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Einrichtung zum Schutz gegen Überspannungen verschiedener Polarität
Die Anwendung von Entladungsgefäßen mit Initialzündung 'als überspannungsableiter
ist schon früher vorgeschlagen worden. Bei der Verwendung dieser Entladungsgefäße
als Stromrichter ist-es bekannt, die gleichzurichtende Spannung gleichzeitig als
Zündspannung zu verwenden. Die Anode solcher Gefäße ist dann über ein Steuerrohr
in Form eines gesteuerten Hilfsgleichrichters mit der Zündelektrode "verbunden.
In dem Augenblick, in dem das Entladungsgefäß gezündet werden soll, wird das Steuerrohr
freigegeben. Es fließt dann über dieses Steuerrohr und die mit ihm in Reihe liegende
Zündelektrode des Entladungsgefäßes nach dessen Kathode ein Strom, der die Zündung
des Gefäßes bewirkt. Eine solche Schaltung wäre auch für eine überspannungsschutzeinrichtung
anwendbar, in der zwei polarisierte Entladungsgefäße r und z in Antiparallelschaltung
vorgesehen sind, die beim Auftreten einer überspannung zünden und dadurch den zu
schützenden Apparat 9 überbrücken, wie in Abb. z dargestellt ist. Die Steuerung
der Steuerröhren müßte so eingestellt werden, daß sie im normalen Betrieb gesperrt
sind und erst von einer höheren Spannung als die Betriebsspannung gezündet werden
und dadurch die Zündung der Entladungsgefäße einleiten. Als Steuerröhren werden
für Stromrichterschaltungen meist Glühkathodenröhren verwendet. Diese Röhren sind
für die Steuerung des Überspannungsschutzes nicht geeignet, weil sie, da die Schutzeinrichtung
immer betriebsbereit sein muß, ständig geheizt werden müßten, obwohl sie vielleicht
innerhalb von Monaten nur wenige Male und dann auch nur für wenige Sekunden im Betrieb
sind.
Außerdem macht es Schwierigkeiten, den erforderlichen Heizstrom zu erhalten. Bei
einer Überspannung sollen bekanntlich die Entladungsgefäße zünden und den zu schützenden
Apparat kurzschließen. Ein parallel zu den letzteren liegender Heiztransformator
wäre dann ebenfalls kurzgeschlossen; und die Steuerröhren würden gerade dann, wenn
sie gebraucht werden, nicht mehr geheizt. Es müßten daher Schaltungen angewendet
werden, die auch nach Ansprechen der Entladungsgefäße den erforderlichen Heizstrom
weiterliefern, oder es müßte eine besondere Stromquelle für die Heizung vorgesehen
werden: Dadurch würde die Schätzeinrichtung außerordentlich umständlich und teuer,
abgesehen davon, daß die Glühkathödenröhren selbst schon verhältnismäßig teuer sind.
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Ableiterschaltungen unter Verwendung von Gefäßen mit Initialzündung,
die ohne jedes Steuerglied auskommen, sind zwar bekannt. Diese haben aber den großen
Nachteil, daß bei Anwendung von Gefäßen mit Quecksilberkathode und in das OOuecksilber
eintauchendem Zündstift der Zündstift ständig an Spannung liegt, so daß über ihn
ständig -ein Strom fließt, der zwar bei normaler Spannung nicht zum Erzeugen des
erforderlichen verhältnismäßig kräftigen Zündlichtbogens ausreicht, aber doch einen
Verluststrom darstellt und außerdem noch den Zündstift dauernd beansprucht, so daß
dieser selbst dann von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden muß, wenn das Gefäß gar
nicht öder nur wenige Male ansprach.
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Es wäre nun wünschenswert, die Vorteile der Schaltung nach Abb. i
beizubehalten, als Steuerröhren 3 und q. aber einfache Funkenstrecken zu verwenden,
die bei einer gewissen Spannung ansprechen und die Zündung der Entladungsgefäße
i und 2 bewirken. Die Anwendung solcher unpolarisierter Funkenstrecken, die je nach
der vorliegenden Spannung in Atmosphären-, Unter- oder Überdruck gelegt würden,
ist aber in der Schaltung nach Abb. i nicht dadurch möglich, daß nur die Glühkathodenröhren
gegen solche Funkenstrecken ausgetauscht werden. Beim Auftreten einer Überspannung
würde nämlich häufig, selbst wenn die beiden Funkenstrecken und die Zündverhältnisse
in den Entladungsgefäßen sehr genau abgeglichen wären, nur eine von beiden ansprechen.
Spricht gerade die Funkenstrecke an, die das für die betreffende Polarität der Überspannung
durchlässige Entladungsgefäß zu zünden hat, so wird dieses zünden und den zu schützenden
Apparat g direkt oder gegebenenfalls über einen Widerstand 7 bzw. 8 kurzschließen.
