-
Überspannungsschutz für mit einem isolierten Nullpunkt verbundene
Mehrphasenwicklungen elektrischer Apparate Die Erfindung bezieht sich auf einen
Überspannungsschutz für mit einem isolierten Nullpunkt verbundene Mehrphasenwicklungen
elektrischer Apparate oder Maschinen, z. B. Transformatoren, Drosselspulen, Generatoren,
Motoren usw. Der 1=Tberspannungsschutz hierfür besteht im wesentlichen aus längs
der Wicklung angeordneten, mit der wellenführenden Leitung galvanisch verbundenen
elektrostatischen Schirmen. Die wellenführende Leitung kann dabei die an die Wicklung
angeschlossene Hochspannungsleitung (Freileitung, Kabel usw.) sein, die infolge
atmosphärischer Entladungen oder Schaltvorgänge im Netz Stoßspannungen bzw. Wanderwellen
führen kann. Bei zu einem Nullpunkt zusammengeschlossenen Mehrphasenwicklungen,
bei denen der Nullpunkt geerdet ist, erhält man bekanntlich durch die Anordnung
elektrostatischer Schirme, die etwa die Wicklung, mindestens aber den Wicklungsanfang
konisch umgreifen, in der Wicklung eine Anfangsverteilung der Stoßspannung, die
der Endverteilung sehr nahe kommt. Durch die einziehende Stoßspannung kann infolgedessen
die Wicklung praktisch nicht zu Eigenschwingungen angestoßen werden. Anders hingegen
ist die Sachlage, wenn der Nullpunkt des tnehrphasigen Systems gegen Erde isoliert
ist. Hierbei können trotz der Schirme Eigenschwingungen der Wicklung bzw. ihrer
Teile auftreten, welche die Wicklungsisolation gefährden, weil die vom Schirm erzwungene
Anfangsverteilung nicht mehr der dann gültigen Endverteilung -entspricht. Im Grenzfall
würde der Nullpunkt das gleiche Stoßpotential führen wie der Wicklungsanfang, auf
den die Welle zuerst auftrifft (Parallele durch Uo im Diagramm Fig. 3).
-
Um nun diese Nachteile zu vermeiden und um bei mit einem isolierten
Nullpunkt verbundenen Mehrphasenwicklungen elektrischer Apparate und Maschinen,
die zum Überspannungsschutz längs der Wicklung .angeordnete, mit der wellenführenden
Leitung verbundene elektrostatische Schirme besitzen und deren Nullpunkterdleitung
Ableiter enthält, die
Betriebssicherheit zu erhöhen, wird gemäß
der Erfindung die mit dem Nullpunkt verbundene Elektrode des Ableiters durch zusätzliche
Maßnahmen, z. B. besondere Steuerelektroden, derart mit der wellenführenden Leitung
kapazitiv gekoppelt, daß der isolierte Nullpunkt im Zeitpunkt des Auftreffens von
Überspannungen auf die zu schützende Wicklung oder kurz. vorher durch Ansprechen
des Ableiters mit der Erde galvanisch verbunden wird. Nach Abklingen der Überspannung
bzw. wenn diese auf eine ungefährliche Höhe gesunken ist, muß der Nullpunkt wieder
voll Erde getrennt werden. Die Ableiter können z. B. aus Schaltern bestehen, die
in irgendeiner Weise in Abhängigkeit von der Stoßspanung gesteuert werden und den
Nullpunkt an Erde anschließen, oder es können Funkenstrecken oder andere Ableiter
verwendet werden, deren Elektroden im gewünschten Zeitpunkt überbrückt oder .gesteuert
werden, so daß; noch ehe in der Wicklung die Isolation gefährdende Spannungsunterschiede
auftreten, der Nullpunkt geerdet wird. Auch zwischen den isolierten Nullpunkt und
die Erde eingeschaltete, gittergesteuerte Gasentladungsgefäße können dem gleichen
Zweck dienen. Das Gitter wird vorteilhaft mit der wellenführenden Leitung oder mit
dem all diese Leitung angeschlossenen elektrostatischen Schirm kapazitiv gekoppelt,
so dar) sich im Zeitpunkt des Auftreffens von Stoßspannungen auf die Wicklung zwischen
Nullpunkt und Erde eine .gute galvanische Verbindung 'über das Entladungsgefäß ergibt.
