NO139877B

NO139877B - OVERVOLTAGE DISCHARGE.

Info

Publication number: NO139877B
Application number: NO744044A
Authority: NO
Inventors: Hermann Wittel
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1973-12-21
Filing date: 1974-11-11
Publication date: 1979-02-12
Also published as: IT1027910B; NO139877C; GB1476659A; JPS5096858A; SE397236B; JPS5834919B2; DE2364033C3; DE2364033B2; DE2364033A1; NO744044L; SE7416018L; FR2255723B1; FR2255723A1

Description

Oppfinnelsen angår en overspenningsavleder med flere hovedgniststrekninger som er koblet i serie mot høyspenning, og med en styregniststrekning som er koblet parallelt med hovedgniststrekningen og inneholder plateelektroder som står parallelt overfor hverandre og har avrundet rand, samt med en forionisering ved hjelp av radioaktiv stråling. The invention relates to a surge arrester with several main spark paths that are connected in series against high voltage, and with a control spark path that is connected in parallel with the main spark path and contains plate electrodes that stand parallel to each other and have rounded edges, as well as with a pre-ionization using radioactive radiation.

Ventilavledere bestemt for et elektrisk kraftnett, inneholder som kjent gniststrekninger som i tilfellet av en overspenning tenner og åpner en strømbane med liten motstand gjennom avlederen. Derpå blir lysbuen slukket og avlederen igjen gjort strømløs. Når den vesentlige del av overspenningsimpulsen er ledet bort, men lysbuen ennå ikke er sluknet, driver kraftnettets driftsspenning en strøm gjennom avlederen. Gniststrekningene må være i stand til å bryte denne fulle strøm. Valve arresters intended for an electric power network, as is known, contain spark lines which in the event of an overvoltage ignite and open a current path with little resistance through the arrester. The arc is then extinguished and the arrester again de-energized. When the main part of the surge impulse has been dissipated, but the arc has not yet been extinguished, the mains operating voltage drives a current through the arrester. The spark lines must be able to break this full current.

Til dette formål kan gniststrekningene være dannet av hornelektroder som er anordnet i ett og ett lysbuekammer, og hvorav en og en andel danner en stabel hvis enkelte gniststrekninger er koblet i serie. Der er tilordnet stabelen minst én såkalt blåsespole hvis magnetiske felt forlenger den lysbue som dannes mellom to og to hornelektroder, og derved bringer den til å slukne. For this purpose, the spark lines can be formed by horn electrodes which are arranged in one and the same arc chamber, and a portion of which forms a stack if individual spark lines are connected in series. There, the stack is assigned at least one so-called blowing coil whose magnetic field extends the arc that forms between two horn electrodes, thereby causing it to extinguish.

Lysbuen av følgestrømmen opptar et vesentlig øket spenningsfall The arc of the follow current takes up a significantly increased voltage drop

som adderer seg til spenningsfallet på motstander som er koblet i serie med gniststrekningene og begrenser den av nettspenningen påtrykte følgestrøm. which adds to the voltage drop on resistors connected in series with the spark gaps and limits the follow current imposed by the mains voltage.

Reaksjonsspenningen ved slike høyspenningsavledere er i al-minnelighet avhengig av steilheten av den forreste flanke av støt-spenningsbølgen som treffer avlederen. For støtspenninger hvis stigningstid er vesentlig kortere enn f.eks. et ys, kan slike avlederes reaksjonsspenning høynes med mer enn 20%. Tilveksten i reaksjonsspenning for spenningsstøt med steil frontflanke er betinget ved utladningsforsinkelsen. The reaction voltage at such high-voltage arresters is generally dependent on the steepness of the leading edge of the shock voltage wave that strikes the arrester. For impulse voltages whose rise time is significantly shorter than e.g. a noise, the reaction voltage of such arresters can be increased by more than 20%. The increase in reaction voltage for voltage surges with a steep leading edge is conditioned by the discharge delay.

