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Überspannungsableiter für einen Gleichstrombreis Das Hauptpatent Nr. 431-684 betrifft einen überspan- nungsableiter für einen Gleichstromkreis, mit einem aasgefüllten Gehäuse, zwei im Innern desselben angeordneten, voneinander distanzierten Hauptelektroden, welche einen Lichtbogen-Überschlagsspalt bilden, und Mitteln zum Anschluss der Hauptelektroden an den Gleichstromkreis, wobei jede der Hauptelektroden mit dem einen Ende einen Lichtbogen-Überschlagsteil und mit dem Rest einen Lichtbogen-Wanderteil bildet.
Das Kennzeichen jenes überspannungsableiters besteht darin, dass Auslösemittel mit einer dem überschlagsteil der einen Hauptelektrode benachbarten und von dieser durch Isoliermaterial separierten Auslöseelek- trode vorhanden sind, zwecks Zündung eines Lichtbogens zwischen den genannten Überschlagsteilen der Hauptelektroden bei Erregung der Auslöseelektrode mit einem Spannungsimpuls von vorbestimmter Grösse.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine weitere Ausgestaltung eines solchen Überspannungsablei- ters mit dem Zweck, den Schutz eines Gleichstromkreises sowohl gegen Blitzüberspannungen als auch gegen Schalt- überspannungen zu gewährleisten.
Übliche Spannungsableiter mit Lichtbogenstrecke weisen einen Spalt auf, an welchem beim Auftreten einer Überspannung von vorbestimmter Amplitude im zu schützenden Stromkreis ein Überschlag auftritt. Nach erfolgtem Überschlag bleibt ein Lichtbogen bestehen, durch welchen ein Strom fliesst, um die Energie der Überspannungswelle zu vernichten. Über den bestehenden Lichtbogen fliesst auch Leistung aus dem Gleichstromkreis. Der Überspannungsableiter muss in der Lage sein, diesen Leistungsfluss zu unterbrechen, nachdem die Energie der Stosswelle abgeklungen ist, um den Normalzustand des Stromkreises wieder herzustellen, in welchem durch den Ableiter kein Strom fliesst.
Bei einem für Wechselstromkreise bestimmten überspannungsableiter ist die Unterbrechung des auf einen Überschlag folgenden Leistungsstromes beträchtlich erleichtert durch die Tatsache, dass der Strom schliesslich einen natürlichen Nulldurchgang durchläuft. Zur Unter- brechung eines Wechselstromes ist es lediglich erforderlich, die Überschlagsfestigkeit am Spalt schneller zu entwickeln als es der Anstiegsgeschwindigkeit der nach dem Nulldurchgang wieder ansteigenden Spannung entspricht.
Im Falle eines überspannungsableiters für einen Gleichstromkreis hat hingegen der an einen Überschlag anschliessende Folgestrom keinen natürlichen Nulldurchaang, und die Unterbrechung kann nur so erfolgen, dass der Strom auf Null gezwungen und hierauf die überschlagsfestigkeit mit genügender Geschwindigkeit aufgebaut wird.
Im Hauptpatent ist ein eine überschlagsstrecke aufweisender überspannungsableiter beschrieben, der recht hohe Werte von Gleichstrom-Folgeströmen nach einem Überschlag zu unterbrechen vermag. Dieser Überspannungsableiter baut im Anschluss an einen überscblag eine relativ hohe Impedanz auf, die den Gleichstrom gegen Null treibt. Obschon dieser überspannungsableiter zum Schutz gegen Überspannungen, die durch Schaltvorgänge verursacht sind (Schaltüberspannungen), sehr geeignet ist, befriedigt er doch nicht restlos im Falle von atmosphärischen oder Blitzüberspannungen.
Der Grund hierfür liegt darin, dass typische Blitzentladeströme, obwohl von sehr kurzer Dauer, viel grössere Werte annehmen als die höchsten durch Schaltüberspannungen verursachten Ströme. Beim Durchgang eines derart hohen Blitzentladestromes durch den beschriebenen Ableiter würde deshalb über dem Ableiter eine gefährlich hohe Spannung auftreten.
Zum näheren Verständnis der Probleme bei der Abteilung von Blitzüberströmen soll zunächst der Verlauf des Stromes im Falle eines Blitzeinschlags in den geschützten Stromkreis nahe dem Ableiter kurz betrachtet werden. Ein solcher Strom setzt sich im allgemeinen aus zwei Komponenten zusammen: 1. einem Blitzentladestrom, d.h. dem Strom des eigentlichen Blitzschlages, und 2. einem Folgestrom, d.h. dem nach Durchgang des Blitzentladestromes durch den Ableiter fliessenden Strom des geschützten Kreises.
Die Höhe des Blitzentladestro-
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mes ist weitgehend unabhängig von der Impedanz des Ableiters und kann deshalb selbst bei hoher Impedanz des Ableiters ausserordentlich hohe Werte annehmen. Die am Ableiter durch den Blitzentladestrom hervorgerufene Spannung hängt direkt von der Ableiter-Impedanz ab, und da diese Spannung auch an der geschützten Anlage erscheint, ist es von grösster Wichtigkeit, dass die Impedanz des Ableiters während des Durchgangs des Blitzentladestromes niedrig ist.
Diese Erfordernis einer niedrigen Impedanz während der Dauer des Blitzentlade- stroms steht jedoch in gewissem Sinne einer zweiten Bedingung entgegen, nämlich der, dass der Ableiter während dem Durchgang des Folgegleichstroms eine relativ hohe Impedanz entwickeln soll, um diesen Strom gegen Null zu bringen. Eine relativ hohe Impedanz ist auch nötig, um den eine Schaltüberspannung begleitenden Folgegleichstrom gegen Null zu treiben.
