Die Erfindung bezieht sich auf eine Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen.
Einer der wesentlichsten Faktoren, die hohe Betriebszuverlässigkeit der elektrischen Anlagen gewähren, ist die Arbeitsstabilität bei elektrischer Einwirkung auf diese seitens des Wechsel- bzw. Gleichstromspeisenetzes.
Ein solcher Faktor ist z. B. der für die Isolation gefahrlose Maximalwert der einwirkenden Spannung, der theoretisch oder experimentell ermittelt wird. Von diesem Standpunkt aus muss die elektrische Festigkeit der Isolation industrieller Anlagen in Übereinstimmung mit der maximalen einwirkenden Spannung gebracht werden. Das Mass dieser Übereinstimmung wird in jedem Falle durch die technisch ökonomischen Rücksichten und die Wahrscheinlichkeit der Auftretung einer maximalen Überspannung bestimmt.
Bei den bestehenden industriellen Anlagen wird wegen der geringen Häufigkeit maximaler Überspannungen normalerweise die elektrische Festigkeit nicht für diese Maximalwerte ausgelegt, sondern wird für wesentlich geringere Werte gewählt. Zur Verhinderung eines Durchschlages bei der Einwirkung von Überspannungen, die gefährlich für die Isolation mit der gewählten elektrischen Festigkeit der elektrotechnischen Anlagen sind, werden Überspannungsschutzanordnungen verschiedener Wirkungsweise benutzt, die gewöhnlich parallel zu dem zu schützenden Objekt geschaltet werden.
Die Arbeitsweise der bekannten Überspannungsschutzgeräte beruht darauf, dass sie beim Erreichen durch die einwirkende Uberspannung eines für die zu schützenden Anlagen gefährlichen Wertes ansprechen (siehe beispielsweise britische Patentschrift Nr. 795 307, Kl. 39 (1) d; US-Patentschriften Nr. 611 108, Kl. 315-36; Nr.2818527, Kl.315-36; Nr.
2492850, Kl. 315-181: Nr. 2659839, Kl. 315-150; Nr.
2611107. Kl. 315-36; BRD-Patentschriften Nr. 754646 und Nr. 1 056716, Kl. 21c, Gr. 72; UdSSR-Urheberscheine Nr.
154 921. Kl. 21c, Gr. 72, Nr. 130 571, Kl. 21d, Gr. 2).
Die in der UdSSR und im Ausland hergestellten Überspannungsschutzanordnungen werden in Wechsel- und Gleichstromnetzen sowie in Einrichtungen zum Schutz von elektrischen Anlagen gegen Blitz- und Schaltüberspannungen betrieben.
Bei der Analyse der während des Betriebes dieser Schutzanordnungen gewonnenen Erfahrungen kann man zum Schluss kommen, dass ein schwer lösbarer Widerspruch in den an diesen gestellten Forderungen besteht.
Einerseits ist es aus technisch-ökonomischen Rücksichten erwünscht, dass die Reserve der Isolationsfestigkeit der elektrotechnischen Anlagen, die durch die obere Ansprechgrenze der Überspannungsschutzanordnung bestimmt wird, minimal ist, während andererseits die untere Ansprechgrenze der Überspannungsschutzanordnung hierbei die zuverlässige Arbeit der elektrotechnischen Anlagen sichern soll, ohne eine Überschreitung der zulässigen Ansprechhäufigkeit der Uberspannungsschutzanordnung hervorzurufen.
Diese Verhältnisse werden noch dadurch erschwert, dass die Überspannungsanordnungen selbst, die letzten Endes eine Kombination von Funkenstrecken darstellen, die Einführung von schwer kalkulierbaren Korrekturen erfordern, da deren Ansprechspannungen einen erheblichen Streuungsbereich haben. der von den Umgebungsbedingungen, der Konstruktion usw. abhängt.
Dies alles führte bei der Projektierung von Überspannungsschutzanordnungen zur wesentlichen Steigerung der Ansprechspannung und der lsolationsfestigkeitsreserve der elektrotechnischen Anlagen.
Aus dem oben Gesagten folgt, dass die zur Zeit im Betrieb befindlichen elektrotechnischen Anlagen unter solchen Bedingungen arbeiten, wo die Festigkeitsreserve deren Isolation äusserst selten ausgenutzt wird. Dies führt zu einem beträchtlichen Aufwand. Deshalb lösten ein grosses praktisches Interesse die Erfolge in der Entwicklung von Halbleiterdioden mit einer Lawinenstromspannungskennlinie bei Sperrspannungen aus, was die Möglichkeit bietet, an ihnen eine bestimmte Menge der ausgeschiedenen Energie zu zerstreuen. So wurde im Krshishanowski-lnstitut für Energetik die Anwendungsmöglichkeit einer Kette gegensinnig geschalteter Lawinendioden als Überspannungsschutzeinrichtung untersucht.
Die Wirkungsweise derartigen Überspannungsschutzes besteht in folgendem. Bei der Einwirkung einer Fremdspannung auf eine Kette gegensinnig geschalteter Lawinendioden wird diese nur an die entgegen der Richtung der einwirkenden Spannung geschalteten Lawinendioden angelegt, da der Spannungsabfall an den gleichsinnig mit der Richtung der einwirkenden Spannung geschalteten Lawinendioden hierbei vernachlässigbar klein ist.
