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Verfahren und Anordnung zum Schutz von Stromrichteranlagen gegen Überspannungen
Als Überspannungsschutz für Stromrichter werden bisher überwiegend zwischen den
Wechselstrompolen eingeschaltete Ableiter verwendet, beispielsweise in der Art von
Funkenstrecken in Reihe mit spannungsabhängigen Widerständen. Die Fähigkeit derartiger
Ableiter, gegen überspannungen zu schützen, ist jedoch ziemlich begrenzt, im großen
und ganzen auf Überspannungen auf der Wechselstromseite, da ein Gleichstrom in den
Ab-Leitern eine Neigung zur längeren Dauer aufweist. Überspannungen können jedoch
aus verschiedenen Gründen auch auf der Gleichstromseite entstehen, und solche Störungen
kommen besonders oft bei hochgespannten Stromrichtern vor, beispielsweise in Anlagen
für die Kraftübertragung auf. große Entfernungen mittels hochgespannten Gleichstroms.
Eine der zu Überspannungen Anlaß gebende Störungen tritt beispielsweise dann ein,
wenn in einem zu einem Stromrichter gehörenden Ionenventil die Stromführung aus
einem anderen Grunde als durch die normale Kommutierung stark gebremst wird, beispielsweise
dadurch, daß der Widerstand in der Strombahn bei einem plötzlich einsetzenden Stromanstieg
infolge Ionenmangels schnell steigt. Eine derartige Erscheinung, die öfters als
eine Abscherung des Stromes bezeichnet wird, verursacht unvermeidlich eine Überspannung
zwischen den Polen des Ventils. Ein anderer Grund für eine Überspannung, der besonders
in Anlagen mit mehreren in Reihe geschalteten Stromrichtern
auftreten
kann, ist, daß eine Stromunterbrechung in einem dieser Stromrichter eintritt, beispielsweise
durch Erlöschen des Erregerstromes, gleichzeitig mit einem Kurzschluß in einem oder
mehreren der > übrigen, beispielsweise durch ein Rückzünden eines Gleichrichters
oder fehlende Kommutierung eines Wechselrichters, während die gesamte Spannung auf
der Gleichstromseite beispielsweise durch die Leitungskapazität oder durch einen
Glättungskondensatör aufrechterhalten wird. Ein großerTeil dieser Spannung, gegebenenfalls
die gesamte Spannung, tritt dann über den Stromrichter auf, in dem die Unterbrechung
stattgefunden hat. Andere Storungsfälle, dieüberspannungen hervorrufen können, werden
im folgenden näher beschrieben.
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Gemäß der Erfindung werden Stromrichter vor Überspannungen der eben
beschriebene Art und verschiedener anderer Arten dadurch geschützt, daß vorher gesperrte
Ionenventile mit niedrigem Kathodenspannungsabfall, d. h. in erster Linie solche
Ventile mit Lichtbogen oder Glühkathode, unter der Einwirkung der Überspannung freigegeben
werden. Die in dieser Weise freigegebenen Ventile können gewisse der eigenen Arbeitsventile
des Stromrichters sein, welche besonders bei einem Abscheren des Stromes in einem
Ventil freigegeben werden, um den Strom auf anderem Wege als dem normalen durch
den Stromrichter durchzulassen. In vielen Fällen ist es jedoch zweckmäßig, besondere
Vorübergangsventile zu verwenden, die an der normalen Stromführung nicht teilnehmen,
aber bei einer Überspannung über einen Stromrichter eingreifen und den Stromrichter
dann kurzschließen.
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Die Freigabe eines als überspannungsschutz dienenden Ventils kann
durch Gittersteuerung, durch Zünden eines augenblicklich wirkenden Zünders, z. B.
eines Widerstandszünders, sogenannten Ignitors, oder in anderer Weise erfolgen.
Ihre Herleitung aus der Überspannung kann in vielen verschiedenen Weisen erfolgen,
deren gewisse im folgenden beschrieben werden.
