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Mehrfach-Schutzfunkenstrecke für Hochspannungsanlagen Als Grobschutz
gegen Überspannungen und für Koordinationszwecke werden in Hochspannungsanlagen
Hörner- und Stabfunkenstrecken verwendet. Zwischen der spannungsführenden Leitung
und Erde z. B. nach Fig. i geschaltete einfache Funkenstrecken bewähren sich gut
zum Schutz von Luft- und Überschlagstrecken an Isolatoren. Für den Schutz von auf
Durchschlag beanspruchten Isolierteilen, wie z. B. Porzellanwänden. Ülstrecken,
Wicklungen usw., sind aber die einfachen Stab- oder Hörnerfunkenstrecken ungenügend,
weil sie beim Auftreten von überspännungenatmosphärischen Ursprungs versagen. Der
Grund hierfür liegt im verschiedenartigen Verlauf der Stoßüberschlagcharakteristik
der Schtitzfunkeitstrecke (Kurve i) und der Stoßdurchschlat;charakteristik der zu
schützenden Isolierteile (Kurve 2), wie die Diagramme Fig.,2 zeigen. Auf der Abszisse
der Diagramme Fig.2 sind die Überschlag- bzw. Durchschlagverzögerungen aufgetragen;
die Ordinaten geben die Spannungen an. Die Horizontale a-a stellt in der Fig. 2
die Höhe der 50()'0-liberschlagstoßspannung der Funken-
| ctrrrl P F., - F. nrhr F., nach F1'. I und 3 |
kenstrecken sind in Prozent ihrer 5oo;ö-Überschlagstoßspannungen aufgetragen, während
die Durchschlagspannungen eines Isolators in Prozent der 50o,'o-Überschlagstoßspannung
einer Stabfunkenstrecke nach Fig.i bzw.einer Kugel- oder Plattenfunkenstrecke dargestellt
ist. Während die Stoßüberschlagcharakteristik der Stabfunkenstrecke und überhaupt
von Elektroden, die ein stark unhomogenes elektrisches Feld erzeugen. einen flachen,
wenig gekrümmten Verlauf nach Kurve i aufweist, ist die in Kurve 2 dargestellte
Stoßdurchschlagcliarakteristik des Isolators viel stärker gekrümmt. Der Isolator
ist bei Spannungen, die tiefer als U liegen, geschützt; übersteigt dagegen die
Spannung den Wert U, so schlägt der Isolator durch, bevor die Schutzfunkenstrecke
anspricht.
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Am günstigsten verläuft die Stoßüberschlagcliarakteristik hei Platten-
oder Kugelfunkenstrecken, also bei Elektroden, die ein ziemlich homogenes Feld erzeugen,
wie Kurve 3 erkennen läßt. Der überschlagverzug derartiger Funkenstrecken ist im_
ganzen, praktisch in Frage kommenden Spannungsbereich. kleiner als der Durchschlagverzug
der
-,i-endung von Kugel- oder Plattenfunkenstrekken steht aber
entgegen, daß ihre Ansprechspannung durch Staub, Schmutz und Regenwasser stark erniedrigt
wird. Ferner wird die glatte Oberfläche dieser Elektroden schon
beim ersten
L-berschlag unter betriebsfrequenter Leistung durch Abbrand zerstört. Schließlich
können im Betrieb die kleinen Schlagtveiten zwischen den Kugeln oder den Platten
durch Fremdkörper leicht überbrückt «-erden.
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L; m alle diese \ achteilc der Schutzfunkenstrecken zu beheben, sind
Einfach- und 'Mehrfach-Schutzfunkenstrecken angegeben worden, bei welchen das elektrische
Feld zwischen Stabelektroden durch Steuerelektroden im Sinne des Feldes einer Ktigelftinkenstrecke
verbessert wird.
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Es sind ferner @Iehrfach-Schutzfunkenstrekken angegeben worden. bei
welchen einehochfrequente oder eine stoßartige Überspannung sich ungleichmäßig,
eine betriebsfrequente Spannung dagegen' sich gleichmäßig über ihre Teilstrecken
verteilt. Bei Anordntnigen dieser Art wird eine von der zeitlichen Spannungsänderung
abhängige Beeinflussung ihrer Spannungsverteilung erstrebt, damit die Höhe ihrer
Überschlagspannung bei Stoß oder bei schnellen Schwingungen kleiner wird als bei
der Betriebsfrequenz. Die Sto13überschlagcharakteristik dieser Schutzfunkenstrecken
weist jedoch keinen grundsätzlichen Unterschied gegenüber derjenigen einer Einfach-Schutzfunkenstrecke
nach Fig. i Gleich hoher ;o(10-überschlagstolispaiinuiig und mit gleich-;eformten
Stab- oder Hornelektroden auf, d. h. sie hat einen flachen. wenig gekrümmten Verlauf
nach Kurve i.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine ',Mehrfach-Schutzfunkenstrecke
für Hochspannungsanlagen zu schaffen. welche unabhängig von der Form der Elektroden
eine Stol3überschlagcharakteristik besitzt. welche einen stärker gekrümmten und
somit günstigeren Verlauf aufweist als die Stab- oder Hörner-Schutzfunkenstrecken.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht. daß eine Hilfsfunkenstrecke und eine
damit in Reihe liegende Impedanz vorgesehen ist, welche zu mindestens einer der
überschlagstrecken der Schutzfunkenstrecke parallel geschaltet ist und u-elche beim
Auftreten einer Überspannung von bestimmter Mindesthöhe, aber von beliebiger Frequenz
und zeitlicher Spannungsünderung anspricht und die Spannungsverteilung an den in
Reihe liegenden Überschlagstreck-ai derart steuert. daß mindestens an einer derselben
ein höherer Spannungswert auftritt, als der ihr zugeordnete Spannungsanteil beträgt,
wobei der über die Hilfsfunkenstrecke beim Ansprechen derselben fließende betriebsbegrenzt
ist, daß er selbsttätig erlischt. ohne die Elektroden dieser Funkenstre'ckc zu beschädigen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
in Fig. 3 an einer Schutzfunkenstrecke init zwei Überschlagstrecken in Reihe dargestellt,
während Fig..l bis G solche mit vier (Iberscliiagstrekken zeigen.
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In den Figuren sind mit Fl, F., F@, F.1 die in Reihe liegenden
Cl)erschlagfunkenstreckcn von Mehrfach-Schutzfunkenstrecken bezeichnet. Die Stoßüberschlagspannungen
von Stabfunkenstrecken sind für den praktisch in Frage kommenden Spannungsbereich
angenähert proportional ihren Schlagweiten S1, S= usw., ihre Stoßüberschlagcharakteristik
entspricht also Kurve i in Fig. z. Die Hilfsfunkenstrecke Fo für die Steuerung der
Spannungsverteilung ist eine Kugelfunkenstrecke mit der StoßÜberschlagcharakteristik
nach Kurve 3 in Fig. a. In Reihe mit der Steuerfunkenstrecke Fo liegt eine Impedanz
J, die entweder eine Kapazität oder ein spannungsabhängiger oder spannungsunabhängiger
Widerstand sein kann. Steuerfunkenstrecke F" und Impedanz J liegen in einem Parallelkreis
zu mindestens einer der Überschlagfunkenstrecken.
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Nimmt man beim Beispiel nach Fig.3 an,
daß im ganzen Spannungsbereich
die Stol3-spannung auf beide Funkenstrecken gleichmäßig verteilt ist und daß die
Kapazität des in Reihe mit der Stetterfunkeiistrecke F0 liegenden Kondensators J
gro13 ist gegenüber derjenigen der Kugel- und der Stabelektroden Fo, Fl, F;,, sowie
der Kapazität der letzteren gegen Erde, so tritt an der Kugelfunkenstrecke F0 praktisch
die gleiche Spannung wie an F1, F.= auf. Die Kugelfutiketistrecke F0 sei beispielsweise
so eingestellt, daß sie bei der 5o@'o-Überschlagsto13spannung beider Funkenstrecken
Fl, F., gerade anspricht.
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Die Wirkungsweise der Schutzfunkenstrecke ist folgende: Solange die
SteuerkugelfunkenstreckeFo noch nicht angesprochen hat, lieben die Teilspannungen
an den i"berschla@-streckenFo,Ft,F= in@bezug auf die Horizontale a-a und auf die
Kurven t, 3 alle gleich hoch. Tritt eine Stoßüberspannung- der Höhe U auf, so spricht
die Kugelfunkenstrecke F,) mit dein Verzug 1o an, wodurch KapazitätJ der ÜberschiagstreckeF.,
parallel ;-esclialtet wird. Zttfol@e dieser l'berbrückun@r der Überschlagstrecke
F., tritt praktisch die esamte
Stoßspannung C1 an der überschlagstreckeFl
auf, d.li. die vor dein Ansprechen von Fo an ihr vorhandene Teilspannung U .= ist
verdoppelt auf -den Wert U, und die Cberschlagfunkenstrecke Fl zündet mit dein Ver-
| 711,r >_ 11;n .,1..1..1,.1... _-- r .. -- |
schlagverzug t, zum Zünden. Auf diese Weise wird erreicht, daß
der Zündpunkt der Gberschlagstrecken F1, F@ auf den oberen Ast ihrer Stoßüberschlagcharakteristik
verlegt ist. Der gesamte fiberschlagverzug t, dieser Schutzfunkenstrecke ist also
gleich
to '-, 211. Bei gleicher Höhe der Stoßspannung U ist somit der Überschlagverzug
t; der zweifachen Schutzfunkenstrecke gemäß der Erfindung kleiner als derjenige
13 der angesteuerten einfachen Schutzfunkenstrecke. Die Stoßüberschlagcharakteristik
der zweifachen Schutzfunkenstrecke erhält somit die stark gekrümmte Form der Kurve
q. in Fig. 2, die zum Schutz einer Durchschlagstrecke gemäß Kurve 2 in Fig. 2 gut
geeignet ist.
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Die Spannungsverteilung auf die überschlagstrecken Fi, F, maß nicht,
wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel, gleichmäßig sein, bei ungleichmäßiger
Verteilung maß lediglich dafür gesorgt sein, daß sich die Schlagweiten an den Funkenstrecken
wie ihre Teilspannungen verhalten.
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Die Verwendung der Steuerung gemäß der Erfindung mittels Hilfsfunkenstrecke
und Impedanz hat keinen Einfluß auf die Höhe der 500b-Überschlagstoßspannung der
Mehrfach-Funkenstrecke, sie setzt nur die Höhe der diesen Wert überschreitenden
Überschlagspannungen der Schutzfunkenstrecke herab, wie die Kurven i und q. der
Fig. 2 erkennen lassen. Durch Verstellung der Steuerfunkenstrecke F0 kann die Grenze,
bei welcher diese Stoßüberschlagspannungen durch die Steuerung herabgesetzt werden,
über oder unter den Wert der 5oo!o-überschlagstoßspannung verschoben werden. Damit
können mit der gleichen Schutzfunkenstrecke verschieden gekrümmte Stoßcharakteristiken
erzielt werden.
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Die SteuerfunkenstreckeFo wird durch den geringen Strom über den Kondensator
J nicht beschädigt. Für die Funkenstrecke F0 können an Stelle der beim Ausführungsbeispiel
verwendeten Kugeln andere Elektroden verNvendet werden, die ein angenähert homogenes
Feld erzeugen und eine stark gekrümmte Charakteristik nach Kurve 3 in Fig. 2 aufweisen,
wie z. B. Kalotten, Platten usw. Die Steuerfunkenstrecken können gekapselt sein,
um sie gegen Schmutzablagerungen zu schützen, ohne daß ihre Wirkung dadurch beeinträchtigt
wird.
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An Stelle eines Kondensators im Steuerkreis kann ebensogut auch irgendeine
andere Impedanz (Widerstand) vorhanden sein, welche so bemessen ist, daß der betriebsfrequente
Strom über die StcuerfunkenstreckeFo klein ;;entig ist, um sie üicht zu bescbädigen
und um selbsttätig zu verlöschen.
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Die Schutzfunkenstrecke kann in beliebig viele Überschlagstrecken
mit beliebig geformten Elektroden unterteilt sein. Die Unterteilung kann so weit
getrieben werden, daß der beim Ansprechen der Schutzfunkenstrecke gegen die Erde
fließende betriebsfrequente Strom selbsttätig erlöschen kann.
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Zwecks Erzielung verschieden gekrümmter S@toßüberschlagcharakteristiken
oder auch aus Konstruktionsgründen kann jeder Überschlagstrecke eine SteuerfunkenstreckeFo
in Reihe mit einer Impedanz J parallel geschaltet werden. Beim Beispiel der Fig.
q. sind den überschlagstrecken F1, F2 Steuerkreise Fo, J parallel geschaltet, den
Überschlagstrecken F3, F4 nicht. Fig. 5 zeigt ein weiteres Beispiel, bei welchem
eine Steuerfunkenstrecke mit Serieimpedanz zwei Überschlagstrecken von vier überbrückt.
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Die Überschlagstrecken der gesteuerten mehrfachen Schutzfunkenstrecke
können ganz oder teilweise in den bekannten Löschrohren verlaufen, so daß die Schutzfunkenstrecke
löschende Eigenschaft erhält. Fig.6 stellt beispielsweise eine gesteuerte vierfache
Schutzfunkenstrecke dar, bei welcher die überschlagstreckenF. und F4 in Löschrohren
verlaufen.
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Die Polaritätsabhängigkeit der Schutzfunkenstrecke ist durch die Polaritätsabhängigkeit
der einzelnen Überschlagstrecken F1, F.,
F3, F4 bedingt. Funkenstrecken sind
bei kleinen Schlagweiten bekanntlich weniger polaritätsabhängig als bei großen;
dementsprechend ist die gesteuerte mehrfache Schutzfunkenstrecke auch weniger polaritätsabhängig
als eine einfache Stabfunkenstreckegleich hoher 5o%-Überschlagstoßspannung.
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Die gesteuerte Mehrfach-Schutzfunkenstrecke gemäß der Erfindung hat
somit den Vorteil, daß Überschlagspannungen frequenzunabhängig sind; sie sind auch
weniger polaritätsabhängig als die Überschlagspannungen einer einfachen S.Chutzfunkenstrecke.
Durch Verwendung von frequenz- und polaritätsabhängigen Gliedern in mindestens einem
der Steuerkreise, wie z. B. Kombinationen von Widerstand und Kapazität, und Verwendung
von Elektroden, die ein unsymmetrisches, elektrisches Feld an den Steuerfunkenstrekken
erzeugen usw., kann auch eine Frequenz-und eine Polaritätsabhängigkeit bei der inebrfachen
Schutzfunkenstrecke erzielt werden.