Es wird deshalb mit der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines überspannungsableiters für Gleichstromkreise angestrebt, der während den Folgeströmen eine relativ hohe Impedanz entwickelt, dessen Impedanz jedoch während den Blitzentladeströmen auf einen relativ niedrigen Wert begrenzt bleibt, damit keine übermässig hohen Spannungen am Ableiter auftreten. Dabei soll der Ableiter natürlich gleichermassen zum Schutz gegen Schaltüberspannungen geeignet sein. Es wird zu diesem Zweck angestrebt, einen niederohmigen Entladeweg durch den Ableiter für Blitzentladeströme und einen separaten Entladeweg höherer Impedanz für die Folgeströme von Blitzentladungen bzw. für die Ströme von Schaltüberspannungen vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen überspan- nungsableiter für einen Gleichstromkreis gemässs Patentanspruch des Hauptpatentes, wobei jede der Hauptelektroden einen Lichtbogen-Überschlagsteil und zu beiden Seiten desselben einen ersten und zweiten Lichtbogen- Wanderteil aufweist.
Dieser überspannungsableiter ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch ein zweites magnetisches Mittel, um die Lichtbogen-Fusspunkte von den Überschlagsteilen weg und in einer Richtung entlang dem zweiten Wanderteil zu treiben, die derjenigen im ersten Wanderteil entgegengesetzt ist, wobei bei gleichzeitiger Wirksamkeit beider magnetischer Mittel die Treib- wirkung der ersten Mittels auf den Lichtbogen diejenige des zweiten Mittels übertrifft, um einen im Überschlagsteil gezündeten Lichtbogen in den ersten Wanderteil zu treiben, und dass weitere Abschaltmittel vorhanden sind,
um ein Absinken eines Blitzentladestromes auf einen bestimmten Wert zu bewirken und um nach Durchgang des genannten Blitzentladestromes einen den Leistungs-Fol- gestrom führenden Lichtbogen in den ersten Wanderteil und vom Überschlagsteil weg zu treiben.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlich beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des überspannungsableiters in Verbindung mit dem zu schützenden Gleichstromkreis, Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Überspannungsableiter, und zwar entlang der Linie 2-2 in Fig. 3.
Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, und Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 2. Die schematische Darstellung nach Fig. 1 zeigt einen Gleichstromkreis mit einer positiven Sammelschiene 10, einer negativen Sammelschiene 12 und einer Halbleiter- Gleichrichteranlage 14, die als Gleichstromspeisequelle an die Sammelschienen angeschlossen ist.
Zwischen den beiden Sammelschienen können wowohl durch Schaltvor- aänge als auch durch Blitzeinschläge verursachte überspannungen auftreten, welche die Halbleiter-Gleichrich- teranlage 14 beschädigen könnten, wenn nicht geeignete Vorkehren für deren Schutz getroffen würden.
Zum Schutz der Anlage 14 gegen solche Überspannungen ist der schematisch dargestellte überspannungs- ableiter 16 vorgesehen. Dieser ist mit einer Klemme 17 mit der positiven Sammelschiene 10 und mit der gegen- überliegenden Klemme 18, vorzugsweise über einen Widerstand 20, mit der negativen Sammelschiene 12 verbunden. Der Widerstand 20 ist ein nicht linearer Widerstand, vorzugsweise aus einem Material mit negativer Widerstand-Strom-Charakteristik, wie sie beispielsweise das unter der Handelsbezeichnung Thyrite im Handel erhältliche Material aufweist.
Der Überspannungsableiter 16, welcher in den Fig.2 und 3 ausführlicher dargestellt ist, weist ein dicht geschlossenes Gehäuse 21 auf, das ein lichtbogenlöschendes Gas, vorzugsweise Wasserstoff, enthält. Im Innern des Gehäuses 21 sind zwei voneinander distanzierte Hauptelektroden 22 und 24 angeordnet, zwischen denen ein Spalt 25 besteht, über den sich Lichtbogen entladen können. Ein bevorzugtes Material für die Elektroden ist eine Kupfer-Wolfram-Legierung. Auch rostfreier Stahl ist für die Elektroden geeignet.
Jede Elektrode ist aus einem Streifen dieses Materials geformt und weist eine im wesentlichen kreisbogenförmige, sich über etwa #/4 eines vollen Kreises erstreckende Gestalt auf. Die eine Elektrode 22 ist um die andere Elektrode 24 herum angeordnet, und die Bogen-Mittelpunkte der beiden Elektroden sind gegeneinander versetzt, so dass der Spalt 25 in einer Region 25a zwischen den Enden der beiden Elektroden relativ schmal ist und entlang den Elektroden gegen ihre Enden hin mit zunehmendem Abstand von der Region 25a stetig länger wird. Der Bereich 25a, wo die Elektroden nahe beieinander liegen, wird in der Folge als Überschlagsregion und die übrigen Bereiche des Spaltes 25 zu beiden Seiten der Region 25a als Wanderregionen 25b bzw. 25c bezeichnet.
Dementsprechend werden die Elektrodenabschnitte entlang der Überschlagsregion 25a als Lichtbogen-Überschlagsteil und die übrigen Elektro- denabschnitte entlang den Wanderregionen 25b und 25c als Lichtbogen-Wanderteile bezeichnet.
In Serie zu den Elektroden 22 und 24 subd Lichtbo- gen-Treibspulen 28 und 30 geschaltet, die eine, 28, zwischen Klemme 17 und Elektrode 22 und die andere, 30, zwischen Klemme 18 und Elektrode 24. Die Spulen 28 und 30 dienen zur Erzeugung von Magnetfeldern, um einen zwischen den Hauptelektroden bestehenden Lichtbogen in einer weiter unten ausführlicher beschriebenen Art und Weise zu verschieben.
Um einen Lichtbogen zwischen den Hauptelektroden 22 und 24 zu zünden, ist eine Auslöseelektrode 32 in der Überschlagsregion bei der Hauptelektrode 24 vorgesehen. Die Auslöselektrode 32 ist von der Hauptelektrode 24 isoliert und zu beiden Seiten mittels Streifen 34a und 34b getrennt, die aus einm Isoliermaterial mit hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise aus Bariumtitanat besteht.
