DE1947046A1

DE1947046A1 - UEberspannungsableiter fuer hohe Spannungen

Info

Publication number: DE1947046A1
Application number: DE19691947046
Authority: DE
Inventors: Sletten Andreas M; Henry Riemeroma
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1968-10-04
Filing date: 1969-09-12
Publication date: 1970-04-09
Also published as: FR2019971A1; CH499908A; GB1224956A; ES371845A1; JPS4812333B1; SE370595B

Description

"festinghouse · 12.9»1969

Electric Corporation

Pittsburgh 1947046

Mein Zeichen: PLA 69/8011 Was/Lo

Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden

USA-Anmeldung Serial No. 765 241 vom 4. Oktober 1968 beansprucht.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen überspannungsableiter für hohe, insbesondere höchste Spannungen. Ein derartiger überspannungsableiter hat die Aufgabe, iia Noriaalbe trieb eine hohe Leitungsspannung zu sperren; beim Auftreten einer Überspannung muß er eine Entladung in Form eines Stoßstromes einleiten und anschließend den sogenannten Folgestrom unterbrechen.

In Zukunft wird es für den Schutz von Höchstspannungs-übertragungssysteinen, die sich über große Entfernungen erstrecken, darauf ankommen, daß gefährliche Überspannungen alt wesentlich größerer Genauigkeit als bisher erfaßt werden. Diese größere Genauigkeit ist wegen der kleineren Sicherheitstoleranz der Isolationsfestigkeit bei diesen Spannungswerten erforderlich. Ferner treten SchaltÜberspannungen häufiger auf, da große Energiemengen in der Induktivität der Leitungen und den zur Kompensation vorgesehenen Kondensatorbänken, die nit der Leitung verbunden und auf hohe Spannungen aufgeladen sind, gespeichert sind.

Das Erfassen von Überspannungen ist im allgemeinen die Aufgabe von Funkenstrecken, die in einem Überspannungsableiter enthalten

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sind. Wird die Überschlagsspannung der Funkenstrecken überschritteny-s.o. folgt zunächst eine Phase der Energieabführüng^j! und anschließend die Unterbrechung des Folgestromes. Bei den bisherigen Jberspannungsableitern spielen die Funkenstrecken bei sämtlichen dieser Funktionen eine aktive^:Bolle. Sie sind in der Lage, die Ansprechspannung mit einer statistischen Schwankung von etwa + 5 λ zu erfassen; dies wird z. E. mit Hilfe τοπ vorionisierenden Glimmstrecken erreicht, die in der Nähe der Hauptfunkenstrecken angeordnet sind, wobei die ilauptfunkenstrecken die hohen ^toßströme und die Folgeströme tragen. Da die Hauptfunkenstrecken durch diese Ströme erheblich belastet sind, können ihre Elektroden beschädigt werden, was eine Vergrößerung der obengenannten statistischen Schwankung der Ansprechspannung zur Folge hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einea Überspannungsableiter, für Hochspannung Bit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Hauptfunkenstrecksn die Konstanz der Ansprechspannung zu verbessern. Diese Aufgabe wird geaäß der Erfindung dadurch gelöst, daß parallel zu atifädeetene einer der Hauptfunkenstrecken eine Steuerfunkenstrecke geschaltet ist, deren Elektroden in einem gasdicht abgeschlossenen Gehäuse liegen, das eine tritiumhaltige Gaaaischung enthält. Tritiua ist das Wasserst off-Isotop ait der Maasenzahl 3 (^H). Ee zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12 Jahren unter Abgabe von Beta-Strahlung. Bei geeigneter Menge bzw. Konzentration des Tritiumgehalts tritt pro Zeiteinheit eine solche Zahl von Beta-Eiflissionen auf, daß durch eine wesentliche Herabsetzung der statistischen Ansprechverzögerung die Überschläge der Steuerfunkenstrecke nahezu ohne statistische Schwankungen der Ansprechspannung eingeleitet werden.

