DE632941C - UEberspannungsschutzvorrichtung - Google Patents

Description

Vorliegende Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung, die geeignet ist, Anlagen, beispielsweise Überlandverteilungsanlagen oder -netze, gegen Blitz- und Über-Spannungsgefahr zu schützen.

Es sind bereits Einrichtungen bekannt, bei denen in Reihe mit einem Hörnerblitzableiter eine Spule gelegt wird, die einen Schalter betätigt, durch welchen der Hörneria blitzableiter bei genügend hohen Spannungen zwischen Erde und Leiter überbrückt wurde. Die Erdströme mußten nach der Überbrückung des Ableiters über die genannte Spule und sonstige Schaltmittel, Kondensatoren, Röhren, Vakuumabieiter usw., zur Erde abfließen, was bei genügend großen Energien zu deren Zerstörung führen muß. Außerdem bieten derartige Einrichtungen keinen Schutz für schwache dauernde Überspannungen der Netzfrequenz, durch welche jedoch angeschlossene Apparate erheblich gestört oder unbrauchbar gemacht werden können. Da außerdem die Spule des Magnetschalters bei Wanderwellen nicht ansprach, bot sie auch hiergegen keinen Schutz. Es sind weiterhin Anordnungen vorgeschlagen worden, bei denen beim Auftreten von Überspannungen angeschlossene Apparate durch einen Schalter vom Netz getrennt wurden, wobei die Überspannungsenergien durch eine an Erde liegende Überspannungsstrecke abgeleitet werden sollen. Bei dieser Anordnung lag parallel zu der genannten Überspannungsstrecke die Spule des automatischen Schalters, die in dem Falle demnach die volle Spannung des Netzes gegen die Erde erhielt. Bei mittleren Überspannungen konnte es jedoch bei diesen Anordnungen vorkommen, daß der erwähnte Schalter den Stromkreis des Teilnehmers unterbrach, wodurch der über die Spannungssicherung entstandene Lichtbogen ausgelöscht wurde, worauf die Relaisspule wiederum Strom erhielt und den Schalter zu dem Teilnehmer in ständigem ·. Wechsel wieder schloß. Eine derartige Einrichtung bietet keine Sicherheit, sondern schafft neue Gefahrenpunkte für die Gesamtanlage.

Schließlich ist es noch bekanntgeworden, in Reihe mit einer Spule eine Überspannungssicherung anzuordnen und die ganze Anordnung durch einen Hörnerableiter zu überbrücken. Wenn bei dieser Anordnung der Strom über die Sicherung gering ist und eine Zusammenschweißung der beiden Kontaktteile der Sicherung nicht stattfindet, so tritt auch keine Erdverbindung ein. Bei dieser bekannten Anordnung war fernerhin die Ansprechspannung der parallel geschalteten Hörnerableitungsstrecke geringer als die eigentliche Spannungssicherung. Auch diese Anordnung gab für die zu schützenden Netze keine volle Sicherheit gegen Störungen.

Im Gegensatz zu den bekannten Einrichtungen ist das Ansprechen der erfindungsgemäßen Einrichtung auch bei sehr schwachen Stromintensitäten der Netzfrequenz (wenn z. B. das Hochspannungsnetz ohne neutralen Punkt

oder mit einem isolierten neutralen Punkt ausgeführt* ist) "sichergestellt und schützt die Einrichtung, wenn eine Verbindung zwischen Hoch- und""Niederspännungsnetz eintreten sollte, wirksam dadurch, daß eine unmittelf bare Erdverbindung hergestellt wird. In df sem Fall ist die auftretende Gefahr sehr groß, . wenn der dauernd fließe'nde Erdstrom nicht ausreicht, um die Sicherungen oder die ίο Trennschalter zu betätigen. Die Restspannung für die Apparate ist hierbei gleich der Lichtbogenspannung. Diese Spannung ist bei schwachen Erdströmen hoch' und daher gefährlich.

