Die Erfindung betrifft eine Ableiterfunkenstrecke mit zwei Platten aus lichtbogenfestem Isolationsmaterial, welche eine Schmalspalt-Lichtbogen-Löschkammer mit mindestens einer ersten und einer zweiten Elektrode bilden, deren Ar beitsflächen in Richtung der Lichtbogenausbreitung auseinan dergehen, und mit einer elektromagnetischen Blasspule, die von dem über die Funkenstrecke fliessenden Strom durchflos sen ist.
Solche Ableiterfunkenstrecken werden in Überspannungs ableitern zum Schutz von Hochspannungsanlagen für
Gleich- oder Wechselspannung verwendet.
Beispielsweise aus der US-Patentschrift Nr. 3 151 273 ist eine Ableiterfunkenstrecke mit zwei Platten aus lichtbogenfestem Material bekannt, welche eine Schmalspaltkammer zur
Bogenlöschung, mit mindestens zwei Elektroden mit in Richtung der Lichtbogenausbreitung auseinandergehenden Flä chen und einer elektromagnetischen Blasspule aufweist, die vom Strom durch die Funkenstrecke durchflossen wird.
Obwohl solche Funkenstrecken über eine strombegrenzende Wirkung verfügen und deshalb für Überspannungsableiter in Hochspannungsanlagen für Gleichspannung verwendbar sind, ist der unmittelbare Verwendungsbereich derartiger Funkenstrecken recht beschränkt.
Das Problem bei der Schaffung von Überspannungsableitern für Hoch- und Höchstspannungsanlagen für Gleichspannung besteht darin, dass sie den Folgestrom in Kreisen mit hoher Induktivität, nach Strömen mit recht hoher Amplitude und Dauer, unterbrechen sollen, die beim Ansprechen des Ab leiters infolge Spannungswellen entstehen. So erreicht z. B.
die Strombelastung von Ventilableitern zum Schutz der Hauptisolation von Unterwerken für Gleichspannungsübertragungsleitungen für + 750 kV und eine Länge von 2500 km etwa 2-3 kA mit einer Dauer bis zu 40 ms. Darüber hinaus führt der geminderte Isolationspegel solcher Übertragungsleitungen zu recht niedrigen Verhältnissen der Durchschlagsspannung U1 zur Lichtbogenlöschspannung U2, was zusätzliche Schwierigkeiten bei der Konstruktion solcher Ableiter hervorruft.
Die obengenannte, strombegrenzende Funkenstrecke ist absolut ungeeignet für lange Hochspannungsleitungen für Gleichspannung, weil die aktive Bogenlöschung, beispielsweise die Dehnung im schmalen Spalt der Löschkammer, nach dem Durchschlag durch den Ableiter mit einer Verzögerung von 0,5 ms beginnt. Wegen der Einwirkung anhaltender Stromwellen, die durch Überspannungen in Leitungen mit grosser Induktivität bedingt sind, führen gewöhnliche, mit solchen Funkenstrecken versehene Ableiter zu unzulässigen Spannungserhöhungen bei der Bogenlöschung, wobei die Funkenstrecken ausfallen. Um solche Funkenstrecken sogar für Übertragungsleitungen geringerer Länge und Spannung, z. B. 400 kV und 1000 km, zu benutzen, sind recht komplizierte Schaltungen erforderlich, die zwei bis drei parallel geschaltete, abwechselnd arbeitende Ableiter vorsehen. Eine solche Ausführung ist z.
B. in der US-Patentschrift Nr.
3 513 354 beschrieben.
In Ableitern für Hoch- und Höchst-Gleichspannungen sind solche Funkenstrecken am besten geeignet, bei welchem aktive Lichtbogenlöschung erst nach Beendigung der Einwirkung der Uberspannungswelle beginnt, wenn ihre Ener- gie im nichtlinearen Arbeitswiderstand des Ableiters zerstreut ist, und die Spannung an dessen Einbaustelle etwa dem Nennwert entspricht.
Es gibt mehrere Lösungen dieser Aufgabe. Im einfachsten Falle verzögert man den Beginn der elektromagnetischen Blasung, die eine Verstellung des Lichtbogens in der Funkenstrecke der erwähnten Art hervorruft, derart, dass die Anfangsverzögerung von 0,5 bis auf etwa 2-3 ms erhöht wird (siehe z. B. US-Patentschrift Nr. 3 611 045). Interessanter ist diejenige Lösung, bei welcher der Beginn der aktiven Lichtbogenlöschung entsprechend der Stromstärke über den Ableiter gesteuert wird. Eine solche Steuerung kann beispielsweise durch mehrfach wiederholte Durchschläge der Funkenstrecke erfolgen, indem man in den Durchschlagsbereich ionisierte Gase einbläst, die in dieser, noch vor der Bogendehnung, bei hinreichend grossen Strömen entstehen.