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In der Zeichnung zeigen Fig. i bis 3 schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele
der Erfindung. Sämtliche Figuren zeigen. Zweiwegstromrichter, aber die Erfindung
ist ebensogut auf Ein,wegstromrichter anwendbar.
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Fig. i zeigt einen dreiphasigen Zweiweggleichrichter, der mit Überspannungsschutz
nach der Erfindung versehen ist. Der Einfachheit halber ist ein solcher Schutz nur
für eines der sechs Ventile des Gleichrichters dargestellt, aber ähnliche Schutzvorrichtungen
sollen für alle vorgesehen werden. Die Ventile sind mit i bis 6 bezeichnet. Auf
das Gitter zi des Ventils i wirkt ein Steuergerät 12, welches beliebiger Art sein
kann, beispielsweise der im schwedischen Patent 117 12o beschriebenen, und sich
durch Hilfskreise auszeichnet, die die- Gitter am einmal eingestellten Potential
festhalten, bis die Hilfskreise von außen Impulse für die Umstellung der Gitter
auf ein anderes Potential erhalten. Außer den ordentlichen Impulsen, die im Rhythmus
des Wechselstromes arbeiten, kann man dann gemäß vorliegender Erfindung hei eintreffender
Überspannung einen zusätzlichen Impuls einführen, der dem Gitter immer eine genügende
positive Spannung erteilt, um das Ventil freizugeben, unabhängig von der vorhergehenden
Spannung des Gitters. Falls beispielsweise die Impulse für die Umstellung der Hilfskreise
aus einem zwischen die Anode und die Kathode des Ventils eingeschalteten Potentiometerwiderstand
13 hergeleitet werden, der j das Ventil sperrt, wenn die Anode negatives Potential
hat, und der unwirksam ist, wenn die Anode ein mäßiges positives Potential gegenüber
der Kathode hat, wie unter anderem im schwedischen Patent ri7i2o beschrieben wurde,
kann man, die Anordnung beispielsweise so treffen, daß die dem Potentiometerwiderstand
entnommene Spannung das Ventil freigibt, wenn sie einen gewissen, normal vorkommenden
Wert überschreitet.
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Der Potentiometerwiderstand kann gegebenenfalls durch einen kapazitiven
Spannungsteiler ersetzt oder damit parallel geschaltet werden, um i schnell wirkender
zu werden. Gegebenenfalls kann er auch von Teilen mit verschiedener Zeitkonstant°
oder Spannungsahhängigkeit in der Weise zusammengesetzt werden, daß die Spannung,
bei der das Ventil freigegeben wird, von der Wellenfront der Überspannung abhängig
wird, z. B. niedriger bei schnell einsetzenden. Überspannungen. Der Spannungsteiler
kann gegebenenfalls auch für eine Spannungsverteilung in der Nähe der Anode in der
Sperrphase benutzt werden, aber um eine besonders schnelle Wirkung dieser Art zu
erreichen, kann es zweckmäßig sein, einen besonderen Spannungsteiler für diesen
Zweck einzuschalten.
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Die Anordnung nach Fig. i wirkt in großen Zügen derart, daß beim Abscheren
des Stromes in einem Ventil des Gleichrichters alle oder gewisse der übrigen Ventile
freigegeben werden. Das oder die übrigen Ventile, die die nächsten zum Zünden sind,
übernimmt bzw. übernehmen dann den Strom vom abscherenden Ventil, und der Gleichrichter
fährt in seiner Absicht fort, nur mit einer zufälligen Senkung der Spannung zwischen
den Gleichstrompolen.