Der Zündkreis, dessen Widerstand wesentlich größer ist als der des Hauptkreises
über die Entladungsgefüße i bzw. z, ist durch das Zünden eines der letzteren ebenfalls
kurzgeschlossen, und die Zündfunkenstrecke -wird daher löschen, und der Strom im
Zündkreis wird zu fließen aufhören. Spricht jedoch bei gleicher Polarität der Überspannungen
die Funkenstrecke des anderen Entladungsgefäßes zuerst an, so wird zwar auch die
Initialzündung in diesen einsetzen, sie führt aber nicht zur Zündung des Entladungsgefäßes,
da es für die Stromrichteng; welche entsprechend der Polarität der Überspannung
auftreten würde, nicht durchlässig ist. Da in Reihe mit den Funkenstrecken eingeschaltete
Widerstände und 6 in Rücksicht auf die erforderliche Stärke des Zündstromes meist
nicht so höchohmig gewählt werden können, bricht die Spannung durch die Zündung
der einen Funkenstrecke bereits so weit zusammen, daß die zweite nicht mehr zünden
kann. In einem solchen Fall würde daher keines der beiden Entladungsgefäße zünden.
In dem Zündkreis des Gefäßes jedoch, dessen Funkenstrecke angesprochen hat, das
aber für die vorliegende Polarität undurchlässig ist, fließt der Strom weiter über
Zündfunkenstrecke und Zündelektrode, da keine Überbrückung durch das Entladungsgefäß
selbst erfolgt. Dadurch werden Zündfunkenstrecke und Zündelektrode, die nur für
ganz kurzzeitigen Stromdurchgang bemessen sind, beschädigt, und der Ableiter wird
unbrauchbar.
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Bei der Einrichtung zum Schutz gegen Überspannung verschiedener Polarität
nach der Erfindung, bei der in der behandelten Weise Entladungsgefäße mit Initialzündung
verwendet werden, werden diese Nachteile der beschriebenen bekannten Anordnung dadurch
vermieden, daß zwei polarisierte Gefäße in Antiparallelschaltung vorgesehen sind
und beim Auftreten einer Überspannung über je eine oder eine für beide Entladungsgefäße
gemeinsame unpolarisierte Funkenstrecke die Initialzündung in beiden Entladungsgefäßen
genau oder annähernd gleichzeitig öder jeweils nur in dem, welches für die betreffende
Polarität der Überspannung stromdurchlässig ist, eingeleitet wird. Diese Steuerung
von Entladungsgefäßen mit unpolarisierten Funkenstrecken wird erfindungsgemäß durch
eine Kopplung der beiden Zündkreise erreicht.
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In Abb. 2 bis 7 sind einige Ausführungsbeispiele von Schaltungen gemäß
der Erfindung mit für den in Frage kommenden Zweck geeigneten Kopplungen der Zündkreise
angegeben. Abb.2 zeigt eine Schaltung; bei der die Kopplung induktiv wirkt. In Reihe
mit den Zündfunkenstrecken io
und ii ist je eine Drosselspule 12
und 13
gelegt, die miteinander gekoppelt und so geschaltet sind, daß sich
beim Stromdurchgang durch beide Spulen die magnetischen Felder aufheben. Zündet
bei dieser Schaltung die, eine Funkenstrecke und folgt darauf der Strom, so wird
in der Spule des anderen noch offenen Zündkreises eine Spannung induziert, die ihrerseits
die Zündung des zugehörigen Gefäßes bewirkt. Dann fließen in beiden Spulen Ströme,
deren Felder sich aufheben, so daß sie nur noch einen geringen Widerstand besitzen
und den zur sicheren Zündung erforderlichen Zündstrom durchlassen.
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Die Kopplung nach Abb. 3 wirkt ebenfalls induktiv. Die Primärwicklungen
zweier Transformatoren 1q. und 15 und eine Funkenstrecke 3 liegen in Reihe
an der Spannung des zu schützenden Apparates. Die Sekundärwicklungen 16 und
17 sind mit den Zündelektroden und Kathoden der Entladungsgefäße verbunden.
Beim Auftreten einer Überspannung zündet die Funkenstrecke, und es werden in beiden
Sekundärwicklungen Spannungen induziert, welche die Zündung der Entladungsgefäße
bewirken. Man kann an Stelle der zwei Transformatoren auch nur einen Transformator
mit einer Primär- und zwei getrennten Sekundärwicklungen verwenden. Die Schaltung
nach Abb. q. unterscheidet sich von der nach Abb. 3 noch dadurch, daß je eine Vorsättigungswicklung
18 und i9 angebracht, die so geschaltet sind, daß vorzugsweise nur jeweils in derjenigen
Sekundärwicklung eine Spannung induziert wird, deren Entladungsgefäß für die betreffende
Polarität gerade stromdurchlässig ist.
