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Überspannungsschutz zwischen zwei Leitern oder einem Leiter und Erde
mit zwei oder mehreren in Reihe geschalteten Ableitern. Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zum Schutz von Maschinen und Apparaten gegenüber Spannungen, die in
Freileitungen durch Blitzschläge, Wanderwellen und sonstige freie Schwingungen auftreten.
Die Erfindung besteht darin, daß zwei oder mehrere Funkenstr-ecken hintereinander
zwischen zwei Leiter oder einen Leiter und Erde geschaltet sind, welche die Ableitung
der Überspannung, z. B. zur Erde, besorgen, und daß ein Punkt
| zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Ab- |
| leitern stets einerseits mit -dem einen Leiter |
| bzw. &r Erde über eine rein kapazitive Im- |
| pedanz, anderseits mit dem anderen Lei- |
| ter über einen Verzögeruligswiderstand |
| (Ohmsche oder induktive Impedanz) ver- |
| bunden ist. Die Einrichtung wirkt in der |
| Weise, daß sich die norrnale-Betri#N4#V-äii.nung" |
| 11.#,#e#zp#o-#irt-ional der urchschlaggpannung |
| ä'----,2r--esehenen Funkenstrecken auf d - iese- |
| #r V- |
| verteilt, während |
| li`c#HS##im-ungserhöhung oder beim--Äuf- |
| treteii--von Schwi ngungen 7eiug6! l#hjr Fre- |
| quenz,in der Hauptsache die erste 1 zw. letzte |
| Funkenstrecke die, gesamte' _s pannung_-au
' - , , - - - fzu- |
nehmen hat und anspricht, danach die folgende usf., so daß die Durchschlagsspannung
der Anordnung als Gan,zes---#olchen-über-spannungen gegenüber wesentlich herabgesetzt
ist.
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Die Erfindung sei an , and Zeichnung ZD näher erläutert.
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In Abb. i bedeutet 3 ein Leitungsstück der zu schützenden elektrischen
Anlage. Zwischen dieses Leitungsstück und Erde sind bei diesem Ausführungsbeispiel
2, Funkenstrecken in Form zweier Hörnerableiter 1, :2 in Reihe angeordnet. 4 ist
ein Dämpfungswiderstand in Reihe mit den Ableitern, der in an sich bekannter Weise
an beliebiger Stelle vor, zwischen oder hinter die Funkenstrecken geschaltet werden
kann. Parallel zu jedem Hörnerableiter ist je eine Kapazität 5, 6
gelegt, welche untereinander gleich groß sind. Diese Kapazitäten liegen demnach
einerseits parallil zu je einem Ableiter und anderseits ebenfalls in Reihe
zwischen Leitung 3 und Erde. Vor die der Leitung zunächst liegende Kapazität
5 ist ein großer Ohmscher Widerstand 7 geschaltet, der z. B. ein Wasser-
oder Graphitwiderstand sein kann.
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Die Kapazitäten 5 und 6 sind so bemessen, daß sie bei
der Betriebsfrequnz der Anlage so geringe 1,adeströme Aufnehmen, daß der Spannungsabfall
in dem Vorschaltwiderstand 7 vernachlässigbar ist, wobei noch zu berücksichtigen
ist, daß die Spannung an dem Widerstand einen Phasenunterschied der Spannung der
Kapazitäten gegenüber aufweist.
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Unter dieser Annahme wird sich die Betriebsspannung ungefähr gleich
auf die beiden Ableiter verteilen.
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Beim Auftreten einer Wanderwelle an den Ableitern gestalten sich die
-Merh#ä#lln Üsse 3ypßtn#r#anders. Die Welle lädt nämlich im ersten Augenblick ausschließlich
die in der Zeichnung links dargestellte Elektrode des Ableiters i auf, während das
rechte Horn praktisch durch die Kapazität
6, die mit ihm in Reihe liegt,
an Erde gelegt ist. Die Größe der Kapazität
6 überwiegt nämlich diejenige
der beiden Hörner des Ableiters i erheblich. Die Kapazität
5 kommt in diesem
Augenblick noch nicht zur Wirkung, da deren Aufladung durch den Vorschaltwiderstand
7 merkliche Zeit beansprucht. Vor Vollendung dieser Aufladung wird die Funkenstrecke
i, auf der die gesamte Spannung der Welle liegt, durchschlagen und die linke Elektrode
des
Ab-
leiters 2" aufgeladen. Die rechte Elektrode dieses Ableiters ist durch
den Dämpfungswiderstand4 an Erde gelegt, so daß die parallel geschaltete Kapazität6
aufgeladen wird, bis der Ableiter:2 anspricht und die Ladung der Wanderwelle an
die Erde abgibt. Die Kapazität6 spielt also bei diesem zweiten Vorgang eine sekundäre
Rolle.
| -,Alldem Dargelegten geht hervoK, daß bei |
| .............. , |
| einer a-ttUtr-el-e-nUe-n95#rsi)ann#_tin,-_g##,(##_jciner |
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| S-pannUßg##iL n- |
| #spruc genommen wer en,-während bei nor- |
| inäldüf -3.itri#b -nür-ein,-c-ar-#Z 1 |
| e li#-INrn-U-itriebs- |
spannung entsprechende Spannung an den Elektroden der Ableiter herrscht. Hierdurch
wirdder besondere Vorteil der Erfindung begründet, daß die Ableiter außerordentlich
fein eingestellt werden können.