Wenn eine Überspannung von bestimmter Mini- malamplitude zwischen Auslöseelektrode 32 und Hauptelektrode 24 auftritt, wird das elektrische Feld bei den Kanten des Isoliermaterials infolge der hohen Dielektrizi- tätskonstante des Materials verstärkt, und ein Funke wird den Spalt 33 zwischen Auslöseelektrode und Haupt-
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elektrode 24 überspringen. Die von diesem Funken herrührenden positiven Ionen beeinflussen das elektrische Feld zwischen den beiden Hauptelektroden 23 und 24 in einer Weise, dass die überschlagsspannung zwischen den Hauptelektroden auf einen Wert unterhalb der zwischen den Hauptelektroden angelegten Spannung reduziert wird.
Dies hat einen Lichtbogen zwischen den Hauptelektroden 22 und 24 in deren überschlagsregion zur Folge.
Wenn der Lichtbogen durch eine Schaltüberspannung gezündet worden ist, so durchläuft der durch den Lichtbogen fliessende Strom von der positiven Sammelschiene 10 nach der negativen Sammelschiene 12 die beiden Spulen 28 und 30. Die untere Treibspule 30 ist in einem solchen Sinn gewickelt, dass der sie durchfliessende Strom ein Magnetfeld hervorruft, welches den Lichtbogen in Richtung des Pfeiles 35 in Fig. 1 treibt. Die andere Treibspule 28 ist im entgegengesetzten Sinn gewickelt, so dass der sie durchfliessende Strom ein Magnetfeld erzeugt, welches den Lichtbogen in einer Richtung 37, also entgegengesetzt zur Richtung 35 zu treiben trachtet.
Die Spule 30 hat jedoch eine viel höhere Windungszahl als die Spule 28 (z.B. im Verhältnis 100 : 2), weshalb das von der Spule 30 hervorgerufene Magnetfeld viel stärker ist als dasjenige der Spule 28. Solange die beiden Spulen vom gleichen Strom durchflossen sind, dominiert deshalb das Magnetfeld der Spule 30 über dasjenige der Spule 28, weshalb der Lichtbogen in Richtung des Pfeiles 35 Getrieben wird. Wie weiter unten ausführlicher dargelegt, wird die Spule 30 kurzgeschlossen und damit unwirksam gemacht, wenn Blitzentladeströme durch den Ableiter fliessen. In diesem Fall vermag dann die andere Spule 28 den Lichtbogen in Richtung des Pfeiles 37 zu treiben.
Die normale Spannung zwischen den Schienen 10 und 12. und damit die normalerweise zwischen den Hauptelektroden 22 und 24 bestehende Spannung reicht nicht aus, um den Hauptspalt 25 zu überspringen und einen Lichtbogen zu zünden. Bei fehlender Auslöseelektrode 32 wären selbst Überspannungen mit einer Amplitude, die das Mehrfache der normalen Betriebsspannung ausmacht, für einen Überschlag am Hauptspalt 25 ungenügend. Durch die Auslöseelektrode 32, an welcher das gleiche Potential wie an der Hauptelektrode 22 liegt, wird jedoch die zum Überspringen des Hauptspaltes erforderliche Spannung stark reduziert.
Zur Überleitung von zwischen den Schienen 10 und 12 auftretenden Überspannungen auf die Auslöseelektro- de 32 ist die letztere über einen Kondensator 36 mit der Schiene 10 verbunden. Unter normalen, stationären Betriebsverhältnissen ist die Auslöseelektrode 32 durch den Kondensator 36 praktisch von der Schiene 10 isoliert. Für eine auftretende überspannungs-Welle stellt der Kondensator jedoch keine nennenswerte Impedanz dar, so dass praktisch die ganze Überspannung am Spalt 33 zwischen der Auslöseelektrode 32 und der Hauptelektrode 24 erscheint.
Die Schlagdistanz des Auslösespaltes 33 ist so gewählt, dass dieser Spalt übersprungen wird, bevor die Überspannung gefährliche Werte annimmt. Ein typischer Wert für die Überschlagsspannung am Spalt 33 ist 200c"% o der normalen Betriebsspannung zwischen den Schienen 10 und 12.
Ein Widerstand 42, der im Vergleich zum Isolationswiderstand des Kondensators 36 sehr klein ist, ist zwischen die Auslöseelektrode 32 und die Hauptelektrode 24 geschaltet. Dieser Widerstand 42 bezweckt, die Auslöseelektrode 32 und die Hauptelekrode 24 unter normalen Betriebsbedingungen praktisch auf dem glei- chen Potential zu halten, d.h. so lange keine überspan- nung zwischen den Schienen 10 und 12 auftritt.
In diesem Fall besteht ein hochohmiger Strompfad zwischen den Schienen 10 und 12, gebildet aus dem Isolationswiderstand des Kondensators 36 in Serie mit der Parallelschaltung des Widerstandes 42 mit dem Isolationswiderstand des Auslösespaltes 33, und den Widerständen der Schaltelemente 30 und 20. Der Widerstand der Schaltelemente 42, 30 und 20 ist sehr niedrig im Vergleich zum Isolationswiderstand des Kondensators 36. Somit liegt praktisch die gesamte Normalbetriebsspannung am Kondensator 36 und nur ein verschwindend kleiner Teil derselben am Widerstand 42 bzw. an dem zu ihm parallelgeschalteten Auslösespalt 33.
Das Fernhalten der Normalbetriebsspannung vom Auslösespalt ist erwünscht, um die Beeinträchtigung des Spaltes und mögliche Fehlüberschläge zu vermeiden.
Wie die Fig. 2 zeigt, sind die beiden Hauptelektroden 22 und 24 zwischen zwei isolierenden Platten 45 gehalten, welche Seitenwände zum Spalt 25 zwischen den Elektroden bilden. Die Platten 45 sind im Bereich des Hauptspaltes 25 im wesentlichen undurchlässig und verlaufen etwa parallel zur Längsachse irgendeines zwischen den Elektroden 22 und 24 bestehenden Lichtbogens. Die Platten 45 bestehen aus einem Material, welches bei Beaufschlagung durch einen Lichtbogen möglichst wenig Gas abgibt, beispielsweise aus Aluminiumsilikat. Die Platten werden mittels geeigneten Befestigungsmitteln gegen die Kanten der Elektroden 22 und 24 gepresst, beispielsweise durch isolierenden Bolzen 47, die an mehreren Stellen am Rand der Platten 45 vorgesehen sind.
Die Bolzen 47 erstrecken sich durch entsprechende Bohrungen in den Platten 45 hindurch und sind in eine Tragplatte 48 eingeschraubt. Zwischen den Platten 45 ist jeder Bolzen 47 von einer isolierenden Distanzhülse 49 umgeben, welche die von den Bolzen erzeugte Klemmkraft begrenzen. Ferner ist jeder Bolzen von einer weiteren Hülse 50 umgeben, welche die Distanz zwischen der unteren Platte 45 und der Platte 48 bestimmen.
Die Treibspulen 28 und 30 sind auf den Aussenseiten der isolierenden Platten 45 befestigt. Die Spulen sind vorzugsweise kreisförmig, und etwa drei Viertel des Umfanges jeder Spule ist auf den Dreiviertelkreis der äusseren Elektrode 22 ausgerichtet, wie aus der Fig. 3 hervorgeht. Wie erwähnt, sind die Spulen so angeschlossen, dass bei Stromfluss durch den Spannungsableiter die Stromrichtung in beiden Spulen entgegengesetzt ist. Der ungefähre Verlauf und die Richtung des die Spule 30 umgebenden Magnetfeldes ist durch gestrichelte Linien bzw. Pfeile 51 in Fig. 2 angedeutet, währenddem Verlauf und Richtung des Feldes um die Spule 28 mit entsprechenden Linien und Pfeilen 53 bezeichnet sind.
Da die untere Spule 30 eine weit höhere Windungszahl aufweist als die obere Spule (z.B. das 50-fache), wird ihr Magnetfeld 51 durch die Anwesenheit des Feldes 53 der oberen Spule 28 nicht wesentlich beeinträchtigt. Dieses Magnetfeld 51 hat eine Komponente, die den Spalt 25 in einer senkrechten Richtung zur Längsachse irgendeines Lichtbogens zwischen den Elektroden 22 und 24 durchläuft. Bekanntlich wirkt ein zu einem Lichtbogen senkrecht gerichtetes Magnetfeld mit dem örtlichen, den Lichtbogen umgebenden Magnetfeld in einer Weise zusammen, dass der Lichtbogen in einer Richtung quer zu seiner Längsachse und quer zur Richtung des genannten äusse- ren Feldes bewegt wird.
Die Polarität des von der Spule 30 erzeugten Magnetfeldes wird so gewählt, dass die Verschiebungskraft auf den Lichtbogen im Sinne des
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Pfeiles 35 (Fig. 1 und 3) gerichtet ist. Wenn somit in der Überschlagsregion 25a ein Lichtbogen gezündet wird und die Spule 30 mit diesem in Serie geschaltet ist, so wird der Lichtbogen in der Folge längs den Elektroden 22 und 24 in Richtung des Pfeiles 35 in die Wanderregion 25b des Spaltes 25 getrieben.
Die Bewegung des Lichtbogens in Richtung des Pfeiles 35 bewirkt eine stetige Verlängerung des Bogens entsprechend der zunehmenden Breite des Spaltes 25. Mit der zunehmenden Verlängerung des Lichtbogens geht ein entsprechender Anstieg der Lichtbogenspannung und eine Abnahme des Lichtbogenstromes einher. Wenn die Lichtbogenspannung die von aussen an den Hauptspalt angelegte Spannung übersteigt, geht der Lichtbo- Qenstrom rasch gegen Null.
Falls die Energie der Über- spannungs-Welle, die den Lichtbogen gezündet hat, bis dann im Ableiter vernichtet worden ist, erlischt der Lichtbogen, und es erfolgt kein neuer Überschlag am Spalt 25, wodurch die Einrichtung sich erholt und sich die Normalbetriebsbedingungen wieder einstellen. Es ist offensichtlich, dass die höchste Lichtbogenspannung sich dann entwickelt, wenn der Lichtbogen die Enden der Elektroden 22 und 24 erreicht und sich in seinem mittleren Bereich nach aussen wölbt, wie mit der Linie 60 in Fig. 3 angedeutet. In dieser Lage hat der Lichtbogen die grösste Länge.
Die sich bei dieser Lage 60 einstellende Lichtbogenspannung hängt auch von der dann verbleibenden Energie der überspannungs-Welle ab. Falls die Überspan- nungs-Welle zu diesem Zeitpunkt völlständig abgeflaut ist, wird die Bogenspannung niedriger sein, als wenn die Welle noch besteht, doch ist die Bogenspannung jedenfalls noch grösser als die Normalbetriebsspannung und bewirkt, dass der Lichtbogenstromgegen Null absinkt.
Es ist wichtig, dass die Geschwindigkeit der Lichtbo- aenbewegung sorgfältig unter Kontrolle gehalten wird. Verschiebt sich der Bogen zu langsam, so verdampft das Elektrodenmaterial so reichlich, dass die isolierenden Platten 45 bald mit dem Kondensat des Metalldampfes überzogen werden und die überschlagsfestigkeit zwischen den Elektroden dadurch beeinträchtigt wird, insbesondere in der kritischen überschlagsregion 25a, wo der Spalt 25 schmal ist.
Verschiebt sich anderseits der Lichtbogen zu rasch, so baut sich die Bogenspannung so schnell auf, dass die Überschlagsregion 25a keine genügende Gelegenheit hat, sich zu erholen und die erforderliche Durchschlagsfestigkeit wieder anzunehmen, um der Bogenspannung standzuhalten, die auch dann entsteht, wenn die Energie der Welle vollständig vernichtet ist. Dies kann dazu führen, dass in der Region 25a dauernd Überschläge auftreten, nachdem die Überspannung bereits verschwunden ist, oder auch bevor der Bogen die Lage 60 erreicht. Dieser letztere Zustand führt dazu, dass die Belastung durch den Lichtbogen sich auf die Überschlagsregion 25a konzentriert. was wiederum übermässige Verdampfung der Elektroden und die Verschlechterung der isolierenden Eigenschaften der Platten 45 in diesem Bereich hervorruft.
Um diese Erscheinungen zu vermeiden, soll bis zum Eintreffen des Bogens in der Endlage 60 genügend Zeit verstreichen, dass die Überschlagsregion 25a sich erholen kann und ausreichende überschlagsfe- stigkeit annimmt, um einer Spannung widerstehen zu können, die gleich der höchsten Bogenspannung ist, wenn keine restliche Energie der überspannungswelle verbleibt.
Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform hat die Überschlagsregion 25a bis zum Eintreffen des Lichtbogens in der Lage 60 im wesentlichen wieder die volle ursprüngliche Überschlagsfestigkeit angenommen, d.h. mehr, als die erforderliche überschlagsfestigkeit, um der höchsten Lichtbogenspannung zu widerstehen, wenn keine restliche Energie verbleibt.
Zwei weitere Faktoren, die für die Erholung der Überschlagsregion von Bedeutung sind, sind die Länge der Elektroden 22 und 24 und deren Abstand. Die Elektrodenlänge beeinflusst die Zeit, welche der Lichtbogen bis zum Eintreffen in der Endlage 60 und zum Aufbau der maximalen Bogenspannung benötigt, und der Elektrodenabstand ist von Einfluss auf die Grösse der sich einstellenden Bogenspannung und auf die Überschlagsfestigkeit in der Region 25a.
Die entstehende Lichtbogenspannung hängt nicht nur von der Länge des Lichtbogens ab, sondern auch von einer Reihe weiterer Falttoren. Ein wichtiger solcher Faktor ist die Art des im Spalt anwesenden Gases. Für den vorliegenden überspannungsableiter ist Wasserstoff besonders geeignet, nicht nur wegen seiner Eigenschaft, hohe Bogenspannungen zu erzeugen, sondern auch wegen seiner relativ geringen Durchschlagsfestigkeit. Dank dieser niedrigen Durchschlagsfestigkeit kann der Auslösespalt so dimensioniert werden, dass er schon bei niedrigen Spannungen übersprungen wird, wie dies zum Schutze des Niederspannungssystems 10, 12 und 14 erwünscht ist.
Trotz der niedrigen überschlagsspannung lassen sich jedoch mit Wasserstoff geeignete Werte der Lichtbogenspannung erreichen, um damit den Lichtbogenstrom in der beschriebenen Weise zu steuern.
Für den Schutz von Niederspannungs-Leistungssyste- men, d.h. solchen mit einer Normalbetriebsspannung unterhalb etwa 1000 Volt, beträgt der Druck des Wasserstoffs vorzugsweise etwa 254 bis 508 mm Hg.
Auf die entstehende Lichtbogenspannung ist ferner der Abstand zwischen den isolierenden Platten 45 von wahrscheinlich erheblichem Einfluss. Beträgt dieser Abstand mehr als etwa 4,8 mm, so entsteht ein diffuser Lichtbogen, und die resultierende Bogenspannung ist sehr gering. Ist der Abstand anderseits kleiner als etwa 0,8 mm, so kann sich der Lichtbogen nicht aus der Überschlagsregion 25a in die Wanderregion hinaus bewegen. Dies hat übermässige Elektrodenerhitzung und -Verdampfung wie auch eine niedrige Bogenspannungzur Folge. Der bevorzugte Abstand zwischen den Isolierplatten 45 beträgt somit in den Regionen 25a und 25b etwa 1,5 mm und ist vorzugsweise in diesen Regionen konstant.
Nachstehend wird nun die Wirkungsweise des Überspannungsableiters beschrieben für den Fall einer als Schaltüberspannung angenommenen überspannungswelle relativ geringer Energie, mit einer Spitzenspannung, die für den Überschlag des Auslösespaltes genügt und mit einer Gesamtenergie, welche durch einen einzigen Stromimpuls durch den Ableiter vernichtet werden kann, d.h. weniger als etwa 10 Ws. Eine solche Überspannung ruft einen Lichtbogen in der überschlagsregion zwischen den Hauptelektroden 22 und 24 hervor, dank der erwähnten Triggerwirkung der Auslöseelektrode 32.
Der über den Lichtbogen fliessende Strom erregt die Spulen 28 und 30, wodurch ein resultierendes Magnetfeld entsteht, welches den Bogen in Richtung des Pfeiles 35 treibt. Dadurch wird die Bogenspannung erhöht und der Bogenstrom vermindert. Schliesslich übersteigt die Bogenspannung den Wert der von aussen an den Spalt 25 angelegten Spannung, und dies lässt den Bogenstrom rasch gegen Null abfallen, wodurch der Lichtbogen erlischt. Bis dahin ist die Energie der Schaltüberspannungs-Welle vollstän-
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dig im Ableiter und dem Thyrite-Element 20 vernichtet worden, und es bleibt keine Wellenenenergie übrig, um den Lichtbogen erneut zu zünden, weshalb die Anordnung sich erholt und den Normalbetriebszustand annimmt.
Während der beschriebenen Vernichtung der Welle trägt das Widerstandselement 20 dazu bei, den durch die Spaltanordnung fliessenden Strom zu begrenzen; für manche Anwendungsfälle ist jedoch ein solcher Thyrite-Widerstand entbehrlich.
Es sei nun angenommen, dass die Energie der Schaltüberspannungs-Welle wesentlich grösser ist und beispielsweise mehrere 100 Wattsekunden beträgt. Der Lichtbogen wird dann aus der Überschlagsregion 25a in die Endlage 60 getrieben und entwickelt dort eine Genügend hohe Bogenspannung, um den Bogenstrom rasch zum Verschwinden zu bringen. Bis dahin ist jedoch nur ein geringer Teil der Wellenenergie vernichtet worden, und die verbleibende Energie bewirkt einen erneuten abrupten Spannungsanstieg, was einen neuen Überschlag in der Region 25a des Hauptspaltes, d.h. einen weiteren Lichtbogen zwischen den Hauptelektroden zur Folge hat.
Der erste Lichtbogen mag zu diesem Zeitpunkt vollständig gelöscht sein oder nicht, nach der Zündung des zweiten Lichtbogens wird er jedenfalls vollständig verschwinden. Der zweite Bogen wird wie sein Vorgänger in die Lage 60 getrieben, wobei die Bogenspannung ansteigt und der Bogenstrom rasch auf Null absinkt. Infolge der verbleibenden Wellenenergie zündet die überspan- nung einen dritten Lichtbogen in der überschlagsregion 25a, der zweite Bogen verschwindet, und der dritte Bogen durchläuft die gleichen Vorgänge wie die vorangehenden Lichtbogen. Diese Folge wiederholt sich immer und immer wieder, bis die Wellenenergie schliesslich vollständig vernichtet ist.
Dies zeigt sich darin, dass die maximale Bogenspannung, die sich einstellt, wenn der letzte Bogen in der Endlage 60 eintrifft, nicht mehr Genügt, um einen weiteren Durchschlag in der Region 25a zu bewirken, so dass der Spalt einen weiteren Stromfluss verhindert.
Die Partien 25a und 25b des Überspannungsableiters sind im wesentlichen gleich aufgebaut wie die mit entsprechenden Bezugszahlen bezeichneten Teile des im Hauptpatent beschriebenen Ableiters. Die Art und Weise der Vernichtung der Energie einer Schaltüberspannungs- welle durch diese Teile ist im Hauptpatent ausführlicher beschrieben, auf welche Beschreibung an dieser Stelle ausdrücklich ver"viesen sei.
Obschon die linke Seite 25b des überspannungsablei- ters Lichtbogen, welche von Schaltüberspannungen verursacht sind, einwandfrei verarbeiten kann, so ist diese Partie des Ableiters -doch für die Verarbeitung von Blitzüberspannungswellen weniger geeignet. Wie erwähnt, ist der von einem Blitzeinschlag hervorgerufene Strom durch den Ableiter im allgemeinen aus zwei Komponenten zusammengesetzt, nämlich 1. dem Blitzentladestrom, d.h. dem von der Blitz- überspannungswelle verursachten Strom, und 2. einem Folgestrom, der dem Strom der Anlage entspricht, welcher nach Durchgang des Blitzentladestro- mes durch den Ableiter fliesst.
Die Grösse des Blitzentla- destromes ist von der Impedanz des Ableiters weitgehend unabhängig und kann deshalb sehr hohe Werte annehmen. Wenn solch ein extrem hoher Strom in einem Lichtbogen aus der überschlagsregion 25a in Richtung des Pfeiles 35 getrieben würde (wie im Falle des Lichtbogens einer Schaltüberspannung), würde eine übermässig hohe Lichtbogenspannung entstehen. Der Entladungsweg zwischen den Elektroden 22 und 24 auf der linken Seite der Überschlagsregion hat nämlich eine relativ hohe Impedanz. Für Lichtbogen im Falle von Schaltüberspannungen ist diese hohe Impedanz erwünscht, weil sie einen raschen Aufbau der Lichtbogenspannung erlaubt und damit ein rasches Absinken des Stromes gegen Null.
Der Stromdurchgang im Falle von Schaltüberspannungen durch diese relativ hohe Impedanz erzeugt keine über- mässig hohen Spannungen am Ableiter, weil der Strom in diesem Falle verhältnismässig gering ist und durch die Impedanz des Ableiters selbst begrenzt wird. Blitzentla- deströme sind hingegen viel grösser und von der Ableiterimpedanz praktisch unabhängig. Wenn deshalb derart hohe Ströme sich über den hochohmigen Pfad auf der linken Seite 25b des Ableiters entladen würden, so würden dadurch übermässig hohe Spannungen über dem Ableiter auftreten, die die Gleichrichteranlage 14 schädigen könnten.
Um das Auftreten solch hoher Spannungen zu vermeiden, werden durch Blitzentladeströme verursachte Lichtbogen von der linken Seite 25b des Ableiters ferngehalten und von der überschlagsregion 25z nach einer Region 25c auf der rechten Seite getrieben. Wie nachstehend noch ausführlicher begründet wird, hat die Region 25c eine relativ niedrige Impedanz. Dadurch entstehen bei Durchgang hoher Blitzentladeströme durch diesen Pfad keine übermässigen Spannungen am Ableiter.
Die Ursache für die relativ niedrige Impedanz der rechten Seite 25c, verglichen mit derjenigen der linken Seite 25b liegt darin, dass die Abstände zwischen den isolierenden Seitenwänden 45 in der Region 25c grösser ist als in der Region 25b. Dies geht am besten aus der Fig. 4 hervor, welche einen Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig.3 darstellt. Wie ersichtlich, nimmt der Abstand zwischen den Seitenwänden 45 von einem relativ geringen Wert in der überschlagsregion stetig zu und erreicht gegen das Ende der Elektrode 24 hin einen verhältnis- mässig grossen Wert.