Übersteigt die einwirkende Spannung die Summe der Spannungen, die durch die Sperrstromspannungskennlinien bestimmt werden, so beginnt ein Strom zu fliessen und die sich entwickelte Energie wird hauptsächlich an den Lawinendioden zerstreut, an welchen die Sperrspannung anliegt.
Die zulässige Dauerend-Grösse des dabei fliessenden Stromes sind durch die zulässige Energiemenge beschränkt, welche einen der wesentlichsten Kennwerte von diesem Typ der Lawinendioden darstellt.
Die Wirkung dieses Schutzes besteht darin, dass im Laufe der Einwirkung der Überspannung die Spannung an den gegensinnig geschalteten Lawinendioden in beiden Richtungen die Summe der Spannungen der entgegen der einwirkenden Spannung geschalteten Lawinendioden nicht übersteigt. Dadurch wird die Höhe der auf das zu schützende Objekt einwirkenden Spannungen reduziert.
Diese Angaben sind in den wissenschaftlichen Berichten des Krshishanowski-lnstitutes für Energetik für die Jahre
1964-1956 enthalten.
Von den Firmen AEG, SIEMENS, BBC (siehe BBM, 1969, 56, Nr. 2 Thyristorstromrichter für 100 kV Brückengleichspannung) wurde zum Schutz von Hochspannungs-Thyristorstromrichtern gegen Schaltüberspannungen eine aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden bestehende Schutzeinrichtung verwendet.
Durch die gegensinnige Reihenschaltung der Lawinendioden wird an dem zu schützenden Stromrichter eine Senkung der einwirkenden Schaltüberspannungen positiver und negativer Polarität erreicht, deren maximale Grösse durch die Summe der Sperrspannungen der in Reihe geschalteten Lawinendioden begrenzt wird.
ledoch kann diese Schutzeinrichtung bei einigen energiereichen Überspannungen selbst ausfallen.
Die theoretische und experimentelle Untersuchung der elektromagnetischen Vorgänge in elektrotechnischen Anlagen bei Einschwingvorgängen und beim Auftreten von Überspannungen gestattete es, einen anderen Weg in der Entwick lung von Überspannungsschutzgeräten einzuschlagen.
Es handelt sich darum, dass man die auf die elektrotechni schen Anlagen bei einem Einschwingvorgang einwirkenden
Schaltüberspannungen nicht nur nach der Amplitude differen zieren kann, wie dies früher der Fall war, sondern auch vom energetischen Gesichtspunkt aus. So entstehen beispiels weise beim Netzanschluss von elektrotechnischen Anlagen bzw. beim Schalten von Ventilen in Hochspannungsstrom richtern hochfrequente Schwingungen (105...106 Hz), deren
Amplitude selbst beim Vorhandensein von Dämpfungsketten beträchtliche Werte erreichen kann, während ihre Energie nicht gross ist. Deshalb ist es möglich, unter Zuhilfenahme von beispielsweise Lawinendioden die Amplitude solcher Überspannungen zu begrenzen und deren Energie zu zerstreuen.
Bei derartigem Schutz kann man die Isolationsfestigkeitsreserve bei Hochspannungsanlagen beträchtlich herabsetzen, da bei beliebigen Einschwingvorgängen die auf diese einwirkende Spannung die an die Lawinendioden angelegte Spannung nicht übersteigt.
Neben den erwähnten hochfrequenten Schwingungen kommen jedoch bei Einschwingvorgängen auch mittelfrequente (IOL.. 104 Hz) und niederfrequente (102...103 Hz) Schwingungen vor, deren Energie die zulässige Streuungsenergie der zur Anwendung gelangenden Begrenzer übersteigen kann.
Die Erfindung bezweckt die gemeinsame Anwendung von Lawinendioden und Funkenstrecken zum Schutz von elektrischen Anlagen gegen Schaltüberspannungen und andere Überspannungsarten.
Der Erfindung liegt der Schutz von elektrischen Anlagen gegen einwirkende Spannungen im Frequenzbereich 102-106 Hz zugrunde, bei dem die auf die Isolation der elektrischen Anlagen einwirkenden Überspannungen herabgesetzt werden, ohne dass hierbei die Schutzeinrichtungen selbst beschädigt werden.
Die Erfassung der entstehenden Überspannungen bei Einschwingvorgängen gestattet es, in vielen Fällen die Abmessungen und die Kosten der zu schützenden Objekte beträchtlich zu senken, ohne hierbei die Ansprechhäufigkeit der Funkenstrecken zu erhöhen.
Das oben dargelegte wurde insbesondere bei der Entwicklung der Uberspannungsschutzanordnungen zum Schutz der Hochspannungs-Thyristoreinheiten der Gleichstromübertragungsleitung Kaschira-Moskau benutzt.
Die entwickelten und hergestellten Überspannungsschutzanordnungen bestanden eine Reihe von Typen- und Betriebsprüfungen, wobei sie die Richtigkeit der oben dargelegten Lö sungen voll bestätigten. Die Anwendung solcher Überspannungsschutzeinrichtungen gestattete es, unter den Bedingungen der erwähnten Übertragungsleitung um 250/0 die auf die elektrische Anlage einwirkende Spannung mit allen sich aus diesem ergebenden Folgen hinsichtlich der Masse und Abmessungen zu reduzieren.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen, die zumindest mit einer nicht steuerbaren Funkenstrecke und einer Kette zur Begrenzung der Spannung an der Funkenstrecke, bestehend zumindest aus zwei gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden, ausgeführt ist, gemäss der Erfindung zumindest eine durch einen Stromgeber gesteuerte Funkenstrecke der in Reihe mit mindestens einer erwähnten nichtsteuerbaren Funkenstrecke geschaltet ist, enthält, wobei parallel zu jeder nichtsteuerbaren und steuerbaren Funkenstrecke über ein Trennungselement die erwähnte Kette und parallel zu dieser Kette ein Kondensator geschaltet ist, während in Reihe mit mindestens einer erwähnten Kette, parallel zu welcher die er wähnte steuerbare Funkenstrecke geschaltet ist, der Eingang des Stromgebers,
dessen Ausgang über eine Steuereinheit mit der Zünd- und Arbeitselektrode der erwähnten Funkenstrecke verbunden ist, liegt. Das erwähnte Trennungselement wird vorzugsweise als linearer Widerstand ausgeführt.
Zweckmässigerweise wird in Reihe mit zumindest einer Funkenstrecke ein Fehlerstrombegrenzungselement geschaltet.
Dieses Fehlerstrombegrenzungselement wird vorzugsweise als einspannungsabhängiger Widerstand ausgeführt. Weiterhin ist es zweckmässig, gleichsinnig mit jeder der gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden mindestens erwähnten Kette zumindest eine zusätzliche Lawinendiode vorzuschalten.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beigefügten Figuren beispielsweise näher beschrieben. Jedoch beschränkt sich die Erfindung nicht auf die verwendeten engen Fachbegriffe, wobei zu beachten ist, dass jeder Fachbegriff alle äquivalenten Elemente umfasst, die auf ähnliche Weise arbeiten und zur Lösung der gleichen Aufgaben benutzt werden. So ist unter Stromgeber ein Stromwandler bzw. eine andere Stromgeberausführung zu verstehen. Auch ist zu beachten, dass sich aus der Beschreibung und der Betrachtung der Zeichnungen weitere Ziele und Vorzüge der Erfindung offenbaren.
Es zeigen:
Fig. 1 die elektrische Schaltung der Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen, die aus hintereinander geschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken und einer steuerbaren Funkenstrecke ausgeführt ist;
Fig. 2 die elektrische Schaltung der Überspannungsschutzanordnung gemäss Fig. 1, bei der die Einheiten 2 und 8 detailliert dargestellt sind;
Fig. 3 die elektrische Schaltung der Überspannungsschutzanordnung für elektrische Anlagen, die aus hintereinander geschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken und zwei steuerbaren Funkenstrecken ausgeführt ist, wobei jedem der gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden zwei zusätzliche Lawinendioden gleichsinnig vorgeschaltet sind.
Die Einrichtung enthält in Reihe geschaltete nichtsteuerbare Funkenstrecken la-2m (Fig. 1), parallel zu welchen über Widerstände 2a-2n je eine Kette aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden 3a-4a; 3b-4b...3n-4n, sowie je ein Kondensator 5a, 5b...5n gelegt ist. In Reihe mit den nichtsteuerbaren Ableitern liegt eine steuerbare Funkenstrecke 6a, wobei parallel zur erwähnten steuerbaren Funkenstrecke eine Kette aus gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden 3n-4n geschaltet ist, während ihre Zündelektrode 7 mit dem Ausgang der Steuereinheit 8 verbunden ist, an deren Eingang der Ausgang des Stromgebers 9 gelegt ist, dessen Eingang in Reihe mit den Lawinendioden 3a-4a; 3b-4b...3n-4n geschaltet ist.
Die Sekundärwicklung des Stromgebers 9 wird an den Eingang des Stromintegrierorgans 10 der Steuereinheit 8 der Funkenstrecke 6a (Fig. 2) gelegt. Die Überspannungsschutzanordnung wird an die elektrische Anlage über die Klemmen 11'-11" angeschlossen. Das Stromintegrierorgan 10 besteht aus einem Gleichrichter 12 mit Dioden 13, 14, 15, 16.
Der Ausgang des Gleichrichters 12 ist an einen Speicherkondensator 17 über einen Widerstand 18 angeschlossen. Parallel zum Kondensator 17 ist ein Widerstand 19 geschaltet.
Der Ausgang des Stromintegrierorgans ist mit der Steuerelektrode von Thyristor 20 über eine Entkopplungsdiode 21, einen Dynistor 22 und einen Begrenzungswiderstand 23 verbunden und an die Katode des Thyristors 20 angeschlossen.
An die Katode der Diode 21 und die Anode des Dynistors 22 ist die Katode einer Diode 24 angeschlossen, während an die Anode der letzteren eine Kette aus parallel geschalteten Kondensator 25 und Zenerdiode 26 angeschlossen ist, wobei die Anode der letzteren und der freie Belag des Kondensators 25 mit der Katode des Thyristors 20 verbunden sind, während parallel zu der Zenerdiode 26 die Gleichstromquelle 27 geschaltet ist.
Der Thyristor 20 liegt in dem aus der Primärwicklung 28 von einem Impulstransformator 29 und einem Kondensator 30 bestehenden Kreis, wobei an den erwähnten Kondensator über einen Widerstand 31 eine Gleichstromquelle 32 angeschlossen ist.
Die Sekundärwicklung 33 des lmpulstransformators 29 ist an den Hauptanschluss 34 und die Zündelektrode 7 der steuerbaren Funkenstrecke angeschlossen.
In normalen Betriebszuständen übersteigt die einwirkende Spannung nicht die Summensperrspannung der Lawinendioden einer Richtung 3a-3n bzw. 4a-4n (je nach der Po larität der auf die Kette einwirkenden Spannung), so dass nicht alle Dioden einer Richtung im Lawinenabschnitt der Stromspannungskennlinie arbeiten können. Hierbei ist der durch die Primärwicklung des Stromwandlers (des Gebers 9) fliessende Strom der Streustrom der Lawinendioden und reicht nicht zur Sicherung des Auslösesignals für die Funkenstrecke 6 in der Steuereinheit 8 aus.
Bei der Einwirkung von Uberspannungen auf die elektrische Anlage nehmen die Spannungen an den Klemmen 1 l'-1 1 bis zum Wert der Summensperrspannung der Dioden 3a-3n bzw. 4a-4n zu. Dies führt dazu, dass alle Dioden einer Richtung im Lawinenteil der Stromspannungskennlinie arbeiten. wonach die Spannungszunahme an den Klemmen 11-11' aufhört. Im Lawinendiodenkreis fliesst in Fehlerstrom, dessen Amplitude und Dauer durch die elektrischen Parameter der einwirkenden Überspannungen bestimmt werden und der einige zehn und hundert Ampere betragen kann.
Die Schutzanordnung ist befähigt, die Spannung an den Klemmen 11'-11" im Überspannungsbetrieb so lange zu begrenzen. bis die in den Lawinendioden 3a-3n bzw. 4a-4n ausgeschiedene Energie den zulässigen Wert nicht überschritten bzw. der Strom durch die Lawinendioden nicht den Zerstörungswert erreicht hat.
In diesem Falle erzeugt die Steuereinheit 8 ein Signal zum Auslösen der steuerbaren Funkenstrecke 6, nach deren Ansprechen die nichtsteuerbaren Funkenstrecken la-lm ansprechen. demzufolge die Klemmen 10-10" spannungslos gemacht werden.
Da man die Spannung an den Klemmen 10'-10", nachdem die Lawinendioden im Lawinenteil der Stromspannungskennlinie zu arbeiten begonnen haben, in erster Annäherung als unveränderlich annehmen kann, so ist die hierbei in den Lawinendioden freigewordene Energie proportional zu dem Integral des durch diesen fliessenden Stromes.
In der Einheit 8 wird periodisch die in den Lawinendiodenketten freigewordene Energie mit dem zulässigen Wert verglichen. Zu diesem Zweck ist in der Einheit 8 ein Organ 10 zur periodischen Integrierung des durch die Lawinendioden fliessenden Stromes vorhanden. Die Integrierung erfolgt mit Hilfe des Speicherkondensators 17, der über den Brükkengleichrichter 12 mit den Dioden 13-16 durch den durch die Lawinendioden fliessenden Strom aufgeladen wird, wobei dieser Strom dem Stromintegrierungsorgan 10 von der Sekundärwicklung des Stromwandlers (des Gebers 9) zugeführt wird.
Die Spannung an dem Kondensator 17 ist proportional zu der in den Lawinendiodenketten freigewordenen Energie.
Als Einstellspannung dient die Umschaltspannung des Dynistors 22. Sobald die Spannung am Kondensator 17 und Widerstand 18 den Wert der Umschaltspannung des Dynistors 22 erreicht, wird dieser leitend und bildet einen Entladungskreis für den von der Quelle 27 aufgeladenen Hilfskondensator 25. Die Stromkreise der Kondensatoren 17 und 25 sind durch die Dioden 21 und 24 getrennt. Die Spannung am Kondensator 25 ist durch die Zenerdiode 26 stabilisiert, während der Wert dieser Spannung wesentlich kleiner als die Umschaltspannung des Dynistors 22 ist. Bei der Entladung des Kondensators 25 wird ein Impuls erzeugt, der über die Entkopplungsdiode 21 und den Begrenzungswiderstand 23 den Thyristor 20 einschaltet. Beim Einschalten des Thyristors 20 findet die Entladung des von der Quelle 32 über den Widerstand 31 aufgeladenen Kondensators 30 statt.
Die Entladung des Kondensators 30 erfolgt über die Primärwicklung 28 des Aufwärtsimpulstransformators 29, dessen Sekundärwicklung 33 an die Zündelektrode 7 und die Arbeitselektrode 34 der Funkenstrecke 6a angeschlossen ist.
Die Einstellung der Steuereinheit 8 kommt derart zustande, dass die Umschaltung des Dynistors 22 entweder, wenn die in den Lawinendioden freiwerdende Energie den höchstzulässigen Wert erreicht hat, oder, wenn der Strom durch die Lawinendioden wenigstens kurzzeitig den Einstellwert (nach der Art des Schnellüberstromschutzes) überstiegen hat, erfolgt, wodurch es möglich ist, die Lawinendioden auch gegen Zerstörung durch Überströme zu schützen.
Der Widerstand 18 des Integrierungsorgans 10 dient zur Überstromschutzeinstellung, während der Widerstand 19 zur periodischen Entladung des Kondensators 17 dient.
Im Falle, wenn bei Uberspannungen die in den Lawinendiodenketten zerstreute Energie den zulässigen Wert und der Strom den eingestellten Wert nicht übersteigt, spricht die Funkenstrecke 6a nicht an. Die Schutzwirkung der Schutzanordnung läuft in diesem Falle auf die Beschränkung der Überspannung an den Klemmen 1 1'-l 1" des zu schützenden Objektes auf die zulässige Summensperrspannung der Lawinendioden hinaus. Falls jedoch die Energie der Uberspannungsquelle die zulässige Streuenergie der Lawinendiodenketten übersteigt, so erzeugt die Einheit 8 ein Signal zum Auslösen der Funkenstrecke 6. Das Ansprechen der steuerbaren Funkenstrecke ist in diesem Falle als richtige Wirkung der Schutzanordnung zu betrachten.
Die oben beschriebene Schutzanordnung (Fig. 1 und 2) ist zum Schutz von elektrischen Einrichtungen mit einer Spannung von etwa 100 kV bei gleichen Spitzenwerten der negativen und positiven Spannung zu empfehlen.
Für elektrische Einrichtungen mit einer Spannung über 100 kV wird zweckmässigerweise eine Schutzanordnung mit in Reihe geschalteten nichtsteuerbaren Funkenstrecken la und steuerbaren Funkenstrecken 6a und 6b (Fig. 3) verwendet.
In Reihe mit jeder der nichtsteuerbaren Funkenstrecken la-lm und steuerbaren Funkenstrecken 6a und 6b (Fig. 3) sind die Fehlerstrombegrenzungselemente 35a-35n (Fig. 3) geschaltet. Die Schaltung der Elemente 35a-35n in Reihe mit jeder der Funkenstrecken la-ln und 6a-6b wird aus konstruktiven Gründen vorgenommen. Bei Bedarf können alle Elemente 35a-35n zusammen in Reihe mit jeder beliebigen Funkenstrecke la-ln bzw. 6a-6b geschaltet werden.
In Reihe mit jeder der gegensinnig in Reihe geschalteten Lawinendioden 3a-3n und 4a-4n sind zusätzlich zwei Lawinendioden 3'a, 3"a-3'n, 3"n und 4'a, 4"a-4'n, 4"n geschaltet.
Zur Steuerung der Funkenstrecken 6a und 6b sind die Einheiten 8a und 8b, die mit den oben beschriebenen identisch sind, verwendet.
Da in elektrischen Anlagen mit einer Spannung von über
100 kV energiereichere Überspannungen zu erwarten sind, so ist es bei der Entwicklung von Schutzeinrichtungen zweck mässig, die zulässige Streuenergie der Lawinendioden zu erhöhen, was durch das Einschalten von zusätzlichen Lawinendioden 3'a, 3"a-3'n, 3"n und 4'a, 4"a-4n, 4"n erreicht wird.
Ausserdem entstehen in solchen Hochspannungsanlagen beim Ansprechen aller Funkenstrecken beträchtliche Kurzschlussströme, die eine Beschädigung der Ausrüstung (Ableiter, Netztransformatoren u. a.) hervorrufen können. Zur Herabsetzung der Kurzschlussströme sind die Fehlerstrombegrenzungselemente 35a-35n bestimmt.
Und schliesslich bei einer erhöhten Spannung an den
Klemmen 11'-11" von über 100 kV ist zur Erhöhung der An sprechzuverlässigkeit der nichtsteuerbaren Funkenstrecken eine beträchtliche Steigerung der Spannung an jeder von die sen erforderlich, was durch Vergrösserung der Anzahl der bei gefährlichen Überspannungen ansprechenden steuerba ren Funkenstrecken erreicht wird.
The invention relates to an overvoltage protection arrangement for electrical systems.
One of the most important factors that ensure high operational reliability of electrical systems is the stability of their work when they are electrically affected by the AC or DC supply network.
Such a factor is e.g. B. the maximum value of the applied voltage that is safe for the insulation, which is determined theoretically or experimentally. From this point of view, the electrical strength of the insulation of industrial plants must be brought into conformity with the maximum applied voltage. The degree of this correspondence is determined in each case by the technical economic considerations and the probability of a maximum overvoltage occurring.
In the existing industrial systems, because of the low frequency of maximum overvoltages, the electrical strength is normally not designed for these maximum values, but is selected for significantly lower values. To prevent a breakdown in the event of overvoltages that are dangerous for the insulation with the selected electrical strength of the electrotechnical systems, overvoltage protection arrangements of various modes of operation are used, which are usually connected in parallel to the object to be protected.
The mode of operation of the known surge protection devices is based on the fact that they respond when the overvoltage that acts on them reaches a value that is dangerous for the systems to be protected (see, for example, British Patent No. 795 307, Class 39 (1) d; US Patent No. 611 108 , Class 315-36; No. 2818527, class 315-36; No.
2492850, class 315-181: No. 2659839, class 315-150; No.
2611107. Cl. 315-36; BRD patents No. 754646 and No. 1 056716, class 21c, Gr. 72; USSR copyright certificates No.
154 921. Class 21c, Gr. 72, No. 130 571, class 21d, size. 2).
The overvoltage protection arrangements manufactured in the USSR and abroad are operated in AC and DC networks as well as in facilities for protecting electrical systems against lightning and switching overvoltages.
When analyzing the experience gained during the operation of these protective arrangements, one can come to the conclusion that there is a contradiction in the demands placed on them that is difficult to resolve.
On the one hand, for technical and economic reasons it is desirable that the reserve of the insulation strength of the electrotechnical systems, which is determined by the upper response limit of the overvoltage protection arrangement, is minimal, while on the other hand, the lower response limit of the overvoltage protection arrangement should ensure the reliable operation of the electrotechnical systems without cause the overvoltage protection arrangement to exceed the permissible response frequency.
These conditions are made even more difficult by the fact that the overvoltage arrangements themselves, which ultimately represent a combination of spark gaps, require the introduction of corrections that are difficult to calculate, since their response voltages have a considerable scatter range. which depends on the environmental conditions, the construction, etc.
When planning surge protection arrangements, all of this led to a significant increase in the response voltage and the insulation resistance reserve of the electrical engineering systems.
From what has been said above, it follows that the electrical engineering systems currently in operation work under such conditions where the strength reserve of their insulation is extremely rarely used. This leads to a considerable effort. Therefore, the successes in the development of semiconductor diodes with an avalanche current voltage characteristic at reverse voltages triggered a great practical interest, which offers the possibility of dissipating a certain amount of the separated energy on them. In the Krshishanowski Institute for Energy, the possibility of using a chain of avalanche diodes switched in opposite directions as an overvoltage protection device was investigated.
The mode of operation of such overvoltage protection consists in the following. When an external voltage acts on a chain of oppositely connected avalanche diodes, it is only applied to the avalanche diodes connected in the opposite direction of the acting voltage, since the voltage drop across the avalanche diodes connected in the same direction as the direction of the acting voltage is negligibly small.
If the applied voltage exceeds the sum of the voltages that are determined by the reverse current voltage characteristics, a current begins to flow and the energy developed is mainly dissipated by the avalanche diodes to which the reverse voltage is applied.
The permissible permanent end size of the flowing current is limited by the permissible amount of energy, which represents one of the most important parameters of this type of avalanche diode.
The effect of this protection is that in the course of the effect of the overvoltage, the voltage on the avalanche diodes connected in opposite directions does not exceed the sum of the voltages of the avalanche diodes connected in opposite directions in both directions. This reduces the amount of stress acting on the object to be protected.
This information is in the scientific reports of the Krshishanowski Institute for Energy for the years
Included 1964-1956.
AEG, SIEMENS, BBC (see BBM, 1969, 56, No. 2 thyristor converters for 100 kV DC bridge voltage) used a protective device consisting of avalanche diodes connected in series in opposite directions to protect high-voltage thyristor converters against switching overvoltages.
By connecting the avalanche diodes in opposite directions, the converter to be protected reduces the switching overvoltages of positive and negative polarity, the maximum size of which is limited by the sum of the blocking voltages of the series-connected avalanche diodes.
However, this protective device can itself fail in the event of some high-energy overvoltages.
The theoretical and experimental investigation of the electromagnetic processes in electrotechnical systems during transient processes and the occurrence of overvoltages made it possible to take a different path in the development of overvoltage protection devices.
It is a matter of the fact that one acts on the electrical systems rule during a transient process
Switching overvoltages can differ not only according to the amplitude, as was the case in the past, but also from an energetic point of view. For example, when connecting electrical systems to the grid or switching valves in high-voltage converters, high-frequency vibrations (105 ... 106 Hz) occur
Amplitude can reach considerable values even in the presence of damping chains, while their energy is not great. It is therefore possible, with the aid of avalanche diodes, for example, to limit the amplitude of such overvoltages and to dissipate their energy.
With this type of protection, the insulation resistance reserve in high-voltage systems can be reduced considerably, since the voltage acting on them does not exceed the voltage applied to the avalanche diodes during any transient processes.
In addition to the high-frequency vibrations mentioned above, there are also medium-frequency (IOL .. 104 Hz) and low-frequency (102 ... 103 Hz) vibrations, the energy of which can exceed the permissible scatter energy of the limiters used.
The invention aims at the joint use of avalanche diodes and spark gaps to protect electrical systems against switching overvoltages and other types of overvoltage.
The invention is based on the protection of electrical systems against acting voltages in the frequency range 102-106 Hz, in which the overvoltages acting on the insulation of the electrical systems are reduced without damaging the protective devices themselves.
The detection of the overvoltages that arise during transient processes makes it possible in many cases to reduce the dimensions and the costs of the objects to be protected considerably, without increasing the frequency of response of the spark gaps.
What has been set out above was used in particular in the development of the overvoltage protection arrangements for protecting the high-voltage thyristor units of the direct current transmission line Kaschira-Moscow.
The overvoltage protection arrangements developed and manufactured passed a series of type and operational tests, and they fully confirmed the correctness of the solutions presented above. The use of such overvoltage protection devices made it possible, under the conditions of the transmission line mentioned, to reduce the voltage acting on the electrical system by 250/0, with all the consequences resulting therefrom with regard to mass and dimensions.
This is achieved in that the overvoltage protection arrangement for electrical systems, which is designed with at least one non-controllable spark gap and a chain for limiting the voltage at the spark gap, consisting of at least two oppositely connected in series avalanche diodes, according to the invention at least one by one Current transmitter-controlled spark gap which is connected in series with at least one mentioned non-controllable spark gap, the mentioned chain and parallel to this chain being connected in parallel to each non-controllable and controllable spark gap via a separating element, while in series with at least one mentioned chain, parallel to which the mentioned controllable spark gap is connected, the input of the current transmitter,
whose output is connected to the ignition and working electrode of the spark gap mentioned via a control unit. The mentioned separation element is preferably designed as a linear resistor.
A fault current limiting element is expediently connected in series with at least one spark gap.
This fault current limiting element is preferably designed as a voltage-dependent resistor. Furthermore, it is expedient to connect at least one additional avalanche diode upstream of each of the avalanche diodes connected in series in the same direction.
The invention is described in more detail below with reference to the accompanying figures, for example. However, the invention is not limited to the narrow technical terms used, it being understood that each technical term includes all equivalent elements that operate in a similar manner and are used to solve the same problems. For example, a current transmitter is to be understood as a current transformer or another type of current transmitter. It should also be noted that further objects and advantages of the invention will become apparent from the description and consideration of the drawings.
Show it:
1 shows the electrical circuit of the overvoltage protection arrangement for electrical systems, which is made up of non-controllable spark gaps connected in series and a controllable spark gap;
FIG. 2 shows the electrical circuit of the overvoltage protection arrangement according to FIG. 1, in which the units 2 and 8 are shown in detail;
3 shows the electrical circuit of the overvoltage protection arrangement for electrical systems, which is made up of non-controllable spark gaps connected in series and two controllable spark gaps, each of the avalanche diodes connected in series in opposite directions being preceded by two additional avalanche diodes in the same direction.
The device contains series-connected non-controllable spark gaps la-2m (FIG. 1), parallel to which, via resistors 2a-2n, a chain of avalanche diodes 3a-4a connected in series in opposite directions; 3b-4b ... 3n-4n, as well as a capacitor 5a, 5b ... 5n each. In series with the non-controllable arresters there is a controllable spark gap 6a, a chain of avalanche diodes 3n-4n connected in series in opposite directions being connected in parallel to the aforementioned controllable spark gap, while their ignition electrode 7 is connected to the output of the control unit 8, at whose input the output of the current generator 9 is placed, the input of which is in series with the avalanche diodes 3a-4a; 3b-4b ... 3n-4n is switched.
The secondary winding of the current generator 9 is applied to the input of the current integrator 10 of the control unit 8 of the spark gap 6a (FIG. 2). The overvoltage protection arrangement is connected to the electrical system via terminals 11'-11 ". The current integrating element 10 consists of a rectifier 12 with diodes 13, 14, 15, 16.
The output of the rectifier 12 is connected to a storage capacitor 17 via a resistor 18. A resistor 19 is connected in parallel with the capacitor 17.
The output of the current integrating element is connected to the control electrode of thyristor 20 via a decoupling diode 21, a dynistor 22 and a limiting resistor 23 and is connected to the cathode of thyristor 20.
The cathode of a diode 24 is connected to the cathode of the diode 21 and the anode of the dynistor 22, while a chain of capacitor 25 and Zener diode 26 connected in parallel is connected to the anode of the latter, the anode of the latter and the free layer of the capacitor 25 are connected to the cathode of the thyristor 20, while the direct current source 27 is connected in parallel with the Zener diode 26.
The thyristor 20 is located in the circuit consisting of the primary winding 28 of a pulse transformer 29 and a capacitor 30, a direct current source 32 being connected to the mentioned capacitor via a resistor 31.
The secondary winding 33 of the pulse transformer 29 is connected to the main connection 34 and the ignition electrode 7 of the controllable spark gap.
In normal operating conditions, the applied voltage does not exceed the total reverse voltage of the avalanche diodes in one direction 3a-3n or 4a-4n (depending on the polarity of the voltage acting on the chain), so that not all diodes in one direction can work in the avalanche section of the current-voltage characteristic. In this case, the current flowing through the primary winding of the current transformer (of the transmitter 9) is the leakage current of the avalanche diodes and is not sufficient to secure the trigger signal for the spark gap 6 in the control unit 8.
When overvoltages act on the electrical system, the voltages at terminals 11-1-1 increase up to the value of the total reverse voltage of diodes 3a-3n or 4a-4n. This means that all diodes in one direction work in the avalanche part of the current-voltage characteristic. after which the voltage increase at terminals 11-11 'stops. A fault current flows in the avalanche diode circuit, the amplitude and duration of which are determined by the electrical parameters of the overvoltages involved and which can amount to tens or hundreds of amperes.
The protective arrangement is able to limit the voltage at terminals 11'-11 "in overvoltage mode until the energy released in the avalanche diodes 3a-3n or 4a-4n does not exceed the permissible value or the current through the avalanche diodes does not has reached the destruction value.
In this case, the control unit 8 generates a signal for triggering the controllable spark gap 6, after which the non-controllable spark gaps 1 a-lm respond. consequently terminals 10-10 "are de-energized.
Since the voltage at terminals 10'-10 ", after the avalanche diodes have started to work in the avalanche part of the current-voltage characteristic, can be assumed to be unchanged in a first approximation, the energy released in the avalanche diodes is proportional to the integral of that flowing through them Current.
In the unit 8, the energy released in the avalanche diode chains is periodically compared with the permissible value. For this purpose, an organ 10 for the periodic integration of the current flowing through the avalanche diodes is present in the unit 8. The integration takes place with the help of the storage capacitor 17, which is charged via the bridge rectifier 12 with the diodes 13-16 by the current flowing through the avalanche diodes, this current being fed to the current integrating element 10 from the secondary winding of the current transformer (the transmitter 9).
The voltage across the capacitor 17 is proportional to the energy released in the avalanche diode chains.
The switching voltage of the dynistor 22 is used as the setting voltage. As soon as the voltage across the capacitor 17 and resistor 18 reaches the value of the switching voltage of the dynistor 22, the latter becomes conductive and forms a discharge circuit for the auxiliary capacitor 25 charged by the source 27. The circuits of the capacitors 17 and 25 are separated by diodes 21 and 24. The voltage across the capacitor 25 is stabilized by the Zener diode 26, while the value of this voltage is significantly smaller than the switching voltage of the dynistor 22. When the capacitor 25 is discharged, a pulse is generated which switches on the thyristor 20 via the decoupling diode 21 and the limiting resistor 23. When the thyristor 20 is switched on, the capacitor 30 charged by the source 32 via the resistor 31 is discharged.
The capacitor 30 is discharged via the primary winding 28 of the step-up pulse transformer 29, the secondary winding 33 of which is connected to the ignition electrode 7 and the working electrode 34 of the spark gap 6a.
The setting of the control unit 8 comes about in such a way that the switchover of the dynistor 22 either when the energy released in the avalanche diodes has reached the maximum permissible value, or when the current through the avalanche diodes has at least briefly exceeded the setting value (according to the type of rapid overcurrent protection) has taken place, which makes it possible to protect the avalanche diodes from being destroyed by overcurrents.
The resistor 18 of the integrating element 10 is used for setting the overcurrent protection, while the resistor 19 is used for the periodic discharge of the capacitor 17.
If, in the event of overvoltages, the energy dissipated in the avalanche diode chains does not exceed the permissible value and the current does not exceed the set value, the spark gap 6a does not respond. In this case, the protective effect of the protective arrangement amounts to limiting the overvoltage at terminals 1 1'-l 1 "of the object to be protected to the permissible total reverse voltage of the avalanche diodes. However, if the energy of the overvoltage source exceeds the permissible stray energy of the avalanche diode chains, it is generated the unit 8 a signal for triggering the spark gap 6. The response of the controllable spark gap is to be regarded in this case as the correct effect of the protective arrangement.
The protective arrangement described above (Fig. 1 and 2) is recommended for protecting electrical equipment with a voltage of about 100 kV with the same peak values of the negative and positive voltage.
For electrical devices with a voltage above 100 kV, a protective arrangement with non-controllable spark gaps 1a and controllable spark gaps 6a and 6b (FIG. 3) connected in series is expediently used.
The fault current limiting elements 35a-35n (FIG. 3) are connected in series with each of the non-controllable spark gaps la-lm and controllable spark gaps 6a and 6b (FIG. 3). The connection of the elements 35a-35n in series with each of the spark gaps la-ln and 6a-6b is carried out for structural reasons. If necessary, all elements 35a-35n can be connected together in series with any spark gap la-ln or 6a-6b.
In series with each of the avalanche diodes 3a-3n and 4a-4n connected in series in opposite directions are additionally two avalanche diodes 3'a, 3 "a-3'n, 3" n and 4'a, 4 "a-4'n, 4 "n switched.
The units 8a and 8b, which are identical to those described above, are used to control the spark gaps 6a and 6b.
As in electrical systems with a voltage of over
100 kV more energetic overvoltages are to be expected, it is advisable when developing protective devices to increase the permissible stray energy of the avalanche diodes, which can be achieved by switching on additional avalanche diodes 3'a, 3 "a-3'n, 3" n and 4'a, 4 "a-4n, 4" n is reached.
In addition, in such high-voltage systems, when all spark gaps respond, considerable short-circuit currents arise, which can damage the equipment (arresters, network transformers, etc.). The fault current limiting elements 35a-35n are intended to reduce the short-circuit currents.
And finally when there is increased tension on the
Terminals 11'-11 "of over 100 kV, a considerable increase in the voltage at each of these is required to increase the response reliability of the non-controllable spark gaps, which is achieved by increasing the number of controllable spark gaps that respond to dangerous overvoltages.