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Bei der Schaltung nach Abb.5 ist eine kapazitive Kopplung gewählt.
Zündet die Funkenstrecke des Gefäßes zuerst, das für die anliegende Polarität nicht
durchlässig ist und durch das daher der Kurzschluß nicht hergestellt werden kann,
so wird durch die Überbrückung des einen Kondensators 2o oder 21 der andere an die
volle Spannung gelegt und dadurch eine sichere Zündung der anderen Funkenstrecken
und damit des richtigen Entladungsgefäßes bewirkt. Zündet gleich zuerst das richtige
Entladungsgefäß, so werden die Kondensatoren über diese kurzgeschlossen, - so daß
die Initialzündung im zweiten nicht erst einzutreten braucht.
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Abb. 6 zeigt dann eine Schaltung mit galvanischer Kopplung. Sie zeichnet
sich durch große Einfachheit aus und wird daher für die vorliegenden Zwecke im allgemeinen
besonders geeignet sein. Die beiden Zündelektroden der Entladungsgefäße sind hierbei
über eine Funkenstrecke 22 und nötigenfalls noch einen Widerstand 23 miteinander
verbunden. Beim Auftreten der Überspannung zündet zunächst die Funkenstrecke, dann
setzt ein Stromfluß von dem einen Pol über die beiden Zündstifte zu den anderen
ein und leitet die Initialzündung in beiden Entladungsgefäßen ein. Das Gefäß, welches
für die vorliegende Polarität der Überspannung durchlässig ist, wird dann zünden
und den Kurzschluß herstellen, so daß der Strom über den Zündkreis aufhören und
die Zündfunkenstrecke erlöschen muß. Unter Umständen ist es vorteilhaft, dafür zu
sorgen, daß von vornherein nur das für die vorliegende Polarität durchlässige Gefäß
zündet. Dies wird bei der Einrichtung nach Abb. 7 dadurch erreicht, daß parallel
zu Zündelektrode-Kathode jedes Entladungsgefäßes ein Gleichrichter 2q. oder 25 oder
wenigstens ein polaritätsabhängiger Widerstand vorgesehen ist, der nur in Richtung
Kathode-Zündelektrode durchlässig ist bzw. in dieser Richtung einen wesentlich geringeren
Widerstand besitzt als in der entgegengesetzten. Es empfiehlt sich, einen Gleichrichter,
vorzugsweise einen Trockengleichrichter, zu verwenden. Die Sperrspannung dieses
Gleichrichters braucht im allgemeinen nicht groß zu sein, falls Ent-, ladungsgefäße
mit Initialzündung für Ableiterzwecke mit Quecksilberkathode und darin eintauchendem
Halbleiterstift als Zündelektrode verwendet werden. Der Widerstand zwischen diesen
beiden Elektroden ist nämlich meistens nicht so groß, daß bei dem Zündstrom ein
erheblicher Spannungsabfall auftreten könnte.
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Als Steuerfunkenstrecke wird bei nicht zu hohen Spannungen zweckmäßig
eine solche in Unterdruck, beispielsweise eine Glimmröhre mit einer Zündspannung,
die der Spannung entspricht, bei der die Schutzeinrichtung ansprechen soll, verwendet.
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An Stelle der beiden Gefäße in Antiparallelschaltung kann unter Umständen
mit Vorteil ein einziges Gefäß verwendet werden, das in beiden Richtungen für den
Stromdurchgang freigegeben werden kann. Bei einem solchen müßten an beiden Hauptelektroden
Zündelektroden vorgesehen werden, deren Zündkreise genau so wie es oben für die
Antiparallelschaltung von zwei Gefäßen beschrieben wurde, zu kuppeln sind.
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Die großen Vorteile der beschriebenen Schutzschaltung sind ihr sofortiges
Ansprechen mit sehr geringer Verzögerung, ihre Einfachheit und das Fehlen von bewegten
Teilen. Sie unterscheidet sich ferner von den bekannten Anordnungen vorteilhaft
dadurch, daß während der Zeit, in der sie nicht anspricht und nur in Bereitschaft
steht, kein Element der .Schutzeinrichtung irgendwelcher Abnutzung unterworfen ist
und daß keinerlei
Energie, beispielsweise Heizstrom usw., erforderlich
ist.
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Falls an den Klemmen des zu schützenden Apparates beim Auftreten einer
Überspannung wegen zu großer Phasenverschiebung nicht sofort der erforderliche Zündstrom
zur Verfügung steht, ist es zweckmäßig, einen Energiespeicher in Form eines Kondensators
parallel zu den Klemmen des zu schützenden Apparates und den Entladungsgefäßen vorzusehen.
Wird. der beschriebeneÜberspannungsableiter zum Schutz eines Kondensators verwendet,
so kann dieser unter Umständen selbst in den hier beschriebenen Schaltungen gleichzeitig
als Energiespeicher für den Zündstrom dienen.