Dieser zunehmende Abstand der Seitenwände 45 erlaubt einem in der Region 25c wandernden Lichtbogen, seinen Querschnitt zu vergrössern und sich auszudehnen, was seinerseits bewirkt, dass die Lichtbogenspannung viel niedriger bleibt. Mit anderen Worten stellt die Region 25c dank der grossen Abstände der Seitenwände eine niedrige Impedanz für einen in diese Region getriebenen, den Blitzentladestrom führenden Lichtbogen dar. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt der Abstand der Seitenwände 45 von etwa 1,5 mm in der Region 25a bis auf etwa 5,1 mm am Ende der inneren Elektrode 24 zu.
Um einen Hochstrom-Lichtbogen in Richtung des Pfeiles 37 (Fig. 3) aus der überschlagsregion 25a in die niederohmige Region 25c zu treiben, wird die untere Spule 30 in weiter unten beschriebener Weise durch Kurzschliessen unwirksam gemacht, wodurch das 1Vfa- anetfeld 53 der oberen Spule 28 im gewünschten Sinne allein wirksam ist. Die Spule 28 hat nur eine geringe Windungszahl gegenüber der Spule 30, weshalb deren Treibwirkung auf den Lichtbogen normalerweise von dem entgegengesetzten Magnetfeld 51 der Spule 30 stark überboten wird. Wenn hingegen die Spule 30 unwirksam ist, vermag das Magnetfeld 53 einen Lichtbogen aus der Überschlagsregion nach rechts zu treiben.
Obschon die Spule 28 nur wenige Windungen aufweist, kann sie ein Genügend starkes Magnetfeld 53 erzeugen, weil der Strom durch die Spule und den Lichtbogen in diesem Fall dem sehr hohen Blitzentladestrom entspricht. Eine minimale
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Windungszahl der Spule 28 ist erwünscht, damit ihre Impedanz und somit die vom Blitzentladestrom an ihr hervorgerufene Spannung niedrig bleibt.
Um während der Dauer des Blitzentladestromes die andere Spule 30 unwirksam zu machen, ist eine Kurz- schluss-Überschlagsstrecke 70 parallel zur Spule 30 vorgesehen. Da sowohl die Amplitude als auch die Ände- rungsgeschwindigkeit des Blitzentladestromes sehr hoch sind und die Spule 30 eine relativ grosse Windungszahl aufweist, nimmt die durch die Blitzentladung an der Spule 30 hervorgerufene Spannung rasch einen sehr hohen Wert an.
Diese scharf ansteigende Spannung wird verwendet, um einen Überschlag am Spalt 70 hervorzurufen, worauf der Blitzentladestrom über dem Spalt 70 abfliesst. Der Kurzschluss-Spalt 70 ist so dimensioniert, dass er für den Blitzentladestrom eine niedrige Impedanz darstellt und die Spannung während der Dauer dieses Stromes über dem Spalt auf einen geringen Wert begrenzt bleibt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Überschlagsstrecke 70 zwei halbkreisförmige Elektroden 72 und 74 auf, die einen Spalt 75 bilden. Die Elektrode 74 verläuft ausserhalb der Elektrode 72, und die Bogenmittelpunkte der beiden Elektroden sind gegeneinander versetzt, so dass der Spalt am einen Ende der Elektroden relativ kurz ist und gegen das andere Ende hin sich stetig verlängert. Die Region im Bereich des geringen Elektro- denabstandes ist die überschlagsregion 75a. In dieser Region erfolgt der Überschlag der Blitzentladeströme, worauf der entstandene Lichtbogen entlang der Elektroden in Richtung des Pfeiles 77 (Fig. 1) getrieben wird.
Vorzugsweise ist eine Spule 78 geringer Induktivität mit den Hauptelektroden 72 und 74 der Überschlagsstrecke 70 in Serie geschaltet, welche das erforderliche Magnetfeld erzeugt, um den Lichtbogen in Richtung des Pfeiles 77 zu treiben. Diese Bewegung des Lichtbogens vermindert die durch den Hochstrom-Lichtbogen bewirkte Verdampfung der Elektroden und ermöglicht die raschere Wiederherstellung der überschlagsfestigkeit in der Region 75a.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die der Kurzschliessung der Spule 30 dienende Überschlagsstrek- ke mit Auslösemitteln versehen, enthaltend eine Auslöseelektrode 82 und eine isolierende Zwischenlage 79 zur Zündung des Lichtbogens zwischen den Hauptelektroden 72 und 74. Ausführung und Wirkungsweise dieser Auslö- semittel sind im wesentlichen dieselben wie bei den Auslösemitteln 32, 34 des Hauptspaltes, weshalb hier nicht mehr ausführlich darauf eingegangen werden soll. Die Auslöseelektrode 82 wird über einen Kondensator 86 erregt, der dem Kondensator 36 entspricht, welcher mit der Auslöseelektrode des Hauptspaltes verbunden ist.
In manchen Fällen können hingegen die Auslösemit- tel 82, 79 und der Kondensator 86 entfallen. Üblicherweise ist nämlich die beim Auftreten von Blitzentladeströ- men an der Spule 30 entstehende Spannung gross genug, um sofort einen Überschlag in der Region 75a zwischen den Hauptelektroden 72 und 74 zu bewirken, ohne dass die Wirkung von Auslösemitteln erforderlich wäre.
Wie die Fig. 2 zeigt, sind die Elektroden 72 und 74 der Kurzschluss-Überschlagsstrecke 70 zwischen Platten 80 aus Isoliermaterial angeordnet, die etwa parallel zur Längsachse irgendeines zwischen den Elektroden bestehenden Lichtbogens verlaufen. Die Platten 80 weisen vorzugsweise einen gleichmässigen Abstand auf, der etwa zwischen 2,5 und 3,8 mm liegt. Der relativ grosse Abstand der Seitenwände erlaubt eine Lichtbogenwandung in Richtung des Pfeiles 77 unter Vergrösserung von dessen Querschnitt, so dass die Lichtbogenspannung niedrig bleibt, wie im Zusammenhang mit der Region 25c des Hauptspaltes erläutert wurde.