Die Lichtbogenlöschung in einer solchen Funkenstrecke endet erst dann, wenn der Strom einen Wert erreicht hat, welcher der Einstellung eines Ableiters mit einer Spannung U2 und einem sogenannten Löschstrom I2 entspricht. Der Aufbau solcher Funkenstrecken ist z. B. in der schwedischen Patentschrift Nr. 328 932 beschrieben. Eine weitere Funkenstrecke mit Steuerung der aktiven Lichtbogenlöschung nach dem Strom durch den Ableiter ist in der US-Patentschrift Nr.
3 663 856 beschrieben. Bei dieser Ausführung ist die Löschkammer für den Lichtbogen in zwei geteilt, d. h. in eine Kammer zur Vordehnung des Lichtbogens, und in eine eigentliche Löschkammer mit schmalem Spalt, wobei zwischen den beiden Kammern ein schmaler Verbindungskanal vorhanden ist. Das Eindringen des Lichtbogens in diese Löschkammer, d. h. die aktive Lichtbogenlöschung, ist hier nur bei Strömen kleiner oder gleich I2 möglich, da der Lichtbogen bei grösseren Strömen nicht über den schmalen Kanal aus der Vordehnungskammer austreten kann.
Jedoch erfüllt keine der in der US-Patentschrift Nr.
3 151 273 erwähnten Verbesserungen der strombegrenzenden Funkenstrecke die gestellte Aufgabe, da alle diese Funkenstrecken nur bei recht geringen Löschströmen von 150-400 A arbeiten können und somit zur Schaffung eines Ableiters mit hinreichend niedrigem Schussniveau von U1!U2 nicht ausreichen. Ferner ist die Durchschlagsfähigkeit zu klein, d. h., dass die Funkenstrecken keine Stromwellen mit einer Dauer von mehr als 10-15 ms aushalten, da ein Lichtbogen mit grösserem Strom in allen erwähnten Funkenstrecken innerhalb der Löschkammer umläuft.
Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Ableiterfunkenstrecke, welche die Nachteile bestehender Ausführungen nicht aufweist.
Die erfindungsgemässe Ableiterfunkenstrecke der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass sie eine dritte und eine vierte Elektrode aufweist, wobei die dritte elektrisch mit der ersten Elektrode der Löschkammer gekoppelt ist und die Form eines offenen Ringes hat, der die Fortsetzung der ersten Elektrode bildet und die Löschkammer zum grösseren Teil an deren Umfang umfasst, während die vierte Elektrode als geschlossener Ring ausgebildet ist, der koaxial zur dritten Elektrode angeordnet ist und mit dieser einen Ringspalt bildet, in dem, in unmittelbarer Nähe des freien Endes der dritten Elektrode, ein Bereich liegt, in dem der Durchschlag der Funkenstrecke stattfindet, wobei die vierte Elektrode derart elektrisch mit der zweiten Elektrode der Löschkammer gekoppelt ist,
dass der periodisch zwischen ihnen entstehende Lichtbogen den Zeitpunkt zum Einleiten der aktiven Lichtbogenlöschung sichert.
Gemäss einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der
Lichtbogen den genannten Zeitpunkt bei Strömen unter einer vorgegebenen Grenze sichert.
Es ist ferner zweckmässig, dass eine Spule als elektrische
Kopplung zwischen der zweiten Elektrode der Löschkammer und der vierten Elektrode dient, welche Spule derart angeordnet und gewickelt ist, dass sie im Spalt zwischen der zweiten und der vierten Elektrode ein Magnetfeld erzeugt, das dem Feld der elektromagnetischen Blasspule bei vorgegebener Stromgrenze gleich und entgegengesetzt gerichtet ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Widerstand als elektrische Kopplung zwischen der zwei ten Elektrode der Löschkammer und der vierten Elektrode dient, wobei der Wert des Widerstandes derart gewählt ist, dass er die Löschung der Lichtbogen zwischen der zweiten und der vierten Elektrode bei Strömen sichert, die der vorgegebenen Grenze entsprechen oder kleiner sind als diese.
Mit Überspannungsableitern für Gleichspannung, mit der artigen Funkenstrecken können Gleichstromanlagen mit Lei tungen bis mindestens 3000 km und einer Spannung bis 750 kV geschützt werden. Solche Ableiter verfügen über einen recht niedrigen Schutzpegel von etwa U1/U2 = 1,75, da deren Funkenstrecke bei Wellen beliebiger Dauer und Lösch strömen beliebiger Höhe gleich gut arbeiten, wobei die Be nutzung mehrerer in einem Punkt eines Umformerwerkes parallel geschalteter Ableiter nicht erforderlich ist.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der erfin dungsgemässen Ableiterfunkenstrecke anhand der Zeich nung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Stirnansicht einer Ableiterfunkenstrecke mit entfernter Oberplatte;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Ableiterfunkenstrecke nach Fig. 1 im zusammengebauten Zustand;
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1;
Fig. 4 ein Schaltbild einer Ableiterfunkenstrecke gemäss einer ersten Ausführungsform; und
Fig. 5 ein Schaltbild ähnlich Fig. 4, jedoch gemäss einer zweiten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist eine Ableiterfunkenstrecke mit einer Schmalspaltkammer 1 zur Lichtbogenlöschung gezeigt, in der eine erste 2 und eine zweite Elektrode 3 mit Arbeitsflächen angeordnet sind, die in der Ausbreitungsrichtung des Lichtbogens in der Löschkammer 1 während des Löschvorganges auseinandergehen. Die Löschkammer 1 wird von zwei Platten 4 und 5 aus lichtbogenfestem Isolationsmaterial gebildet, das aus poröser Keramik auf Al1O3-Basis besteht. Die eine Platte 4 hat einen Vorsprung 6 in Form eines offenen Ringes, der den Umfang der Löschkammer 1 begrenzt und in eine Nut 6' der Platte 5 eingreift. Der Raum zwischen den offenen Enden des Ringes dient als Eingang 7 (Fig. 1) zur Löschkammer 1.
Die konstruktiven Details der Löschkammer 1, wie die Breite des schmalen Spaltes, das Material der Platten 4, 5, die genaue Form der zwei oder mehr Elektroden 2, 3 werden entsprechend den Löschbedingungen für den Lichtbogen gewählt.
Die Funkenstrecke ist ferner mit einer dritten 8 und einer vierten Elektrode 9 ausgestattet, die ausserhalb der Löschkammer 1 angeordnet sind. Die dritte Elektrode 8 hat die Form eines offenen Ringes und dient als Fortsetzung der ersten Elektrode 2, die aus der Löschkammer 1 herausgeführt ist. Dabei umfasst die dritte Elektrode 8 die Löschkammer 1 am grösseren Teil deren Umfangs und ist ferner elektrisch mit der ersten Elektrode 2 gekoppelt. Die vierte Elektrode 9 ist als geschlossener Ring ausgeführt, der koaxial zur dritten Elektrode 8 in einer Ebene liegt und so bemessen ist, dass zwischen der dritten und der vierten Elektrode 8, 9 ein Ringspalt 10 von etwa 2-3 mm entsteht. Im Ringspalt 10, in unmittelbarer Nähe des freien Endes der dritten Elektrode 8 befindet sich ein Bereich 11, in dem der Überschlag der Funkenstrecke stattfindet.
In diesem Bereich 11 ist die Breite des Ringspaltes 10 von 2-3 mm auf 1 mm reduziert.
Die dritte und die vierte Elektrode 8 und 9 bilden zusammen mit dem Ende der aus der Löschkammer 1 herausgeführten, zweiten Elektrode 3 eine zweite Funkenstrecke, in welche der im Bereich 11 entstandene Lichtbogen durch die magnetische Blasung in eine Drehbewegung versetzt wird.
Diese Elektroden bilden somit die sogenannten Lichtbogen Drehkammer. Diejenigen Wände, welche die Drehkammer oben und unten begrenzen, können entweder einstückig mit den Platten 4 und 5 (Fig. 2) oder auch separat aus einem anderen Material ausgebildet sein.
Die vierte Elektrode 9 (Fig. 1) ist über eine Selbstinduktions-Spule 12 (Fig. 3) elektrisch mit der Elektrode 3 der Löschkammer 1 verbunden, wobei diese Spule in der Platte 4, unmittelbar unter demjenigen Abschnitt des Ringspaltes 10 (Fig. 1) befestigt ist, welcher durch die Elektroden 3 und 9 gebildet wird, und derart gewickelt ist, dass sie im Spalt zwischen diesen Elektroden 3, 9 mittels der Spannung am Lichtbogen 13 ein Magnetfeld erzeugt, das dem Feld der Blasspule 14 (Fig. 1) bei gegebener Stromgrenze bzw. gegebenen Strom I2 entspricht und entgegengesetzt gerichtet ist.
Die Entstehung des Lichtbogens 13 (Fig. 1) zwischen den Elektroden 3 und 9 wird von einem Zünden des Lichtbogens 15 zwischen den Elektroden 2 und 3 begleitet, was einen Stromfluss über die Funkenstrecke sichert
Die Blasspule 14 (Fig. 4) verbindet die Funkenstrecke mit einer Leitung 16, während eine Leitung 17 mit der vierten Elektrode 9 verbunden ist.
Die Blasspule 14 kann beliebiger Bauart sein, die das erforderliche Magnetfeld, sowohl in der Löschkammer 1 (Fig.
1) als auch in der Drehkammer, zwischen den Elektroden 8 und 9 sichert. Sie muss ein Element aufweisen, das sie bei einer steilen Spannungswellenfront, beispielsweise mittels einer nicht gezeigten Schutzfunkenstrecke, vor Beschädigung schützt.
Eine Variante (Fig. 5) der Ableiterfunkenstrecke weicht von der oben beschriebenen darin ab, dass die elektrische Kopplung zwischen den Elektroden 3 und 9 mittels eines Widerstandes 18 erfolgt. Der Wert dieses Widerstandes 18 muss derart gewählt sein, dass der Strom durch ihn, unter der Wirkung der Spannung über den Lichtbogen 13 zwischen den Elektroden 3 und 9, dem Löschstrom I2 entspricht Die Anordnung des Widerstandes 18 bezüglich der Elektroden 3 und 9 ist beliebig und hat keinen Einfluss auf die Arbeitsweise der Ableiterfunkenstrecke. Die Anzahl der in einem Ableiter in Serie geschalteten Funkenstrecken der beschriebenen Art wird von der Löschspannung U2 bestimmt.
Die beschriebene Ableiterfunkenstrecke arbeitet wie folgt:
Wenn ein Überschlag der Funkenstrecke im Bereich 11 (Fig. 1) stattfindet, führt der Lichtbogen zwischen den Elektroden 8 und 9, infolge des Magnetfeldes der Blasspule 14 (Fig. 4), im Ringspalt 10 (Fig. 1) der Drehkammer eine Bewegung im Gegenuhrzeigersinn aus. Während derjenigen Dauer, welche der Lichtbogen zum Erreichen des Eingangs 7 in der Löschkammer 1 benötigt, und als Anfangsverzögerung bezeichnet wird, erreicht der durch die Überspannungswelle bedingte Strom einen Wert, der den gewählten Löschstrom I2 übersteigt. Am Eingang 7 zur Löschkammer 1 wird der Lichtbogen in zwei, in Reihe geschaltete Lichtbögen 13 und 15 aufgeteilt. Der zwischen den Elektroden 2 und 3 brennende Lichtbogen 15 beginnt sich in die Richtung der Löschkammer 1 auszubreiten.
Der zwischen den Elektroden 3 und 9 brennende Lichtbogen 13 setzt seine Bewegung in der Drehkammer fort und gelangt zur Wirkungszone der Spule 12 (Fig. 4). Da der Ringspalt 10 zwischen den Elektroden 3 und 9 hier etwa 2 mm misst, beträgt die Spannung über den Lichtbogen 13 (Fig. 1) 40 bis 50 V, und sie ist unabhängig vom Strom und Feld 12 (Fig. 4) im Ringspalt 10 zwischen den Elektroden 3 und 9.
Da wie bereits erwähnt, I grösser ist als 12, ist das Feld der Blasspule 14 im Ringspalt 10 stärker als das Feld der Spule 12, wobei das resultierende Feld eine Bewegung des Lichtbogens 13 (Fig. 1) in die ursprüngliche Richtung bewirkt. Der Lichtbogen 13 passiert den als Bremse dienenden Bereich und schlägt den Ringspalt 10 zwischen den Elektroden 8 und 9 in der Nähe des Bereiches 11.
Der zwischen den Elektroden 2 und 3 brennende Lichtbogen 15, der während dieser Zeit tief in die Löschkammer 1 eindringt und einen grossen Spannungszuwachs erhält, erlischt, und der Drehzyklus des Lichtbogens 13 wiederholt sich.
Mit der Streuung der Energie der Überspannungswelle sinkt der Strom durch den Ableiter im Verlaufe der aufeinanderfolgenden Drehzyklen bis auf den Wert 12, der durch die normale Arbeitsspannung U2 bedingt ist. Beim nächstfolgenden Durchgang des Lichtbogens durch den Bremsbereich wird der Lichtbogen verzögert, da hier das Feld bei I = Ii gleich Null ist. Dabei wird der zwischen den Elektroden 2 und 3 brennende Lichtbogen 15 gedehnt und geht in die Löschkammer 1 ein. Die weitere, aktive Lichtbogenlöschung erfolgt, wie üblich, infolge der Verlängerung des Lichtbogens 15 und der verstärkten Kühlung und Entionisierung desselben an den Wänden an der Löschkammer 1.
Dabei ist zu bemerken, dass mit der Dehnung des Lichtbogens 15 und der Zunahme der Spannung über diesen der Strom im Ableiter und das Feld der Blasspule 14 (Fig. 4) sinken, und somit das Bremsfeld im Ringspalt 10 zwischen den Elektroden 3 und 9 ansteigt, weil das Feld der Spule 12 nicht vom Strom abhängt und somit konstant bleibt.
Die Wahl der Parameter R und L der Spule 12 wird dadurch bestimmt, dass man bei einer Spannung von 40 bis 50 V eine vorgegebene Anzahl von Amperwindungen haben muss. Dabei muss der Strom in der Spule 12 viel kleiner als 12, und die Zeitkonstante R/L möglichst klein sein.
Die Arbeitsweise der Funkenstrecke nach Fig. 5 besteht darin, dass, wie bei der Ausführung nach Fig. 4, zwei Lichtbögen 13 (Fig. 1) und 15 entstehen, sofern I > 12, wobei der Strom im Lichtbogen 13 zwischen den Elektroden 3 und 9 der Differenz 113 = 1 - 40 bis 50
R entspricht. Das Umschalten der Funkenstrecke auf Drehung erfolgt hier gleich, wie bei der Ausführung nach Fig. 5.
Falls I = I2 ist, entsteht kein Lichtbogen 13, da der gesamte Strom I2 durch den entsprechend gewählten Widerstand
40 bis 50
12
I2 fliesst. Der Drehzyklus setzt aus und der Lichtbogen 15 zwischen den Elektroden 2 und 3 geht in die Löschkammer 1 ein und erlischt, wie bereits beschrieben.
Es ist zu betonen, dass bei R = 0, die Löschung nach dem ersten Drehzyklus bei beliebigen Strömen beginnt, was in einer Reihe von Fällen die Schaffung einer Funkenstrecke von einfacher Bauart gestattet.
Die oben beschriebene Ableiterfunkenstrecke mit Anfangsverzögerung und Steuerung des Beginns der aktiven Lichtbogenlöschung entsprechend der Stromstärke kann hohe Ströme durchlassen, die den Funkenstrecken mit rotierendem Lichtbogen eigen sind. Ferner besitzt die Ableiterfunkenstrecke sehr grosse Fähigkeiten zur Begrenzung des Stromes sowie zum Löschen des Begleitstrom-Lichtbogens, die schmalspaltigen strombegrenzenden Funkenstrecken eigen sind, wobei die vorliegende Ableiterfunkenstrecke die Vorteile beider Typen in sich vereinigt. Die Funkenstrecke ist sowohl in Höchstspannungs-Gleichstromableitern als auch in Wechselstromableitern verwendbar, wenn ähnliche Aufgaben auftreten, und unterliegt dabei keinen Beschränkungen in bezug auf die Amplitude oder die Dauer der Stromeinwirkungen.
Diese Ableiterfunkenstrecke ist deshalb in Netzen beliebiger Leistung und in Fernkraftleistung beliebiger Länge einsetzbar.
The invention relates to an arrester spark gap with two plates made of arc-proof insulation material, which form a narrow-gap arc extinguishing chamber with at least a first and a second electrode, the work surfaces of which diverge in the direction of arc propagation, and with an electromagnetic blower coil that is operated by the Current flowing through the spark gap.
Such arrester spark gaps are used in surge arresters to protect high-voltage systems
DC or AC voltage used.
For example, from US Pat. No. 3,151,273, an arrester spark gap with two plates of arc-proof material is known which has a narrow gap chamber
Arc extinguishing, with at least two electrodes with diverging surfaces in the direction of arc propagation and an electromagnetic blower coil through which the current flows through the spark gap.
Although such spark gaps have a current-limiting effect and can therefore be used for surge arresters in high-voltage systems for direct voltage, the immediate area of use of such spark gaps is quite limited.
The problem with creating surge arresters for high and extra high voltage systems for direct voltage is that they are supposed to interrupt the follow current in circuits with high inductance, after currents with very high amplitude and duration, which arise when the arrester responds as a result of voltage waves. So achieved z. B.
the current load of valve arresters to protect the main insulation of substations for DC voltage transmission lines for + 750 kV and a length of 2500 km approx. 2-3 kA with a duration of up to 40 ms. In addition, the reduced insulation level of such transmission lines leads to very low ratios of the breakdown voltage U1 to the arc extinguishing voltage U2, which causes additional difficulties in the construction of such arresters.
The above-mentioned current-limiting spark gap is absolutely unsuitable for long high-voltage lines for direct voltage, because the active arc extinguishing, for example the expansion in the narrow gap of the arcing chamber, begins with a delay of 0.5 ms after the arrester breaks down. Because of the effect of sustained current waves caused by overvoltages in lines with high inductance, conventional arresters provided with such spark gaps lead to impermissible voltage increases during arc quenching, whereby the spark gaps fail. To make such spark gaps even for transmission lines of shorter length and voltage, e.g. B. 400 kV and 1000 km to use, quite complicated circuits are required, which provide two to three parallel-connected, alternating arresters. Such a design is z.
B. in U.S. Patent No.
3,513,354.
In arresters for high and very high DC voltages, the most suitable spark gaps are those in which active arc quenching only begins after the effect of the overvoltage wave has ended, when its energy is dissipated in the non-linear working resistance of the arrester, and the voltage at its installation point is about Face value.
There are several solutions to this problem. In the simplest case, the start of the electromagnetic blowing, which causes an adjustment of the arc in the spark gap of the type mentioned, is delayed in such a way that the initial delay is increased from 0.5 to about 2-3 ms (see e.g. US- Patent No. 3,611,045). The solution in which the beginning of the active arc extinction is controlled according to the current intensity via the arrester is more interesting. Such a control can take place, for example, by repeatedly repeated breakdowns of the spark gap by blowing ionized gases into the breakdown area, which arise in this area, even before the arc expansion, with sufficiently large currents.
The arc quenching in such a spark gap only ends when the current has reached a value which corresponds to the setting of an arrester with a voltage U2 and a so-called quenching current I2. The structure of such spark gaps is z. B. in Swedish patent specification No. 328,932. Another spark gap with control of active arc quenching after the current through the arrester is described in U.S. Patent No.
3 663 856. In this design, the arcing chamber for the arc is divided into two, i.e. H. into a chamber for pre-stretching the arc, and into an actual quenching chamber with a narrow gap, a narrow connecting channel being present between the two chambers. The penetration of the arc into this arcing chamber, i.e. H. The active arc quenching is only possible here with currents less than or equal to I2, since the arc cannot exit the pre-expansion chamber via the narrow channel with larger currents.
However, none of the features disclosed in U.S. Patent No.
3 151 273 mentioned improvements of the current-limiting spark gap, the task set, since all these spark gaps can only work with very low extinguishing currents of 150-400 A and thus not sufficient to create an arrester with a sufficiently low shot level of U1! U2. Furthermore, the dielectric strength is too small; This means that the spark gaps cannot withstand any current waves with a duration of more than 10-15 ms, since an arc with a larger current circulates in all of the spark gaps mentioned within the arcing chamber.
The purpose of the invention is to create an arrester spark gap which does not have the disadvantages of existing designs.
The arrester spark gap according to the invention of the type mentioned at the beginning is characterized in that it has a third and a fourth electrode, the third being electrically coupled to the first electrode of the quenching chamber and having the shape of an open ring, which forms the continuation of the first electrode and which The extinguishing chamber comprises the greater part of its circumference, while the fourth electrode is designed as a closed ring which is arranged coaxially to the third electrode and forms an annular gap with it, in which an area is located in the immediate vicinity of the free end of the third electrode, in which the breakdown of the spark gap takes place, the fourth electrode being electrically coupled to the second electrode of the arcing chamber,
that the arc that occurs periodically between them ensures the time for initiating active arc extinction.
According to one embodiment it is provided that the
Arc secures the specified point in time with currents below a specified limit.
It is also useful that a coil as an electrical
Coupling between the second electrode of the quenching chamber and the fourth electrode is used, which coil is arranged and wound in such a way that it generates a magnetic field in the gap between the second and fourth electrode that is the same and opposite to the field of the electromagnetic blower coil at a given current limit .
In a further embodiment it is provided that a resistor serves as an electrical coupling between the second electrode of the quenching chamber and the fourth electrode, the value of the resistance being selected such that it extinguishes the arcs between the second and fourth electrodes when currents are present which correspond to the specified limit or are smaller than this.
With surge arresters for DC voltage, with spark gaps like this, DC systems with lines up to at least 3000 km and a voltage of up to 750 kV can be protected. Such arresters have a very low protection level of around U1 / U2 = 1.75, since their spark gaps work equally well with waves of any duration and extinguishing flows of any height, whereby the use of several arresters connected in parallel at one point in a converter is not necessary .
In the following, embodiments of the arrester spark gap according to the invention are explained in more detail with reference to the drawing. Show it:
1 shows an end view of an arrester spark gap with the top plate removed;
FIG. 2 shows a cross section through the arrester spark gap according to FIG. 1 in the assembled state; FIG.
3 shows a section along the line III-III in FIG. 1;
4 shows a circuit diagram of an arrester spark gap according to a first embodiment; and
FIG. 5 shows a circuit diagram similar to FIG. 4, but according to a second embodiment.
1 shows an arrester spark gap with a narrow gap chamber 1 for arc quenching, in which a first 2 and a second electrode 3 are arranged with working surfaces which diverge in the direction of propagation of the arc in the quenching chamber 1 during the quenching process. The arcing chamber 1 is formed by two plates 4 and 5 made of arc-proof insulation material, which consists of porous ceramic based on Al1O3. One plate 4 has a projection 6 in the form of an open ring which delimits the circumference of the arcing chamber 1 and engages in a groove 6 ′ in the plate 5. The space between the open ends of the ring serves as an entrance 7 (Fig. 1) to the arcing chamber 1.
The structural details of the arcing chamber 1, such as the width of the narrow gap, the material of the plates 4, 5, the exact shape of the two or more electrodes 2, 3 are selected according to the extinguishing conditions for the arc.
The spark gap is also equipped with a third 8 and a fourth electrode 9, which are arranged outside the arcing chamber 1. The third electrode 8 has the shape of an open ring and serves as a continuation of the first electrode 2, which is led out of the arcing chamber 1. The third electrode 8 encompasses the arcing chamber 1 on the greater part of its circumference and is also electrically coupled to the first electrode 2. The fourth electrode 9 is designed as a closed ring, which lies coaxially with the third electrode 8 in one plane and is dimensioned such that an annular gap 10 of about 2-3 mm is created between the third and fourth electrodes 8, 9. In the annular gap 10, in the immediate vicinity of the free end of the third electrode 8, there is an area 11 in which the spark gap occurs.
In this area 11, the width of the annular gap 10 is reduced from 2-3 mm to 1 mm.
The third and fourth electrodes 8 and 9, together with the end of the second electrode 3 led out of the quenching chamber 1, form a second spark gap in which the arc created in area 11 is set in a rotary motion by the magnetic blow.
These electrodes thus form the so-called rotating arc chamber. Those walls which delimit the rotary chamber at the top and bottom can either be formed in one piece with the plates 4 and 5 (FIG. 2) or also separately from another material.
The fourth electrode 9 (Fig. 1) is electrically connected to the electrode 3 of the arcing chamber 1 via a self-induction coil 12 (Fig. 3), this coil in the plate 4, directly below that section of the annular gap 10 (Fig. 1 ), which is formed by the electrodes 3 and 9, and is wound in such a way that it generates a magnetic field in the gap between these electrodes 3, 9 by means of the voltage on the arc 13, which is the field of the blower coil 14 (Fig. 1) for a given current limit or given current I2 and is directed in the opposite direction.
The creation of the arc 13 (FIG. 1) between the electrodes 3 and 9 is accompanied by the ignition of the arc 15 between the electrodes 2 and 3, which ensures a current flow over the spark gap
The blowing coil 14 (FIG. 4) connects the spark gap to a line 16, while a line 17 is connected to the fourth electrode 9.
The blowing coil 14 can be of any type that generates the required magnetic field both in the extinguishing chamber 1 (Fig.
1) as well as in the rotary chamber, between electrodes 8 and 9. It must have an element that protects it from damage in the event of a steep voltage wave front, for example by means of a protective spark gap (not shown).
A variant (FIG. 5) of the arrester spark gap differs from the one described above in that the electrical coupling between the electrodes 3 and 9 takes place by means of a resistor 18. The value of this resistor 18 must be chosen such that the current through it, under the effect of the voltage across the arc 13 between the electrodes 3 and 9, corresponds to the extinguishing current I2. The arrangement of the resistor 18 with respect to the electrodes 3 and 9 is arbitrary and has no influence on the operation of the arrester spark gap. The number of spark gaps of the type described connected in series in an arrester is determined by the extinguishing voltage U2.
The arrester spark gap described works as follows:
If the spark gap occurs in the area 11 (Fig. 1), the arc between the electrodes 8 and 9, as a result of the magnetic field of the blowing coil 14 (Fig. 4), in the annular gap 10 (Fig. 1) of the rotary chamber moves Counterclockwise. During the duration which the arc needs to reach the entrance 7 in the quenching chamber 1, which is referred to as the initial delay, the current caused by the surge wave reaches a value which exceeds the selected quenching current I2. At the entrance 7 to the quenching chamber 1, the arc is divided into two arcs 13 and 15 connected in series. The arc 15 burning between the electrodes 2 and 3 begins to spread in the direction of the arcing chamber 1.
The arc 13 burning between the electrodes 3 and 9 continues its movement in the rotary chamber and reaches the zone of action of the coil 12 (FIG. 4). Since the annular gap 10 between the electrodes 3 and 9 measures around 2 mm here, the voltage across the arc 13 (FIG. 1) is 40 to 50 V, and it is independent of the current and field 12 (FIG. 4) in the annular gap 10 between electrodes 3 and 9.
Since, as already mentioned, I is greater than 12, the field of the blown coil 14 in the annular gap 10 is stronger than the field of the coil 12, the resulting field causing the arc 13 (FIG. 1) to move in the original direction. The arc 13 passes the area serving as a brake and strikes the annular gap 10 between the electrodes 8 and 9 in the vicinity of the area 11.
The arc 15 burning between the electrodes 2 and 3, which during this time penetrates deeply into the quenching chamber 1 and receives a large increase in voltage, goes out and the cycle of rotation of the arc 13 is repeated.
With the scattering of the energy of the surge wave, the current through the arrester drops in the course of the successive rotation cycles to the value 12, which is caused by the normal working voltage U2. The next time the arc passes through the braking area, the arc is delayed because the field here at I = Ii is zero. The arc 15 burning between the electrodes 2 and 3 is stretched and enters the quenching chamber 1. The further, active arc quenching takes place, as usual, as a result of the lengthening of the arc 15 and the increased cooling and deionization of the same on the walls of the quenching chamber 1.
It should be noted that with the expansion of the arc 15 and the increase in the voltage across it, the current in the arrester and the field of the blower coil 14 (FIG. 4) decrease, and thus the braking field in the annular gap 10 between the electrodes 3 and 9 increases , because the field of the coil 12 does not depend on the current and thus remains constant.
The choice of the parameters R and L of the coil 12 is determined by the fact that at a voltage of 40 to 50 V a predetermined number of ampere turns must be used. The current in coil 12 must be much less than 12 and the time constant R / L must be as small as possible.
The method of operation of the spark gap according to FIG. 5 is that, as in the embodiment according to FIG. 4, two arcs 13 (FIG. 1) and 15 are created, provided I> 12, the current in the arc 13 between the electrodes 3 and 9 of the difference 113 = 1 - 40 to 50
R corresponds to. The spark gap is switched to rotation here in the same way as in the embodiment according to FIG. 5.
If I = I2, there is no arc 13, since the entire current I2 through the resistor selected accordingly
40 to 50
12
I2 flows. The rotation cycle stops and the arc 15 between the electrodes 2 and 3 enters the quenching chamber 1 and goes out, as already described.
It should be emphasized that when R = 0, the extinction begins after the first rotation cycle for any currents, which in a number of cases allows the creation of a spark gap of a simple design.
The arrester spark gap described above with initial delay and control of the start of the active arc extinction in accordance with the current intensity can pass high currents which are inherent in spark gaps with a rotating arc. Furthermore, the arrester spark gap has very great capabilities for limiting the current and for extinguishing the accompanying current arc, which are inherent in narrow-gap current-limiting spark gaps, the present arrester spark gap combining the advantages of both types. The spark gap can be used in both extra-high voltage DC arresters and AC arresters when similar tasks occur, and is not subject to any restrictions with regard to the amplitude or duration of the effects of the current.
This arrester spark gap can therefore be used in networks of any power and in remote power of any length.