' Erfindungsgemäß ist eine Überspannungsschutzvorrichtung, welche aus einer Hauptfunkenstrecke mit großem Elektrodenabstand und geringer Ansprechverzögerung in Parallelschaltung mit einer Hilfsfunkenstrecke mit geringem Elektrodenabstand besteht, gekennzeichnet durch eine solche Leitungsführung und einen solchen Elektrodenabstand der Hauptfunkenstrecke, daß eine unmittelbare Ableitung der hochfrequenten Uberspannungen . (Stoßwellen· oder atmosphärische Entladungen) zur Erde erfolgt, sowie gekennzeichnet durch eine Serienschaltung der zur Ableitung niederfrequenter Überspannungen dienenden Hilfsfunkenstrecke mit einer Selbstinduktion zur Fernhaltung der Hochfrequenz von dieser Funkenstrecke, wobei parallel zur Hilfsfunkenstrecke ein Kurzschlußschalter gelegt ist, welcher im Fall langwährender oder dauernder Überspannungen in Tätigkeit tritt und die Erdung so lange aufrechterhält, als der gefährliche Strom vorhanden ist, sie aber selbsttätig aufhebt, sobald er verschwindet. Die einen geringen Elektrodenabstand (von beispielsweise Y₁₀ mm) aufweisende Hilfsfunkenstrecke ist zweckmäßig mit halbkugelförmigen Elektroden versehen; sie liegt in Reihe nicht nur mit der Selbstinduktionsspule, sondern außerdem mit einer Blasspule und spricht bei industriell üblichen „Frequenzen und beispielsweise bei Spannungen von etwa 6oo,Volt an. Es kann auch die Spule des elektromagnetischen niederfrequenten Erdungsschalters in Reihe mit der Hilfsfunkenstrecke liegen und so bemessen sein, daß das Ansprechen des Erdungsschalters, dessen Anker etwas unausgewuchtet sein darf, bereits bei geringem Erdungsstrom, beispielsweise 0,5 Amp., erfolgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll zwischen den Phasenleitern und der Erde an den Teilnehmerabzweigungen, von dem Trennkasten, an den Transformatorstellen und den sonst am meisten gefährdeten Punkten der Niederspannungsleitungen ang-eordnet werden.

In den Zeichnungen wird ein Schema und eine Ausführungsform des Erfmdungsgegenstandes dargestellt.

v,. Es zeigen in diesen Zeichnungen: Vj₁ •iffiA.bb. ι eine schematische Darstellung der '\Eilfindung,

'^/'Abb. 2 einen senkrechten Schnitt einer Ausfuhrungsform dieser Blitzschutzvorrichtung mit Kappe und Sockel,

Abb. 3: eine Draufsicht derselben mit angenommener Kappe,

Abb. 4 einen Schnitt der Hauptfunkenstrecke,

Abb. 5 und 6 Schnitt der Hilfsfunkenstrecke,

Abb. 7 einen Schnitt nach Linie A-A der Abb. 6.

In Abb. ι bedeutet 1 eine Funkenstrecke, die in der Folge als Hauptfunkenstrecke bezeichnet wird. B ist die Niederspannungsleitung. Die Hauptfunkenstrecke ist vorzugsweise in der Hörnerbauart.ausgeführt; der Luftspalt ist beispielsweise auf 3 mm eingestellt und wird mittels der radioaktiven, im Innern einer der beiden Elektroden untergebrachten Salze 2 ionisiert.

Mit 3 wird eine in der Folge als Hilfsfunkenstrecke bezeichnete Funkenstrecke gekennzeichnet, die im Nebenschluß zur Hauptfunkenstrecke ι geschaltet ist. Diese Hilfs- öo funkenstrecke 3 hat vorzugsweise halbkugelförmige Elektroden, und ihr Spalt wird so eingestellt, daß sie bei den üblichen Frequenzen bei 600 Volt anspricht.

Die Hilfsfunkenstrecke 3 ist in Reihe mit einer starken Selbstinduktionsspule 4 und den Windungen 5,' eines Elektromagneten 5 und einer kleinen Blasspule 6 geschaltet.

Mit den Klemmen der Funkenstrecke 3 sind zwei Kontakte "J₁ bzw. γ₂ verbunden, während 8 ein Weicheisenanker ist, der sich um den Zapfen 9 dreht und -mit einem Arm 10 versehen ist, so daß er bei Anziehung durch den Elektromagneten 5 die Kontakte J_x und γ,₂ mittels eines Dqppelkontakts 11 kurzschließt, der am Arm 10 an dessen Ende sitzt.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der Gesamtheit der Vorrichtung im Falle von Blitzschlägen und atmosphärisch bedingten Überspannungen und von Überspannungen ii<? erläutert, die durch eine zufällige Berührung von Hoch- und Niederspannungskreisen entstehen.

Im Falle einer Überspannung atmosphärischen Ursprungs spricht die Hauptfunkenitrecke 1 an und läßt den größten Teil der Entladung durchgehen, die bei C zur Erde abgeleitet wird.

Dieses Ergebnis wird dadurch erzielt, daß wegen der Selbstinduktion 4 des Stromkreises der Hilfsfunkenstrecke 3 die Steilheit der Front der Entladungswelle oder ihre Fre-

quenz diese Welle zwingen, den Spalt der Funkenstrecke ι zu überspringen, der auf 3 mm eingestellt ist, und nicht denjenigen der Funkenstrecke 3, obgleich er auf etwa ¹Z₁₀ mm eingestellt ist.

Andererseits wird das Ansprechen der Funkenstrecke 1 durch die radioaktiven Salze 2 begünstigt, indem die so geschaffene Ionisierung die Verzögerung der Entladung verringert.

Immerhin kann die Hilfsfunkenstrecke 3 unter der Wirkung des Wellenschwanzes ansprechen, wobei der Funke schwach und fein ist. Die Wirkung der Funkenstrecke 3 ergänzt somit diejenige der Funkenstrecke 1, indem sie den gesamten Rest der Entladungswelle erdet.

Die sehr kurze Dauer dieses Funkens und seine geringe Kraft einerseits sowie die mechanische Trägheit des Ankers 8 andererseits gestatten der Spule des Elektromagneten 5 nicht, den Anker anzuziehen, der daher bei atmosphärischen Entladungen unbewegt bleibt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die große Entladefähigkeit eine Folge der unmittelbaren Einschaltung der Funkenstrecke 1 zwischen die Leitung B und die Erde C ohne Zwischenschaltung von Widerständen ist.

Im Falle von Überspannungen durch zufällige Berührung zwischen Hoch- und Niederspannung spricht die Funkenstrecke 3 von selbst an, weil ihr Luftspalt sehr eng ist (etwa Y₁₀ mm) und viel kleiner als derjenige der Funkenstrecke 1 und außerdem die Frequenz der industriell verwendeten Ströme niedrig ist.

Der Strom, der so über die Funkenstrecke 3 fließt, ist für Überlandnetze und in den meisten Fällen höher als 0,5 Atm. Außerdem ist die Dauer dieser Überspannung groß im Vergleich zu der von atmosphärischer Entladung herrührenden. Daher kann der durch die Wicklung des Magneten 5 fließende Strom die Anziehung des Ankers 8 durch diesen Magneten bewirken. Wird der Anker angezogen, so verbindet er die beiden Kontakte Y₁ und 7₂ miteinander und schließt damit die Elektroden der Hilfsfunkenstrecke 3 kurz, um die Leitung unmittelbar zu erden. Die Funkenstrecke 3 befindet sich daher bei einem Strom von mehr als 0,5 Amp. durch den Anker 8-10 und die Kontakte Ii-^₁ und 7₂ im Nebenschluß; der durch die Wicklung des Elektromagneten 5 fließende Strom hält die Anziehung des Ankers 8 aufrecht, der so lange festgehalten wird, als der Durchgang des Stromes durch den Elektromagneten 5 andauert.

Während der ganzen Wirkungsdauer der Erdungsvorrichtung zeigt das Ausbleiben des Stromes beim Abnehmer diesem an, daß eine dauernde Gefährdung verhütet worden ist.

Der Anker 8 nimmt seine Ruhelage unter dem Einfluß seines Eigengewichts wieder ein, sobald der Strom unterbrochen wird (Ausschaltung des Niederspannungsschalters an der Umformerstelle, Schmelzen der Niederspannungssicherungen, Unterbrechung des Hochspannungsstroms usw.).

Es ist zu bemerken, daß die Trägheit des Erdungsstromkreises bewirkt wird durch die Selbstinduktion 4, die Trägheit des Elektromagneten 5 und der Blasspule 6, durch die mechanische Trägheit des Ankers 8 und durch ein gewisses Nachbleiben der nicht ionisierten Funkens trecke 3 hinter der Funkenstrecke i. Diese Trägheit des Erdungssystems genügt, wie bereits angegeben, um dieses System unempfindlich gegen atmosphärische Entladungen zu machen und um den Teilnehmer vor einer Unterbrechung der Benutzung seiner Niederspannungsleitung zu bewahren.

Die Abb. 2 und 3 zeigen im Schnitt und Draufsicht eine Ausführungsform der Blitzschutzvorrichtung nach Maßgabe der Erfindung. In diesen Abb. 2 und 3 finden sich: Die Hauptfunkenstrecke 1, die Hilfsfunkenstrecke 3, die. Selbstinduktionsspule 4, der Elektromagnet 5 mit seinen Wicklungen 5', die Blasspule 6, die Kontakte ^₁ und 7₂, der Anker 8, drehbar um Zapfen 9 und versehen mit dem Arm 10 zum Kurzschließen der Kontakte y_x und 7a mittels des Doppelkontakts 11. Der Anker 8 ist um ein geringes unausgewuchtet, so daß sein Gewicht den Arm 10 in der schrägen Lage außer Kontakt bei mangelnder Wirkung des Magneten 5 erhält.