Dadurch stellt diese Region mit relativ grossem Abstand der Seitenwände ebenfalls eine niedrige Impedanz für Blitzentladeströme führende Lichtbogen dar, und bei Ableitung solcher Blitzentladeströme entstehen deshalb keine übermässig hohen Spannungen am Spalt 70.
In der Regel ist die Energie der Blitzüberspannungs- welle bereits in einer Zeit praktisch vollständig vernichtet, in welcher der den Blitzentladestrom führende Lichtbogen erst einen Teil des Weges gegen die Enden der Elektroden 72 und 74 hin verschoben worden ist. Wenn der Blitzentladestrom auf einen vorbestimmten Wert, abgesunken ist, der für die Vernichtung der Energie der Blitzüberspannungswelle kennzeichnend ist, wird der Lichtbogen im Spalt 70 gelöscht.
Der anschlies- sende Folgestrom nimmt dann seinen Weg über die Spule 30 und nicht mehr über den Spalt 70, weil die Spule 30 wegen der geringen Änderungsgeschwindigkeit des Folgestromes für diesen Strom eine sehr niedrige Impedanz darstellt. Da diese Impedanz für den Folgestrom über die Spule 30 weit geringer ist als über dem Spalt 70, fliesst nach Durchgang des Blitzentladestromes im wesentlichen der gesamte Folgestrom über die Spule 30.
Um sicherzustellen, dass die Impedanz für den Folgestrom durch die Kurzschluss-Überschlagsstrecke hoch genug ist, um den Folgestrom über die Spule 30 umzuleiten, ist der Abstand zwischen den Seitenwänden 80 auf einen Wert zwischen etwa 2,5 und 3,8 mm begrenzt, welche Werte immer noch erheblich grösser sind als der Abstand der Seitenwände in den Regionen 25a und 25b des Hauptspaltes 25.
Sobald die Spule 30 den Folgestrom führt, entwickelt sie das vorgenannte Magnetfeld 51, um den Lichtbogen im Hauptspalt in Richtung des Pfeiles 35 zu treiben. Dieser Lichtbogen im Hauptspalt führt dann ebenfalls den Folgestrom. Der Lichtbogen wird vom Magnetfeld 51 nach links in die Region 25b getrieben, in welcher der Abstand der isolierenden Platten gering ist. Dies bedeutet eine höhere Impedanz und eine höhere Lichtbogenspan- nung, wodurch der Strom durch den Ableiter gegen Null geht und die erneute Zündung des Lichtbogens unterbleibt, ähnlich wie im Zusammenhang mit Schaltüberspannungen beschrieben.
Normalerweise kann ein Lichtbogen, welcher den Folgestrom nach Durchgang des Blitzentladestromes führt, schon gelöscht werden, bevor er beim ersten Durchlaufen der Region 25b die Lage 60 (Fig. 3) erreicht.
Wie die Fig. 2 zeigt, ist die Kurzschlussüberschlagsstrecke 70 ebenfalls in dem mit Wasserstoff gefüllten Gehäuse 21 untergebracht. Vorzugsweise ist die Schaltanordnung 70 unterhalb dem Hauptspalt angeordnet und auf einem Deckel 90 des Gehäuses 21 durch Distanzrohre 91 abgestützt. Durch die Distanzrohre 91 hindurch erstrecken sich Befestigungsschrauben 92, welche in den Deckel 90 eingeschraubt sind. Diese Schrauben 92 gehen auch durch die Platten 48 hindurch, welche so mittels zusätzlichen Distanzrohren 93 in ihrer Lage gehalten wird; die Distanzrohre 93 stützen sich auf der oberen Seitenwand 80 der Spaltanordnung 70 ab. Weitere Distanzrohre 94 befinden sich zwischen den Seitenwänden 80, um die durch die Schrauben 92 ausgeübte Klemmkraft zu begrenzen.
Obschon der beschriebene überspannungsableiter gegen die meisten Arten von Blitzeinschlägen einen wirksa-
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men überspannungsschutz gewährt, bedeutet dies nicht, dass die Schutzwirkung in allen durch Blitzeinschläge hervorgerufenen Situationen gleich gut ist. Ein direkter Einschlag unmittelbar bei der geschützten Anlage kann wohl eine übermässige Spannung zur Folge haben. In manchen Fällen, wie beispielsweise bei elektrischen Bahnanlagen sind jedoch die zu schützenden Anlageteile gegen direkte Blitzeinschläge in der Umgebung der Anlage abgeschirmt.
Der beschriebene überspannungsab- leiter eignet sich sehr wohl zur Anwendung in solchen Anlagen, da er überspannungssituationen gewachsen ist, die durch Blitzeinschläge in Anlageteile ausserhalb der abgeschirmten Zone entstehen. Manchmal erfolgen Blitzeinschläge in der Anlage benachbarte Stellen und nicht in die Anlage selbst. Solche Einschläge induzieren häufig Überspannungen, welche sehr hohe Werte erreichen könnten, wenn sie nicht begrenzt würden. Der beschriebene überspannungsableiter ist in der Lage, solche Überspannungen wirksam zu begrenzen und die Anlage vor den Auswirkungen derartiger Blitzeinschläge zu schützen.
Bei gewissen Anwendungen ist es von Vorteil, einen Kondensator (z.B. in der Grösse von etwa 1 @F) zum nichtlinearen Widerstand 20 in Fig. 1 parallel zu schalten, um die im Augenblick eines Blitzeinschlags an diesem Widerstand auftretende Spannung zu begrenzen.