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Treten schnelle Schwingungen an den Ab-
leitern auf, wie sie
bei den sogenannt-en freien Schwingungen und manchmal auch beim Einschalten der
Apparate entstehen, und die eine Feriodenzahl besitzen, die oft mehr als zweitausendmal
so groß ist als diejenige der Betriebsspannung, dann wird der Spannungsabfall in
den Kapazitäten sehr gering im Verhältnis zu dem Spannungsabfall im Vorschaltwiderstand
7, und der Ableiter i wird auch in diesem Fall mit großer Annäherung eine
Klemmenspannung gleich derjenigen der vollen Spannung der Schwingungen erhalten.
Hat dann der Ableiter x angesprochen, so legt sich die volle Spannung auf
den Ableiterg-und geht über #diesen zur- Erde..
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Die in Abb. i punktiert gezeichneten beiden Widerstände
8 und 9 sind je mit den Kapazitäten6, 5 parallel geschaltet.
Sie haben den Zweck, eine statische Ladung der Kapazitäten auszugleichen,- die erfahrungsgemäß
bei besonders gut isolierten Kapazitäten und Ableitungshörnern auf diesen bleiben,
wenn die Überspannung zur Erde gegangen ist. Die Ursache hierfür scheint eine Restladung
der Kapazität6 zu sein, welche vor dem Ansprechen des Ableiters 2 aufgeladen wird.
i Diese Restladung könnte die Spannungsverteilung stören und schädlich wirken, wenn
die nächste Überspannungswelle die gleiche Polarität hat wie die vorher abgeleitete.
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Sind die Kapazitäten 5, 6 als LeiJener i Flaschen ausgebildet,
so kann ein Wider-3tand 8, 9 beispielsweise durch Berußen. des
Glases
zwischen den Belegungen gebildet werden; dieser Ruß hildet eine außerordentlich
große Widerstandsverbindung zwischen den Delegungen und hat sonst auf die Wirkungsweise
des Systems keinen Einfluß. Ebenso ist es möglich, auf unglasiertein Porzellan als
Flaschenmaterial diese Widerstandsverbindung durch Bleistiftstriche zwir schen den
beiden Belegungen hervorzubringen. Es kann sogar einer der, Widerstände fortgelassen
werden, ohne daß hierdurch die Spannungsverteilung merklich beeinflußt wird. Diese
Widerstände sind bei einer Gleichstromanlageunbedingt erforderlich und müssen dann
genau gleich, groß gemacht werden. An Stelle des Widerstandes 7 kann eine
Selbstinduktion angewendet werden, mit der gegebenenfalls zur Verhinderung einer
schädlichen Eigenschwingung in_ dem so erzeugten Schwingungskreis ein Ohmscher Widerstand
in Reihe geschaltet werden kann.
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Ein überspannungsschutz gemäß der Erfindung kann auch ansprechen,
wenn bieinr Einschalten der Ableiter oder eines mit denselben in leitender Verbindung
stehenden Teiles der geschützten Anlage die Betriebsspannung den Abl#eitern plötzlich
zugeführt wird. Soll dieses Anspr8chen verhindert werden, so wird zweckmäßig der
Widerstand 7
im Moment des Einschaltens kurzgeschlossen, wodurch der gesamten
Anordnung die besondere Empfindlichkeit gegen plötzlich auftretende Spannungen genommen
wird.
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In Abb,. 2 ist eine Reihenschaltung von drei Funkenstrecken gezeichnet.
Die drei Ab-
leiter 1, 2, io sind auch in diesem Fall ungefähr gleich eingestellt.
Zu jeder der Funkenstrecken ist auch hier je eine Kapazität 5,
6,
11 parallel geschaltet, und ferner liegt zu den letzten bei-den Funkenstrecken eine
weitere Kapazität 12 parallel. Die Kapazitäten 5,
6, 11, 12 sind so
bemessen, daß sich die normale Betriebsspannung möglichst gleichmäßig auf die drei
Ableiter verteilt, wobei der Spannungsabfall in den Vorschaltwiderständen
7, 13 wiederum vernachlässigbar ist. Ist die Kapazität 5 gleich
C, so werden die anderen drei Kapazitäten zweckmäßig gleich C/3 gewählt.
Eine Überlegung lehrt, daß dieses, Kapazitätengebilde bewirkt, daß die Spannung
an den Funkenstrecken 1, 2, io gleich 1/" der Detriebsspannung sein wird.
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Eine plötzlich auftretende Spannung wird wiederum das in der Zeichnung
links befindliche Horn des Ableiters i aufladen, dessen rechtes Horn durch die Kapazität
12 bei dieser plötzlichen Spannung - -praktisch an Erde gelegt ist, während
die Kapazität 5
wegen des verspätenden Einflusses des Widerstandes
7 wiederum nur eine verschwindend kleine Ladung erhält. Es wird nun der Ableiter
i ansprechen und sich die gesamte Spannung auf das linke Horn des Ableiters:2 legen,
und die Verhältnisse entsprechen dann vollständig der Abb. i, indem die Bezeichnungen.
13, 6 und ii in Abb-.:2 den Bezeichnungen 7, 5 und
6 in Abb. i entsprechend. Die drei Ableiter werden somit in der Reihenfolge
1, 2, io durchgeschlagen und jedesmal mit nahezu der vollen Spannung. Auch hier
wird zweckmäßig ein Ausgleichswiderstand für die Belegungen der Kapazitäten angeordnet.
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Bei drei Ableitern ist auch die aus Abb. 3
ersichtliche Schaltung
möglich. Dort sind die Widerstände 7, 13 je mit einer Kapazität
5, 6 in Reihe geschaltet und diese beiden Kombinationen wiederum parallel
an die Leitung3 zwischen den ersten und zweiten bzw. zweiten und dritten Ableiter
gelegt. Die Erde ist wiederum über je eine Kapazität 12, ii zwischen je ein
Ableiterpaar gelegt. Da-1-iiit bei dieser Schaltung ebenfalls je 1-/, der
Betriebsspannung auf jeden Ableiter entfällt, werden die Kapazitäten 5 und
ii zweckmäßig doppelt so, groß als die Kapazitäten 1:2 und 6
ausgebildet und
je ein Paar dieser Kapazitäten untereinander gleichgemacht.
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Prinzipiell ist es gleichgültig, welche der beiden Zuleitungen der
Anordnung die Erdleitung darstellt, und es kann natürlich auch die Anordnung zum
Spannungsausgleich zwischen zwei nicht geerdeten Leitungen verwendet werden. Die
Widerstände 7 und 13 können daher auch mit den Kapazitäten 1:2 und i i in
Reihe geschaltet werden. Allerdings werden dann die Ableiter in umgekehrter Reihenfolge
ansprechen.
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In ähnlicher Weise kann man auch eine Anordnung mit vier oder mehreren
Ableitern herstellen, sie werden jedoch für die Praxis gewöhnlich zu verwickelt
ausfallen.
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Die in den Abb. 2, und 3 dargestellten Kapazitäten
5 und 6 können auch durch ent-.sprechend große Ohmsche Widerstände
ersetzt werden; die Kapazitäten i i und 1:2 hingegen müssen stets vorhanden sein.
Diese ErsatZ7 widerstände müssen dann genau im Verhältnis der sonst vorhandenen
Kapazitäten be,-messen sein.
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Eine solche genaue Bemessung der Widerstände kann durch eine Schaltung
gemäß Abb. 4 vermieden werden, welche besonders vorteilhaft bei Anlagen mit hochgespanntein
Gleichstrom. verwendet wird, aber auch bei Wechselstromanlagen verwendet werden
kann. 14, 15, 16 sind drei gleich große Widerstände, #die bei Wechselstrom auch
induktiv sein können und die normale Betriebsspannung gegen Erde vertragen. Der
Ladestrom der Kapazitäten 5, 12, muß dann verschwindend klein
sein im Verhältnis zu dem
Ableitungsstrom, der normal durch diese
Widerstände fließt, so daß die gleichmäßige Spannungsverteilung über die drei Funkenstrecken
1, 2 und io gewahrt ist. Bei Gleichstrorn wird ein solcher Ladestrom ohnedies nicht
vorhanden sein, und,die Widerstände 14, 15, 16 können dann bequem so bemessen
werden, daß sie die Betriebsspannung ohne rnerkliche Erwärmung vertragen. Bleistiftstriche
auf einer rauhen Platte aus Isolierstoff werden genügen, sofern die Kapazitäten
gut isolieren. Die Widerstände 14, 15, 16 verhindern hier von selbst Restladungen
in den Kapazitäten.
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Die Erfahrung lehrt, daß die hier geschilderten Verhältnisse tatsächlich
auftreten. Anstatt der beiden Ableiter i und 2 (Abb. i) kann man einen einzelnen
Hörnerableiter verwenden, wenn zwischen die beiden Elektroden noch eine dritte kürzere
Elektrode angebracht ist, so daß die beiden Funkenstrecken zwischen dieser undden
beiden Hörnern gebildet sind. Bei zweckmäßiger Anbringung dieser Zwischenelektrode
können sich die beiden gebildeten Lichtbogen vereinigen und von der Zwischenelektrode
abspringen, so daß nur ein einzelner Bogen zwischen den Hörnern ernporsteigt.
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An Stelle von Hörnerableitern können auch andere Ableiter,
z. B. Rollenableiter, eLektrische Ventile u.a.m., in den angegebenen Weisen
geschaltet werden.