DE1538501A1 - UEberspannungsschutz fuer Hochspannungsanlagen - Google Patents

Description

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4430-6β/ν.R/Dr.ν.B/Ro.
Docket llD-2583 (Lee et al)
ÜS-Serial No. 428,746
Piling date: January 28, 1965

General Electric Company, Schenectady, N-.Y., V.St..A.

Überspannungsschutz für Hochspannungsanlagen

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Begrenzung der Höchstspannung, die in einer Hochspannungs-Leistungsanlage durch eine Schaltüberspannung entwickelt wird, und bezieht sich im besonderen auf eine Schutzvorrichtung, die diese Höchstspannung auf einen verhältnismäßig niedrigen Wert im Bereich vom 1,5-bis 2-fachen des Scheitelwertes der normalen Leiter-gegen-Erde-Spannung des Systems begrenzen kann.

Da die Betriebsspannungen für Hochspannungsanlagen immer größer .werden,.''sollen die von S ehalt spannungen in solchen Anlagen erzeugten Spitzenspannungen auf Werte beschränkt werden, die nur verhältnismäßig kleine Vielfache der normalen Scheitelspannung der Anlage sind. Es wird z.B. gefordert, daß für ein zufriedenstellendes Arbeiten einer 1000-kV-Fernleitung mit

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'45 Isolatoren in einem Mast-Fenster von Γ5,7 m (45 Fuß) die Sehaltspannungen auf einen Wert von etwa dem 1,5- oder 1,6-fachen der normalen Spannung begrenzt werden müssen. Im Gegensatz dazu, können in einer typischen 345-kV-Anlage Schaltspannungen einen Wert bis zum 2,5-fachen der normalen Systemspannung erreichen.

Gewöhnlich wird versucht, den Scheitelwert von Schaltspannungen unter anderem dadurch zu begrenzen, daß man die Lastschalter der Anlage sehr sorgfältig konstruiert, so daß sie unter allen Bedingungen öffnen und Schließen können,-- ohne , daß Sehaltspannungen auftreten, deren Scheitelwerte ein bestimmtes Maximum übersteigen. Es werden hierfür beispielsweise niederohmige Widerstände verwendet, welche die Kontakte des Schalters überbrücken, solche Widerstände vor dem Schließen des Schalters eingeschaltet und das öffnen und Schließen der Schalterpole zeitlich genau gesteuert. Ein Nachteil solcher Maßnahmen zur Beherrschung von Schaltspannungen besteht darin, daß sie nur unter großem Kostenaufwand realisiert werden könnenj außerdem sind sie in bestimmten Fällen nicht einmal in der Lage, den Scheitelwert von Schaltspannungen auf die geforderten, niedrigen Werte herabzusetzen.

Zur Lösung dieses Problems ist es auch bekannt, übliche Blitzschutzvorrichtungen mit geeigneter Uberschlagsspannung zur Begrenzung des Scheitelwertes von Sehaltspannung zu verwenden. Jedoch ergibt sich hierbei unter anderem die Schwierig-

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keit, daß* ein übJLi eher Äbiei /j er mit niedriger ÜberSchlagsspannung (z.B. weniger als dem Doppelten des Scheitelwertesder normalen Netzspannung) nach langer dauernden EntladungsstroiHen^ wie sie einem von einer Schaltspannung in einem Hochspannungssystem verursachten'Überschlag typischerweise folgen, den Strom ;dureh den Ableiter nicht mit Sicherheit und endgültig :zu unterbrechen vermag.-Wegeil· des^niedrigen:fe

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:Eih elektri-seher .Lastsehalter mit einer Sammeis chi enenklemme und einer Leitungsklemme* einer mit einer 2ünd~ oder Auslösanordnung versehenen Vakuumfunkenstreckenanordnung, die ein VakuümgeMuse enthält, "das auf einen 1O^--³ Torr nicht 'übersteigenden Druck evakuiert ist und zwei imÄbstand voneinander ■"■■" angeordnete HauptelektrOden enthält', die zwischen sich eine Hauptfunkenstrecke bilden, ist gemäß der Erfindung gekenn-'

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im. Bereich zwischen dem 1,5- bis 2-fachen des Scheitelwertes der normalen Leiterspannung gegen Masse erreicht.

digkeit der auf der Leitung herrschenden Spannung anspricht und. . beim Auftreten einer steil ansteigenden Sehaltüberspannung einen-Überschlag der Zündfunkenstrecke und damit einen Durchschlag der Hauptfunkenstrecke sogar noch vor dem· Zeitpunkt bewirkt, indem der Soheitelwert der Betriebsspannung erreicht ist.

Duroih die; VerwenÄing einer s^eue:rf9aren_; Vatooumfunkejt^ streßkenanordnung mit einer iaurchschlagsspannung im; Teil des- Oben erwähnten· Bereiciies^ dife in einen von dertungsklemrae des Sehalters naeii Masse fü:<ähi™^enden Ableitungskreis geschaltet, ist, wird eine hohe Sicherheit gegen innere

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bräche gewährleistet, da die sehr niedrige Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanordnung, deren Ansprechen bei einer genügend' niedrigen Spannung ermöglicht um einen inneren Durchbruch des Schalters zu verhindern. In Fällen, in denen die gesteuerte Vakuumfünkenstreckenanordnung keine ausreichend niedrige Durchschlagsspannüng hat, um den erwünschten Schutz während verringerter dielektrischer Stärke zu gewährleisten, werden Maßnahmen zur raschen Herabsetzung des effektiven Wertes der Überschlagsspannung getroffen, wenn der Schalter öffnet. Die gesteuerte Vakuumfunkenstrecke eignet sich ausgezeichnet für eine solche Einstellung der effektiven Überschlagsspannung, da dies ohne eine Bewegung von massiven Teilen oder anderen verwickelten Vorgängen möglich ist, was übermäßig Zeit beanspruchen würde und nicht so genau, wie erwünscht, wäre. Mit der gesteuerten Vakuumfunkenstreckenanordnung gemäß der Erfindung ist es mit Hilfe eines einfachen elektrischen Kreises möglich, diese Herabsetzung der Durchschlagsspannung zu erreichen, "

■Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, es zeigen:

Fig.1 eine schematische Darstellung einer Überspannungsschutzvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; .

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Pig. 2 eine schematische Darstellung einer abgewandelten Schutzvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Die Schutzvorrichtung gemäß Fig. 2 enthält mehrere gesteuerte 'Funkenstreckenanordnungen im Gegensatz zu Fig. 1, wo nur eine einzige gesteuerte Funkenstrecke vorhanden ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Aus- . führungsform der Erfindung und ,.

Fig. 5 eine Abwandlung der in Fig. 4 dargestellten Anordnung. - ' ' ' ^;

Fig. 1 zeigt eine Hochspannungs-Fernleitung IG, über die elektrische Energie von einer Hochspannungs-Energiequelle 12 zu einem entfernten Verbraucher übertragen wird. Die Energiequelle 12 ist über einen vereinfacht dargestellten Hochspannungsschalter^ mit der Leitung 10 verbunden. Der Einfachheit halbersoll der Te'il des Leistungskreises, der zwischen der Energie- quelle 12 und dem Schalter l4 liegt, als Sammelschiene l6 bezeichnet werden. ^:

Der Schalter 14 kann in bekannter Weise aufgebaut sein. Bei dem dargestellten Beispiel enthält der Schalter einen Metallkessel 20, der normalerweise auf Hochspannung liegt und auf einer ihn gegen Erde isolierenden Isolatorsäule 21 montiert ist. Im Kessel 20 sind zwei hintereinander geschaltete Paare "'..'

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2Z_t-y 2M von trennbaren Sie&alt stücken ^ angeordnet;,., die; jeweils? ein bewegliches Schaltstück 26 enthalfeeri;* dssr zur Unterbrechungr des Stromkreises:- durch- eine BetatigungsVoriPiGiitung: 3D von., einem zugehörigen festen Schaltstück 28 geferennfö werden: kann._:

; Eas feststellende Söiialfestiick jedes Schaltstüclcpaares' ist auf einem: sparren leifeendeaa. Stab 32^; montierte, der duren; ein. Ende des- Metalltees&erlÄ: 20 hindurGngefiltirt- iist:..,. nie beiden SfeäBe 52 ragen aus~ den gegenüber liegenden Enden des Kessels: 2G Eierajis: und sindv u&er Porze^lanisOl'ätQr-en Jk- am_: Kesseüi' 2Φ ijeffesfeigfe./ ■ Bei; getiffnetenj- Seiaalter; ijsaXieren die sehalenariiigen EttRzeHan— isoisEfcoi?eii Jk- die· Stäfeei ~%2. elslcteriscii: vom· Kessel. 2Q,_: Ein: Sfcati 32: und der- ihn, umgeläende BDrzelllmiisöläfeorf 3^' M1j&-©h;< mmsmmßan eine:

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Der Kessel 20 ist: normalerweise: mit - üciffe: unter erhtöntem Druck gefüllt*; die beirn öffnen des Schalters zur Lientbogen-*- löschung dient. Bei der Trennung_. dter· Schalt stücke wird: ein normalerweise geschlossenes Blasventil 35 über- eine nur sehe^ matisch angedeutete Vorrichtung 37 von, der Betätigungsvorrichtung

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J)O geöffnet/ um ein rasches Löschen der sich bildenden Lichtbogen zu erreichen. Nach Löschung der Lichtbögen wird das Blasventil durch eine nicht dargestellte Anordnung geschlossen. Die Schaltstücke 26 können für eine dauernde Unterbrechung des Stromkreises geöffnet bleiben oder auch kurz nach dem Offnen wieder geschlossen werden.

Beim Öffnen oder Schließen des Schalters 14 oder eines anderen, nicht dargestellten Schalters, der mit der Leitung verbunden ist, können auf der Leitung 10 Schaltüberspannungen und Wanderwellen auftreten, die im folgenden als Schaltspannungen bezeichnet werden sollen. Wegen des Trends zu immer höheren Netz-Nennspannungen wird es immer dringender, die Spitzenwerte von solchen Schaltspannungen auf verhältnismäßig kleine Vielfache des Scheitelwertes der normalen Betriebsspannung der Anlage zu begrenzen. Bei bestimmten Höchstspannungsanlagen ist es beispielsweise erforderlich, die Spitzenwerte von Schaltspannungen auf der Leitung gegen Masse auf einen Höchstwert zu begrenzen, der im Bereich vom 1,5- bis 2-fachen des Scheitelwerten der Betriebsspannung zwischen Leiter und Masse liegt. Dies entspricht einem wesentlich niedrigeren Überspannungs-Höchstwert als es die meisten zur Zeit bestehenden Bestimmungen fordern, nach denen die Spitzenspannunc zwischen Loiter und Masse auf etwa das 2,5-fache des Scheitelwertes der normalen Betriebsspannung des Leiters gegen Masse begrenzt werden soll.

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Bei der in Fig. 1 dargestellten Leistungsanlage wird der Scheitelwert der von Schaltvorgängen her.,-rühr enden Überspannungen zwischen Leiter und Erde durch eine auf der Leitungsseite des Schalters 14 'angeordnete, steuerbare Vakuumfunkenstreckenanordnung 39 auf den gewünschten niedrigen Wert begrenzt. Die Funkenstreckenanordnung 59 hat ein geschlossenes Gehäuse 40, das auf einen Druck von 1O~^ Torr oder darunter evakuiert ist-. Das Gehäuse 40 enthält ein isolierendes Teil 42, z.B. ein Keramikrohr, und zwei mit dessen gegenüberliegenden Enden dicht verbundene Metallkappen 43, 44.

Im evakuierten Gehäuse 40 sind zwei Hauptelektroden 46, im Abstand voneinander angeordnet, so daß sie zwischen sich eine Hauptfunkenstrecke 50 bilden. Die Elektroden 46, 48 sind vorzugsweise scheiben- oder schalenförmig. Die obere Elektrode 46 ist über eine leitende Tragstange 46a an der oberen Abschlußkappe 43 befestigt, während die untere Elektrode 48 über ein leitendes Tragrohr 48a an der unteren Abschlußkappe befestigt ist.

Die Hauptelektroden 46, 48 sind in einen Ableitungsstromzweig 52 geschaltet, der von der Hochspannungsleitung. 10 an der Leitungsklemmenseite des Schalters 14 nach Erde führt. Die Primärfunkenstrecke 50 zwischen den Elektroden 46, 48 hat eine hohe Spannungsfestigkeit, die diesen Ableitungszweig normalerweise offen hält.

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Die Nennspannung der in Pig. I dargestellten Anlage muß selbstverständlich so niedrig sein, daß sie mit einer einzigen Funkenstrecke sicher beherrscht werden kann. Für Anlagen höherer Spannung wird im Ableitungszweig 42 eine entsprechende Anzahl von Funkenstreeken hintereinander geschaltet, wie in Verbindung mit Fig. 2 noch näher erläutert wird.

Wenn die Spannung zwischen der Leitung 10 und Erde einen bestimmten Wert erreicht, wird die Hauptfunkenstrecke 50 durch eine Zündfunkenstrecke 54 gezündet, welche in einer.mittigen Vertiefung 55 der unteren Elektrode 48 vorgesehen ist. Die Zündfunkenstrecke enthält einen zylinderfö'rmigen Keramikträger 57, der sich in der Vertiefung 55 befindet, und zwei dünne Metallschichten 58, 60, die sich auf der äußeren Oberfläche des Keramikträgers 57 befinden und in dessen Längsrichtung im Abstand voneinander angeordnet sind. Diese beiden Metallschichten bilden die Elektroden der Zündfunkenstrecke. Sie sind durch eine V-förmige Rinne voneinander getrennt, die sich um den Umfang des Keramikträgers 57 erstreckt und deren Wände durch das Keramikmaterial gebildet werden. Die eine Elektrode 6o der Zündfunkenstrecke ist mit der Hauptelektrode 48 elektrisch verbunden. Die andere Zündelektrode 62 ist normalerweise von der Hauptelektrode 48 elektrisch getrennt.

Die die Zündelektroden bildenden Metallschichten 58, 60 bestehen aus einem Metall, wie Titan, das ein gutes Getter für aktive Gase, wie Wasserstoff, ist und eine große Menge an

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solchen Gasen zu absorbieren vermag. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in jeder dieser Schichten eine große Menge an Wasserstoff sorbiert.

Zum Anlegen einer-Spannung an die Zündfunkenstrecke dient eine Zuleitung 65, die durch eine axiale Bohrung im Keramikträger 57 reicht. Am inneren Ende ist die Zuleitung 65 mit einer Metallkappe 66 hart verlötet, die ihrerseits mit der Zündelektrode 58 elektrisch verbunden ist. Die Metallkappe 66 ist mit dem inneren Ende des Keramikträgers 57 durch eine übliche Keramik-Metall-Verbindung vakuumdicht verbunden.

Wenn die Leiterspannung gegen Erde einen bestimmten Wert überschreitet', wird der Zündfunkenstrecke 5^ von einem spannungsempfindlichen Zündkreis ¹JO ein Zündimpuls zugeführt. Das Eingangssignal des Zündkreises 70 wird von einer Schaltungsanordnung geliefert/ die zwei hintereinander geschaltete Spannungsteilerkondensatoren 90, 91 enthält, die zwischen die Leitung und Erde geschaltet sind. Die Kapazität des Kondensators 9I ist groß im Vergleich zu der des Kond.jensators SO, so dai am Kondensator 91 s4eh eine verhältnismäßig niedrige Spannung auftritt. Diese Spannung läßt 'durch einen die Klemmen des Kondensators 9.1 verbindenden hochohmigen Widerstand 93 einen kleinen Strom fließen. Die am Widerstand 93 abfallende Spannung wird durch einen Vollweg^leichrichter 9²J gleichgerichtet, dessen Ausgangsklemmen durch einen Glättungskondensator 97 verbunden sind. Am Glättungskondensator 97 tritt eine geglättete, gleichge-

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richtete Signalspannung auf, deren Höhe der Spannung zwischen der Leitung 10 und Erde im wesentlichen proportional ist.

Die gleichgerichtete Signalspannung wird zwei hintereinander geschalteten Widerständen.98* 100 zugeführt. Dem Widerstand ist ein Kondensator 102 parallelgeschaltet. Die Spannung am Kondensator 102 ist also ebenfalls der Spannung zwischen der Leitung 10 und Erde proportional.

Um die gesteuerte Vakuumfunkenstreckenanordnung 39 zu zünden, wenn die Spannung am Kondensator 102 einen bestimmten Wert erreicht, wird eine Schwellwertanordnung in Form eines üblichen Silicium-Unipolartransistors verwendet. Der Transistor 10 hat zwei Basisanschlüsse 112, 113 und eine Emitter- oder Steuerelektrode 114. Die beiden Basisanschlüsse 112, HJ sind an eine Spannungsquelle angeschlossen, deren positiver Pol mit einer Leitung 121 und deren negativer Pol mit einer Leitung 96 verbunden sind, zwischen denen eine konstante Spannung liegen soll. Solange die Spannung zwischen dem Emitter 114 und der unteren Basiselektrode 1^0 unter einem gewissen kritischen Wert, dersogenannten Schleusenspannung, liegt, ist der Widerstand zwischen dem Emitter und den beiden Basiselektroden sehr groß und der Emitter 114 führt keinen nennenswerten Strom. Steigt jedoch die Einitterspannung über die Schleusenspannung an, so zündet der Transistor 110, d.h. der Widerstand zwischen dem Emitter 10 und der Basis II3 fällt plötzlich ab, so daß ein erheblich größerer Strom vorn Emitter H4 zur Basis 11>

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fließen kann. Dieser erhöhte Emitterstrom wird vom Kondensator 102 geliefert, der sich beim Zünden des Transistors 110 rasch durch den den Emitter 114 und die Basiselektrode H₅ enthaltenden Stromkreis entlädt.

Mit der unteren Basis 112 ist ein Widerstand Il6 in Reihe geschaltet, an dem plötzlich ein Spannungsabfall auftritt, wenn beim Zünden des Unipolartransistors 110 ein Strom durch den Emitter-Basis-Kreis fließt. Diese Spannung wird einem Steuergitter 117 eines Wasserstoff-Thyratrons 118 zugeführt. Das Steuergitter, 117 ist durch eine schematisch als Batterie gezeichnete Vorspannungsquelle 119 vorgespannt. Wenn die beim Zünden des schwellwertempfindlichen Transistors 110 am Widerstand Il6 auftretende Spannung einen bestimmten Wert erreicht, zündet das Thyratron Il8 in üblicher Weise und schließt einen Entladungskreis 126 für einen vorher aufgeladenen Kondensator 127. Der Kondensator 127 ist mit.einer Primärwicklung 128 eines Impulstransformators verbunden, die ebenfalls im Entladungskreis 126 liegt. Der Impulstransformator enthält außerdem eine Sekundärwicklung I₅O, die an die Zündfunkenstrecke 54 der steuerbaren Vakuumfunkenstreckenanordnung ₅9 angeschlossen ist. Wenn sich der Kondensator 127 beim Zünden des Wasserstoff-Thyratrons 118 entlädt, liefert der Transformator 128, I₅O einen Spannungsimpuls an die Zündfunkenstrecke 54. Hierdurch wird zuerst die Zündfunkenstrecke54 und dann die Hauptfunkenstrecke 50 gezündet, wie noch näher erläutert werden wird.

Wenn die Leitung 10 unter normaler Spannung steht, reicht die am Kondensator 102 anliegende Spannung nicht aus, um den schwellwertempfindlichen Transistor- 110 zu zünden und die Zündfunkenstrecke 54 zum Überschlag zu bringen. Steigt aber die Spannung auf der Laitung 10 gegen Erde auf einen bestimmten Wert im Bereich von 1,5- bis 2-fachen der Scheitelspannung der normalen Leiterspannung gegen Erde an, so tritt am Kondensator 102 eine so hohe Spannung auf, daß der Zündkreis 70 einen Überschlag an der Zündfunkenstrecke 54 hervorruft.

Durch diesen Überschlag entsteht an der Zündfunkenstrecke 54 ein Lichtbogenj dieser erhitzt unverzüglich die aus den Titanschichten bestehenden Zündelektroden 58 und 60 der Zündfunkenstrecke, wodurch aus den wasserstoffbeladenen Titanschichten Wasserstoffgas freigesetzt wird. Dieses Wasserstoffgas wird vom Lichtbogen ionisiert und in ionisiertem Zustand sehr schnell in die Hauptstrecke 50 getrieben, so daß deren Spannungsfestigkeit erheblich vermindert wird und sie auf Grund der dann zwischen den Hauptelektroden 46 und 48 herrschenden Spannung durchbricht. Die ionisierten Wasserstoffteilchen werden hinfort als geladene Leitungsträger bezeichnet.

Die Hauptelektroden 46 und 48 bestehen aus einem nichtwarmfesten Metall, wie Kupfer, das im wesentlichen frei von allen gasförmigen oder sonstigen, bei Zersetzung Gas erzeugenden Verunreinigungen ist. Deshalb entwickelt der zwischen den Hauptelektroden brennende Lichtbogen aus den Hauptelektroden

keine nennenswerten Mengen nichtkondens.ierbarer Gase. Dies trägt wesentlich zu einer raschen Wiederherstellung der Spannungsfestigkeit der Hauptstrecke unmittelbar nach einem Stromnulldurchgang bei".

Der Lichtbogen an der Hauptfunkenstrecke 50 verdampft zwar'Metall von den Hauptelektroden, aber diese 'Metalldämpfe können leicht kondensiert werden. Diesen Zweck dient ein rohrförmiger Metallschirm J¹I um die Haupt funkenstrecke 50, der die vom Lichtbogen erzeugten Metalldämpfe abfängt und kondensiert, da diese radial aus der Strecke 50 nach außen geschleudert werden. Die Kondensation der Metalldämpfe geht sehr schnell vor sich, wodurch die Hauptstrecke ihre Spannungsfestigkeit beim Erreichen des Stromnulldurchgangs überaus schnell wieder erlangt.

Die kleine Menge Wasserstoffgas, die von der Zündfunkenstrecke entwickelt worden ist, wird entweder schnell von den Titanschichten 58, 60 rückabsorbiert oder von den Elektrodendämpfen der -.Haupt funkenstrecke bei ihrer Kondensation am Schirm 74 gegettert. Beim Erreichen des Stromnulldurchsangs ist also keine nennenswerte. Menge dieses Gases mehr vorhanden, das die schnelle Wiederherstellung der Spannungsfestigkeit der Hauptstrecke 50 stören könnte.

Wenn am Ende einer Lichtbogenstrom-Halbperiode der Stromnulldurchgang erreicht wird, kann die Spannungsfestigkeit der

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Hauptstrecke 50 so schnell, ansteigen, daß die Durchschlagsspannung bei der nächsten Stromhalbwelle wieder von der Zündfunkenstrecke und nicht von der Hauptfunkenstrecke bestimmt wird. Beim Stromnulldurchgang wird der Strom durch die Hauptfunkenstrecke also endgültig unterbrochen, wenn nicht die auf der Leitung 10 herrschende Spannung noch so hoch ist, daß am Kondensator 102 eine so hohe Spannung entsteht, wie die ursprüngliche Schwellwert-Spannung des Transistors 110. Im letzteren Fall zündet der Transistor 110 erneut und die Zündfunkenstrecke 54 ruft einen weiteren Durchbruch der Hauptfunkenstrecke hervorj nun kann eine weitere Stromhalbwelle durchdle Funkenstreckenanordnung fließen. Bei dem dieser zusätzlichen Stromhalbwelle folgenden Stromnulldurchgang wird der Kreis endgültig unterbrochen, sofern die dann auf der Leitung 10 herrschende Spannung nicht wieder zu hoch ist. Gewöhnlich wird schon bei dem auf die erste Lichtbogenstrom-Halbwelle folgenden Stromnulldurchgang die Spannung der Leitung 10 nicht ausreichen, um einen weiteren Durchbruch ) der Funkenstreckenanordnung zu erzeugen, und der Stromkreis durch die Funkenstreckenanordnung wird endgültig unterbrochen sein. - ' -■■■■'·■■; ^;

Um den oben beschriebenen Zündimpuls zu erzeugen, muß ein geeigneter Ladekreis (nicht gezeigt) für den Kondensator 127 vorgesehen sein, der ihn nach einer Entladung innerhalb einiger Millisekunden wieder aufladen kann. Der Kondensator 127 ist dann innerhalb einer Halbperiode der Netzfrequenz

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nach Erzeugung eines ersten Impulses bereit , einen weiteren Impuls zu erzeugen, falls der Zündkreis 10 schnell aufeinanderfolgende Betätigungen der Zündfunkenstrecke 5^ durchzuführen hat.

Eine in der beschriebenen Weise aufgebaute gesteuerte Vakuumfunkenstreckenanordnung kann mehrere 100 A sicher unterbrechen; aber um ihre Lebensdauer zu verlängern und Laststoße in der Anlage zu vermindern, ist es erwünscht, daß der hin-durchfließende Strom durch einen Widerstand 76 begrenzt wird, der im Ableitungszweig 52 zwischen die Funkenstreckenvorrichtung 39. und Erde geschaltet ist. Der Widerstand 56 ist vorzugsweise nicht linear und aus einem Material mit einer negativen Widerstands-Strom-Charakteristik hergestellt (z.B. aus "Thyrite" von der General Electric Company).

Die gesteuerte Vakuumfunkenstreckenanordnung 39 gemäß Fis· 1 kann nicht nur Schaltspannungen begrenzen, sondern auch Überspannungen, die in der Anlage auf Grund von Blitzschlägen entstehen. Sollte der Blitz in die Leitung 10 einschlagen, so würde die Spannung des Leiters gegen Erde steil ansteigen. Ein Teil der Spannung würde an den Kondensatoren 91 bzw. 102 auftreten und unverzüglich einen Überschlag an der Zündfunkenstrecke und einen resultierenden Lichtbogen an der Hauptfunkenstrecke erzeugen. Dieser Lichtbogen würde für den hohen Blitzstrom einen Pfad niedrigen Widerstandes über den Ableitungszweig 52 nach Erde bilden. Unter der Wirkung dieses hohen Stromes würde

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der nichtlineare Widerstand ¹Jo auf Grund seiner negativen ^J Widerstands-Strom-Charakteristik einen nur geringen Widerstandswert annehmen, so daß die an ihm von dem hohen hindurchfließenden Strom erzeugte Spannung auf einer annehmbaren Höhe gehalten werden kann. Nachdem der hoheH Blitzstrom durch den Ableitungszweig 52 geflossen ist, fließt ein viel niedrigerer Strom aus der Anlage hindurch. Der nichtlineare Widerstand 76 nimmt dann einen verhältnismäßig hohen Widerstandswert an und kann diesen Strom auf einer mäßigen Höhe halten, so daß er von der Vakuumfunkenstreckenanordnung 39 beim ersten Stromnulldurchgang nach Abklingen des Blitzstromes leicht unterbrochen werden kann.

Da die Vakuumfunkenstreckenanordnung Jß viele 1000 A unterbrechen kann und äse überaus hohe Leistungen aufzunehmen bzw. zu vernichten vermag, kann der nichtlineare Widerstand 76 verhältnismäßig klein sein. Die Verwendung eines kleinen Widerstandes ist besonders vorteilhaft, wenn Blitzströme hindurchfließen, weil der durch den Blitzstrom erzeugte Spannungsabfall dann leichter in Grenzen gehalten werden kann.

Es ist wichtig, daß der Ableitungszweig 52 mit seiner einen oder mehreren Funkenstreckenanordnung 39 an der Fernleitungsseite des Sehalters 14 angeordnet ist; bei dieser Anordnung kann er den Schalter und die Anlagen auf der Leitungsseite des Schalters vor Überspannungen, zum Beispiel Blitzüberspannungen, die sich auf der Fernleitung 10 ausbreiten, schützen.

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Wäre der Ableitungszweig 52 statt auf der Fernleitungsseite auf der Sammelschienenseite des Schalters angeschlossen, könnte er bei offenem Schalter diesen nicht vor solchen Überspannungswellen schützen.

Für die meisten hier betrachteten Hochspannungsanlagen hat eine einzige Vakuumfunkenstreekenvorrichtung nicht genügend Spannungsfestigkeit, um der normalen Leiterspannung gegen Erde zuverlässig standhalten zu können. Für hohe Nennspannungen wird es gewöhnlich notwendig sein, mehrere solcher Funkenstreekenanordnungen in Reihenschaltung zu verwenden.

Eine Schutzeinrichtung mit einer Reihenschaltung von drei solcher Funkenstreckenanordnungen ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Jeder der Funkenstreckenanordnungen gernäß Fig. 2 ist im wesentlichen der Funkenstreckenanordnung J59 von Fig. 1 gleich und entsprechende Teile dieser Funkenstreckenanordnungen tragen ■dasselbe. Bezugszeichen wie in Fig. 1. Diese Funkenstreckenanordnungen 39 ^ernäß Fig. 2 sind hintereinander in einen Able itungszweig 52a, 52b, 52c, 52d geschaltet, der von der Leitung IG auf der Leitungsklemmenseite des Schalters 14 nach Erde führt.

Zwischen die Hochspannungsleitung .10 und Erde sind drei Spannungsteilerkondensatoren 75> 78 und 77 geschaltet, durch welche die Verteilung der Leiterspannung gegen Erde auf die Hauptfunkenstreeken 50 der Funkenstreckenvorrichtung bestimmt wird. Der Teil 52b des Ableitungszweiges zwischen der oberen

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und der mittleren Punkenstreekenanordnung 39 ist mit der Verbindungsstelle zwischen den Kondensatoren 75 und 78 verbunden und der Teil 52c des Ableitungszweiges zwischen der mittleren und der unteren Funkenstreckenanordnung 39 ist mit der Verbindungsstelle zwischen dem mittleren Kondensator 78 und dem unteren Kondensator 77 verbunden. Die Kapazitäten der Kondensatoren 75j 78 und 77 werden vorzugsweise so gewählt, daß die Leiterspannung gegen Erde gleichmäßig auf die drei Funkenstreckenanordnungen 39 aufgeteilt wird.

Um die Spannungspegel für die Zündelektrode 58 festzulegen, werden drei Spannungsteiler-Kondensatoren 81, 82 und 83 in Reihe zwischen die Leitung 10 und Erde geschaltet. Die Klemme zwischen den Kondensatoren 8l und 82 wird über die Zuleitung 65 an die Zündelektrode 58 der oberen Funkenstreckenanordnung 39 angeschlossen, in ähnlicher Wei'se ist die Klemme zwischen den Kondensatoren 82 und 83 mit der Zündelektrode 58 der mittleren Funkenstreckenanordnung 39 verbunden und die untere Anschlußklemme des Kondensators 73 ist über den Widerstand J6_} die Sekundärwicklung I30 und die Zuleitung 65 mit der Zündelektrode 58 der unteren Funkenstreckenanordnung 39 verbunden. Die Kondensatoren 81, 82 und 83 haben eine solche Kapazität, daß normalerweise keine nennenswerte Spannung an den Zündfunkenstrecken 54 der Vakuumfunkenstreckenanordnungen 39 anliegt. Die Zündrunkenstrecken 54 sind also normalerweise im wesentlichen unbelastet und die Hauptfunkenstrecken 50 deshalb leicht in der Lage, der

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normalen Scheitelspannung zwischen Leiter und Erde standzuhalten.

Wenn die Leiterspannung gegen Erde einen bestimmten Höchstwert im Bereich vom 1,5- bis 2-fachen des normalen Spannungscheitelwertes überschreitet _s verursacht ein spannungsempfindlicher Zündkreis 70 entsprechenddem Zündkreis 70 gemäß Fig. 1 einen Überschlag an der Zündfunkenstrecke 54 der unteren Funkenstreckenanordnung 39. Dieser Zündkreis 70 ist über einen der beiden spannungsteilenden Kondensatoren 90 und 91 geschaltet, die den gleichbezeichneten Kondensatpren in Fig. 1 entsprechen. Ein Überschlag an der Zündfunkenstrecke der unteren Funkenstreckenanordnung 39 leitet in der oben beschriebenen Weise schnell einen Durchschlag der Hauptfunkenstrecke 50 dieser Funkenstreckenanordnung ein.

Beim Durchschlag der Hauptstrecke der unteren Funkenstreckenanordnung 39 entlädt sieh der darüber geschaltete Kondensator 77 schnell durch die Funkenstreckenanordnung, was zu einer scharfen Herabsetzung der Spannung des Teils 52c des Ableitungszweigs und der unteren Hauptelektrode 48 der mittleren Funkenstreckenanordnung 39 führt. Wegen der nach wie vor bestehenden Wirksamkeit des Spannungsteiler-Kondensators 83 liegt die Zündelektrode 58 der mittleren Funkenstreckenanordnung noch auf einer verhältnismäßig hohen Spannung. Der steile Potentialabfall der Hauptelektrode 48 der mittleren Funkenstreckenanordnung erzeugt also einen großen Spannungsunter-

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schied an der Zündfunkenstrecke 54 der mittleren Funkenstreckenanordnung, wodurch diese Zündfunkenstrecke 54 überschlägt und dann die Hauptfunkenstrecke 5° der mittleren Funkenstreckenanordnung durchschlägt. Sodann wiederholt sich hinsichtlich der oberen Funkenstreckenanordnung im wesentlichen dieselbe Vorg-j-angsfolge. Genauer gesagt, entlädt sich, wenn die mittlere Funkenstreckenanordnung j59 durchschlägt, der dieser parallel geschaltete Kondensator 78 schnell durch diese Funkenstrecke, ^ wodurch die Spannung der unteren Hauptelektrode 48 der oberen Funkenstreckenanordnung plötzlich erniedrigt wird. Dies läßt die Spannungsdifferenz zwischen der Hauptelektrode 48 und ihrer benachbarten Zündelektrode 58 schnell ansteigen und erzeugt einen Überschlag an der Zündfunkenstrecke 54 der oberen Funkenstreckenanordnung, dem ein Durchschlag der Hauptfunkenstrecke 5o der oberen Funkenstreckenanordnung folgt.

Diese ganze Folge von Vorgängen geht in extrem kurzer Zeit vor sich, so daß der Bogen in der unteren Funkenstreckenanordnung noch brennt, wenn die obere Funkenstreckenanordnung"durchschlägt. Der Durchschlag der oberen Funkenstreckenanordnung vervollständigt also den Ableitungszweig.52a,5ob, 52c, 52d durch die Funkenstreckenanordnung j59 und den nicht linearen Widerstand 76; und die Überspannungsenergie wird in diesem vervollständigten Ableitungszweig verbraucht. Wie bereits festgestellt, gewinnen die Funkenstreckenanordnungen ihre Spannungsfestigkeit schnell zurück, wenn ein Stromnulldurchgang erreicht ist, , ' und verhindern einen weiteren Stromfluß, sofern die Spannung

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auf der Leitung Io nicht wieder auf mindestens die ursprüngliche Spannung ansteigt, die den Durchschlag der Funkenstrek-' kenanordnungen hervorgerufen hatte.

Obwohl im Ableitungszweig gemäß Fig. 2 drei Funkenstrekkenanordnungen in Reihenschaltung gezeigt sind, können natürlich auch mehr solche Funkenstreckenanordnungn in den Ableitungszweig geschaltet werden, entsprechend der Betriebsspannung der Fernleitung Io. Elektrische Anlagen, für die diese Erfindung besonders geeignet ist, haben Nenn-Spannungen von 5oo bis looo kV.

Es ist eine relativ lange Zeit nötig, um beim Abschal- ten im Schalter entstandene Gase zu entfernen oder mindestens abzukühlen, und bis dies geschehen ist, ist die Spannungsfestigkeit des Schalters vermindert. Die Dauer dieser verminderten Spannungsfestigkeit ist der Höhe des unterbrochenen Stromes proportional und kann immerhin einige Sekunden betragen. Wegen dieser /erminderten Spannungsfestigkeit besteht während der Zeit, die unmittelbar auf eine Unterbrechung folgt, im Schalter die Gefahr elektrischer Durchschlage; und-es ist höchst wichtig, daß ein solcher Durchschlag nicht zum Entstehen eines Leistungsfehlers im Schalter führt. Ein Beispiel eines solchen Leistungsfenlers im Schalter wäre ein Durchschlag über die offenen SchaiJsstückpaare ?? oder 24 entlang einem Pfad, der sich elektrisch zwischen den Klemmen des Schalters erstreckt. Wenn das öffnen des Schalters den Zweck gehabt hätte, einen Erdschluß der Leitung

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Io abzuschalten, dann würde so ein Durchschlag an den offenen Schaltstücken die elektrische Verbindung zwischen der Energiequelle 12 und dem Erdschluß der Leitung Io wiederherstellen und das Fließen eines Leistungsfolgestroms von erheblicher Höhe über diesen Pfad ermöglichen. Wenn der Leistungsfolgestrom innerhalb einer Halbperiode nach Vollendung der ersten Unterbrechung beginnt, so ist der Schalter gewöhnlich noch in der Lage, ihn zu unterbrechen. Beginnt der Leistungsfolgestrom jedoch später als etwa eine Halbperiode nach der Vollendung der Unterbrechung, so wird ihn der Schalter höchstwahrscheinlich nicht unterbrechen können. Es ist also sehr wichtig, einen solchen internen Leistungsfehler zu verhindern, besonders während des Teils der Dauer der verminderten Spannungsfestigkeit, der etwa eine Halbperiode nach der Vollendung der Unterbrechung beginnt.

Der Schalter kann dadurch vor dem Auftreten eines solchen inneren Leistungsfehlers geschützt werden, daß während der Dauer der verminderten Spannungsfestigkeit die wirksame Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanordnung oder -an- · Ordnungen 29 auf einen geeigneten niedrigen Wert vermindert wird. Ist die wirksame Durchschlagsspannung so vermindert, so werden Wanderwellen, die die Leitungsklemme des Schalters erreichen, und die genügend hoch sind, um die Funkenstreckenanordnung 39 durchzuschlagen , durch diesen Durchschlag auf Vierte beschränkt bleiben, die für einen elektrischen Durchschlag innerhalb des Schalters zwischen der Leitungsklemme und der Sammelschinenklemme nicht ausreichen.

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Die erfindungsgemäße Funkenstreckenanordnung eignet sich her vorragend für eine solche Herabsetzung der wirksamen DurchschTagsspannung, da slese Herabsetzung schnell und genau bewirkt werden kann, ohne daß schwere Teile bewegt werden müssen oder andere komplizierte Maßnahmen durchgeführt werden müssen. Die Herabsetzung wird durch eine geringfügig abgewandelte Form des oben beschriebenen Zündkreises 7 ο erreicht.

Der abgewandelte Zündkreis 7° ist in Fig. 3 dargestellt. Er gleicht im wesentlichen dem Zündkreis 70 gemäss Fig. 1, außer daß ein zusätzlicher Widerstand 99 zwischen die Widerstände 98 und loo geschaltet ist. Dieser zusätzliche Widerstand 99 wird normalerweise durch einen gewöhnlich geschlossenen Steuerschalter I4o überbrückt. Die Stellung dieses Steuerschalters 3Λο wird in bekannter Weise von der Stellung der Schaltstücke des Hauptschalters gesteuert. Ist der Schalter 14 geschlos· sen, so ist auch der Steuerschalter l4o in seiner gezeigten geschlossenen Stellung; öffnet sich der Schalter 14, so öffnet sich auch der Steuersehalter l4o. Ein öffnen des Steuerschalters l4o beseitigt die Überbrückung des Widerstandes 99* wodurch dieser in Reihe mit den Widerständen 98 und loo geschaltet und der Kondensator Io2 über die Reihenschaltung der Widerstände 99 und loo geschaltet wird. Mit diesem Widerstand 99 im Kreis tritt am Kondensator Io2 ein größerer Prozentsatz der an den Ausgangsklemmen 95 und 96 herrschenden gleichgerichteten Spannung auf, als es ohne den Widerstand 99 der Fall wäre.

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Ist also der Widerstand 99 in den Kreis geschaltet, so hat eine niedrigere Spannung auf der Leitung to- am Kondensator Io2 eine ausreichende Spannung zur Folge, um. den schwellwertempfindlichen Transistor 11b und damit die gesteuerte Vakuum-Funkenstreckenanordnung J59 ^zu zünden. Das öffnen des Steuerschalters I4o bewirkt also eine effektive Verminderung der Durchschlagsspannung der gesteuerten Vakuum-Funkenstreckenanordnung 39. Der Ohmwert des Widerstandes 99 wird so gewählt, daß die effektive Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanordnung auf einen solchen Wert erniedrigt wird, daß alle Wanderwellen, die die Lej-tungsklemme des Schalters während der Dauer von dessen verminderter Spannungsfestigkeit erreichen und hoch genug sind, die Funkenstreckenanordnung 39 durchzuschlagen, durch diesen Durchschlag auf einen Wert beschränkt werden, der für einen elektrischen Durchbruch innerhalb des Schalters zwischen dessen Leitungsklemme und Sammeischinenklemme nicht ausreicht.

Der Steuerschalter l4o ist in üblicher Weise so gebaut, daß er durch die Betätigung des Hauptschalters geöffnet wird, etwa durch einen auf einem beweglichen Teil des Schalters 14 befindlichen Nocken 139 j der ein Betätigungsglied l4l des Steuerschalters l4o bedient. Wenn der Schalter 14 offen bleibt, bewegt sich der Nocken 1^9 jenseits des Steuerschalter-Betätigungsglieds 14 1, wie in Fig. 3 gestrichelt eingezeichnet ist, und eine Rückstellfeder 142 beingt den Steuerschalter l4o nach einer bestimmten Verzögerungszeit in seine geschlossene Stellung

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zurück. Die Dauer dieser Verzögerungszeit, die normalerweise, einige Sekunden beträgt, wird von einer bekannten Verzögerungsvorrichtung bestimmt, wie z.B. durch einen Dämpfungszylinder 144. Solange'der Steuerschalter l4o und der Schalter 14 offen sind, ist der Widerstand 99 im Zündkreis wirksam und die gesteuerte Vakuumfunkenstreckenanordnung 39 hat somit eine verminderte effektive Durchschlagspannung. Schließt dann der Steuerschalter l4o nach einer vorgewählten Verzögerungszeit, so ist der Widerstand 99 wieder überbrückt und die effektive Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanordnung ist in ihrem ursprünglichen und höheren Wert wieder hergestellt.

Wenn der Schalter 14 nach einem ÖffnungsVorgang schnell wieder geschlossen wird, wird es erwünscht sein, die effektive Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanordnung 39 sofort wieder auf ihren ursprünglichen Wert einzustellen . Dies kann durch einen HilfsSteuerschalter 148 geschehen, der dem Steuerschalter l4o parallelgeschaltet ist. Der Hilfssteuerschalter 148 ist ein gewöhnlicher "a"-Schalter, der schließt, wenn der Schalter 14 schließt, und der öffnet, wenn der Schalter 14 öffnet. Im Fall eines schnellen Wiederschließens des Schalters 14 schließe auch der Hilfssteuerschalter 148 und überbrückt den Widerstand 99* wodurch die Vakuumfunkenstreckenanordnung 39 wieder ihre ursprüngliche effektive Durch- schlagspannung annimmt.

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Die vom Dämpfungszylinder 144 verursachte Verzögerungszeit soll so lang sein, daß die Herabsetzung der effektiv η 'Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanordnung für eine bestimmte Dauer aufrechterhalten wird, die etwa der Zeit der erheblich verminderten Spannungsfestigkeit im Inneren des Schalters durch die höchste vom Schalter auszuschaltenden Ströme gleich ist.

Da bei einer Unterbrechung niedrigerer Ströme durch den Schalter, dessen Spannungsfestigkeit nicht wesentlich vermindert wird, ist in solchen Fällen keine Verringerung der effektiven Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanordnung erforderlich. Als zusätzliche Verbesserung des Steuerkreises gemäß der Fig. 3 kann zum Verhindern der oben beschriebenen Herabsetzung der effektiven Durchschlagsspannung nach der Unterbrechung eines niedrigen Stroms ein Überstromrelais l6o vorgesehen werden, dessen normalerweise geschlossenen Kontakte in einen dem Steuerschalter l4o parallelliegenden Kreis l6j5 geschaltet sind. Damit das Relais l6p auf die Höhe des in der ) Leitung Io fließenden Stroms anspricht, wird es an die Klemme eines geeigneten· Strornwandlers 164 angeschlossen. Bei Ausschaltung eines starken Stroms durch den Schalter 14 öffnen sich die Kontakte 1β2 des Relais l6o Und der Rest des Kreises verhält sich wie beschrieben. BleiDt jedoch der vom Schalter unterbrochene Strom unterhalb eines bestimmten 'Wertes, so bleiben die Kontakte l6"2 des Überstromrelais l6o geschlossen

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und verhindern die Einschaltung des Widerstands 99 durch den Steuerschalter l4o, und damit eine Verminderung der effektiven Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanor nung 39 hei der Unterbrechung kleiner Ströme.; Ist dies nicht erwünscht ,dann können das Überstromrelais l6o und der zugehörige Kreis weggelassen werden. Das Überstromrelais l6o enthält eine Zeitverzögerungsvorrichtung .1.64, die es nach einem Öffnungsvorgang am Schließen hindert, bevor der Steuerschalter l4o schliesst.

Obwohl der Zündkreis 7° iⁿ Fig. 3 an eine Schutzeinrichtung mit nur einer Punkenstreckenanordnung 39 angeschlossen ist, kann er natürlich auch an eine Schaltung gemäss Fig. 2 mit einer Mehrzahl von hintereinander geschalteten Funkenstreckenanordnungen angeschlossen werden.

Fig. 4 zeigt in schematischer Form eine weitere Ausführungsf__prm der Erfindung. Hierbei wird die Funkenstreckenanordnung 39 durch auf der Leitung Io auftretende Sehaltspannungen unabhängig von deren Höhe zum Durchschlag gebracht. Zur Erzielung dieser Steuerart wird ein Zündkreis 17o verwendet, der auf die Ä'nderungsgeschwindigkeit der Spannung E auf der Leitung Io anspricht, also auf dE/dt.

Das Eingangssignal für den Zündkreis l?o wird von einem Stromkreis erzeugt, der eine Reihenschaltung eines Kondensators 171 und eines Widerstandes 172 enthält, die zwischen der Leitung Io und Erde liegen. Die am Widerstand 172 auftretende Spannung e ist der Änderungsgeschwindigkeit der Spannung auf

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der Leitung Io direkt proporational und kann deshalb zur Steuerung des Zündkreises 1"Jo verwendet werden. Die Spannung e wird einem durch eine schematisch dargestellte Vorspannungsquelle 176 vorgespannten Steuergitter 175 eines Thyratrons 174 zugeführt. Übersteigt die Spannung e einen bestimmten Wert, so ist die Spannung am Steuergitter 175 genügend hoch, um das Thyratron zu zünden. Dabei entlädt sich der vorher aufgeladene Kondensator 127 durch den Kreis 126 und über den Impulstransformator mit der Primärwicklung -128 und der Sekundärwicklung 13°.» wobei ein Hochspannungsimpuls a die Zündfunkenstrecke 54 angelegt wird, wie es in Verbindung mit den entsprechend bezeichneten Teilen der Fig. 1 beschrieben wurde. Dies hat einen Überschlag an der Zündfunkenstrecke 54 und einen entsprechenden Durchschlag der Hauptfunkenstrecke zur Folge.

Um die Zündfunkenstrecke 64 auch bei Auftreten einer bestimmten Spannung entgegengesetzter Polarität am Widerstand 172 zürn Überschlag zu bringen, wird ein zweiter Zündkreis 17oa vorgesehen. Dieser Zündkreis 17oa gleicht im wesentlichen dem ersten Zündkreis 170, aber ein Steuergitter 175a eines Thyratrons 17^a ist jedoch an eine untere Klemme des Widerstandes 172 und die Kathode lan dessen obere Klemme angeschlossen, im Gegensatz zum umgekehrt angeschlossenen Thyratron 174. Die Schaltelemente des Zündkreises 17oa sind mit denselben Bezugszeichen, wie H die ent—sprechenden Schaltelemente des Kreises VJo, und zusätzlich dem Index "a" bezeichnet.

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Wenn das Thyratron 174a beim Auftreten einer bestimmten Spannung am Widerstand 172 zündet, wird ein Kondensator-Entladungskreis 126a geschlossen, so daß ein Hochspannungsimpuls über einen Impulstransformator mit Windungen 128a, 13oa an die Zündfunkenstrecke 54 angelegt wird. Wie schon erklärt, bewirkt dies einen Oberschlag an der Zündfunkenstrecke 54 und damit einen Durchschlag der Hauptfunkenstrecke 5°·

Eine typische Schaltspannung hat auf der Fernleitung Io einen Spannungsanstieg zur Folge, der etwa die 3°- bzw. 36-fache Steilheit des maximalen S_pannungsanstiege der stationären 60- bzw. 50-Hz-Spannung besitzt. Eine Schaltspannung wird also eine wesentlich höhere Spannung e am Widerstand 172 entstehen lassen, als dort unter normalen, stationären Bedingungen auftritt Die Zündung der Thyratrons 174 und 174a ist für eine Spannung e eingestellt, die wesentlich höher ist, als das von der normalen stationären Spannung erzeugte Maximum, aber wesentlich niedriger, als die von einer typischen Schaltspannung erzeugte Spannung. Die Thyratrons sprechen also auf die normale stationäre Spannung nicht an, werden aber im wesentlichen auf alle Schaltspannungen unabhängig von deren Höhe hin betätigt, so daß die Funkenstreokenanordnung 39 bei praktisch allen Sehaltspannungen durchschlägt. Die Vorteile dieses Ansprechverhaltens werden aus dem folgenden ersichtlich.

Selbst wenn die am Ende einer Leitung von einer Schaltspannung erzeugte Spannung mittels einer Schutzfunkenstrecke

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auf einen bestimmten Wert begrenzt ist, kann an einem von der Funkenstrecke entfernten Punkt der Leitung eine höhere Spannung auftreten. Diese höhere Spannung rührt von der am Leitungsende reflektierten Welle her, die der vorwärts wandernden Welle überlagert ist. Bezüglich der Funkenstreckenanordnung kann die vorwärts wandernde Welle als ankommende Welle betrachtet werden. In dem in den Zeichnungen gezeigten Teil der Anlage würde diese ankommende Welle auf der Leitung Io von rechts nach links wandern. Die von der Überlagerung der reflektierten Welle und der ankommenden Welle entwickelte Spitzenspannung ist:

E„
E_f + -g- . ■ -

wobei E_f der Scheitelwert der ankommenden Wanderwelle und E die Durchschlagsspannung der Funkenstreckenanordnung sind.

Eine Möglichkeit, diesen Verhältnissen gerecht zu werden, besteht darin, die Zündkreise gemäß Fig. 1 und 2 für einen Durchschlag ihrer zugehörigen Funkenstreckenanordnung 39 bei einem so niedrigen Pegel einzustellen, daß die entstehenden Höchstspannungen im Bereich von 1,5- bis 2-fachen der normalen Scheitelspannung bleiben . Als Beispiel sei angenommen, daß der durch ein Schließen eines Schalters auf der Fernleitung Io erzeugte maximale wahrscheinliche Wert einer typischen ankommenden Wanderwelle gleich dem 1,2-fachen der normalen Scheitelspannung sei. Wenn keine Funkenstreckenanordnung vorhanden wäre, würde sich die Wanderwelledurchdie Reflexion beim Erreichen des

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Leitungsendes verdoppeln und es würde eine Spannung des doppelten Wertes entstehen. Ist aber eine Funkenstreckenanordnung vorhanden und für einen Durchschlag beim beispielsweise 1,6-fachen Wert der normalen Scheitelspannung eingestellt, so wird die höchste auf der Leitung entstehende Spannung gleich dem(l,2 + -^- )- oder2-fachen der normalen Scheitelspannung sein.

