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Überspannungsableiter Die vorliegende Erfindung betrifft einen überspan- nungsableiter, der insbesondere zum Entladen von langandauernden Überspannungen an Hochspannungsleitungen vorgesehen ist.
Die meisten durch Blitzschlag bewirkten überspan- nungen haben eine verhältnismässig kurze zeitliche Dauer von einigen 10 Mikrosekunden oder längstens einige 100 Mikrosekunden. Es gibt aber auch Überspannungen langer zeitlicher Dauer, wie beispielsweise Schaltüberspannungen und gelegentliche lang andauernde Blitz- überspannungen, welche einige 100 bis zu einigen 1000 Mikrosekunden betragen, d. h. um Grössenordnungen länger sind.
Als Ventile ausgebildete überspannungsableiter weisen im allgemeinen mindestens einen Bogenentladungs- spalt auf, der mit mindestens einem als Ventil ausgebildeten Widerstand in Serie geschaltet ist. Dieser Widerstand ist entsprechend einer umgekehrten Funktion des ihn durchfliessenden Stroms oder der über ihm abfallenden Spannung veränderlich. Der Widerstand hat eine nichtlineare Spannungs-Strom-Kennlinie, indem das Verhältnis von Spannung zu Strom, d. h. der wirksame Widerstand, kleiner wird, wenn die Spannung und/oder der Strom ansteigen.
Dagegen ist die Spannungs-Strom- Kennlinie insofern positiv, als die Spannung immer ansteigt (und nie abnimmt), wenn der Strom ansteigt.
Ein den Strom begrenzender Entladungsspalt ist ein Spalt, der nach der Zündung einer Entladung eine ansteigende Spannung entwickelt, was durch ein Magnetfeld erreicht wird, das den Bogen verlängert und bewegt, so dass er mit den Bogen kühlenden Oberflächen in Berührung kommt. Der allgemeine Zweck eines den Strom begrenzenden Entladungsspaltes ist, den Ableiter, nachdem die Überspannung abgeklungen ist, wieder auf die normale Spannung des Stromkreises zurückzuführen, und er ist in dieser Hinsicht besonders gut in Gleichstromkreisen, wo er den der Überspannung folgenden Strom unterdrückt, verwendbar.
Solche Überspannungs- ableiter sind aber auch für Wechselstromkreise, in denen der Strom periodisch den Wert Null aufweist, brauchbar, weil sie die Verwendung einer geringeren Anzahl von Ventil-Widerständen und auf diese Weise den Aufbau von Ableitern erlauben, die einen besseren Überspannungsschutz während der Entladung von überspannungsströmen kurzer Dauer liefern.
Es war bisher als wünschenswert angesehen worden, dass in dem den Strom begrenzenden Entladungsspalt so rasch wie möglich nach dem Überschlag eine möglichst hohe Bogenspannung aufgebaut wurde, d. h. dass der Entladungsspalt eine möglichst grosse und möglichst rasche Strombegrenzung aufwies. Es war auch seit langem als wünschenswert angesehen worden, dass der Entladungsspalt eine verhältnismässig niedrige Überschlagsspannung aufwies, um einen möglichst guten überspan- nungsschutz zu bilden, indem die Überspannung begrenzt wurde, bevor diese wesentlich über die normale Spannung des Stromkreises anstieg.
Diese Merkmale sind besonders bei Überspannungen kurzer Dauer wünschenswert, weil solche Überspannungen gewöhnlich schon wieder abgesunken sind, bevor die den Strom begrenzende Bogenentladung eine wirklich hohe Spannung aufgebaut hat. Im Falle von Überspannungen langer Dauer, beispielsweise bei Schaltüberspannungen, bei denen die grosse Kapazität einer Hochspannungsleitung grosser Länge eine hohe Energie gespeichert hat, übersteigt die Spannung am Ableiter, welche der Summe des Spannungsabfalls im Ventil-Widerstand und der Spannung an dem den Strom begrenzenden Entladungsspalt entspricht, oft die Zündspannung der Bogenentladung, was höchst unerwünscht ist, weil dann der Schutzwert des Ableiters nicht mehr Zündspannung der Bogenentladung, sondern einer höheren Spannung entspricht.