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Fig. 2 zeigt wie in Fig. i einen Gleichrichter, bestehend aus sechs
Ventilen in dreiphasiger Zweiwegschaltung. Als Überspannungsschutz dienen dort zwei
entgegengesetzt geschaltete Vorübergangsventile 20, 3o, die normal nicht an der
Stromführung teilnehmen, aber leitend gemacht werden, wenn man aus irgendeinem Grunde
den Strom an dem ganzen Gleichrichter vorüberleiten will. Ein solcher Grund kann
eine Überspannung über den Gleichrichter sein, und um in, solchem Fall das eine
der beiden Vorübergangsventile freizugeben, abhängig von der Richtung, in welcher
die Überspannung auftritt, kann z. B. die dargestellte Vorrichtung zur Verwendung
kommen. Diese besteht aus einem zu jedem Vorübergangsventil parallel geschalteten
Überspannungsschutz in der Gestalt einer Funkenstrecke2i bzw. 3i mit Reihenwiderstand
22 bzw. 32, welchem eine Spannung entnommen wird, die dem- Gitter 23 bzw. 33 des
Vorübergangsventils
aufgedrückt wird. Zwischen die Spannungsanzapfung
des Widerstandes und das Gitter können eine Vorspannungsquelle 24 bzw. 34 und. ein
Ventil 25 bzw. 35 und in Parallelschaltung zum Ganzen ein nicht näher dargestelltes
Gitterspannungsgerät 26 bzw. 36 eingeschaltet sein, das in Wirksamkeit treten soll,
wenn die Ventile 20, 30 aus anderem Grunde als durch Überspannungen freigegeben
werden sollen.
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Die Parallelschaltung eines ordentlichen Gittersteuergeräts zum Freigabegerät,
wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, kann natürlich auch bei einer Vorrichtung nach
Fig. r zur Verwendung kommen, anstatt der dort dargestellten Maßnahme, den von der
Überspannung hervorgerufenen Freigabeimpuls auf das ordentliche Gittersteuergerät
wirken zu lassen. Die erstere Maßnahme wirkt in der Regel schneller, was in den
meisten Fällen von Bedeutung ist.
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Es hängt selbstverständlich von der Natur bzw. dem Ursprung der Überspannungen
ab, ob es notwendig sein kann, Vorübergangsventile für beide Stromrichtungen vorzusehen.
Wie schon angedeutet, ist eine der häufigsten Gründe der überspa.nnungen, wenigstens
in Gleichrichtern, eine Stromunterbrechung in den Arbeitsventilen infolge Ionenmangels.
In solchem Falle bedarf mani nur eines Vorübergangsventils normaler Stromrichtung
für jeden Gleichrichter, und es kann dann oft, besonders bei einer Anlage mit mehreren
Gleichrichtern in Reihe, abwechselnd zur Aufgabe haben, den Strom bei einer anderen
Störung im Gleichrichter, beispielsweise einer Rückzündung, zu übernehmen. In anderen
Fällen können Überspannungen auch aus äußeren Erscheinungen, z. B. aus atmosphärischen
Einwirkungen auf der Gleichstromseite, entstehen. Hierbei kann die Richtung ebensowohl
die eine wie die andere werden, und in solchem Falle sind Vorübergangsventile für
beide Stromrichtungen zu empfehlen.
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Unabhängig davon ob Vorübergangsventile für beide Stromrichtungen
angeordnet werden oder nicht, kann es in besonders wichtigen oder Störungen besonders
ausgesetzten Anlagen zweckmäßig sein, doppelte Vorübergangsventile anzuordnen. Hierbei
können ihre Freigabegeräte entweder so angeordnet sein, daß die Ventile den Strom
normal gleich teilen, oder so, daß das eine Ventil zuerst in Wirksamkeit tritt und
das zweite nur, falls das erste nicht genügt. In beiden Fällen können die Ventile
entweder mit einem gemeinsamen Gerät zur Auslösung der Freigabe oder mit getrennten
Geräten versehen werden, die gegebenenfalls mit etwas verschiedener Zeiteinstellung
oder Wellenfrontabhängigkeit wirken können..