Ved plategniststrekninger med tilnærmet homogent felt er tilveksten i reaksjonsspenning mindre sterk enn ved de oftest anvendte moderne avledere med magnetisk blåsning. I en kjent utførelses-form for en ovérspenningsavleder med flere hovedgniststrekninger seriekoblet mot høyspenning som angitt innledningsvis, er der parallelt med minst én av hovedgniststrekningene anordnet en styregniststrekning. Denne styregniststrekning inneholder plateelektroder som ved avrunding av kanalen er utformet som begerelek-troder. Styregniststrekningen er dessuten forsynt med en tritium-holdig gassfylling til forionisering. Dessuten har en av plateelektrodene en åpning som tjener til gassføring, med tilsvarende kantet rand. In the case of plate spark lines with an approximately homogeneous field, the increase in reaction voltage is less strong than in the most commonly used modern arresters with magnetic blowing. In a known embodiment of a surge arrester with several main spark lines connected in series to high voltage as stated at the beginning, a control spark line is arranged parallel to at least one of the main spark lines. This control spark line contains plate electrodes which, by rounding the channel, are designed as cup electrodes. The guide spark line is also provided with a tritium-containing gas filling for ionization. In addition, one of the plate electrodes has an opening that serves for gas flow, with a corresponding angular edge.

Det har nå vært erkjent at der ved plateelektroder hvis rand er avrundet sirkelformig i tverrsnitt, ikke er utelukket at der inntrer en feltkonsentrasjon ved krumningen. Dette er særlig tilfelle hvis krumningsradien i tilfelle av en diameter av plateelektrodene på noen cm bare utgjøre noen få mm. Denne feltkonsen-tras jon bevirker en tilsvarende spredning i reaksjonsspenningen. It has now been recognized that with plate electrodes whose edge is rounded circularly in cross-section, it is not excluded that a field concentration occurs at the curvature. This is particularly the case if the radius of curvature in the case of a diameter of the plate electrodes of a few cm only amounts to a few mm. This field concentration causes a corresponding spread in the reaction voltage.

Til grunn for oppfinnelsen ligger nå den oppgave å forbedre denne ovérspenningsavleder på en slik måte at dens reaksjonsspenning holder seg praktisk talt konstant. The invention is now based on the task of improving this surge arrester in such a way that its reaction voltage remains practically constant.

Denne oppgave blir ifølge oppfinnelsen løst ved den kombinasjon at plateelektrodene har Rogowski-profil, og at flere radioaktive strålingskilder er anordnet i midtplanet mellom plateelektrodene og konsentrisk til disses akse. Ved en slik ut-førelse av styregniststrekningen er overspenningsavlederens reaksjonsspenning noe så nær uavhengig av steilheten av den stigende flanke av en ovérspenningspuls. Disse gniststrekningers profil har vært utviklet av Rogowski for målegniststrekninger. Forløpet av de overfor hinannen liggende elektrodeoverflater fås idet man utformer randen av en elektrodeplate med et tilnærmet forløp som en ekvipotensialflate som fremkommer ved rotasjon av en ekvipoten-siallinje om elektrodeaksen, dersom denne ekvipotensiallinjes potensial <p i høyden utgjør halvdelen av potensialet tpQ på den elektrodeplate som ekvipotensiallinjen er avledet fra. Med denne betingelse <p < % ipQ får man ekvipotensiallinjens forløp i et koordinatsystem hvis y-akse ligger i elektrodens midtakse, og hvis x-akse ligger i midtplanet mellom elektrodene (B. Ganger "Der elektrishce Durchschlag von Gasen", 1953, side 9-12, særlig fig. 5). According to the invention, this task is solved by the combination that the plate electrodes have a Rogowski profile, and that several radioactive radiation sources are arranged in the middle plane between the plate electrodes and concentric to their axis. With such a design of the control spark line, the overvoltage arrester's reaction voltage is somewhat independent of the steepness of the rising edge of an overvoltage pulse. The profile of these spark lines has been developed by Rogowski for target spark lines. The course of the opposite electrode surfaces is obtained by designing the edge of an electrode plate with an approximate course as an equipotential surface which appears by rotation of an equipotential line about the electrode axis, if the potential <p of this equipotential line in height is half of the potential tpQ on the electrode plate which the equipotential line is derived from. With this condition <p < % ipQ, one obtains the course of the equipotential line in a coordinate system whose y-axis lies in the central axis of the electrodes, and whose x-axis lies in the central plane between the electrodes (B. Ganger "Der elektrishce Durchschlag von Gasen", 1953, page 9 -12, especially fig. 5).

I forbindelse med en strålingskilde som er utformet som ringformet legeme, og hvis ioniserende stråling er rettet jevnt fra alle kanter mot de mot hinannen vendende overflater av elektrodene, blir spredningen i reaksjonsspenning begrenset til et område mindre enn <*> 0,5%. Riktignok er det kjent å anordne en radioaktiv strålingskilde ringformig omkring en utladningsstrekning. Den kjente anordning gjelder et koldkatoderør som ikke egner seg In connection with a radiation source which is designed as a ring-shaped body, and if ionizing radiation is directed uniformly from all edges towards the opposite surfaces of the electrodes, the dispersion in reaction voltage is limited to an area less than <*> 0.5%. Admittedly, it is known to arrange a radioactive radiation source annularly around a discharge section. The known device concerns a cold cathode tube which is not suitable

til å anvendes som ovérspenningsavleder for høyspenning (US-PS to be used as a surge arrester for high voltage (US-PS

3 388 278) . 3,388,278).

I visse driftstilfeller kan også en forholdsvis lav reaksjonsspenning for overspenningsavlederen være gunstig. Dette gjelder særlig koblingsanlegg som er fullstendig kapslet og er fylt med elektronegativ gass, f.eks. svovelheksafluorid SFg. Slike gasser, som forbedrer den elektriske isolasjon, forhindrer imidler- In certain operating cases, a relatively low reaction voltage for the surge arrester can also be beneficial. This particularly applies to switching systems that are completely encapsulated and are filled with electronegative gas, e.g. sulfur hexafluoride SFg. Such gases, which improve the electrical insulation, prevent

tid også en reaksjon av gniststrekningene ved lave verdier. Riktignok kan man stille inn gniststrekningens reaksjonsverdi ved å endre elektrodenes avstand. Mén av hensyn til fremstillingstoleransene må denne avstand ikke underskride et fastlagt minimum. Dessuten kan avlederen ved for liten elektrodeavstand ikke lenger slukke følge-strømmen. time also a reaction of the spark lines at low values. Admittedly, the reaction value of the spark gap can be adjusted by changing the distance between the electrodes. Except for manufacturing tolerances, this distance must not fall below a specified minimum. Furthermore, if the electrode distance is too small, the arrester can no longer extinguish the follow-on current.

Ifølge en særlig gunstig videre utvikling av høyspennings-avlederen ifølge oppfinnelsen er det nå mulig å oppnå lave reaksjons-verdier ved at styrestrekningen er anordnet i en lukket beholder fylt med en gass som minsker styrestrekningens tennspenning og dermed reaksjonsspenningen for den samlede anordning. Denne egen- According to a particularly favorable further development of the high-voltage arrester according to the invention, it is now possible to achieve low reaction values by the control line being arranged in a closed container filled with a gas that reduces the ignition voltage of the control line and thus the reaction voltage for the overall device. This self-

skap foreligger for eksempel hos nitrogen hydrogen og luft. Videre er edelgass, f.eks. argon egnet for fyllingen. Samtidig blir gniststrekningene med magnetisk blåsning drevet i en elektronegativ gass som danner negative ioner. Som bekjent har svovelheksafluorid FSg denne egenskap. Dessuten er tetraklorkarbon CC14 og tetrafluor-karbon CF4 egnet. Ved denne utførelse blir den samlede anordnings reaksjonsspenning redusert, og samtidig blir isolasjonsfastheten av seriekoblingen av gniststrekningene opprettholdt. cabinets exist, for example, with nitrogen, hydrogen and air. Furthermore, noble gas, e.g. argon suitable for the filling. At the same time, the spark lines with magnetic blowing are driven in an electronegative gas that forms negative ions. As you know, sulfur hexafluoride FSg has this property. Also, tetrachlorocarbon CC14 and tetrafluorocarbon CF4 are suitable. With this design, the overall device's reaction voltage is reduced, and at the same time the insulation strength of the series connection of the spark lines is maintained.

Den beholder som inneholder styregniststrekningen, kan hensiktsmessig inneholdes i den samlede anordnings kapsling og dermed The container containing the control spark line can conveniently be contained in the overall device's housing and thus

likeledes være omgitt av isolasjonsgassen. likewise be surrounded by the insulating gas.

Isolasjonsgassen blir særlig ved helkapslede anlegg hensiktsmessig holdt under forhøyet trykk, som kan utgjøre minst 2 bar, fortrinnsvis 3-4 bar, særlig ca. 3,3 bar. Dette trykk vil imidlertid hensiktsmessig ikke vesentlig overskride 10 bar. Også trykket av gassen som styregniststrekningen er anordnet i, kan hensiktsmessig høynes. For eksempel kan det utgjøre 2-10 bar. Dette trykk blir vesentlig bestemt ved driftsspenningen og den valgte elektrodeavstand, som fortrinnsvis holdes mindre enn 20 mm og helst mindre enn 12 mm. I en utførelsesform for høyspenningsavlederen med en styregniststrekning hvis elektrodeavstand f.eks. utgjør 10 mm, kan gasstrykket ved anvendelse av nitrogen utgjøre 2 bar. Med en elektrodeavstand på 5 mm blir gasstrykket høynet for eksempel til 4 bar. The insulating gas, especially in fully enclosed systems, is appropriately kept under elevated pressure, which can amount to at least 2 bar, preferably 3-4 bar, especially approx. 3.3 bar. This pressure will not, however, expediently significantly exceed 10 bar. The pressure of the gas in which the control spark line is arranged can also be appropriately increased. For example, it can amount to 2-10 bar. This pressure is essentially determined by the operating voltage and the selected electrode distance, which is preferably kept less than 20 mm and preferably less than 12 mm. In an embodiment of the high-voltage arrester with a control spark line whose electrode distance e.g. amounts to 10 mm, the gas pressure when using nitrogen can amount to 2 bar. With an electrode distance of 5 mm, the gas pressure is raised to, for example, 4 bar.

Strømmen gjennom styregniststrekningen blir hensiktsmessig begrenset ved hjelp av en motstand. Denne begrensningsmotstand endrer ikke styregniststrekningens reaksjonsnøyaktighet. The current through the control spark path is appropriately limited by means of a resistor. This limiting resistance does not change the response accuracy of the control spark gap.

Til ytterligere belysning av oppfinnelsen skal der henvises til tegningen, som skjematisk anskueliggjør et utførelseseksempel på en høyspenningsavleder ifølge oppfinnelsen. For further elucidation of the invention, reference should be made to the drawing, which schematically illustrates an embodiment of a high-voltage arrester according to the invention.

Tegningen viser en ovérspenningsavleder som er bestemt for høy spenning og består av stabler 2 og 12, omfattende hver sin seriekobling av gniststrekninger 3-8 eller 13 - 18 som på kjent måte skal være anordnet i hvert sitt individuelle lysbue-slukkekammer. Stablene 2 og 12 er ved begge ender forsynt med én og én magnetisk blåsespole 9, 10 resp. 19, 20. Disse blåsespoler gjennomflytes av strømmen i overspenningsavlederne og er utformet slik at deres magnetiske felt i det minste omtrentlig forløper i retningen for stabelens akse. Ved reaksjon av overspenningsavlederen blir der mellom elektrodene for gniststrekningene, som ikke er nærmere vist på tegningen, tent én og én lysbue som under virkningen av det magnetiske felt fra blåsespolene 9 og 10, resp. 19 og 20, drives inn i lysbueslukkekamrene. Under sin bevegelse blir lysbuen tøyet og antar en tilsvarende høynet spenning. Så snart summen av disse lysbuespenninger overstiger den drivende spenning, slukner strømmen i overspenningsavlederen. The drawing shows a surge arrester which is intended for high voltage and consists of stacks 2 and 12, each comprising a series connection of spark lines 3-8 or 13-18 which are to be arranged in a known manner in each individual arc extinguishing chamber. The stacks 2 and 12 are provided at both ends with one magnetic blowing coil 9, 10 respectively. 19, 20. These blowing coils are fed by the current in the surge arresters and are designed so that their magnetic field at least approximately extends in the direction of the axis of the stack. When the surge arrester reacts, one arc is ignited between the electrodes for the spark lines, which are not shown in detail in the drawing, which under the action of the magnetic field from the blowing coils 9 and 10, resp. 19 and 20, are driven into the arc extinguishing chambers. During its movement, the arc is stretched and assumes a correspondingly increased voltage. As soon as the sum of these arc voltages exceeds the driving voltage, the current is switched off in the surge arrester.

Parallelt med hver stabel er der koblet en\styremotstand 22 resp. 24, som fortrinnsvis kan være ikke-lineær. Videre kan der også være anordnet en seriekobling av kondensatorer eXLler en kombinasjon av motstander og kondensatorer for styringen .\ Parallelt <\>In parallel with each stack, a control resistor 22 or 24, which may preferably be non-linear. Furthermore, a series connection of capacitors eXLor a combination of resistors and capacitors for the control can also be arranged.\ Parallel <\>

\ \

med stabelen 2 av gniststrekninger 3 - 8 er der koblet en seriekobling av en begrensningsmotstand 38 og en styregniststrekning 30 som er utformet som plategniststrekning og inneholder to elektroder 32 og 33 anbragt i en beholder 35. Elektrodene 32 og 33 er,formet slik at der ikke kan inntre noen konsentrasjon av feltstyrken ved kantene av deres mot hinannen vendende overflater. Ved.denne ut-formning får man et i det minste tilnærmelsesvis homogent felt mellom de to elektroder, og en feltkonsentrasjon ved kantene av elektrodene blir unngått. Da elektrodenes innbyrdes avstand er større ved kantene enn i de innbyrdes parallelle midtre partier, vil et spenningsgjennomslag alltid finne sted mellom -disse sistnevnte partier. with the stack 2 of spark lines 3 - 8 there is connected a series connection of a limiting resistor 38 and a control spark line 30 which is designed as a plate spark line and contains two electrodes 32 and 33 arranged in a container 35. The electrodes 32 and 33 are shaped so that there is no some concentration of the field strength may occur at the edges of their facing surfaces. With this design, an at least approximately homogeneous field is obtained between the two electrodes, and a field concentration at the edges of the electrodes is avoided. As the mutual distance between the electrodes is greater at the edges than in the mutually parallel middle parts, a voltage breakdown will always take place between -these latter parts.