Die Erdungsvorrichtung (Elektromagnet 5 und Anker 8-10) befindet sich zwischen der funkenstrecke 1 einerseits und der Funkenstrecke 3 mit ihrer Blasspule 6 anderseits.

Die Zahl der Windungen der Spule 5' des Elektromagneten sei beispielsweise 90. Der Kern des Elektromagneten 5 besteht aus Weicheisenblechen, der Luftspalt des Magneten wird durch eine Schraube mit Gegenmutter 12 (Abb. 2) eingestellt.

Der Anker 8-10 ist um den Zapfen 9 drehbar, der im Gestell 13 des Elektromagneten gelagert ist. Dieser Anker 8-10 ist winkelförmig (Abb. 1), und sein senkrechter Arm 8 besteht aus einem Blechpaket, während der waagerechte Arm 10 beispielsweise aus Duralumin sein kann.

Der Doppelkontakt 11 mit versilberter Fläche ii' trägt einen Zapfen mit Kopf 14, der sich mit gewissem Spiel in einem Loch des Hebels 10 verschieben kann. Mit 15 ist eine Feder bezeichnet, die sicheres Anliegen des Doppelkontakts 11 an den beiden Kon-

takten J₁ und 7₂ bewirkt und die Bildung von Funken bei geringen Stromstärken verhütet. Die so gebildete Erdungsvorrichtung bietet eine große Sicherheit der Wirkung, Diese Vorrichtung ist in der Mitte eines Sockels i6, beispielsweise aus gepreßtem Kunstharz, angebracht, der die gesamte Blitzschutzvorrichtung aufnimmt. Die Klemmen für die Leitung B und Erde C befinden sich im unteren Teile der Blitzschutzvorrichtung und im Sockel i6 versenkt.

Der Sockel i6 wird mit einer isolierenden Kappe IJ (Abb. 2) geschlossen, die die ganze , Vorrichtung einschließt. Die Blitzschutzvorrichtung von zylindrischer Gestalt trägt außen vier Lappen 17° (Abb. 3) zur Aufnahme der Befestigungsschrauben der Kappe 17 für das Festziehen dieser Kappe 17 auf dem Sockel 16. Die Abdichtung der Blitzschutzvorrichtung zwischen dem Sockel 16 und der Kappe 17 wird durch irgendein bekanntes Mittel, beispielsweise eine Gummischnur 18, bewirkt, die in eine Ringnut des Sockels 16 und der Kappe ij. eingelegt wird.

19 ist eine Schraube, versenkt in der Mitte des Sockels 16, die zur Befestigung der Blitzschutzvorrichtung auf einem Trageisen (in Abb. 2 durch strichpunktierte Linien an-• gedeutet) bestimmt ist; dieses Befestigungseisen wird durch eine quadratische Ausnehmung geführt, mit der der Sockel 16 in seiner Mitte versehen ist.

Die Selbstinduktionsspule 4 ist derart angeordnet, daß sie die anderen, die Blitzschutzvorrichtung bildenden Teile umgibt; diese Selbstinduktionsspule 4 ist um Isolierpappe gewickelt und bildet eine Art von starrem Gehäuse; ihre Windungszahl kann beispiels-■ weise etwa 70 betragen:

Die Hauptfunkenstrecke (im einzelnen in Abb. 4 dargestellt) entspricht dem Hörnertyp. Sie ist von kräftiger Bauart mit rechteckigem Querschnitt von 12 mm Breite. Die : Entladung wird, wie bemerkt, durch die Einführung von Radiumsalzen begünstigt. Diese Salze sind im Innern einer der beiden Elektroden, beispielsweise in der Elektrode i^a der Funkenstrecke, untergebracht, so daß sie . nicht durch die hohe Temperatur des Lichtbogens zerstört werden können; der Behälter für diese radioaktiven Salze wird von einem waagerecht gebohrten Loch im Innern der Elektrode i^a gebildet.

Die Elektroden der Funkenstrecke 1 sind voneinander entfernt, um einen Funkenspalt zu bilden, der auf 3 mm eingestellt ist und das Zusammenschweißen der Elektroden unter der Wirkung starker Entladungsströme ver-. hindert. Die Hörner der Funkenstrecke, deren Oberfläche bei i°' und i⁶' versilberF ist (Abb. 4), sichern das Löschen des Lichtbogens. Dieser wird außerdem durch eine Zwischenwand 2i zerteilt, die isolierend und wärmefest ist. Mit dieser Anordnung wird eine schnellere Löschung des entstandenen Lichtbogens nach dem Durchgang einer Entladung erzielt. Die Entlüftung erfolgt bei 22, und 23 bedeutet den so gebildeten Funkenlöschraum.

