, 12 eingeprägten Spannungsniveau, wenn der Übertragungsleitung 15 eine Blitzschutzspannung
eingeprägt wird, und dem am ganzen Blitzschutz anliegenden Spannungsniveau darstellt.
Dies Spannungsverhültnis a fällt mit einem Verhältnis zwischen den Widerständen der lmpedanzelemcnte 20,
21 zusammen. Wenn die Scheinwiderslände dieser Impedanzelcmente
20, 21 als Z, bzw. Z2 ausgedrückt werden,
ergibt sich folgende Gleichung:
Z,+ Z7
JO
(D
Die Scheinwiderstände Zi, Z2 können ferner wie folgt
ausgedrückt werden:
(2)
40
(3)
45 worin
Ci = Kapazität des Kondensators 22.
R1 = Widerstand des Nebenschlußwiderstands 24.
C2 = Kapazität des Kondensators 25,
R2 = Widerstand des Nebenschlußwiderstands 27. so
ω = Winkellrcquenzder ßiii/.stoßspannung.
Angenommen C, = 50 (pf), /?,-= 20(kn). C2 = 200
(pf) und R2 = 9 (ΜΩ) und nach Bestimmung der Werte
der Scheinwiderstände Zi, Z2 anhand der obigen Gleichungen
(2), (3), dann kann der Wert des genannten Spannungsverhältnisses a dadurch errechnet werden,
daß die Werte der Scheinwiderstände Zi, Z2 in die Gleichung
(1) eingesetzt werden.
Das Spannungsverhältnis a schwankt mit der Winkelfrequenz der Blilzstoßspannung, die als ein Parameter
herangezogen wird. Die Winkelfrequenz ω entspricht dem Reziprok der Dauer der Wellenfront der Blitzstoßspannung.
In Fig. 3 ist die Beziehung zwischen der
durch die Winkelfrequenz ω bestimmten Dauer der
Wellenfront und dem Spannungsverhältnis a graphisch dargestellt. Wie sich aus der Spannung-Zeit-Kurve gemäß
F i g. 3 ergibt, schwankt das Spannungsverhältnis a mit der Dauer r (in Mikrosekunden) der Blit/.stoßspannung.
Aus F i g. 3 geht ferner hervor, daß bei einer Verringerung der Dauer 1 der Wellenlront der Blitzstoßspannung
auf ca. eine Mikrosekunde. wobei die Wellenfront der .Sloßspannung scharf ansicigi und die Winkelfrequen/.
m einen hohen Wert hat das Spanniing.svt.T-hallnis
u /.. B. von 0,8 auf 0,9 in der Spannung Zeil-Kurve gemäß Fig. 3 ansteigt. Mit anderen Worten, wenn
die Dauer der Wcllenfront einer dem Wir/schul/, eingepriigien
Blit/Moßspannung verkür/i wird und die Wellenform
der Spannung scharf ansicigi, nimmt das Verhältnis zwischen der der Funkenstrecke zwischen den
beiden zylindrischen Elektroden 11, 12 eingeprägten Spannung und der am ganzen Blitzschutz anliegenden
Spannung zu. Wenn die Wellenform dor der Funkenstrecke,
die eine vorherbestimmte Größe hat. eingeprägten Blitzsloßspannung scharf ansteigt, erhöht sich
das Niveau der Funkenanl'angsspannung. Dabei wird jedoch ein hohes durch das Spannungsverhältnis u bestimmtes
Spannungsniveau der Funkenstrecke C zwischen den paarweise angeordneten zylindrischen Elektroden
11,12 eingeprägt, um den erhöhten Anteil der Funkenanfangsspannung auszugleichen (in der Kurve
gemäß F i g. 3 der Bereich, der einen kleineren Wert als eine Mikrosekunde darstellt). Das Niveau der der Funkenstrecke
G eingeprägten Funkenanfangsspannung kann also nicht ansteigen, wie das im allgemeinen beim
herkömmlichen Blitzschutz der Fall ist. Anders ausgedrückt, mit dem Blitzschutz gemäß der Erfindung bleibt
die der Funkenstrecke G eingeprägte Funkenanfangsspannung Vv im wesentlichen konstant, wie Γ i g. 4 zeigt,
und zwar unabhängig von der Dauer der Wellenfiont der Blitzstoßspannung. Mit dem erfindungsgemäßen
Blitzschutz wird also die Funkcnanfangsspannung bei jeglicher Dauer der Wellenfrontcn der dem Blitzschutz
eingeprägten Blitzstoßspannungen im wesentlichen unverändert gehalten. Ein Blitzschutz gemäß der Erfindung
hat also den Vorteil, daß Kraftwerksanlagen zuverlässiger gegen ungewöhnliche Stoßspannungen geschützt
werden können, die beispielsweise durch Blitzschlag hervorgerufen werden, als das bisher mit den
herkömmlichen Blitzschutzeinrichtungen möglich ist. Außerdem kann der erfindungsgemäße Blitzschutz
leicht dadurch hergestellt werden, daß dem schon bekannten Blitzschutz lediglich Impedanzclemcnie hinzugefügt
werden, die passive Elemente, beispielsweise einen Kondensator und einen Widerstand aufweisen. Das
erleichtert die Anordnung und verhindert zusätzliche Kosten.
Anhand von F i g. 5 wird ein weiteres Ausführungsbeispic!
eines crfindungsgemäßen Büizschut/cs boschrieben.
Beim Blitzschutz gemäß Fig. 5 fehlen die
Nebenschlußwiderstände 14, 17 und die Funkenlösehspulen
13, 16 des in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig.5 ist das Impedanzelement
20. welches die Serienschaltung aus dem Kondensator 22 und dem Nebenschlußwiderstand 24
aufweist, unmittelbar parallelgeschaltet mit den zylindrischen Elektroden 11, 12. Wie beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1, ist das Impedanzclement 21, welches aus der Parallelschaltung aus dem Kondensator 25
und dem Nebenschlußwiderstand 27 besteht, mit dem Ventilblock 18 parallelgeschaltet.
In F i g. 6 ist der Funkenstrcckcnbcrcich 30 des Blitzschutzes
gemäß F i g. 5 im einzelnen gezeigt. Die paarweise angeordneten zylindrischen Elektroden II, 12
sind in einem Isoliergehäuse 31 aufgenommen, welches
mil einem Isoliergas. /.. B. Schwefelhexafluorid (SI-",,) gefüllt
ist. Am oberen offenen Ende des Isoliergehaiises 31 ist ein Stützglied 35 mittels eines abdichtenden Isolators
Ϊ3 befestig!, der die zylindrische Elektrode 11 trägt. Am
inneren offenen linde des Isoliergehäuses 31 ist ein r,
Stützglied if> mittels eines abdichtenden Isolators 34
befestigt, der die /ylindriSchc Elektrode 12 tragt. Außerhalb der .Stützglieder 35, 36 sind zwei Dauermagnete 38
bzw. 39 angeordnet, die Magnetfelder M\ bzw. M2 erzeugen,
welche einander in axialer Richtung der zylin- iu
dnsehen Elektrode 11,12 abstoßen.
Beim Blitzschutz gemäß dem in Kig. 5 gezeigten
Ausführungsbeispiel bestehen die einander abstoßenden Magnetfelder M\. M:, die von den Dauermagneten
58 bzw. 39 erzeugt weiden, ständig ;n der Eunkenstrekke
G in radialer Richtung. Wenn deshalb dem Blitzschlitz
gemäß F i g. 5 eine Blitzstoßspannung eingeprägt wird, erhält der in der Funkenstrecke G entstehende
Enlludungsbogen eine stabile Antriebskraft. Da das Ausführungsbeispiel gemäß I" ig. 5 auch mit den Impedanzelementen
20, 21 versehen ist, bleibt die Funkenanlangsspannung
Vs unabhängig von der Dauer der WeI-lcnfront
der dem Blitzschutz eingeprägten Blitzstoßspannung konstant.
Die an den Blitzschutz angelegte ungewöhnliche Stoßspannung ist nicht auf Stoßspannungen beschränkt.
die aus Bliztschlägen resultieren. Es können viele andere Formen ungewöhnlicher Stoßspannungen angenommen
werden, so z. B. eine ungewöhnliche Stoßspannung. die erfolgt, wenn die innere Verbindung elektrischer «1
Einrichtungen durch einen Unglücksfall in unerwünschler Weise gecdet wird.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen