DE643707C - Anordnung zum Schutz von UEberspannungsableitern - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
15. APRIL 1937

• REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21c GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 13. Juni 1934 ab

Zum Schutz von Stationen gegen Überspannungen, welche durch Blitzeinschläge in die Leitung oder in die Nähe der Leitung hervorgerufen werden, werden Überspannungsableiter vorgesehen. Vorzugsweise werden solche Ableiter verwendet, bei denen der Strom stärker als linear mit der Spannung ansteigt, weil solche Ableiter im Gegensatz zu Ableitern mit konstantem Widerstand die Spannung nicht zu stark anwachsen lassen. Solche Ableiter sind beispielsweise Kathodenfallableiter, die aus einer Reihe von in sehr kleinen Zwischenräumen übereinandergestapelten Halbleiterplatten bestehen, deren Widerstand mit zunehmendem Strom abnimmt und zwischen denen eine Glimmentladung auftritt. Solche Ableiter haben eine Charakteristik, wie. sie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt ist. Wie die Figur zeigt, nimmt oberhalb einer bestimmten Spannung der Strom außerordentlich stark zu. Ableiter, bei denen bei steigender Spannung der Strom sehr stark zunimmt, sind auch beispielsweise Ableiter mit spannungsabhängigem Wider-

s5 stand in Reihe mit einer Funkenstrecke, ζ. Β. einer Löschfunkenstrecke.

Tritt nun bei Anlagen mit derartigen Ableitern ein Blitzeinschlag in die¹ Leitung in unmittelbarer Nähe der Station ein, so sprechen zwar die Ableiter an und schützen die Station. Es kann aber auch vorkommen, daß die Ableiter zerstört werden, weil durch die große Energie der ankommenden Wanderwelle die Ableiter außerordentlich stark beansprucht werden.

Um die Ableiter gegen solche Gefahren zu schützen, könnte man parallel zum Ableiter einen weiteren Ableiter legen, der nur dann anspricht, wenn die Spannung am Ableiter mit nichtlinearer. Charakteristik einen bestimmten Grenzwert überschreitet, und der dann den Strom des Ableiters mit nichtlinearem Zusammenhang zwischen Spannung und Strom auf sich, zieht. Die Einstellung eines solchen Schutzabieiters würde jedoch sehr schwierig und unsicher sein.

Gemäß der Erfindung wird der Schutzableiter so· ausgebildet, daß er auf die Steilheit der Wanderwellen anspricht. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß die Wanderwellen, welche durch Blitzeinschläge in die Leitung in der Nähe der Station hervorgerufen werden, eine sehr steile Stirn besitzen, während die Wanderwellen, die durch Blitz einschlage an von der Station entfernten Stellen hervorgerufen werden, bei ihrem Ankommen in die Station durch die Leitungswiderstände, Koronadämpfung und Leitungskapazität bereits eine sehr stark abgeflachte Stirn besitzen. Ist also das Ansprechen des Schutzabieiters nicht nur von der Höhe, sondern auch von der Steilheit der

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Robert Strigel in Berlin-Siemensstadt.

Wanderwellen abhängig, so kann man erreichen, daß dieser Schutzabieiter nur dann anspricht, wenn die Wanderwellen durch, einen Blitzschlag in die Leitung in unmittely' barer Nähe der Station hervorgerufen wer⁵' den. Das Ansprechen des Ableiters w'ürqLe also bei geringer Steilheit der Welle erst bei' einer so hohen Spannung erfolgen, daß vorher der normal vorgesehene, nur bei nahen ίο Blitzeinschlägen zu schützende Ableiter anspricht, während bei sehr steiler Stirn der Wanderwelle die Ansprechspannung des Schutzabieiters unter die des normalen Ableiters gesenkt wird.

Dieser Schutzabieiter wird so ausgeführt, daß er nahezu als Kurzschluß wirkt, d. h. man wird im Stromkreis der Funkenstrecke nur einen geringen Widerstand oder gar keinen Widerstand einschalten. Es kann zwar ao dann vorkommen, daß infolge dieses Kurzschlusses die Leitung abgeschaltet wird, doch da Blitzschläge in unmittelbarer Nähe der Station nicht zu häufig sind, ist dadurch keine Beeinträchtigung des Betriebes zu erwarten. Man kann auch die Funkenstrecke, deren Ansprechspannung von der Steilheit der Wanderwelle abhängig ist, mit einem Ableiter der Explosionstype in Reihe schalten, welcher gewährleistet, daß der einem Überschlag nachfolgende Strom der Betriebsfrequenz in Bruchteilen einer Sekunde gelöscht wird. Ein solcher Ableiter der Explosionstype besteht aus einem zwischen zwei Elektroden gelegenen Entladungsraum, der von einem Körper aus Isoliermaterial so eng allseitig umschlossen ist, daß der bei der Entladung auftretende Lichtbogen zusammengeschnürt wird. Die Wirkungsweise dieses Ableiters beruht darauf, daß durch das explosionsartige Ausströmen der heißen Gase die während des Überschlages eingetretene Ionisation der Luft schnell aufgehoben wird, und daß infolge der stärkeren Erwärmung der Wände des Isolierrrohres Gasteile ausgeschieden werden, welche nicht ionisiert sind und welche in die Bahn des Lichtbogens eintreten.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Mit 1 ist die Fernleitung, mit 2 die durch die Ableiter zu schützende Station bezeichnet. Vor der Station liegt ein Kathodenfallableiter 3, der aus einer Funkenstrecke 4 und übereinandergestapelten Halbleiterplatten 5 besteht. Gegebenenfalls kann noch eine Löschfunkenstrecke mit dem Ableiter in Reihe geschaltet werden. Parallel zum Kathodenfallableiter liegt der Schutzableiter 6, dessen Ansprechspannung von der Steilheit der Wanderwelle abhängig ist. Zu diesem Zweck besitzt der Ableiter in an sich bekannter Weise zwei Elektroden 8 und 9, die eine Hilfsfunkenstrecke bilden und denen die Hauptelektrode ι ο gegenübersteht. 11 ist ein in der Erdleitung liegender Widerstand, ., der auch wegfallen kann. 7 ist eine in die ,Leitung eingeschaltete Drossel, deren An-. iang mit der Elektrode 8 und deren Ende 'mit der Elektrode 9 verbunden ist. Besitzt die eindringende Wanderwelle eine steile Stirn, so entsteht zwischen den Elektroden 8 und 9 eine hohe Spannungsdifferenz, welche einen Überschlag einleitet. Die durch diesen Überschlag hervorgerufene Ionisation vermindert die Überschlagsspannung der Funkenstrecke 8 bis 10, so daß diese bereits bei einer niedrigen Spannung anspricht. Ist dagegen die Wanderwelle stark abgeflacht, so kommt die Funkenstrecke 8,9 nicht zum Ansprechen, und ein Überschlag zwischen 8 und 10 erfolgt erst bei einer verhältnismäßig hohen Spannung. Durch diese Anordnung kann man bei entsprechender Bemessung erreichen, daß nur dann, wenn der Blitz in unmittelbarer Nähe der Station in die Leitung einschlägt, der Schutzabieiter anspricht.

Statt der in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform kann man auch andere Ausführungsformen für die Funkenstrecke des Schutzabieiters wählen, beispielsweise kann die Funkenstrecke eine derartig zusammengesetzte Elektrodenoberfläche besitzen, daß sie bei der Betriebsfrequenz einen gleichförmigen, bei hochfrequenten Ausgleichsvorgängen dagegen einen verzerrten Feldverlauf hervorbringt. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt die Fig. 3. Die eine Elektrode 12 der Funkenstrecke ist plattenförmig, die andere Elektrode besteht aus einem Stift 13 und einer Kugelkalotte 14, die vom Stift 13 durch Isoliermaterial 15 getrennt ist. Die Kugelkalotte 15 ist mit der Zuleitung 16 über einen verhältnismäßig hohen Widerstand 17 verbunden, der auch beispielsweise dadurch hergestellt werden kann, daß man die Ober· fläche des Isoliermaterials mit einem Halbleiter versieht. Bei Wechselspannung von 50 Perioden oder auch bei Wanderwellen von flacher Stirn wird das Feld der oberen Elektrode nicht nennenswert verzerrt. Tritt no jedoch eine Welle sehr steiler Stirn auf, so ruft der Ladestrom der Kugelkalotte 14, welcher zu der Elektrode 12 übergeht, einen so hohen Spannungsabfall im Widerstand 17 hervor, daß die auftretende Potentialdifrerenz zwischen der Oberfläche der Kugelkalotte 14 und dem Stift 13 so hoch wird, daß eine Teilentladung zwischen Kalotte 14 und Stift 13 eintritt. Die durch die Teilentladung hervorgerufene Ionisation des Überschlagsweges iao nach der Platte 12 bewirkt, daß die Ansprechspannung herabgesetzt wird und der Ableiter