Die Steuerfunkenstrecke spricht also an, sobald die an ihr liegende spannung einen vorbest lernten, genau einstellbaren Wert

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überschreitet. Das Ansprechen der Steuerfunkenstrecke hat zur Folge, daß die bis dahin an der zugeordneten Hauptfunkenstrecke liegende Spannung auf die übrigen Hauptfunkenstrecken verteilt wird, so daß diese ebenfalls ansprechen. Die oteuerfunkenstrecke ist in der Lage, mit großer Genauigkeit wiederholt bei derselben Spannung anzusprechen, so daß dadurch auch eine konstante Ansprechspannung des gesamten überspannungsableiter bei wiederholten Zündungen gewährleistet ist; die Schwankung der Ansprechspannung des Gesamtableiters liegt unter 2 A.

Du die Steuerfunkenstrecke parallel zu einer der Hauptfunkenstrecken liegt, braucht sie keine hohen Stoß- oder Folgeströae zu tragen, die die Elektroden beschädigen und dadurch Änderungen der Ansprechspannung verursachen könnten. Die Steuerfunkenetrecke muß jedoch, da der Jberspannungsableiter nach der Erfindung für hohe und höchste Spannungen bestimmt ist, im Verhältnis zu Schutzvorrichtungen für Niederspannung relativ hohe Spannungen und Ströme tragen können. Derartige überspannungsableiter für Niederspannung sind beispielsweise in einem Aufsatz "Der Schutz von Fernmeldeanlagen gegen Überspannungen", ETZ 1966, Heft 2, oeiten 41 bis 45, beschrieben. Hierbei dient als überspannungsableiter eine Diode mit einer Mischung aus Argon un# Tritium zum Schutz von Niederspannungsleitungen für Telephonic und Telegraphic.

In der Zeichnung ist ein AuafUhrungsbeispiel der Erfindung scheuetisch dargestellt. Fig. 1 zeigt ein Schaltbild dee g·samten Über spannungsableiter, Fig. 2 einen Schnitt durch die Steuerfunkenstrecke.

Gorviß Fig. 1 ist der Überspannungsableiter zwischen eine Hochspannungsleitung L und Erde geschaltet. Der überspannungsableiter besteht aus fünf in Reihe liegenden Hauptfiiokenatrecken

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1 bis 5 und nichtlinearen Widerständen 2O₁ die ebenfalls in fieihe mit den Funkenstrecken 1 bis 5 liegen.

Gemäß Fig.. 1 sind jeweils zwei benachbarte Hauptfunkenstrecken durch parallel geschaltete Steuerkondensatoren überbrückt, und zwar derart, daß auf beiden Seiten der Hauptfunkenstrecken je ein kapazitiver Spannungsteiler gebildet ist. Die Kondensatoren auf der rechten Seite sind mit 6, 7 und 8, die Kondensatoren auf der linken Seite mit 9, 10 und 11 bezeichnet. Die Kondensatoren sind (mit Ausnahme«der beiden Enden der Schaltung) so geschaltet, daß jeweils der Anschluß eines Kondensators der rechten Seite an der Verbindungsleitung zweier Funkenstrecken angreift, die von einem Kondensator der linken Seite überbrückt sind. Außerdem sind Steuerwiderstände R vorgesehen, die vorzugsweise nicht lineare Widerstände sind, so daß eine bessere Steuerung in der Nähe der Ansprechspannun^ erreicht wird.

Die dargestellteKondensatorschaltung hat eine Kaskadenwirkung, wenn eine der Hauptfunkenstrecken 1 bis 5 anspricht; dadurch wird nämlich die bis dahin an dieser Funkenstrecke liegende Spannung augenblicklich auf die benachbarte Funkenstrecke übertragen. Dies hat zur Folge, daß die Spannung an der Nachbar» funkenstrecke im wesentlichen verdoppelt wird und daß deren überachlagswahrscheinlichkeit wesentlich erhöht wird. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis säatliche Hauptfunkenstrecken gezündet sind. '

Ge*Sß der Erfindung ist ferner eine in Fig. 1 nur scbaaatisch dargestellte Steuerfunkenstrecke 25 irorgesehen, die parallel zur HaiiptfunXenstrecke 1 und zu* Kondensator 6 geschaltet ist; Die Steuerfunkenstrecke kann febenfalle innerhalb des Stapels der Ableiterelemente und des abgedichteten Ableitergehäusee angeordnet sein.