Elektrodeoverflåtene er utsatt for en energirik stråling som er rettet mot de to elektroders akse og i det minste tilnærmelsesvis jevnt fra alle kanter. Som strålingskilde tjener et ringformet legeme 37, som i det minste delvis består av et radioaktivt preparat hvis radioaktive stråling er rettet mot overflatene av elektrodene 32 og 33 og der utløser elektroner fra materialet. Med denne "stråling er den spesielt utformede plategniststrekning også egnet for støtspenninger. - The electrode surfaces are exposed to an energetic radiation which is directed towards the axis of the two electrodes and at least approximately uniformly from all sides. An annular body 37 serves as a radiation source, which at least partly consists of a radioactive preparation whose radioactive radiation is directed at the surfaces of the electrodes 32 and 33 and there releases electrons from the material. With this "radiation, the specially designed plate spark line is also suitable for impact voltages. -

Begrensningsmotstanden 38 i serie med styregniststrekningen 30 begrenser strømmen i denne til en fastlagt verdi. Styregniststrekningen 30 med utenfra innvirkende ioniserende stråling bestemmer for . den samlede anordning en reaksjonsspenning som er uavhengig av størrelsen og forløpet av overspenningene og ikke forandrer seg selv ved flere gangers reaksjon av avlederen i The limiting resistor 38 in series with the control spark line 30 limits the current in it to a fixed value. The control spark line 30 with externally acting ionizing radiation determines for . the overall device a reaction voltage that is independent of the size and course of the overvoltages and does not change even when the arrester reacts several times in

Gniststrekningen 30 kan fordelaktig være fylt med en gass som minsker dens tennspenning. Denne gass, f.eks. nitrogen, blir hensiktsmessig holdt under forhøyet trykk. Gniststrekningsstablene 2 The spark line 30 can advantageously be filled with a gas which reduces its ignition voltage. This gas, e.g. nitrogen, is suitably kept under elevated pressure. The spark stretching stacks 2

og 12 er anordnet i en beholder 39 som er antydet strekpunktert på figuren og inneholder en elektronegativ gass, og som også kan inne-holde styregniststrekningen 30 og motstandene 22, 24 og 38. Denne gass omgir gniststrekningene 3 - 8 og 13 - 18 og øker deres isola-sjonsfasthet. I denne anordning blir således reaksjonsspenningen nedsatt og isolasjonsfastheten av den samlede anordning samtidig øket. and 12 are arranged in a container 39 which is indicated in dotted line in the figure and contains an electronegative gas, and which can also contain the control spark line 30 and the resistors 22, 24 and 38. This gas surrounds the spark lines 3 - 8 and 13 - 18 and increases their insulation strength. In this device, the reaction voltage is thus reduced and the insulation strength of the overall device is simultaneously increased.

I utførelseseksempelet er styregniststrekningen 30 koblet parallelt med seriekoblingen av gniststrekninger 3 - 8. I anlegg som har lavere spenning, eller hvor der anvendes gniststrekninger med større frakoblingseffekt, kan styregniststrekningen også være tilordnet en eneste gniststrekning. Videre er det ikke nødvendig å forsyne hver stabel av gniststrekninger med to blåsespoler. Det kan være nok om der bare er anvendt én blåsespole mellom to stabler av gniststrekninger. In the design example, the control spark line 30 is connected in parallel with the series connection of spark lines 3 - 8. In installations that have a lower voltage, or where spark lines with a greater disconnection effect are used, the control spark line can also be assigned to a single spark line. Furthermore, it is not necessary to provide each stack of spark lines with two blowing coils. It may be enough if only one blowing coil is used between two stacks of spark lines.

Claims

1. Surge arrester with several main spark paths that are connected in series against high voltage, and with a control spark path that is connected in parallel with the main spark path and contains plate electrodes that stand parallel to each other and have a rounded edge, as well as with a pre-ionization using radioactive radiation, characterized by the combination that the plate electrodes (32, 33) have a Rogov/ski profile and that several radioactive radiation sources are arranged in the middle plane between the plate electrodes (32, 33) and concentric to the axis of the plate electrodes.

2. Surge arrester as specified in claim 1, characterized in that an annular body (37) serves as a radiation source.