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überspannungsableiter Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspgnnungsableiter
insbesondere zum Schutz von Gleichstromnetzen gegen wanderwellenartige Überspannungen.
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Es sind Überspannungsableiter bekannt, die im wesentlichen aus einer
Funkenstrecke und einem Widerstand bestehen und in Wechselstromnetzen ihre Verwendung
finden. Eine außergewöhnlich schnell vorübergehende überspannung (Wanderwelle) bringt
die Funkenstrecke zum Ansprechen, so daß ein starker, nachfolgender Strom durch
den Überspannungsableiter geleitet wird. Auf Grund der Wellenform des Wechselstromnetzes
wird der nachfolgende Strom am Ende der ersten Halbperiode durch Null ,gehen, so
daß er durch die Funkenstrecke unterbrochen wird. Ein derartiger Ableiter kann jedoch
dann nicht wirksam sein, `wenn er an ein Gleichspannungsnetz angeschlossen ist,-
weil der nachfolgende Strom nicht durch Null geht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung dient zur Ableitung der Überspannung
eine zu einem Schwingungskreis gehörende Funkenstrecke. Dabei ist der gesamte Schwingungskreis
derart bemessen, daß das Verhältnis des im Schwingungskreis fließenden Stromes zu
dein Leitungsstrom mindestens etwa z bis 1,s beträgt, so daß der aus dem Leitungsstrom
und dem Strom des Schwingungskreises resultierende Strom einen Nullwert erreicht.
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Es sind zwar bereits Schutzeinrichtungen
gegen Überspannungen
bekannt, bei der die Überspannungen mit Hilfe von Schwingungskreisen mit eingeschalteten
Funkenstrecken unschädlich gemacht werden. Dabei werden die Überspannungen in oszillierende
Ströme hoher Frequenz umgewandelt, die in der Einrichtung kurzgeschlossen werden,
so daß sie nicht in die zu schützenden Apparate geschickt werden. Eine Unterbrechung
dieser oszillierenden Ströme erfolgt' aber dabei lediglich erst durch das Verschwinden
der Überspannung. Demgegenüber erfolgt bei der erfindungsgemäßen Einrichtung die
Unterbrechung des Ableiterstromes weit schneller.
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Zur Erzielung einer schnellen Unterbrechung ist es vorteilhaft, dieEigenfrequenz
des Schwingungskreises so hoch zu wählen, daß die stromschwachen Zeiten gerade noch
eine ausreichende Entionisierung der Funkeno strecke gestatten. Als geeignete Frequenz
hat sich z. B. eine Frequenz von 15 ooo bis 2o ooo Perioden/Sek. herausgestellt.
Dabei wird die Funkenstrecke zweckmäßig in ein Vakuum eingeschlossen.
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i In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Die Funkenstrecke G ist mit der elektrischen Lastleitung io verbunden,
an der ihrerseits die Belastung i i liegt. Mit L ist eine Indul,-tivität und C eine
Kapazität bezeichnet, die parallel zur Funkenstrecke G angeordnet sind und einen
bestimmten Schwingungskreis darstellen. Wenn -die Funkenstrecke G infolge einer
wanderwellenartigen Überspannung in der Lastleitung io anspricht, wird der Schwingungskreis
durch die geschlossene Funkenstrecke wirksam. Der Kondensator C war natürlich bereits
durch die Lastleitung so aufgeladen, daß eine Schwingung einsetzt, sobald der Kreis
über die Funkenstrecke geschlossen ist. Wenn die Induktivität L und die Kapazität
C in geeigneter Weise bemessen sind, so wird der aus dem in dem Schwingungskreis
fließenden Strom und dem ihn überlagernden, nachfolgenden Strom der Lastleitung
io resultierende Strom gezwungen, innerhalb einer Schwingungswelle durch Null zu
gehen. Der Lichtbogen wird somit durch die Funkenstrecke unterbrochen und kann nicht
aufrechterhalten werden, wenn die Funkenstrecke mit genügender Schnelligkeit entionisiert
wird.
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Die Wirkungsweise des in der Fig. i dargestellten Ableiters soll an
Hand der Spannungs- und Stromkurven in Fig. 2, 3 und 4. näher dargelegt werden.
Zunächst soll angenommen werden, daß die Leitung io keine Induktivität besitzt und
daß der Leitungsstrom lediglich durch einen Widerstand begrenzt ist. Es soll auch
im folgenden angenommen werden, daß die Leitung io eine Gleichspannungsleitung ist,
doch wird sich später zeigen, daß der Ableiter sowohl an Gleich- wie an Wechselspannung
wirksam ist.
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Unter normalen Betriebsbedingungen fließt natürlich kein Strom über
die Funkenstrecke G. und die Spannung an der Funkenstrecke und am Kondensator C
ist diejenige der Leitung io. Wenn eine gefährlich hohe Überspannung, z. B. durch
Blitzeinschlag hervorgerufen, auf die Leitung io auftrifft, wird die Funkenstrecke
G überbrückt, der resultierende Überstrom wird darüber abfließen und somit die beiden
Seiten der Leitung io kurzschließen. Dies hat zur Folge, daß der über die Funkenstrecke
fließende, aus dem Leitungsstrom und dem Schwingungskreisstrom resultierende Strom
sofort einen bestimmten Wert annimmt, der sich aus der Spannung und dem Widerstand
der Leitung ergibt (Punkt D in der Fig. :2) und bis zu einem maximalen Wert ansteigt
(Punkt t der gezeichneten Kurve in Fig. 2). Der im Schwingungskreis fließende Strom
kehrt dann seine Richtung um, fließt in der entgegengesetzten Richtung und mit hinreichender
Größe, um den resultierenden Strom der Funkenstrecke zum Verschwinden zu bringen
(Punkt E der Fig. -2). Die Folge ist, daß die Funkenstrecke sperrt und somit ein
Wiederzünden verhindert wird, voraus- c gesetzt, daß die Funkenstrecke entionisiert
ist, bevor die Spannung wieder angestiegen ist. Es fließt somit kein weiterer Strom
über die Funkenstrecke G, nachdem der resultierende Strom einen Nullwert erreicht
hat (Punkt E der Fig. 2). F ig. 3 zeigt den Verlauf der resultierenden Spannung
an der Funkenstrecke. Man erkennt, daß bis zum Augenblick D des Überschlages an
der Funkenstrecke G die Spannung gleich der Spannung der Leitung io ist. Die Überspannung
schließt die Leitung kurz, und zwar in dem Augenblick D, so daß die Spannung der
Funkenstrecke zu Null reduziert wird und die Funkenstrecke im Augenblick E sperrt.
Die Spannung des Schwingungskreises erscheint dann an der Funkenstrecke und erreicht
schließlich den Wert der Leitung io. Fig.4 zeigt den Verlauf der resultierenden
Spannung am Kondensator. Die Spannung am Kondensator C ist vor dem Augenblick der
Entladung diejenige der Leitung io. Zur Zeit t, kenn der Strom) gemäß Fig.2 seinen
maximalen Wert erreicht hat, ist sie auf Null gesunken und hat beim folgenden Nulldurchgang
des Stromes J den Höchstwert im entgegengesetzten Sinne überschritten, um bei unterbrochenem
Strom J und Wiedererscheinen der Spannung an der Funkenstrecke über Null auf den
Ausgangswert anzusteigen. Damit der im Schwingungskreis fließende Strom dem Leitungsstrom
in der Funkenstrecke G entgegenwirkt
und der resultierende Strom
der beiden Ströme einen Nullwert annehmen -kann, ist es natürlich erforderlich,
daß der maximale Wert des im Schwingungskreis fließenden Stromes so groß wird wie
der Leitungsstrom selber.
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Es hat sich als zweckmäßig gezeigt, die Induktivität L und die Kapazität
C so abzustimmen, daß der im Schwingungskreis fließende Strom einen maximalen Wert
erreicht, der um 5o % größer ist als der Leitungsstrom, um sicher zu gehen, daß
der resultierende Strom in der Funkenstrecke tatsächlich einen Nullwert erreicht.
Somit soll, wenn K das Verhältnis zwischen dem maximalen Wert des im Schwingungskreis
fließenden Stromes und der Größe des Leitungsstromes ist, dieser Faktor K gleich
1,5 sein. Ferner soll, wepn R1 der Widerstand der Leitung iä und R2 der Widerstand
-der Belastung i i und f die natürliche Frequenz des Schwingungskreises, bestehend
aus Induktivität L, Kapazität C und Funkenstrecke G ist, die Kapazität C und die
Induktivität L aus folgenden Gleichungen bestimmt werden:
Es ist zuweilen erwünscht, daß die natürliche Frequenz f des Schwingungskreises
so hoch wie nur möglich ist, obschon sie nicht so hoch sein sollte, daß die Funkenstrecke
G nicht früh genug ionisiert werden kann, um ein Wiederherstellen des Kurzschlußstromes
nach der Entladung über den Ableiter zu verhindern.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Funkenstrecke
in einem hohen Vakuum einzuschließen, um eine Ionisation der Funkenstrecke während
der Entladung zu verhindern. Die Vergrößerung der Frequenz f erlaubt eine kleinere
Bemessung der Induktivität L und der Kapazität C, so daß hierdurch der Ableiter
weniger kostspielig wird. Eine vergrößerte Frequenz f reduziert ebenfalls die erforderliche
Zeit, um den Strom über die Funkenstrecke zum Verschwinden zu bringen.
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Bei der vorliegenden Ausführung ist von der Annahme ausgegangen worden,
daß die Lastleitung io keine Induktivität besitzt. Natürlich besitzt aber jede Leitung
eine gewisse natürliche Induktivität, die verhindern wird, daß der Kurzschlußstrom
auf den vollen Wert anspricht, wenn die Funkenstrecke durch eine Überspannung durchbrochen
wird. Der Kurzschlußstrom kann deshalb durch den im Schwingungskreis fließenden-Strom
aufgehoben werden, bevor er einen so großen Wert erreicht, wie es der Fall wäre,
wenn keine Induktivität da wäre. Aus dem Grunde kann derüberspannungsableiterbewirkenbzw.
erzwingen, daß der resultierende Strom in der Funkenstrecke einen Nullwert erreicht,
vor allem- durch passende Wahl des Verhältnisses K, welches kleiner als i sein kann,
durch Verminderung der Kapazität des Kondensators C und einer proportionalen Verminderung
der Induktivität L, ohne Änderung der Frequenz f.
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Die Wirkungsweise des Ableiters wurde für die Verwendung bei Gleichspannung
geschildert, aber sie erfolgt für Wechselstrom in gleicher Weise. Mit der Frequenz
f in der Größenordnung zu io ooo bis 2o ooo Perioden/Sek. und einer Leitungsfrequenz
von 6o Perioden/Sek. wird der Ableiter in der Nähe des Scheitelwertes einer Halbwelle
ansprechen und bevor die Spannung der Lastleitung sich wesentlich geändert hat,
sperren, so daß die Natur des Wechselstromes keinen wesentlichen Einfluß auf die
Wirkungsweise des Ableiters ausübt. Wenn die Funkenstrecke G durch eine wanderwellenartige
Überspannung durchbrochen werden sollte in dem Augenblick, da die Wechselspannung
einen Wert nahe um Null besitzt, dann kann kein Strom nachfolgen. Wenn der Überschlag
der Funkenstrecke G in einem Punkt erfolgen sollte, in dem die Lastspannung so hoch
ist, daß ein folgender Strom durch die Funkenstrecke fließt, ist eine am Kondensator
C verfügbare Ladung notwendig, um den resultierenden Funkenstreckenstrom zu Null
werden zu lassen. Ist die Induktivität L und die Kapa zität C so abgestimmt, daß
die natürliche Frequenz des Schwingungskreises genügend 1 hoch ist, dann hat sich
gezeigt, daß derÜberspannungsableiter so schnell in Wirksamkeit tritt, daß lediglich
ein sehr kleiner oder auch sogar kein nachfolgender Strom über den Ableiter nachfließen
kann.