Die Hilfsfunkenstrecke (im einzelnen in Abb. 5, 6 und 7 dargestellt) entspricht der Bauart mit halbkugelförmigen Elektroden 3" und 3⁶. Die Oberfläche dieser Elektroden ist in 3*' und 3*' versilbert. Diese Elektroden werden von einer isolierenden und feuerfesten Masse 24 umgeben, die einen Schutz gegen dunkle Entladungen bildet. Wie bereits angegeben, besitzt die Funkenstrecke 3 einen auf ¹Z₁₀ mm eingestellten Spalt und ist mit einer Blasspule 6 versehen, die das Zusammenschweißen der Elektroden dieser Funkenstrecke verhindert. Die Windungszahl dieser Spule 6 ist 60 im dargestellten Beispiel; ihr Draht hat 2 mm Durchmesser ebenso wie derjenige der Selbstinduktion 4 und der Wicklung 5' des Elektromagneten. Die Tränkung dieser drei Spulen (4, 5' und 6) erfolgt bis auf das Metall; die Isolierung zwischen den Windungen ist derart, daß sie den Spannungsstößen widersteht. .

Es ist zu bemerken, daß die Einstellung der Haupt- und der Hilfsfunkenstrecke ein für allemal bei der Herstellung erfolgt, so daß dieEmpfmdlichkeit derspannungsbegrenzenden BJitzschutzvorrichtung unveränder-Hch bleibt.

Es ist zu beachten, daß die beschriebene Ausführung der Blitzschutzvorrichtung nur als Beispiel anzusehen ist und daß alle Abänderungen in Einzelheiten und Gestaltung, Abmessungen und Anordnung der verschiedenen Teile der Blitzschutzvorrichtung möglich ist, soweit sie nicht den Erfindungsgedanken verlassen.

Die Vorrichtung kann durch die Vergrößerung der Amperewindungszahl der Spule des Elektromagneten 5 empfindlicher und gleichzeitig zum Durchlassen eines stärkeren Erdungsstroms geeignet gemacht werden, wenn die Abmessungen der Kontaktknöpfe J₁ und 7₂ und des Doppelkontakts 11 sowie die Drahtstärken vergrößert werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Überspannungsschutzvorrichtung, bestehend aus einer Hauptfunkenstrecke mit großem Elektrodenabstand und geringer Ansprechverzögerung in Parallelschaltung mit einer Hilfsfunkenstrecke mit geringern Elektrodenabstand, gekennzeichnet durch eine solche Leitungsführung und

   einen solchen Elektrodenabstand der Hauptfunkenstrecke (i), daß eine unmittelbare Ableitung der hochfrequenten Überspannungen (Stoßwellen oder atmosphärische Entladungen) zur Erde erfolgt, sowie gekennzeichnet durch eine Serienschaltung der zur Ableitung niederfrequenter Überspannungen dienenden Hilfsfunkenstrecke (3) mit einer Selbstinduktion (4) zur Fernhaltung der Hochfrequenz von dieser Funkenstrecke, wobei parallel zur Hilfsfunkenstrecke (3) ein Kurzschlußschalter (11, 71, 72) gelegt ist, welcher im Fall langwährender oder dauernder Überspannungen in Tätigkeit tritt und die Erdung so lange aufrechterhält, als der gefährliche Strom vorhanden ist, sie aber selbsttätig aufhebt, sobald er verschwindet.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch I^ dadurch gekennzeichnet, daß die einen geringen Elektrodenabstand (von beispielsweise Y₁₀ mm) aufweisende Hilfsfunkenstrecke [3), die zweckmäßig mit halbkugelförmigen Elektroden versehen ist, außer mit der Selbstinduktionsspule (4) noch in Reihe mit einer Blasspule (6) liegt und bei industriell üblichen Frequenzen und beispielsweise bei Spannungen von etwa 600 Volt anspricht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (5) des elektromagnetischen niederfrequenten Erdungsschalters in Reihe mit der Hilfsfunkenstrecke (3) liegt und so bemessen ist, daß das Ansprechen des Erdungsschalters bereits bei geringem Erdungsstrom, beispielsweise 0,5 Amp., erfolgt.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (9, 10, 11) des Erdungsschalters etwas unausgewuchtet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen