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Überspannungsableiter Die Erfindung bezieht sich auf Überspannungsableiter
für große Entladungsenergien, auch bei relativ langer Entladungsdauer, namentlich
zur Verwendung in Kabelnetzen.
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Die heutigen Überspannungsableiter für große Entladungsenergien enthalten
im Inneren eines stützerähnlichen Porzellangehäuses einen Stapel von Widerstandsplatten
aus spannungsabhängigem Material und außerdem eine Löschfunkenstreckenreihe. - Die
spannungsabhängige Widerstandssäule, die beim Einfallen der abzuleitenden Überspannung
vorübergehend einen geringen Widerstandswert annimmt, hat die Aufgabe, nach Abführung-
der Überspannungsenergie den nachfolgenden Betriebsstrom zu drosseln, so daß er
von der Löschfunkenstrecke leicht unterbrochen werden kann. Die Löschfunkenstrecke,
die aus einer Anzahl in geringem Abstand, übereinander angeordneter Metallplatten
besteht, vermag im allgemeinen höchstens etwa ioo Ampere zu unterbrechen. Der Widerstandsstapel
muß also so bemessen sein, daß der von ihm bei der normalen Betriebsspannung angenommene
Widerstandswert ausreicht, um den Strom auf einen entsprechend kleinen Wert zu begrenzen.
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Der Widerstandsplattenstapel hat eine Stromspannungscharakteristik,
die sichmathematisch durch die Formel R.Ia = c annähern läßt. Die Größe R
gibt den Widerstandswert an, I ist die Stromstärke und c eine Konstante; der Exponent
a ist hierbei ein Maß für den Grad der Spannungsabhängigkeit des Widerstandsmaterials,
die sich in bekannter Weise durch dessen Zusammensetzung und Herstellung beeinflussen
läßt.
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Zur Erläuterung zeigt Fig. i einige Beispiele für Kennlinien von Widerstandsstapeln
mit verschiedenen Exponenten a, die zwischen
den Werten o und i
liegen. Ini Falle a. = o 'ist die Stronispannungskennlinie eine Gerade. die durch
den -Nullpunkt geht; in dieseln Fall ist das Widerstandsmaterial überhaupt nicht
spannungsabhängig. Iin Falle a = i ist die Kennlinie eine parallel zur Abs77.isse
verlaufende Gerade; der Ableiter hat dann eine ideale Ventilcharakteristik. Unterhalb
eines gewissen Wertes der Spannung fließt überhaupt kein Strom, oberhalb ,dieses
Wertes wird jeder noch so große Strom durchgelassen. Praktisch liegen die Werte
von a. bei den heutigen Ableitern etwas unterhalb i, und zwar strebt man im allgemeinen
zur Erzielung einer guten Ventilwirkung danach, einen Wert etwa z«-ischen o,8 und
i für a zu erhalten. Iin Interesse einer guten Schutzwirkung ist es ferner anzustreben.
daß die Begrenzungsspannung, d. h. die Spannung am Ableiter während der Entladti.ng,
möglichst tief unterhalb der Überschlagsspannung U;l der zu schützenden Isolation
der Anlage liegt. Jedoch sind bei der Entwicklung von Ableitern auch noch andere
Gesichtspunkte zu berücksichtigen, so insbesondere die Fähigkeit des spannungsabhängigen
Widerstandsmaterials zur Führung von Fn:ladungsströnien hinreichend hoher Stromstärke
und relativ langer Entladungsdauer, wie sie z. B. bei Ableitcorgängen in größeren
Hochspannungsnetzen, insbesondere g roßenKabelnetzen, aufzutreten pflegen.
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Es Wurde nun gefunden, daß eine Belastbarkeit des spannungsabhängigen
Materials mit sehr hohen Überspanungsenergien, insbesondere auch bei verhältnismäßig
langen Entladungszeiten, um so leichter erreichbar ist, je kleiner der Exponent
a bzw. je geringer die Sperrwirkung des spannungsabhängigen ?Materials ist. Jedoch
wird bei der gleichen Betriebsspannung Up der nachfolgende Betriebsstrom
I_, wie Fig. i zeigt, um so größer, je kleiner der Exponent a, des Materiales wird,
so daß die Stromunterbrechung schließlich von einer gewissen Grenze ab überhaupt
nicht mehr von einer Metallplatten-Iöschfunkenstrecke üblicher Bauart bewältigt
werden kann.
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Ein neuer Weg für den Bau derartiger Überspanungsableiter besteht
nach der Erfindung in der Kombination eines Stapels von Widerstandsplatten aus einem
Material, dessen Exponent a zwischen den Werten o und o,8 liegen kann, und einer
Funkenstrecke mit Lichtbogenlöschung in einend den Lichtbogen umlebenden Isolierrohr.
Einem solchen Ableiter kann man die Fähigkeit zur Abführung besonders hoher Entladungsenergien
auch bei relativ langer Entladungsdauer geben, ferner. Wie noch zu erläutern sein
Wird, eilte besonders gute Schutzwirkung, und dennoch gleichzeitig auch die Fiihirikeit
zur Unterbrechung nachfolgender Pictriel)sströme von einer Größe, wie sie bei den
bisher allgemein cerwendeten-\'entilableitern mit Metallplattenlöschfunkenstrecken
uncernieidlich zum Zusarninenschinelzen der Metallplatten führen würde.
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Rohrfunkenstrecken, bei denen die Lichtbogenelektroden in einem Rohr
aus vorzugsweise unter Lichtbogeneinwirkung gasabgebendem angeordnet sind, sind
an sich bekannt (Löschrohrableiter, Hartgasableiter). Sie wurden bereits in größerem
Umfange zum Schutz von Freileitungen angewendet.
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Diesen Blasrohrschutzfunkenstrecl;en gegenüber bringt jedoch der Vorschlag
der Erfindung bedeutendeVorteile, insbesondere hinsichtlich der Schutzeigenschaften
des Gerätes, denn eine Blasrohrfunkenstrecke ohne einen in Reihe geschalteten U'iderstand
erfordert eine verhältnismäßig große Elektrodenentfernung finit Rücksicht auf die
in den Hochspannungsnetzen vorkommenden hohen Einschwingfrequenzen der wiederkehrenden
Spannung. besonders bei vorwiegend induktiven Stromkreisen. Mit dieser größeren
Elektrodenentfernung ist naturgemäß ein höherer Wert der Ansprechspannung und damit
eine schlechtere Schutzwirkung z-#vangsläufrg verbunden. Ist dagegen in Reihe zur
Blasrohrfunkelistrecke ein Widerstand geschaltet so wird der Charakter des Stromkreises,
in teni sich das Löschrohr befindet, vorwiegend ohinisch anstatt induktiv. Nach
Erlöschen es Stromes in Stroninulldurchgang springt die Spannung dann nicht mehr
in äußerst kurzer Zeit auf einen hohen Wert, sondern steigt allmählich sintisförinig
entsprechend der Betriebsfrequenz des Netzes an. Infolge der Dämpfung des Stromkreises
durch den in Reihe zum Löschrohr geschalteten Widerstand treten keine übermäßig
hoben Spannungsspitzen bei der wiederl;elirenden Spannung auf. Aus diesen Gründen
kann die Elektrodenentfernung der Blasrohrfunkenstrecke bei der hier vorgeschlagenen
Kombination beträchtlich, auf etwa die Hälfte, erniedrigt werden. Die Ansprechspannung
fällt damit ebenfalls auf den halben Wert, wodurch die Schutzwirkung auf rund das
Dopp.elte gesteigert wird. Die Verwendung eines spannungsabhängigen Widerstandes
in Reihe 711m Löschrohr gestaltet die eben genannten Verhältnisse auch deswegen
besonders günstig. weil der spannungsabhängige Widerstand den nachfolgenden Betriebsstrom
so cerfornit, daß ein langer, abgeflachter Strommtlldurchgang entsteht, der für
eine Löschung besonders günstig Wirkt. Durch einen in Reihe geschalteten, insbesonderespannungsabhängi.
genWiderstandwird
außerdem der nachfolgende Betriebsstrom im Löschrohr gegenüber einer gewöhnlichen
Blasrohrfunkenstrecke ohne Widerstand wesentlich verkleinert und ist vom Kurzschluß-
bzw. Doppelerdschlußstrom eines Netzes nahezu unabhängig. Wegen dieses kleineren
nachfolgenden Betriebsstromes wird die Lebensdauer des Löschrohres im Vergleich
zu einem Löschrohi ohne Widerstand wesentlich erhöht, @da der kleinere Strom naturgemäß
einen kleineren Abbrand der kohrinnenwandungen hervorruft. Diese Erhöhung der Lebensdauer
ist namentlich für gewisse moderne in besonders starkem Maß vergasende und relativ
kostspielige Löschrohrwerkstoffe von großer Bedeutung, z. B. Harnstoffkunstharze.