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In einer Schaltung nach Fig. 2 kann die Funkenstrecke als ein wirkli.cherÜberspannungsableiter
im erstenAugenblick wirken, obgleich shreAufgabe dann vom Ventil übernommen wird.
In solchem Falle soll ihr Reihenwiderstand vorzugsweise niedrig sein. Gegebenenfalls
kann sie nur als Impulsgerät für das Ionenventil wirken und soll dann einen höheren
Reihenwiderstand haben. Anstatt Funkenstrecken können auch normale Ventilableiter
verwendet werden.
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Selbstverständlich ist es bei der Verwendung von Vorübergangsventilen
als Überspa.nnungsschutz von großer Bedeutung, daß die Bereitschaft dieser Ventile
für die volle Ableitung der Überspannungen genügt. Zu diesem Zweck können die Ventile
durch innere oder äußere Wärmequellen beständig erwärmt gehalten werden, wobei durch
gebräuchliche Maßnahmen eine Kondensation von Quecksilber auf der Anode und anderen
unter Spannung gegenüber der Kathode stehenden Teilen vermieden werden soll. Es
kann auch zweckmäßig sein, die Stromkanäle im Vorübergangsventil weiter als in den
Hauptventilen zu machen, was in der Regel ohne Rückzündungsgefahr gemacht werden
kann,, da die eine Rückzündung hervorrufende Erscheinungen in den Vorübergangsventilen
in der Regel wegfallen oder wenigsten bedeutend vermindert sind, da diese Ventile
keinen Arbeitsstrom bzw. Arbeitsspannung normal führen.
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Wenn der Strom in den Hauptventilen gewisse Grenzen überschreitet,
teilt man ihn bekanntlich oft auf mehrere parallele Ventile oder Anoden auf und
schaltet gleichzeitig in Reihe mit diesen stromverteilende. Geräte, wie Drosselspulen
oder Transformatoren, ein. Wenn die Hauptventile, selbst als Überspannungsschutz
dienen sollen, ist es wichtig, daß derartige induktive Stromteiler oder für andere
Zwecke eingeschaltete Reiheninduktanzen die Wirkung solcher Ventile nicht nennenswert
verzögern. Es kann z. B. in Frage kommen, parallel zu den Induktanzen Ohmsche Widerstände
zu schalten, gegebenenfalls spannunigsab'hängige Widerstände oder Kondensatoren
oder beides, die den Strom im ersten Augenblick übernehmen, bevor die Induktanzen
einen genügenden Strom durchlassen.. Falls man den Strom zwischen zwei oder mehreren
parallel geschalteten Vorübergangsventilen gleich verteilen will, kann man Induktanzen
nicht verwenden, da es sich hier um Gleichstrom handelt, sondern man muß dann Ohmsche
Widerstände benutzen, deren Ohmzahl wenigstens von derselben Größenordnung wie der
mittlere Widerstand der gasförmigen Strombahn sein soll, aber andererseits nicht
so groß sein darf, daß die Ableitfähigkeit ungenügend wird.
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Fig.3 zeigt eine vollständige Übertragungsanlage mit vier in Reihe
geschalteten Gleichrichtern 41 bis 44 an der gebenden Stelle und vier in Reihe geschalteten
Wechselrichtern 61 bis 64 an der empfangenden Stelle. An jeder Stelle ist außerdem
eine Reihenreaktanz 45 bzw. 65 und ein Parallelkondensator 46 bzw. 66 auf der Gleichstromseite
vorhanden. Jeder Gleich- und Wechselrichter hat eine Wechselstromquelle bzw. -verbraucher,
gewöhnlich einen Transformator, welche Transformatoren auf der mit dem Stromrichter
nicht verbundenen Seite parallel geschaltet sind. Diese Transformatoren sind mit
47 bis 50 bzw. 67 bis 70 bezeichnet. Für jeden Gleichrichter sind ferner
Vorübergangsventile 51 bis 54 für normale und 55 bis 58 für die entgegengesetzte
Stromrichtung
vorgesehen. Für die Wechselrichter sind nur Vorübergangsventile
71 bis 74. für die normale Stromrichtung dargestellt, aber sie können gegebenenfalls
auch mit solchen Ventilen für die entgegengesetzte Stromrichtung versehen werden.