Auch wenn der Ableiter bei dieser höheren Spannung ableitet und dann nochmals zündet, können grosse Schäden auftreten, weil die zu schützende Vorrichtung einer Spannung ausgesetzt wird, die höher als die Zündspannung ist, welche normalerweise der Spitzenspannung entspricht, der die zu schützende Vorrichtung ohne Nachteile zu widerstehen vermag.
Der Grund für diese unerwünschte Wirkung kann
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möglicherweise durch die folgenden Erklärungen aufgezeigt werden. Ein Überspannungsableiter, der eine Schaltüberspannung ableitet, kann als eine Impedanz angesehen werden, welche mit der die Überspannung führenden Leitung in Serie liegt und an eine imaginäre impedanzfreie Spannungsquelle, deren Spannung gleich der Leitungsüberspannung ist, angeschlossen ist. Ein äquivalenter Stromkreis ist ein Spannungsteiler, in dem die Ableiterspannung gleich der um den Spannungsabfall in der Impedanz der überspannungsleitung verringerten Leistungsüberspannung ist.
Dieses bedeutet, dass für irgendeine Überspannung langer zeitlicher Dauer, welche grösser als die Zündspannung des Ableiters ist, ein minimaler Stromwert besteht, unterhalb dessen der Strom während der Ableitung der Überspannung nicht durch einen, den Strom begrenzenden Ableiter gesteuert werden kann, ohne dass die Ableiterspannung ihren Schutzwert oder ihre Zündspannung überschreitet, weil, wenn der Strom auf einen zu geringen Wert gehalten ist, der Spannungsabfall der Überspannungsimpedanz abnimmt und die Spannung über dem Ableiter auf einen gefährlichen Wert ansteigt.
Es ist darum ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Überspannungsableiter anzugeben, dessen den Strom begrenzender Entladungsspalt im Bereich kleiner Ströme eine positive Spannungs-Strom-Kennlinie und im Bereich hoher Ströme eine negative Spannungs-Strom- Kennlinie aufweist. Auf diese Weise liegt die Spitzenspannung des Ableiters bei einem vorherbestimmten mittleren Stromwert.
Dieser mittlere Stromwert kann so gewählt werden, dass er dem Entladestrom am unteren Ende des Bereichs von überspannungs-Entladungsströ- men längerer zeitlicher Dauer entspricht, in welchem Bereich Überspannungen liegen, auf welche die Leitung durch innere Systemübergänge, wie sie bei Schaltoperationen auftreten, geladen werden kann.
Die Erfindung soll nun mit Hilfe der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Fig. 1 ist eine aufgebrochene, vergrösserte, perspektivische Ansicht einer vereinfachten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 und 3 sind Spannungs-Strom-Kennlinien, mit deren Hilfe die Arbeitsweise der Erfindung erläutert wird.
Der in Fig. 1 gezeigte überspannungsableiter enthält eine den Strom begrenzende Entladungsspalt-Anord- nung 1, die mit einem als Block ausgebildeten Ventilwiderstand 2 in Serie geschaltet ist. Die Entladungs- spalt-Anordnung 1 enthält eine Magnetspule 3, die aus Widerstandsdraht gewickelt oder zusammen mit einem äusseren Seriewiderstand verwendet wird, einen den Strom begrenzenden, als Shunt wirkenden Entladungsspalt 4 und mindestens einen dazu in Serie geschalteten, den Strom begrenzenden Entladungsspalt 5. Praktisch werden immer mehr als ein in Serie geschalteter Entladungsspalt verwendet, beispielsweise vier.
Da jedoch das Arbeitsprinzip, unabhängig davon, ob einer oder mehrere solcher Entladungsspalte verwendet werden, das gleiche ist und alle Spalte untereinander gleich sind, ist nur einer gezeigt und wird nur einer beschrieben werden. Der Shunt-Entladungsspalt 4 weist Elektroden 6 auf, welche in einer Bogenentladungskammer angeordnet sind, die von zwei Scheiben oder Platten aus einem geeigneten Material begrenzt wird. Ein geeignetes Material ist beispielsweise poröses keramisches Material, das wärmewiderstandsfähig ist und wegen seiner Porosität für einen magnetisch angetriebenen Bogen ein grosses dreidimensionales Kühlvolumen bildet. Die Elektroden 6 divergieren an einem Ende und verlaufen an ihrem anderen Ende verhältnismässig geradlinig und parallel zueinander.