anspricht. Der Widerstand 17 wird so bemessen, daß bei einer bestimmten Steilheit der Wanderwelle, die erfahrungsgemäß nur bei Blitzeinschlägen in die Leitung in der Nähe der Station eintritt, die Spannungsdifferenz zwischen Kalotte 14 und Stift 13 so groß wird, daß zwischen den beiden ein Zündfunke übergeht, welcher die Hauptentladung einleitet. Der Impulsfaktor einer solchen Funkenstrecke kann bis auf 0,6 gebracht werden. Man kann daher die statische Ansprechspannung des Schutzabieiters sehr hoch einstellen und trotzdem schon bei entsprechend steiler Wanderwelle ein Ansprechen des Schutzabieiters bewirken, wenn die Wanderwelle erst auf etwas mehr als die Hälfte der statischen Ansprechspannung angestiegen ist. Auch arbeitet ein solcher Ableiter sehr zuverlässig, da sein Entladeverzug weit unter dem einer normalen Funkenstrecke liegt.

Der Kathodenfallableiter wird beispielsweise so eingestellt, daß er bei Spannungen von der Betriebsfrequenz ungefähr bei der doppelten Betriebsspannung anspricht. Bei Stoßspannung wird dann seine Ansprechspannung ungefähr das 2,2fache der Betriebsspannung sein. Der Schutzabieiter wird so eingestellt, daß er bei Spannungen von der Betriebsfrequenz bei der ßfachen Betriebsspannung anspricht. Bei Stoßspannungen dagegen, bei denen eine Hilfsentladung zwischen Kalotte und Stift erfolgt, sinkt die Ansprechspannung dieses Ableiters auf ungefähr das i,8fache der Betriebsspannung. Die Bemessung wird dabei so getroffen, daß eine Hilfsentladung entsteht bei einer Steilheit von ungefähr 1000 Volt pro Mikrosekunde, welche ungefähr der Steilheit der Wanderwelle bei unmittelbaren Blitzeinschlägen entspricht. Ist die Wanderwelle von geringerer Steilheit, so wird sich die Ansprechspannung des Schutzabieiters ungefähr in der Größenordnung des 3fachen halten; je größer die Steilheit wird, desto mehr wird durch die Hilfsentladung und die dadurch hervorgerufene Ionisation die Ansprechspannung herabgesetzt, bis sie bei 1000 Volt pro Mikrosekunde bereits bei der i,8fachen Betriebsspannung anspricht.

Man kann auch statt des Isoliermaterials 15 einen Halbleiter, z. B. schwach leitenden Kitt verwenden und braucht dann den Widerstand 17 zwischen Kathode 14 und Zuführung 16 nicht mehr. Man kann auch beispielsweise die Kathode 14 selbst aus schlecht leitendem Material herstellen und sie dann in unmittelbare Verbindung mit dem Stift 13 bringen. Die Wirkungsweise dieser Anord-Vnung beruht darauf, daß sie bei steiler Stirn der Wanderwelle als Spitzenfunkenstrecke, bei flacher Stirn als Kugelfunkenstrecke wirkt.

Bei Schaltüberspannungen, die durch Schalten in der Station auftreten, soll der Schustzableifer nicht ansprechen. Diese Schaltüberspannungen besitzen zwar eine sehr steile Stirn, durch welche die Hilfsentladung eingeleitet wird; da aber im allgemeinen ihre Spannung nur gering ist, kommt weder der Schutzableiter noch der Kathodenfallableiter zum Ansprechen. Um aber in besonderen Fällen, wenn die Schaltüberspannung sehr hoch ist, ein Ansprechen des Schutzabieiters zu vermeiden, kann man mit bekannten Mitteln, wie Einschalten einer Drosselspule in die Leitung zwischen Schutzabieiter und Station oder durch Parallelschalten eines Kondensators, die Stirn der Schaltüberspannungswelle soi stark abflachen, daß sie bei ihrem Auftreffen auf den Schutzabieiter keine Hilfsentladung hervorruft. Diese Mittel zur Abflachung der Stirn der Schaltwellen müssen so angeordnet werden, daß die Gewitter Überspannungswellen vor ihrem Eintreffen auf den Schutzabieiter nicht abgeflacht werden, sondern daß nur diejenigen Wellen vor ihrem Eintreffen auf den Schutzabieiter abgeflacht werden, die in Richtung von der Station nach dem Schutzabieiter laufen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Schutz von Überspannungsableitern, bei denen bei wachsender Spannung der Strom stärker als linear zunimmt, beispielsweise von Kathodenfallableiter, dadurch gekennzeichnet, daß paraUel zu diesem Ableiter ein weiterer Ableiter liegt, dessen Ansprechspannung bei großer Steilheit der Wanderwelle niedriger ist als bei geringer Steilheit.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode des Schutzabieiters aus mindestens zwei Metallteilen besteht, die über einen Halbleiter in Reihe gestellt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen