DE1463264A1 - UEberspannungsschutz-Funkenstrecke fuer Gleichspannungsanlagen - Google Patents

Description

General Electric Company Sehenectady N.ν., V.St.A.

Überspannungschutz-Funkenstreeke für Gieichspannungsanlagen.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen eine Funkenstrecke enthaltenden Überspannungsableiter zum Schutz von Gleichstromkreisen gegen Überspannungen, Spannungsstöße oder Wanderwellen sowie ein entsprechendes Schutzverfahren. Die Erfindung eignet sich hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich für Gleichspannungsanlagen relativ niederer Spannung, beispielsweise zwischen 400 und 1000 Volt.

Die üblichen mit Punkenstrecken arbeitenden

Überspannungschutzvorrichtungen enthalten eine Funkenstrecke, die überschlägt, wenn in dem geschützten Leistungskreis ein Überspannungsimpuls bestimmter Amplitude auftritt. Nach dem Überschlag entsteht in der Uberschlagstrecke ein Lichtbogen und die Energie des Überspannungsimpulses wird durch den Lichtbogenstrom verbraucht. Nach dem Zünden der Überschlagstrecke fließt jedoch auch Strom aus dem geschützten Kreis über den sich nach dem Überschlag bildenden Lichtbogen. Die Überspannungschutzvorrichtung muß in der Lage sein, diesen aus dem geschützten Leistungskreis stammenden Strom zu unterbrechen,

809S11/0636

nachdem die Energie des Überspannungsimpulses verbraucht ist, so daß der Kreis wieder seinen normalen Betriebszustand annimmt, also den Zustand, in dem der Überspannungschutz keinen Strom führt.

Bei dem Überspannungschutz gemäß der Erfindung wird der nach dem Überschlag fließende Gleichstrom dadurch unterbrochen, daß sich an der überschlagstrecke eine Bogenspannung einer Größe aufbaut, die den Momentanwert der infolge äußerer Faktoren an der Überschlagstrecke liegende Spannung übersteigt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Länge des Lichtbogens mit einer hohen aber trotzdem genau gesteuerten Geschwindigkeit
in einem im wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Löschgas vergrößert wird.

Es kann vorkommen, daß der den Überspannungschutz zum Ansprechen bringende Spannungsimpuls einen so hohen Energieinhalt hat, daß er eine wesentlich längere Zeit andauert
als zum Lochen des Bogens nach dem Überschlag nötig ist. In
einem solchen Falle verursacht die verbliebene Energie des
Spannungsstoßes einen weiteren Überschlag, nachdem der Lichtbogenstrom Null oder annähernd Null geworden ist und der nach dem zweiten Überschlag fließende Strom wird dann wieder durch die Löschwirkung des Überspannungschutzes auf Null verringert. V.'enn der Spannungsstoß beim Erreichen der maximalen Bogenspannung oder bei der Annäherung an diese Spannung immer noch andauert, erfolgt ein weiterer Funkenüberschlag, so daß ein
"'fiterer Stromimpuls durch den Überspannungschutz fließen kann.

809811/0636

Bei SpannungsstüQ^n hoher Energie, wie sie für Gleiehspannungsnlagen hoher Leistung typisch sind, können sich diese Vorgänge bei der Vernichtung der Energie eines einzigen Spannungsstoßes sehr oft, unter Umständen bis zu hunderten von Malen wiederholen.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein neuartiger und vorteilhafter ÜberSpannungschutz für einen Niederspannungs-Gleichstroinkreis angenommen werden, dessen Durchschlags- oder Ansprechspannung so niedrig liegt, daß der Niederspannungskreis sicher gegen schädliche Überspannungen geschützt wird und der trotzdem in der Lage ist, nach dem Überschlag auftretende Gleichsfcßme hoher Amplitude sicher zu unterbrechen, so bald die Energie des Spannungsstoßes durch den Überspannungschutz vernichtet ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Überspannungschutz für einen Nlederspannungs-Gleiehstromkreis ein Gehäuse auf, das ein im wesentlichen aus Wasserstoff bestehendes Gas unter einem Druck von 254 bis 5O8 Torr enthält. In dem Gehäuse sind im Abstand voneinander zwei Hauptelektroden angeordnet, die eine in dem Füllgas liegende Überschlagstrecke bilden. Die Hauptelektroden sind mit elektrischen Anschlüssen für den Gleicnspannungskreis versehen. Die Hauptelektroden umfassen Jeweils einen Teil, an dem der Bogen zündet und einen Teil, längs dessen der Bogen wandert. Bei dem Teil der einen Hauptelektrode, an dem der Bogen zündet, ist eine Anordnung vorgesehen, die eine Trigger- oder Zündelektrode umfaßt und bewirkt, daß der Bogen zwischen den hierfür vorgesehenen Anfangsteilen der Hauptelektroden zündet,

809811/0636

wenn die Zündelektrode durch einen ira Gleichspannungskreis auftretenden Spannungsimpuls einer bestimmten Größe erregt wird. Außerdem ist eine Magnetanordnung vorgesehen, um die Ansatzpunkte des Bogens von den Teilen der Hauptelektroden, an denen der Bogen ansetzt, fort und entlang der Elektroden, län^ derer der Bogen wandern soll, zu bewegen. Die Elektroden sind so geformt, daß die effektive Länge des Zwischenraumes zunimmt, wenn der Bogen längs der letztgenannten Teile der Elektroden von den Teilen, an denen er angesetzt hatte, wegwandert, so daß die Bogenspannung während des Wandems des Bogens zunimmt und schließlich einen Wert erreicht, bei dem der Bogen erlischt. Der Bogen wird durch die magnetische Anordnung sehr rasch aus dem Bereich, in dem der Bogen gezündet hatte (Zündbereich) wegbewegt, die Wanderungsgeschwindigkeit des Bogens wird jedoch auf einem genügend kleinen Wert gehalten, daß der Zündbereich rechtzeitig seine Isolationsfähigkeit wieder erreichen kann, bevor der Bogen an dem Punkt angelangt ist, in dem die Bogenspannung ihren maximalen Wert hat, so daß der Zündbereich die maximale Bogenspannung isoliert, wenn keine Energie des Spannungsstoßes mehr vorhanden ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. l'eine schematische Datstellung eines

Überspannungschutzes gemäß der Erfindung für einen GleichstOm-Leißtungskreis;

Pig. 2 eine Querschnittansicht des in Pig. I schematisch dargestellten Überspannungschutzes in einer Ebene 2-2 der Fig. J: ,

809811/0636

Fig- 3 eine Querschnittsansicht in einer Ebene >3 der Fig. 2;

Pig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Oberspannungschutzes der Pig. 1 bis J5 beim Auftreten eines Spannungsstoßes hoher Energie und

Fig. 5 ein Schaltbild einer Ausführungsform eines

Überspannungschutzes für höhere Spannungen, bei welchem gewisse Merkmale der Erfindung verwirklicht sind.

In Fig. 1 ist ein Gleichspannungskreis mit einer positiven Leitung 10 und einer negativen Leitung 12 dargestellt, die mit einer Halbleitergleichrichteranlage 14 verbunden sind und durch diese Anlage mit Gleichstromleisturig gespeist werden. Im Betrieb können an den Leitungen 10, 12 impulsförmige Überspannungen oder Spannungsstöße auftreten, die die mit HaIbleiter-bauelementen bestückte Gleichrichteranlage l4 beschädigen wurden, falls nicht geeignete Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden.

Zum Schutz der Anlage 14 gegen solche ÜberspannungsstöSe dient ein schematisch dargestellter Überspannungsableiter 16. Eine Klemme 17 dieses Überspannungsabieiters oder überSpannungschutzes ist mit der positiven Leitung 10 und eine andere Klemme 38 mit der negativen Leitung 12, vorzugsweise über einen Widerstand 20, verbunden. Der Widerstand 20 ist nichtlinear und besteht vorzugsweise aus einem VJerkstoff mit fallender Widerstand-Strom-Kennlinie, wie es beispielsweise unter dem Handelsnamen Thyrite bekannt ist.

Der in Fig. 2 und 3 genauer dargestellte Überspannungschutz enthält ein dichtes Gehäuse 21, indem sich ein

809811/0636

im wesentlichen aus Wasserstoff bestehendes Löschgas befindet. Im Gehäuse 21 sind zwei beabstandete Hauptelektroden 22, 24 angeordnet, die zwischen sich eine Entladungsstrecke 25 definieren, an der Überschläge bzw. Lichtbogen auftreten können. Die Elektroden werden vorzugsweise aus einer Kupfer-Wolfram-Mischung hergestellt, wie sie unter der Bezeichnung Elkonite im Handel ist. Rostfreier Stahl ist ebenfalls geeignet. Die Elektroden sind vorzugsweise im wesentlichen halbkreisförmig und die eine Elektrode 22 umgibt die andere Elektrode 24. Die Krümmungsmittelpunkte der beiden Hauptelektroden 22, 24 sind so gegeneinander versetzt, daß der Zwischenraum 25 am einen Ende der Elektroden verhältnismäßig klein ist und in Richtung auf das andere Ende längs des etwa halbkreisförmigen Weges entlang der Elektroden allmählich größer wird. Der Teil 25a des Zwischenraumes 25, in dem sich die Elektroden in nahem Abstand gegenüberstehen, wird im folgenden als Bogenentstehungs- oder Zündbereich und der Rest des Zwischenraumes 25 als Bogenlaufbereich bezeichnet. Die an den Bogenentstehungs- oder Zündbereich 25a angrenzenden Teile der Elektroden werden als Zündteile und der Rest der Elektroden als Bogenlaufteile bezeichnet.

Mit den Elektroden 22, 24 sind zwei zur Portbewegung des Bogens dienende Spulen 28, J>0 angeordnet, von denen die eine zwischen die Klemme 17 und die Elektrode 22 und die andere zwischen die Klemme 18 und die Elektrode 24 geschaltet sind. Die Spulen 28, ^O erzeugen ein Magnetfeld, das eine Kraft auf einen zwischen den Hauptelektroden 22, 24

809811/0636

brennenden Bogen ausübt und diesen fortbewegt, wie weiter unten erläutert wird.

Neben dem Zündteil der Hauptelektrode 24 ist eine Zündelektrode 32 zum Zünden eines Bogens zwischen den Hauptelektroden22, 24 angeordnet. Die Zündelektrode 32 ist von der Hauptelektrode 24 durch einen Streifen 34 aus einem isolierenden Werkstoff hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise Bariumtitanat, getrennt, wenn zwischen der Zündelektrode 22 und der Hauptelektrode 24 ein Spannungsstoß einer bestimmten Mindestaraplitude auftritt, wird das elektrische Feld in der Nähe des Randes des Isolienaaterials durch dessen hohe Dielektrizitätskonstante erhöht und über den Zwischenraum 33 zwischen der Zündelektrode 32 und der Hauptelektrode 24 tritt ein Funkenüberschlag auf. Die durch diesen Funken erzeugten positiven Ionen verzerren das elektrische Feld zwischen den beiden Hauptelektroden 22, 24 und verringern die Durchbruchsspannung zwischen diesen Hauptelektröden auf einen Wert, der unter dem Wert der an den Hauptelektroden anliegenden Spannung liegt. Zwischen den Zündteilen der Hauptelektroden 22, 24 zündet dann ein Lichtbogen. Der Bogenstrom durchfließt die Spulen 28, 30 , so daß ein Magnetfeld entsteht, das den Bogen in Richtung des Pfeiles 35 (Pig· I) wandern läßt, wie noch genauer erläutert wird.

Die normale Betriebsspannung des Kreises 10, 12, die gewöhnlich zwischen den Hauptelektroden 22, 24 liegt, reicht nicht aus, um in der Hauptüberschlagstrecke 25 eine Entladung oder einen Durchbruch entstehen zu lassen. Beim Feh-

809811/0636

len der Zündelektrode 32 würden auch Spannungsstöße mit einem Seheitelwert des Mehrfachen der normalen Betriesspannung nicht ausreichen, um die Hauptüberschlagstrecke 25 zünden zu lassen.

wie Durch die Zündelektrode 32» die am selben Potential liegt/die Hauptelektrode 22, wird die Spannung an der Leitung 10, bei der ein Überschlag auftritt, wesentlich herabgesetzt, wie noch erläutert wird. Um Überspannungsstöße, die zwischen den Leitungen 10, 12 auftreten, der Zündelektrode 32 zuzuführen, ist diese durch einen Kondensator 36 mit der Leitung 10 verbunden. Im normalen Betriebs- oder Ruhezustand ist die Zündelektrode 33 durch den Kondensator 36 praktisch von der Leitung 10 isoliert. Pur Spannungsstöße, die auf der Leitung 10 erscheinen, stellt der Kondensator jedoch keine nennenswerte Impedanz dar und die überspannung erscheint praktisch in voller Hohe an der Zündfunkenstrecke 33 zwischen der Zündelektrode 32 und der Hauptelektrode 24. Die Durchschlagspannung der Zündfunkenstrecke 33 ist so bemesssen, daß ein Überschlag auftritt, bevor die Amplitude des Spannungsstoßes gefährliche Werte erreicht. Normalerweise wird die Durchschlagspannung der Zündfunkenstrecke auf etwa 200 $ der Nennspannung zwischen den Leitungen 10, 12 eingestellt.

Zwischen die Zündelektrode 32 und die Hauptelektrode 24 ist ein Widerstand 42 geschaltet, dessen Widerstands-' wert sehr klein im Vergleich zum Isolationswiderstand des Kondensators 36 ist. Dieser Widerstand 42 dient dazu, die Zühd-

32
elektrode /ind die Hauptelektrode 24 auf praktisch dem gleichen

809811/0636

Potential zu halten, wenn normale Betriebsbedingungen herrschen, also zwischen den Leitungen 10, 12 keine Überspannungen vorhanden sind. Zwischen den Leitungen 10, 12 besteht dann ein Stromweg hohen Widerstandes, der die Reihenschaltung aus dem Isolationswiderstand des Kondensators 36, den dem Isolationswiderstand der Zündfunkenstrecke parallel geschalteten Widerstand 42 und den Widerstand der Schaltungselemente 250, umfaßt. Der Widerstand der Schaltungselemente 42, 30, 20 ist sehr klein im Vergleich zum Isolationswiderstand des Kondensators J56. Im Ruhezustand fallen daher praktisch die ganze Ruhespannung am Kondensator 36 und praktisch nichts von dieser Spannung am Widerstand J2 und damit an der diesem Widerstand parallel liegenden Zündfunkenstreeke 35 ab. Durch diese Isolation der Zündfunkenstreeke von der Ruhespannung werden eine Verschlechterung der Zündfunkenstreeke und die Gefahr unerwünschter Überschläge vermieden.

Aus Pig. 2 ist ersichtlich, daß die Hauptelektroden 22, 24 zwischen zwei isolierenden Platten 45 montiert sind, die als Seitenwände für die Entladungsstrecke 25 zwischen diesen Elektroden dienen. Die Platten 45 sind im Bereich der Entladungsstrecke 25 praktisch nicht durchbrochen und verlaufen im wesentlichen parallel zur Längsachse der zwischen den Elektroden 22, 24 brennenden Bögen. Die isolierenden Platten 45 bestehen aus einem Material, das unter der Einwirkung eines Lichtbogens möglichst wenig Gas abgibt, z.B. aus Aluminium-.silikat. Die Platten 45 werden gegen die gegenüberliegenden Ränder der Elektroden 22, 24 gedrückt, beispielsweise durch

809811/0636

isoliereride Bolzen 47, die in Abständen am Außenrand der Platten 45 angeordnet sind. Diese Bolzen 47 reichen durch fluchtende Öffnungen in den Platten 45 und sind in eine Endkappe des Gehäuses 21 eingeschraubt. Zwischen den Platten 45 werden die Bolzen 47 von Abstandshaltern 49 aus einem isolierenden Werkstoff umgeben, die den durch die Bolzen 47 ausgeübten Anpreßdruck begrenzen. Zur Festlegung des Abstandes der isolierenden Platten 45 von der Endkappe 48 sind Hülsen 50, die die einzelnen Bolzen umgeben, vorgesehen.

Die Spulen 28, 30, die das die Lichtbogen antreibende Magnetfeld erzeugen, sind an der Außenseite der isolierenden Platten 45 angeordnet. Die Spulen sind jeweils vorzugsweise kreisförmig , wie aus Fig. 3 ersichtlich ist und die eine Hälfte deckt sieh wenigstens annähernd mit der halbkreisförmigen äußeren Elektrode 22. Die Spulen sind so geschaltet, daß sie von einem den Überspannungsschutz durchfließenden Strom in der gleichen Winkelrichtung durchflossen werden. Dabei entsteht dann ein die beiden Spulen 28, 30 umgebendes Magnetfeld 51 der in Fig. 2 angedeuteten Form. Dieses Magnetfeld 51 verläuft an allen Punkten längs der Außenelektrode 22 wenigstens annähernd senkrecht zur Längsachse der zwischen den Elektroden 22, 24 brennenden Lichtbögen durch den Entladungsraum 25· Bekanntlich tritt ein quer zu einem Bogen verlaufendes Magnetfeld derart mit dem Eigenfeld des Bogens in Wechselwirkung, daß auf den Bogen eine Kraft in einer Richtung ausgeübt wird, die senkrecht zur· Längsachse des Bogens und senkrecht zur Richtung des äußeren Magnetfeldes verläuft. Die Polung des auf den Bogen einwirkenden Magnetfeldes wird hier so gewählt, daß die den Bogen antrei-

809811/0636

1483214

bende Kraft in Richtung des Pfeiles 35 (Fig. 1, 3> wirkt. Bin im Zündbereieh 25a entstehender Lichtbogen wandert datier unter de« EinfluJ des Magnetfeldes in Richtung ctee Pfeiles 35 längs der Elektroden 22, 2k zu deren dem Zündbereieh entgegengesetzten Baden.

Wenn der Bogen in Richtung des Pfeiles 35 (Pig.3) wandert» wird er wegen der zunehmenden Breite des Zwischenraumes 25 progressiv länger. Wenn der Bogen langer wird, nimmt auch die Brennspannung des Bogens zu, wodurch der Bogenstrom entsprechend herabgesetzt wird. Kenn die Bogenspannung diejenige Spannung erreicht, die der Hauptentladungsstrecke durch das System zugeführt wird, so fällt der Bogenstrom rasch auf Null ab. Wenn die Energie des Spannungsstoßes, durch den der Bogen entstanden ist, im Überspannungsschutz vernichtet ist, erlischt der Bogen und in der Entladungsstrecke 25 tritt kein weiterer Oberschlag mehr auf, so daß das System wieder seinen normalen Betriebszustand annimmt. Es ist einleuchtend, daß die Bogenspannung dann am höchsten ist, wenn die Ansatzpunkte des Bogens die weiter beabstandeten Enden der Elektroden 22, 24 erreicht haben und der Bogen in seines! mittleren Teil nach außen gewölbt ist, wie bei 60 in Pig. 3 dargestellt ist. In dieser Stellung hat der Bogen seine maximale Länge.

Die Brennspannung des die Stellung 60 einnehmenden Bogens hängt außerdem von dea Betrage der Restenergie des SpannungsstoSes ab, die beim Erreichen der Stellung 60 durch den Bogen noch vorhanden ist. Ist die Energie des Spannungsstoßes vollständig verbraucht, wenn der Bogen die

f .■■'■' ■■■·■.'. ... ■ ■ · r· · _ ■: '

8098t1/0636

Stellung 60 erreicht, so ist die Brennspannung des Bogens niedriger als in Fällen, in denen der Spannungsstoß noch andauert, sie ist jedoch immer noch größer als die normale Spannung des Kreises und reicht aus, den Bogenstrom auf Null herabzusetzen.

Es ist wichtig, daß die Wanderungsgeschwindigkeit

des Bogens ziemlich sorgfältig gesteuert wird. Wenn sich der Bogen zu langsam bewegt, tritt eine übermäßige Verdampfung von Elektrodenmaterial ein und die isolierenden Platten 45 bedecken sich rasch mit kondensiertem Elektrodenmaterial, wodurch die Isolationsfähigkeit zwischen den Elektroden 22, 24 leidet, insbesondere im kritischen Zündbereich 25a, in dem der Elektrodenabstand klein ist.

Wenn der Bogen andererseits zu rasch fortbewegt wird, baut sich die Bogenspannung so rasch auf, daß nicht genügend Zeit zur Verfügung steht, um die Isolationsfähigkeit im Zündbereich 25a der Entladungsstrecke 25 soweit wiederherzustellen, daß sie der Bogenspannung standhält, selbst wenn die Energie des Spannungsstoßes vollständig verbraucht worden ist. Dies kann dann dazu führen, daß im Zündbereich 25a dauernd Überschläge eintreten, auch nachdem der Spannungsstoß abgeklungen ist, außerdem besteht die Gefahr, daß im Zündbereich 25a beträchtlich vor dem Zeitpunkt, indem der Bogen die Stellung 60 erreicht, wiederholt Überschläge auftreten. Der letztgenannte Zustand hat zur Folge, daß sich der Bogenentladuhgszyklus auf den Zündbereich 25a konzentriert und eine übermäßige Verdampfung von Elektrodenmaterial mit der damit verbundenen Beeinträchtigung der Isolationseigenschaften

809811/ÖS3S

1483264

der Seitenplafcfceß J|-5 ^Ua Zünäbereieh eintreten. Uai eine solche Konzentrafeiöa des litofcladungszykJttts iat Zündbereieh 25a zu verhindere, soll die Zeit, die der Bögen zum Erreichen der Stel- , lung 60 am Ende der Elektroden 22, 24 benötigt, so groß bemessen werde»!* daJS. die Isola t Ions fest igkei t im Z undbere ich sovieit ansteigen- kann, daß sie der BQgenspannung standzuhalten vermag, die sich einstellt* wenn keine Spannungsstoßenergie mehr vorhanden ist. Bei einer praktischen Ausführungsform der Erfindung konnte erreicht werden, daß die Durchschlagfestigkeit im Zündbereich 25a praktisch ,ihren ursprünglichen Wort wieder angenonm?en hat, wenn der Bogen die Stellung 60 erreicht, die Isolationsfestigkeit ist dann gewöhnlich sogar größer als erforderlieh ist, um die höchste Bogenspannung auszuhalten, die sieh einstellt, wenn kein Spannungsstoß mehr vorhanden 1st..

Zwei zusätzliche ,Paktoren, die einen wesentlichen Einfluß darauf haben, ob der Zündbereich 25a eine ausreichende Isolationsfähigkeit wieder erlangt hat, um der erforderlichen Bogenspannung widerstehen zu können, wenn der Bogen die Stellung 60 erreicht hat, sind die Länge der,Elektroden 22, 24 und ihr Abstand,, Pie Bogenlänge beeinflußt,die Zeit, die der.Bogen benötigt, um die Stellung 60, bei der die Bogenspannung maximal Ist, zu erreichen, und der Elektrodenabstand beeinflußt den Wert der aufgebauten Bogenspannung und die Durchschlagfestigkeit im Bereich 25a. · / : . -

Ein anderer Faktor, der die Geschwindigkeit,, mit der die Länge des. Bogens beim■Aufbauen der Bogenspannung zunimmti, >beeinfiuefcj J.st die Verteilung des Magnetfeldes längs des Zwischenraumes 25. Wenn man die Spulen 28, 30 so formt,

809811/0634 " ^:-

daß sie sich wenigstens annähernd mit der Außenelektrode 22 decken, ist das Feld längs der Entladungsstreeke 25 zumindest im Bereich bei der Außenelektrode 22 im wesentlichen gleichförmig. Durch ein solches gleichförmiges Feld ist eine weitgehende Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit, mit der der Bogen längs der Außenelektrode 22 wandert, gewährleistet. Ein anderer, allerdings zweitrangiger Faktor, der die Geschwindigkeit beeinflußt, mit der der Bogen die Elektroden 22, 24 entlang getrieben wird, ist die Lage der Anschlüsse 28a, JOa an den Elektroden für die benachbarten Spulen. Wenn man diese Anschlußpunkte so nahe wie möglich am Zündende der Elektroden anordnet, wird der über die Elektroden 22, 24 durch den Bogen fließende Strom immer auf einen schleifenförmigen Weg gezwungen, der in Richtung auf das entgegengesetzte Ende der Elektroden nach außen gebogen ist. Der magnetische Effekt eines längs eines solchen schleifenförmigen Weges fließenden Stromes besteht bekanntlich darin, daß auf den Bogen eine Kraft ausgeübt wird, die die Schleife zu vergrößern strebt. Dieser magnetische Effekt drückt den Bogen also' immer in Richtung auf die Stellung 60 (Fig. 3).

Außer von der Bogenlänge hängt die sich aufbauende Bogenspannung auch noch von einer Anzahl anderer Faktoren ab. Unter diesen Faktoren ist einer der wesentlich-sten die Art des in der Entladungsstreeke vorhandenen Gases. Für den vorliegenden Überspannungsschutz stellt Wasserstoff ein ideales Gas dar, nicht nur da es hohe Bogerispannungen --·■<

809811/0636

zu erreichen gestattet, sondern auch wegen seines relativ geringen Isolationsversogens. Durch dieses geringe Isolations vermögen von Wasserstoff kann die Zündfunkstreclce so ausgebildet werden, daS sie bei der relativ geringen Spannung überschlägt, die zum Schutz der Niederspannungsanlage 10, 12, 14 erforderlieh ist. Trotz der niedrigen Überschlagspannung lassen sich andererseits in Vaseerstoff genügend große Bogenspannungen erreichen, um den Bogenstrom im Überspannungschutz in der beschriebenen Weise beeinflussen zu können.

Zum Schutz von Anlagen höherer Leistung, die mit relativ niedrigen Spannungen arbeiten, also mit Nennspannungen von unterhalb etwa 1000 Volt, beträgt der bevorzugte Druck des Wasserstoffes 250 bis 510 Torr ( 10 bis 20^e Hg). Drücke unterhalb dieses Bereiches ergeben im allgemeinen keine ausreichende Bogenspannung während überhalb dieses Bereiches liegende Drücke unzweckmäflig sind, da sie Zündspannungen ergeben, die für den Schutz yon Niederspannungskreisen zu hoch sind.

Ein weiterer Paktor der die Bogenspannung, die sich einstellen kann, beeinflußt, ist der Abstand zwischen den isolierenden Seitenplatten 45· Wenn dieser Abstand gröBer als etwa 4,β ram ist, wird der Bogen diffus und die resultierende Brennspannung wird sehr klein. Wenn andererseits der Abstand kleiner als 0,8 ran ist, kann der Bogen nicht mehr aus dem Ziindbereleh 25a in den Laufbereich der Entladungsstrecke .25 wandern. In diesem Falle treten dann eine übermäßige Erhitzung und Verdampfung der Elektroden ein, außerdem ist die Breanspannung niedrig. Der Abstand der Seitenplatten 45 beträgt daher längs der ganzen Entladungsstrecke 25 zwischen 0,8 und

809811/0036

4,8 mm.

Beim Auftreten eines Spannungsstoßes niederer Energie, dessen Spitzenspannung ausreicht, um die Zündfunkenstrecke ansprechen zu lassen und dessen Gesaratenergie durch einen einzigen Stromimpuls durch den Überspannungschutz vernichtet werden kann, also beispielsweise unter 10 Ws beträgt, arbeitet der beschriebene Überspannungschutz folgendermaßen: Der Spannungsstoß läßt als Folge der oben beschriebenen Auslösewirkung der Zündelektrode J5² im Zundbereieh 25a zwischen den Hauptelektroden 22, 24 einen Lichtbogen entstehen. Der durch den Lichtbogen fließende Strom durchfließt auch die Spulen 28, ;50 und läßt daher ein Magnetfeld entstehen, das den Bogen in Richtung des Pfeiles 35 antreibt. Hierdurch wird die Bogenspannung erhöht, während der Bogenstrom herabgesetzt wird. Die Bogenspannung erreicht schließlich einen Wert, der höher als die Spannung, die der Hauptentladungsstrecke 25 durch das System zugeführt wird und der Bogenstrom wird dadurch rasch auf Null herabgesetzt, so daß der Bogen schließlich erlischt. Zu diesem Zeitpunkt ist die Energie des niederenergetischen SpannungsStoßes in der Bogenentladung und dem nichtlinearen Widerstand 20 vollständig vernichtet worden, so daß keine Spannungsstoßenergie für eine erneute Zündung des Bogens zur Verfügung steht und das System wieder seinen normalen Betriebszustand annimmt. Bei der oben beschriebenen Vernichtung des Spannungsstoßes hilft der fipannungsabhängige Widerstand 20 mit, den durch die Entladungsstrecke fließenden Strom zu begrenzen, bei vielen Anwendungsgebieten kann jedoch auf die unterstützende Wirkung des spannungsabhängigen Wider-

809811/0636

standes 20 verzichtet und diese weggelassen werden.

Es sei nun angenommen, daß die Energie des

Spannungsstoßes wesentlich größer ist, beispielsweise einige 100 VJs. Der Bogen wandert dann vom Zündbereich 25a in die Stellung 60 (Fig. 3) um* die Bogenspannung nimmt wieder einen so hohen Wert an, daß der Strom rasch auf Null abfällt. Zu diesem Zeitpunkt ist jedoch dann erst ein kleiner Teil der Spannungsstoßenergie verbraucht und die verbliebene Energie des Spannungsstoßes läßt die Spannung wieder steil ansteigen, wodurch im Zündbereich 25a der Hauptentladungsstrecke ein neuer Überschlag auftritt und ein neuer Bogen im Zündbereich 25a der Hauptelektroden zu brennen beginnt. Der erste Bogen kann beim Zünden des zweiten Bogens vollständig oder noch nicht ganz erloschen sein, er verschwindet jedoch nach dem Entstehen des zweiten Bogens, Der zweite Bogen wandert wiejfler erste in Richtung des Pfeiles 55 in die Stellung 6o, wobei die Bogenspannung steigt und der Bogenstrom rasch nach Null abnimmt, worauf die aus der verbliebenen Spannungsstoßenergie resultierende Überspannung im Zündbereich 25a einen dritten Bogen entstehen läßt. Der zweite Bogen geht dann aus und die dritte Bogenentladung verläuft wie die vorangehenden. Diese Folge von Vorgängen wiederholt sich immer wieder, bis die Energie des Überspannungstoßes vollständig vernichtet ist. Wenn die Energie vollständig vernichtet ist, reicht die maximale Bogenspannung, die sich einstellt, wenn sich der Bogen in der Stellung 60 befindet, nicht mehr aus, um im Zündbereich 25a einen Überschlag entstehen zu lassen und der Zwischenraum zwischen den Elektroden verhindert dann einen weiteren Stromfluß.

809811/0636

FIg. 4 zeigt eine graphische Darstellung dieser sich wiederholenden Vorgänge, die obere Kurve stellt dabei die Spannung am Überspannungsrehutz und die untere Kurve den Bogenstrom dar, die beide in Ordinatenrichtung aufgetragen sind, die Zeitaehse (Abszisse) ist für beide Kurven gleich.

Der Spannungsstoß hoher Energie beginnt zum Zeitpunkt A, der Überspannungschutz zündet zum Zeitpunkt B, wenn die Überschlagspannung erreicht ist. Im Zeitpunkt B entsteht im Bereich 25a ein Lichtbogen, wie erläutert wurde, der die Spannung am Kreis momentan abfallen läßt, bis der Bogen im Zeitpunkt C zu wandern beginnt. Der Bogen wandert dann rasch vom Bereich 25a in die Stellung 60, wobei die Brennspannung in der erläuterten V/eise ansteigt; der resultierende Spannungsanstieg am Uberspannungschutz ist durch den zwischen den Zeitpunkten C und D liegenden Teil der Kurve d argestellt. Während der Bogen vom Bereich 25a zur Stellung 60 wandert, steigt der Bogenstrom anfänglich an, mit steigender Bogenspannung wird der Bogenstrom jedoch dann wieder in Ilichtung auf Null verringert, wie zwischen den Zeitpunkten C¹and D dargestellt ist. Bei einem Spannungsstoß hoher Energie wird im Intervall zwischen B und D nur ein kleiner Teil der Energie des Spannungsstoßes vernichtet. Die verbliebene Energie des Spannungsstoßes trägt zum Aufbau der Spannung zwischen C und D bei und verursacht im Zeitpunkt D einen neuen Überschlag. Durch den neuen Überschlag wird die anliegende Spannung herabgesetzt, bis der sich einstellende Bogen im Zeitpunkt E aus dem Zündbereich 25a herauszuwandern beginnt. Die verbliebene

8098 11-/063Ό*

Energie des Spannungsstoßes trägt zum Aufbau der anliegenden Spannung ,zwischen E und P bei, so daß schließlich im Zeitpunkt P ein erneuter Überschlag eintritt. Diese Folge von Vorgängen wiederholt sich solange, bis die Energie des Spannungsstoßes vollständig vernichtet wird, worauf der Kreis beginnend im Zeitpunkt J seinen normalen Betriebszustand wieder annimmt.

Der Spannungsanstieg kurz.vor dem Zeitpunkt J ist zwischen G und H dargestellt. Wahrend dieses Spannungsanstieges wandert der Bogen vom Bereich 25a in die Stellung 60 und die Bogenspannung steigt dabei soweit an, daß der Bogenstrom im Zeitpunkt H ganz Null wird. Wie oben erläutert, kann der Zündbereich 25a dieser Bogenspannung ohne durchzuschlagen wiederstehen. Nach dem Zeitpunkt H tritt daher keine weitere Bogenentladung mehr ein und die Anlage kehrt in ihren normalen Betriebszustand zurück.

Der beschriebene Oberspannungabieiter vermag Spannungsstöße zu vernichten, deren Energieinhalt bis zu mehreren tausend V/s beträgt und dann den Kreis unmittelbar nach der Vernichtung der Energie des Spannungsstoßes wieder in den normalen Betriebszustand überzuführen. Bei einem einzigen Spannungsstoß derart hoher Energie wiederholt sieh der oben beschriebene Zünd- und Lichtfcogenzyklus hunderte von Malen in rascher Folge. Es hat sich gezeigt, daß der beschriebene Überspannungschutz trotz solcher Serien rasch aufeinanderfolgender Zündungen seine wesentlichen Eigenschaften praktisch unverändert beibehält. So blieb beispielsweise die Zündspan-

809811/0836

nung nach jeder Bogenentladung der langen Reihe wiederholter Bogenentladungsintervalle praktisch konstant und die Bogenlöschfähigkeit, gemessen durch die entwickelte Bogenspannung, blieb im wesentlichen unverändert, trotz der wiederholten Bogenentladungen, die kurz vor der Löschung stattgefunden hatten.

Die Konstanz der Zündspannung des beschriebenen Überspannungableiters beruht zum großen Teil darauf, daß sich die Bedingungen im Zündbereich 25a nicht wesentlich von den ursprünglichen Bedingungen unterscheiden, nachdem ein Bogen vom Bereich 25a in die Stellung 60 gewandert ist. Dies ist der Fall, da der Bereich 25a, in dem der Bogen entsteht, durch die benachbarten Elektroden und Seitenwand« rasch gekühlt wird, wenn der Bogen abwandert; ferner da sich der Bogen rasch vom Bereich 25a in die Stellung 60 bewegt, so daß eine Beeinträchtigung des Zündbereiches durch Bodenprodukte in Grenzen gehalten wird; weiterhin da in den Bereich in der Umgebung des Zündbereiches 25a frisches Wasserstoffgas eingeführt wird, das das durch den Bogen erhitzte Gas ersetzt, welches mit dem Bogen in den Endbereich bei der Stellung 60 und darüber hinaus mitgeführt wird. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß sich auf der rechten Seite des Bereiches 25a, in dem der Bogen entsteht, eine relativ große öffnung befindet, durch die frisches Yiasserstoffgas eintreten kann, wie durch die Pfeile 65 angedeutet ist.

Die Erfindung betrifft nicht nur den Überspannungsableiter als Einrichtung, sondern auch ein Verfahren zum

809811/0636 ·

Schutz einer Gleiehspannungsanlage gegen Oberspannungen, insbesondere Überspannungsstöße hoher Energie. Wie oben erläutert worden ist, wird ein Überspannungsstoß hoher Energie dadurch vernichtet, daß man Strom über die Entladungsstrecke in Form einer Reihe von rasch aufeinanderfolgenden Stromimpulsen fließen läßt. Jeder einzelne Stromimpuls wird dadurch beendet, daß sich an der Entladungsstrecke eine Bogenspannung aufbaut, die die Spannung übersteigt, welche der Übersehlagstrecke durch den Kreis zugeführt wird. Ein zusätzlicher Stromfluß durch den Überspannungsableiter wird nachdem die Energie des Überspannungsstoßes praktisch vollständig vernichtet ist, dadurch verhindert, daß die Isolationsfähigkeit im Bereich 25a, in dem Bogen einsetzt, soweit wieder hergestellt wird, daß der Bereich 25a nach Beendigung des letzten Impulses einer Spannung standhalten kann, die gleich der maximalen Bogenspannung ist, die sich einstellt, wenn keine Überspannungsstoßenergie mehr verblieben ist. Indem man die Energie des Überspannungsstoßes in Form dieser sorgfältig gesteuerten Stromimpulse zuführt, ist es möglich, große Überspannungsstoßenergien zu verarbeiten, ohne daß der Überspannungschutz Schaden leidet, und ohne daß die Spannung zwischen den geschützten Leitungen auf einen gefährliehai Wert ansteigt.

Wenn der beschriebene Überspannungsableiter

auch besonders zum Schutz von Gleichspannungskreisen verhältnismäßig niedriger Betriebsspannung geeignet ist, so können doch bestimmte Merkmale mit Vorteil auch zum Schutz von Gleichspannungskreisen mit hoher Nennspannung verwendet werden. Für

80981

solche Hochspannungsanwendungen werden höhere Gasdrücke verwendet und mehrere ünterbrechungsstrecken werden in Reihe geschaltet. Ein typischer Kreis für in Reihe geschaltete Unterbrechungseinrichtungen ist in Fig.5 dargestellt, in der entsprechende Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden sind. Die Hauptüberschlagstrecken sind hier in Reihe zwischen die Leitungen 10, 12 geschaltet. Die Zündelektroden J2 sind jeweils mit einer der Leitungen über einen Kondensator 36 verbunden, der die Zündfunkenstrecke gegen die Gleichspannung isoliert, wohingegen Überspannungsstöße ungehindert zu der Zündfunkenstrecke gelangen können. Zwischen die Leitungen 10, 12 sind zwei in Reihe geschaltete hochohmige Widerstände 7Oi 72 wenigstens annähernd gleichen Widerstandsviertes geschaltet und ein Punkt zwischen den beiden Widerständen ist elektrisch mit einem Punkt zwischen den beiden Überspannungsableitereinrichtungen verbunden, um die Gleichspannung annähernd gleich auf die beiden Überspannungsableiter aufzuteilen. Die überspannungsableiter arbeiten jeweils wie oben in Verbindung mit Fig. 1 bis J5 beschrieben wurde, wobei an den Hauptüberschlagstrecken gleichzeitig Lichtbogen entstehen, die miteinander in Reihe geschaltet sind.

Für Hoehspannungszwecke können auch andere Gase als Wasserstoff verwendet werden, da hier die Forderung nach sehr niedrigen Überschlagsspannungen entfällt. Luft besitzt beispielsweise eine ausreichende Löschfähigkeit für gewisse Hoehspannungszwecke, auch wenn der Druck so gering gewählt wird, daß ein Überschlag bei einer gewünschten Überspannung

809811/0636

gewahrleistet ist.

Die oben beschriebenen Ausftihrungsbeispiele

lassen sich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

809811/0636

Claims (1)

1. Patentansprüche-

   f 1.^überspannungsableiter für einen Gleichstromkreis mit einem Gehäuse, das ein Gas und zwei im Abstand voneinander angeordnete Häuptelektroden enthält, welche zwischen sich einen Zwischenraum definieren, mit Anschlüssen für den Gleichstromkreis versehen sind und jeweils am einen Ende ein Teil, an dem ein Lichtbogen entsteht, umfassen, während der Rest der Elektroden einen Teil bildet, längs dessen der Lichtbogen wandert, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden so geformt sind, daß die effektive Länge des Zwischenraumes mit wachsendem Abstand von den Teilen, an denen der Lichtbogen entsteht, progressiv größer wird.

   2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hauptelektroden halbkreisförmig sind; daß die eine Elektrode einen größeren Radius aufweist als die andere Elektrode und um die äußere Peripherie dieser anderen Elektrode herum angeordnet ist und daß die Krliaaungsmlttelpunkte der beiden Elektroden gegeneinander versetzt sind.

   J5. Überspannungsableiter nach.Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Zündelektrodenanordnung mit einer Zündelektrode, die bei dem Teil der einen Hauptelektrode, an dem der Lichtbogen ansetzt, angeordnet iet, so daß an den Teilen der Hauptelektroden, an denen der

   809811/0836

   Lichtbogen entsteht, ein Lichtbogen zündet, wenn die Zündelektrode durch einen Spannungsimpuls einer bestimmten Größe erregt wird.

   4. überspannungsableiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine fäagnet-

   anordnung, um die Ansatzpunkte oder Brennflecke des Bogens von dem Bereich, an dem der Lichtbogen entsteht, weg und längs der Laufteile der Hauptelektroden in eine Stellung zu treiben, in der eine Bogenspannung entsteht, die ausreicht, utn den Bogenstrom gegen KuIl zu treiben.

   5· Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Füllgas im wesentlichen aus Wasserstoff besteht.

   6. ÜberspannungJßleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf gegenüberliegenden Selten der Hauptelektroden zwei Seitenwände aus einem isolierenden Material angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zu der Längsachse eines Bogens zwischen den Hauptelektroden verlaufen.

   7. Überspannungsableiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnet- .anordnung mindestens eine in Reihe mit den Hauptelektroden geschaltete und auf der einen der Seitenwand©montiert« Spule

   «09811/06,38

   enthält, deren Windungen ein annähernd halbkreisförmiges Stück enthalten, das mit der äußeren der halbkreisförmigen Elektroden wenigstens annähernd ausgerichtet ist.

   8. Überspannungsableiter nach Anspruch f, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Wanderungsgeschwindigkeit des Bogens genügend niedrig zu halten, so daß der Bereich, in dem der Bogen entsteht, eine ausreichende Isolationsfähigkeit bis zu dem Zeitpunkt wieder erlangen kann, in dem der Bogen die Lage maximaler Bogenspannung erreicht, so daß dieser Bereich eine Spannung gleich der maximalen Bogenspannung zu isolieren vermag, wenn keine Energie des Spannungsstoßes mehr verblieben ist.

   9. Überspannungsableiter nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Raum außerhalb des Zwischenraumes,von dem der Bogen ausgeschlossen ist, und durch einen offenen Kanal, der von diesem Raum in den Bereich zwischen den Teilen der Hauptelektroden, an denen der Bogen entsteht, führt und einen freien Eintritt frischen Gases von diesem Raum in den genannten Bereich gewährleistet.

   10. Verfahren zum Schutz eines Gleichspannungskreises mit Leitungen entgegengesetzter Polarität, gegen Überspannungsimpulse hoher Energie, dadurch gekennzeichnet, daß

   809811/063$

   a) an die Leitungen eine Einrichtung mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Elektroden, die zwischen sich einen Zwischenraum oder eine Entladungstrecke definieren, angeschlossen wird;

   b) daß beim Auftreten eines Überspannungsstoßes hoher Energie bewirkt wird, daß die Einrichtung durch die Entladungsstreeke Strom in einer Reihe rasch aufeinanderfolgender Stromimpulse zugeführt wird, die die Energie des Überspannungsstoßes von dem Kreis ableiten;

   c) daß das PlieSen von Stromimpulsen durch die Entladungsstreeke fortgesetzt wird, bis die Energie des Spannungsstoßes praktisch vollständig vernichtet ist, und

   d) daß die Isolationsfestigkeit der Entladungsstrecke dann soweit wieder hergestellt wird, daß ein Fließen weiterer Stromimpulse über die Entladuaagsstrecke unmittelbar nach der praktisch vollständigen Vernichtung der Energie des Spannungsstoßes verhindert wird.

   809811/0636