Durch Verwendung der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. A kann die auftretende Höchstspannung auf Werte begrenzt werden, die nur geringfügig höher als E-, dem Maximalwert der ankommenden Welle, sind. Die Schutzeinrichtung gemäß Fig. 4 schlag wie oben erklärt, bei praktisch allen Sehaltspannungen unabhängig von ihrer Höhe durch. Sobald der Zündkreis I¹Jo oder 17oa eine A'nderungsgeschwindigkeit der Spannung E auf der Leitung 170 erfaßt, welche die Anwesenheit einer Sehaltspannung anzeigt, bewirkt er einen Durchschlag der Vakuumfunkenstreckenanordnung 39. Selbst bei Schaltspannungen, die eine Höchstspannung von weniger als der normalen Leiter-Scheitelspannung gegen Erde erzeugen, ruft der Zündkreis 17o oder I7oa einen Durchschlag der Funkenstreckenanordnung j59 hervor. Wie beschrieben, kann die normale Betriebspannung jedoch keinen Durchschlag der Funkenstreckenanordnung erzeugen. .

Um die Zündkreise 170 und 17oa für Spannurigswellen von geringer Höhe auf der Leitung Io unempfindlicher zu machen,

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z.B. für Spannungswellen von weniger als etwa dem o,2-fachen Wert der normalen Leiter-Scheitelspannung gegenErde, kann dem Widerstand 172 (Fig. 4) eine Reihenschaltung.eines geeigneten Widerstands I90 und eines Kondensators 191 parallelgeschaltet werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Der Widerstand kann beispielsweise einen Wert von 5 Ohm, der Widerstand 190

Wert einen Wert voja 500 Ohm und der Kondensator I9I einen^Von

o,o2 Mikrofarad haben. Der Verbindungspunkt zwischen dem Wider- * stand"190 und dem Kondensator 191 ist mit dem Steuergitter des Thyratrons 174verbunden. Dieser parallelgeschaltete Wider-

. -S

stand 190 mit Kondensator 191 verhindert, daß Spannungswellen' kleiner Amplitude am Thyratrongitter eine genügend hohe Spannung entstehen lassen, um das Thyratron 174 zu zünden. .Mit dem die Empfindlichkeit vermindernden Kreis 190,191 gemäß Pig. 5 schlägt die Punkenstreckenanordnung 39 ^Dei solchen niedrigen Spannungswellen nicht durch.

Obwohl in den verschiedenen abgebildeten Ausführungsformen ) die Schutzfunkenstreckenanordnung 39 zwischen die leitungs- ^; seitige Klemme eines Leistungsschalters und Erde geschaltet dargestellt ist, kann sie auch zwischen den Leistungsanschlußpunkt eines Transformators oder eines anderen Hochspannungsgerätes und Erde geschaltet seih, um solche Geräte gegen Schaltspannungen und andere auf der Leitung Io auftretende Überspannungen zu-schützen.

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Claims (6)

Patentansprüche

1.J Elektrischer Schalter mit einer sammelschienenseitigen Klemme und einer leitungsseitigen Klemme, und mit einer gesteuerten Vakuumfunkenstreckenanordnung, die ein hochevakuiertes Gehäuse mit einem Innendruck von Io ·* Torr oder VL.eniger und zwei im evakuierten Gehäuse voneinander beabstandete Hauptelektroden, die zwischen sich eine Haupt-Vakuumfunken-' strecke bilden, enthält^ g e k e η η ζ e i c h η e t durch eine Anordnung mit einer Zündfunkenstrecke (54) innerhalb des evakuierten Gehäuses (4o), die beim Überschlagen Ladungsträger in die Hauptstrecke (f?o) schießt, um einen Durchschlag zwischen den Hauptelektroden (46,48) hervorzu-

die
rufen; einem Hauptelektroden (46,48 enthaltenden Ableitungszweig (52), der sich elektrisch zwischen der leitungsseitigen Klemme und Erde erstreckt, und einer mit der Zündfunkenstrecke (54) gekoppelten Schaltung .'ι zur Erzeugung eines Überschlags an der"Zündfunkenstrecke (54) und eines drauf folgenden Durchschlags zwischen den Hauptelektroden (46,48) wenn die Spannung zwischen der leitungsseitigen Klemme und Erde einen bestimmten Wert im Bereich vom 1,5-bis 2-fachen der normalen Leiter-Scheitelspannung gegen Erde erreicht.

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2. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1, dessen Anordnung zum Einschießen von Ladungsträgern ein isolierendes Trägerbauteil,längs dessen Oberfläche die Zündfunkenstrecke angeordnet ist, wobei eine Metallschicht das isolierende Bauteil an einem'Rand der Zündfunkenstrecke berührt und eine Zündelektrode bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (58 oder 60) mit Wasserstoffgas beladen ist, von dem beim Überschlag der Zündfunkenstrecke (54) ein Teil freigesetzt und ionisiert wird, um die Ladungs-

" träger zu bilden.

3. Elektrischer Schalter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine betätigbare Steuervorrichtung, welche die zur Erzeugung eines Überschlags an der Zündfunkenstrecke (54) nötige LeiterSpannung gegen Erde auf einen Wert herabsetzt, der so niedrig ist, daß bei offenem Schalter alle die leitungsseitige Klemme erreichenden SpannungsweIlen,die genügend hoch sind, um die Funken-

strennvorrichtung (39) durchschlagen zu lassen, durch diesen ) Durchschlag selbst während des Teils der Dauer der verminderten S-lpannungsfestigkeit, die etwa eine Halbperiode nach der Unterbrechung von Strömen in der Nähe des Maximal-Nennwerts des Schalters beginnt, auf Werte begrenzt werden, die im allgemeinen nicht hoch genug sind, um einen elektrischen Durchschlag im Inneren des Schalters zwischen der leitungsseitigen und der sammelschienenseitigeh Klemme zu erzeugen.

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4. Elektrischer Schalter nach' Anspruch 3*

gekennzeichnet durch einen elektrisch ansprechenden Kreis, der auf die Unterbrechung eines hohen Stroms durch den Leistungsschalter (l4) anspricht, um den Wert der zur Erzeugung eines Überschlags an der Zündfunkenstrecke (54) notwendigen Leiterspannung gegenErde zu vermindern, und eine elektrischeAnordnung zur Verhinderung dieser Verminderung der effektivenDurchschlagsspannung, wenn der vom Schalter (14) unterbrochene Strom unter einem bestimmten Wert liegt.

5. Elektrischer Schalter nach Anspruch 4, g e k e η η ζ e ich η e t, durch einen Zündkreis (7o,17o) zur Erzeugung eines Überschlags an der ZUndfunkenstrecke und eines folgenden Durchschlags zwischen den Hauptelektroden (46,48), wenn eine Sehaltspannung an der leitungsseitigen Klemme auftritt, deren Scheitelwert kleiner als das I,5-fache des Scheitelwertes der normalen Leiterspannung gegen Erde ist.

6. Elektrischer Schalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch' einen Zündkreis (17o,l?oa) der auf die Spannungsänderungsgesciwindiskeit an der leitungsseitigen Klemme anspricht, aber bei Sohaltspannungen mit einem Scheitelwert unter dem o,2-fachen des Scheitelwertes der normalen Leiterspannung gegenErde 1 keinen Übersohlag an der Zündfunkenstrecke hervorruft.

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