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Es ist zwar bereits eine Schutzeinrichtung gegen Überspannungen in
Hochspannungsanlagen bekanntgeworden, die aus einer Funkenstrecke besteht, bei welcher
der zwischen den Elektroden gelegene Entladungsraum von einem Körper aus Isoliermaterial
so eng umschlossen ist, daß der bei der Entladung auftretende Lichtbogen zusammengeschnürt
wird, und bei der in. Reihe mit der Funkenstrecke ein säulenförmiger Widerstandskörper
angeordnet ist. Dieser Widerstandskörper ist jedoch kein Plattenstapel, wie er bei
den neuzeitlichen überspannungsableitern für große Entladungsenergien verwendet
wird. Vor allem war man aber nach dem früheren Stande der Technik bestrebt, dein
spannungsabhängigen Material eine möglichst scharfe Ventilwirkung zu geben, d. h.
den Exponenten a möglichst gleich dem Wert z zu machen. Dadurch wird aber,die Fähigkeit
zur Übertragung hoher Entladungsenergien, insbesondere lang dauernder Entladungsströme,
stark beeinträchtigt. Die Erkenntnis, daß eine Belastbarkeit des spannungsabhängigen
Materials mit sehr hohen Überspannungsenergien, insbesondere auch solchen von verhältnismäßig
langen Entladungszeiten, um so leichter erreichbar ist, je kleiner der Exponent
a bzw. je geringer die Sperrwirkung -des spannungsabhängigen Materials ist, bildet
eine Voraussetzung für die vorliegende Erfindung.
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Darüber hinaus bietet die Erfindung auch als Überspannungsableiter
bei relativ niedriger Betriebsspannung, etwa zum Schutz von elektrischen Hochspannungsmaschinen,
sowie in Höchstspann.ungsanlagen wichtige Vorteile, namentlich hinsichtlich der
Schutzwirkung. Das ergibt sich daraus, daß man bei der vorgeschlagenen Kombination
die Möglichkeit hat, durch Verringerung der Höhe des Stapels von Widerstandsplatten
aus üblichem spannungsabhängigen Material oder durch Herstellung der Platten aus
einem Material mit niedrigem spezifischen Widerstand, bezogen auf einen bestimmten
Strom bzw. eine bestimmte Spannung, die Begrenzungsspannung wesentlich herabzusetzen
und die sich hierbei ergebende beträchtliche Erhöhung des nachfolgenden Betriebsstromes
ohne weiteres in Kauf nehmen zu können, da die Löschung keine Schwierigkeiten mehr
bereitet.
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Fig. z zeigt ein Ausführungsbeispiel.
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z ist ein mit Schirmringen versehenes Porzellangehäuse in Form eines
Stützisolators, das von einer Schelle 2 getragen wird. Es enthält in seinem Inneren
eine Vorfunkenstrecke 3, die gegebenenfalls auch weggelassen werden kann, ferner
.einen Stapel aus Widerstandsplatten d.. Es ist an seinem unteren Ende mit einer
Blasrohrfunkenstrecke 5 verbunden, deren eine Elektrode 6 in Form eines Stabes in
das Rohr hineinragt und deren andere Elektrode 7 als Hohlelektrode und Auspufföffnung
ausgebildet ist. Die Lichtbogenbahn kann natürlich auch in an sich bekannter Weise
in mehrere parallele Längskanäle unterteilt sein. Das Isolierrohr, das die Löschstrecke
umschließt, besteht vorzugsweise aus gasausscheidendem Stoff. Die Anschlüsse 8,
9 am -oberen und unteren Ende derAnordnung führen zu dem zu schützenden Leiter bzw.
zur Erde.