Als Entladungsgefäße werden beispielsweise Elektronenröhren, Glimmröhren oder auch
Ouecksilberdampfapparate verwendet.
-
Die Figuren zeigen Ausbildungsformen und Anordnungen der erfindungsgemäßen
Schutzeinrichtung. In Fig. i ist ein Drehstronitransforniator mit dem Eisenkern
i und den Hochspannungswicklungen 2 dargestellt, die ebenso wie die elektrostatischen,
die Wicklung umgebenden Schirme 3 an die wellenführenden Leitungen 4. angeschlossen
sind. Das andere Wicklungsende wird an den isolierten Nullpunkt, der in der Figur
durch eine Leitung 5 verdeutlicht ist, angeschlossen. Dieser wird über den Ableiter
6 mit der Erde 7 verbunden. Der Überspannungsab-Leiter 6 kann, wie in den Figuren
dargestellt ist, ein sogenannter Kathodenfallableiter sein mit der Funkenstrecke
8 und dem Widerstandsplattensatz g. Es genügen aber auch unter Umständen einfache
Funkenstrecken. Der Ableiter kann entweder selbst Löschwirkung haben, indem er beim
Durchschlag entionisierende Gase entwickelt, oder er kann durch ein an den Ableiter
von außen herangebrachtes besonderes Löschmittel, z. ß. Druckgas, Drucköl oder auch
andere Löschflüssigkeiten, insbesondere im Lichtbogen verdampfende Flüssigkeiten,
wie Wasser, gelöscht werden.
-
Um das rechtzeitige Ansprechen des Ableiters oder der Funkenstrecke
zu erzwingen. wird eine Elektrode des Ableiters, die beispielsweise aus einer zwischen
der Funkenstrecke 8 angeordneten Steuerelektrode bestehen kann, oder die an den
isolierten Nullpunkt angeschlossene Elektrode mit einer. Hilfsschirm io entsprechend
Fig. i galvanisch verbunden. Dieser ist mit der elektrostatischen Abschirmung 3
kapazitiv gekoppelt. Durch den Hilfsschirm io wird also der Ableiter so gesteuert,
daß er sofort beim Auftreffen von Stoßspannungen auf die zu schützenden Wicklungen
anspricht.
-
Man kann aber auch, wie in Fig.2 dargestellt ist, Hilfsschirme i i
mit der wellenführenden Leitung 4. oder der elektrostatischen Abschirmung 3 galvanisch
verbinden und mit den Endwindungen der Wicklur_g kapazitiv koppeln. Die an den Nullpunkt
angeschlossenen Wicklungsenden bzw. die letzten Spulen laden sich infolgedessen
kapazitiv auf, so daß die Ansprechspannung des Überspannungsableiters 6 auch auf
dies? Weise im Zeitpunkt des Auftreffens von Stoßspannungen auf dieWicklung2 erreicht
wirrt.
-
Als Hilfsschirm i i können unter Uniständen vor der Wicklungsstirnseite
angeordnete leitende Druckringe oder Strahlungsschutzringe verwendet werden.
-
Der durch die Erfindung erzielte Vorteil wird aus dem in Fig. 3 dargestellten
Diagramm ersichtlich. Hier sind über der Wicklungslänge L die zu verschiedenen Zeitpunkten
herrschenden Spannungsverteilungen beim Einziehen einer dreiphasigen Stoßspannung
aufgetragen. Im '\@'icklungsanfang herrscht die Spannung Uo. Die anfängliche, durch
den Schirm erzwungene Verteilung ist durch die Kurve 2o gegeben. Man sieht, da'
auch der Nullpunkt ein Potential annimmt. das ohne besondere Hilfsmittel zum Ansprechen
des Ableiters nicht ausreicht. Infolgedessen bildet sich die durch die Ei genschwingun.gen
der Wicklung bedingte Span-2n erteilung etwa gemäß Kurve 2 i aus. Diese stellt also
einen Zwischenzustand zwischen Anfangs- und Endverteilung dar, b:i dem sowohl die
Wicklungsisolation als auch die des Nullpunktes gefährdet ist. Die Endverteilung
ist durch denL inienzug22 gegeben.