Sämtliche Ventile sind ganz schematisch ohne Einzelheiten wie Anode, Kathode oder
Steuergitter, dargestellt.
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Falls in Fig. 3 eine Unterbrechung der Stromführung beispielsweise
in einem Gleichrichter 43 eintreten würde, können zwei Hauptfälle eintreffen. Falls
die Unterbrechung bei einem normalen Nulldurchgang des Stromes eintreten würde,
beispielsweise darauf beruhend, daß der Erregerstrom erloschen oder ein Fehler im
Gittergerät entstanden ist, behalten die übrigen Gleichrichter der Stelle normale
Spannung. Falls die Spannung zwischen den Leitungspolen dann durch den Kondensator
46 oder die Leitungskapazität bei ihrem normalen Wert erhalten wird, wird die normale
Spannung über dem kranken Gleichrichter herrschen. Würde die Leitungsspannung dagegen
beispielsweise infolge eines Kurzschlusses auf Null sinken, bekommt der kranke Gleichrichter
dreimal die normale Spannung mit der Anodenseite positiv, welche Überspannung beispielsweise
durch ein sich @in derselben Richtung wie die Arbeitsventile öffnendes Vorübergangsventil
abgeleitet werden kann. Falls dagegen eine Stromunterbrechung durch sog. Abscheren
eintritt, also mit hoher negativer Stromzeitableitung, so treten über den drei übrigen
Gleichrichtern Überspannungen auf, die in der Regel zunächst durch die Überspannungsableiter
der Transformatoren (schematisch in der Zeichnung angedeutet) begrenzt werden. Je
nach der Ableitungshöhe der letzteren kann der kranke Gleichrichter einer ziemlich
hohen Überspannung ausgesetzt werden. Falls beispielsweise die Ableitungshöhe jedes
Transformatoräbleiters i,5mal der normalen Spannung beträgt und die Fernleitung
gleichzeitig kurzgeschlossen wird, kann der kranke Gleichrichter einer Spannung
von 4,5mal der normalen ausgesetzt werden, immer mit der Anodenseite positiv, so.
daß sie durch das Ventil 52 abgeleitet werden kann.
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Ein anderer Störungsfall kann eintreffen, falls ein Zusammenbruch
der Spannung, beispielsweise eine Rückzündung, in, einem oder mehreren Gleichrichtern
gleichzeitig mit einer Unterbrechung in einem anderen und gegebenenfalls eine überspannung,
z. B. atmosphärischen Ursprungs, auf der Leitung auftreten. In diesem Falle kann
ein bedeutender Teil der Leitungsspannung oder gegebenenfalls diese ganze Spannung
sich über den von der Unterbrechung betroffenen Gleichrichter legen, und die Überspannung
wird dann positiv auf der Kathodenseite, so daß für ihre Ableitung ein Ventil mit
entgegengesetzter Durchlaßrichtung gegen die normale erforderlich wird, d. h. eines
der Ventile 55 bis 58.
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Auf der Wechselrichterseite werden die Verhältnisse in der Regel etwas
einfacher, da dort die Überspannungen bei einer Unterbrechung in einem Wechselrichter
und gegebenenfalls einem Kurzschluß in anderen in derselben Richtung wirken wird,
unabhängig davon, ob. eine Überspannung oder ein Spannungszusammenbruch auf der
Leitung auftritt, so daß nur die Größenordnung verschieden wird. Es kann deshalb
jeweils genügen, die Wechselrichter mit Vorübergangsventilen nur für die normale
Stromrichtung zu versehen, wie die Figur zeigt.