Im Inneren der Bogenentladungskammer ist eine Anzahl Taschen 7 angeordnet, und der minimale Abstand zwischen den Wänden 8, welche die seitlichen Taschen begrenzen und dem geradlinigen Teil der Elektroden ist gegenüber dem verhältnismässig grossen Querschnitt eines starken Strom führenden Lichtbogens 9 so abgestimmt, dass letzterer nicht in die seitlichen Taschen eindringen kann. In gleicher Weise ist der Raum zwischen den beiden Wänden 8, welche eine mittlere Tasche 7 begrenzen, gegenüber dem Querschnitt einer einen starken Strom führenden Bogenentladung 9 so abgestimmt, dass diese praktisch nicht in die Tasche eindringen kann, sondern sich über der Öffnung der Tasche selbst kurz schliesst.
Dagegen wird eine Bogenentladung 10 mit geringem Strom und einem kleinen Querschnitt durch die Wechselwirkung zwischen dem Bogenstrom und dem durch die Spule 3 erzeugten Magnetfeld in die Taschen hineingetrieben und auf diese Weise stark verlängert und abgekühlt, wodurch ihre Spannung entsprechend ansteigt.
Wenn darum eine Bogenentladung mit einem verhältnismässig hohen Strom in die Taschen getrieben wird, schliesst sie sich sofort wegen des kritischen Abstands zwischen den geradlinig verlaufenden Endteilen der Elektroden und der Wände 8 selbst kurz, weshalb ein stromstarker Bogen sofort in die Position zurückspringt, die dem eingezeichneten Lichtbogen 9 entspricht.
Der Entladungsspalt 5 ist parktisch gleichartig wie der Entladungsspalt 4, weist aber eine grössere Anzahl von Taschen 7 auf, um eine grössere Verlängerung des Bogens und damit eine höhere Bogenspannung zu bewirken. Dagegen sind die Abmessungen der Taschen im Verhältnis zu den Querschnitten von Bogenentladungen verschiedener Stromstärke so gewählt, dass Bogenentladungen mit geringem Strom und verhältnismässig kleinem Querschnitt, wie sie durch die Wellenlinie 11 angedeutet sind, ganz in diese Taschen eintreten, während Bogenentladungen mit starkem Strom und verhältnis- mässig grossem Querschnitt, wie sie durch die Wellenlinie 12 angedeutet sind, ausserhalb der Taschen verbleiben,
indem sie sich über den Öffnungen dieser Taschen selbst kurz schliessen. Die Folge davon ist, dass für Bogenströme oberhalb eines vorherbestimmten Wertes die Bogenspannung sehr viel kleiner als für Bogenströme unterhalb dieses vorherbestimmten Stromwerts ist. Der Umstand, dass Bogenentladungen mit einem hohen Strom nicht in die Taschen eintreten können, hat beim Betrieb eines solchen Ableiters den weiteren Vorteil, dass beim Abklingen des Stroms das poröse keramische Material in den Taschen verhältnismässig kühl ist und die Fähigkeit zum Unterbrechendes Stromes im Entladungsspalt durch einen hohen Entladungsstrom nicht nachteilig beeinflusst wird.
In Fig. 2 sind für verschiedene Bauteile des in Fig. 1 gezeigten Ableiters einige Kurven dargestellt, welche die Spannung als Funktion des Stromes zeigen. Die unterste Kurve B zeigt das Verhältnis der Spannung an dem mit der Spule parallel geschalteten Shunt-Entladungs- spalt zum gesamten Strom durch den Ableiter, welcher natürlich nicht gleich dem Strom im Entladungsspalt 4 oder dem Strom in der Spule 3 ist, weil der gesamte Ableiterstrom zwischen diesen beiden parallel geschalteten Bauteilen geteilt ist und die Summe der einzelnen Ströme entspricht.
Dagegen zeigt diese Kurve, dass der
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Strom durch den Ableiter wegen des Widerstandes der Spule 3, der beispielsweise 2 bis 10 Ohm beträgt, praktisch eine direkte Funktion der Spannung ist. Wie aus der Kurve B zu ersehen ist, sinkt die Spannung über dem Entladungsspalt 4 ab, wenn der Strom in Ableiter ansteigt. Dieses bedeutet natürlich, dass in diesem Bereich auch der Strom in der Spule 3 abnimmt, weil dieser Strom, wenn er sich nicht sehr rasch ändert, d. h. wenn nur eine vernachlässigbare Induktanz in der Spule 3 auftritt, durch Widerstand begrenzt ist. Das bedeutet weiter, dass, nachdem die Spitzenspannung abgeklungen ist, eine weitere Steigerung des gesamten Ableiterstroms einen geringeren magnetischen Fluss in der Spule erzeugt.
Der wesentliche Grund dafür ist natürlich, dass bei einem solchen höheren Strom die Spannung am Entladungsspalt 4 abnimmt und der durch die Spule fliessende Strom ebenfalls abnimmt. Bei geringem Strom dagegen kann die Spannung über dem Entladungsspalt so hoch ansteigen, dass der gesamte Ableiterstrom durch die Spule fliesst, was wiederum einen maximalen magnetischen Fluss bewirkt, der dann den Bogen aus dem Entladungsspalt treibt.
Die Kurve B zeigt die Spannung des Widerstands 2 als Funktion des Ableiterstroms und zeigt, dass, wenn die Spannung mit dem Ansteigen des Stroms ansteigt, auch das Verhältnis von Spannung zu Strom, d. h. der momentane Widerstandswert, abnimmt.
Die Kurve C zeigt die Spannung als Funktion des Ableiterstroms für die Entladungsspalt-Anordnung 1, welche die Spule 3 und den Shunt-Entladungsspalt 4, die mit dem Serie-Entladungsspalt 5 in Serie geschaltet sind, enthält. Diese Kurve weist praktisch die gleiche Form wie die mit Kurve B auf. Sie weist jedoch für entsprechende Ströme durch den Ableiter eine wesentlich höhere Spannung auf, was durch den oder die in Serie geschaltete Entladungsspalte 5 bedingt ist.
Ausserdem fällt die Kurve B für über den Spitzenwert ansteigende Ströme steiler ab, was durch die grössere Anzahl der Taschen 7 im Entladungsspalt 5 gegenüber denen im Entladungsspalt 4 und dem entsprechend grösseren Unterschied der Längen der Bogen mit starkem und schwachem Strom in den zwei Arten der Entladungsspalte, welche die gesamte Entladungsspalt-Anordnung bilden, bewirkt ist.
Die Kurve E zeigt die gesamte Ableiterspannung als Funktion des gesamten Ableiterstroms, wobei die Spannung für die Kurve E gleich der Summe der Spannungen der Kurve D und der Kurve C entspricht. Es kann aus dieser Kurve ersehen werden, dass die Ableiterspannung über einen weiten Bereich des Ableiterstroms praktisch konstant ist, was dadurch erreicht wird, dass der negative, auf der rechten Seite liegende Teil der Kurve C dem positiven Teil der Kurve B über diesen weiten Bereich des Ableiterstromes ausgleicht.
In Fig. 3 sind einige Kennlinien der Spannung gegen den Ableiterstrom aufgetragen, von denen die oberste geneigte Linie F, welche den Bereich der überspannun- gen begrenzt, weit über der dem Schutzwert entsprechenden Linie G liegt. Der Schutzwert ist die der von dem Ableiter gehaltene Spannung und entspricht praktisch der Zündspannung des Ableiters. Die untere Kurve H entspricht der Spannungs-Strom-Kennlinie des Ventilwiderstandes 3 des Ableiters.
Für jeden einzelnen Punkt des Bereichs der überspannungswerte, beispielsweise für den Punkt A, der einer recht hohen überspannung entspricht, gibt es eine maximale Spannung der Entladungsspalt-Anordnung, welche im Ableiter ausgebildet wird, so dass die Summe der Spannungen der Entladungsspalt-Anordnung und des Ventilwiderstands den Schutzwert des Ableiters nicht übersteigt. Wenn die Spannung der Entladungsspalt-Anordnung diesen kritischen Wert für irgendeine überspannung übersteigt, wird der Impedanzabfall IZ" der Überspannung abnehmen und der Schutzwert überschritten werden.
Darum ist aus Fig. 3 zu ersehen, dass die Spannung der Entla- dungsspalt-Anordnung mit einer Steigerung des Ableiterstroms abnehmen muss, damit die Ableiterspannung unter dem kritischen Wert bleibt, bei dem der Schutzwert überschritten wird. Der obige Stromwert, bei dem die Spannung am Entladungsspalt abnimmt, liegt praktisch bei etwa 500 A, was jedoch kein sehr kritischer Wert ist.