-
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung, durch die das rechtzeitige
Ansprechen desAbleiters erzwungen wird, ergibt sich demgegenüber die Anfangsverteilung
23. Zu dieser gehört aber jetzt von vornherein eine Endverteilung nach der Linie
22. Wi
Fig. 3 erkennen läßt, weichen beide Verteilungen a2 und
23 nur so wenig voneinander ab, daß die Wicklung praktisch keine Eigenschwingungen,.auszuführen
vermag.
-
Die elektrostatische Abschirmung 3 kann aus den in den Figuren angedeuteten,
die Wicklung umgreifenden konischen Schirmen aus leitendem Werkstoff bestehen. Auch
einzelne ringförmige Scheiben, die, zwischen den einzelnen Scheibenspulen der Hochspannungswicklung
eingebettet, miteinander -und mit der wellenführenden Leitung verbunden sind, können
den gleichen Zweck erfüllen. Für die Verwendung derErfindung ist es gleichgültig,
ob die Hochspannungswicklung eine lagenweise gewickelte Röhrenwicklung ist -oder
ob sie aus einzelnen Scheibenspulen besteht, die entweder dicht aufeinandergelegt
sind oder Kühlkanäle frei lassen. Bei dicht aufeinandergelegten Scheibenspulen müssen
zur Verbesserung der Kühlwirkung in den Scheibenspulen axiale Längskanäle vorgesehen
werden.
-
Die Ankopplung des Ableiters an den wellenführenden Schirm 3 bzw.
an die wellenführende Leitung 4 kann auch, wie beispielsweise Fig. 4 zeigt, durch
einen zwischen Hochspannungswicklung 30 und Niederspannungswicklung 31 angeordneten
Hilfsschirm3a erfolgen, .der zylinderförmig ausgebildet ist und aus gut leitendem
metallischem Werkstoff besteht. Die elektrostatische Abschirmung 33 selbst besteht
aus L-förmig gestalteten Ringen, die den Wicklungsanfang 34 mehr oder weniger vollständig
einschließen. Hierbei wird vorteilhaft außer dem mit der wellenführenden Leitung
35 verbundenen Schirm 33 noch ein weiterer, mit einem Potentialpunkt der Wicklung
galvanisch verbundener Schirm 36 vorgesehen. Die Wicklung kann, wenn sie eine lagenweise
hergestellte Röhrenwicklung ist, in axialer Richtung in aufeinanderliegende einzelne
Röhren 34, 37 und 38 unterteilt sein.
-
Wie in Fg. 5 angedeutet ist, kann die ganze erfindungsgemäße Anordnung
außerhalb des Transformatorkessels 40 und der Durchführungen41 angeordnet werden.
Wenn 42 die wellenführende Freileitung oder ein wellenführendes Kabel ist, wird
auf einer gewissen Leitungsstrecke ein als Hilfsschirm dienender Leiter 43 vorgesehen,
der mit den Elektroden 48 bzw. 8 oder einer besonderen Steuerelektrode des überspannungsableiters
galvanisch gekoppelt ist.
-
Wählt man den mit der Hochspannungsleitung gekoppelten Leiter 43 kürzer
als die zum Transformator führende Leitung 4-, dann kann damit erreicht werden,
daß der Ableiter bereits anspricht, also den isolierten Nullpunkt mit Erde gavanisch
verbindet, bevor noch die Überspannungen auf die zu schützenden Wicklungen auftreffen.
Auf einfache Weise kann man dies mittels Umwegleitungen zumTransformator erzielen.
Durch geeignete Wahl des Längenverhältnisses der Leitungen 4z und 43 kann man sogar
erreichen, daß die Ansprechv erzögerung des Ableiters vollkommen kompensiert wird.