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Zwischen dem einen Anschluß der Steuerfunkenstrecke 25 und dem Kondensator 6 liegt ein Widerstand 27« Ferner liegt zwischen dem gleichen Anschluß der Steuerfunkenstrecke und dem gemeinsamen Anschluß der Kauptfunkenstrecken 1 und 2 ein Widerstand 26. Der Widerstand 27 verhindert hohe Entladungsströme durch den Kondensator 6, und der Widerstand 28 hat die Aufgabe, das Fließen von normalen Ableiterströaen durch die Steuerfunkenstrecke 25 zu verhindern.

Die Ausbildung der Steuerfunkenstrecke 25 ist im einzelnen in Fig. 2 gezeigt. Die Steuerfunkenstrecke umfaßt zwei becherförmige, metallische Elektroden 30 und 31, deren einander gegenüberstehende ebene Oberflächen 32 und 33 einen Überschlagsspalt 34 bilden. Die Elektroden sind durch ein rohrförmiges Isolierstück 35 voneinander distanziert, das zwischen den Flanschteilen 36 und 37 der Elektroden gasdicht eingesetzt ist.

Das Isolierstück 35 besteht vorzugsweise aus eines keramischen Material; in diesem Falle können die Stirnflächen des Isolierst ücka mit den inneren Oberflächen der Flansche % und 37 in einer reinen Wasserstoffatmosphäre ob»· Flußmittel hart verlötet sein, so daß die Sauberkeit der inneren Oberflächen der Steuerfunkenstrecke 25 und damit eine einwandfreie Wirkungsweise gewährleistet ist.

Die Elektroden 30 und 31 un'd das IsollerstUck 35 sind derart genau bemessen, daß die Elektrodenflächen mit einer Abweichung von weniger als 3 > parallel sind. Dadurch wird eine gleichförmige Feldverteilung erreicht, so daß sich die Entladungen etwa gleichmäßig über die ebenen Flächen 32 und 33 verteilen und die Gefahr der Verbrennung und liarbenbildung an diesen Flächen verringert ist.

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Damit sich die Überschläge nicht an den Randern der Flächen 32 und 35 konzentrieren, sind diese Bänder abgerundet ausgeführt, wobei der Krümmungsradius von den Gesamt iiußen der ο teuer funkenstrecke 25 abhängt. So kann z. B. bei einem Durchmesser der Flächen 32 und 33 von 25 mm der Krümmungsradius der Bänder etwa 3 nun und der Abstand der beiden Flächen etwa 20 A des Durchmessers, also 5 mm betragen.

Der innere Baum der Steuerfunkenstrecke 25 ist mit einer Gagmischung gefüllt; die Füllung wird im Vakuum vorgenommen, um eine Verunreinigung der Innenflächen zu vermeiden. Die Gas-Mischung kann durch ein Rohr 39 zugeleitet' werden, das mit der Elektrode 30 über eine öffnung 40 verbunden ist und nach Eintritt des Gases abgedichtet wird.

Die Gasmischung enthält, vorzugsweise neben gewöhnlichem Wasserstoff, eine bestimmte Konzentration von Tritium, die ausreicht, während der Lebensdauer des wberspanmin^s&b-i^itere* eine Beta-Ütrahlung zur Einleitung der Entladung aufreeMssiiirhslten. Das Tritium kann la einer Gasmischung aus b /> Wasserstoff-, und 95 > stickstoff enthalten sein.

Die Beta-Strahlung von Tritiui^as hat eine niedrige durchschnittliche Energie (6 keV), so daß sie in Luft nur wenige Millimeter durchdringt. Die Beta-Teilchen entstehen und bewegen sich innerhalb des Bereiches zwischen den Elektrodenoberflächen 32 und 33. Innerhalb des Bereiches des Spaltes 34, d. h. zwischen den Elektrodenoberflächen, werden freie Elektronen erzeugt» anscheinend infolge einer Wechselwirkung der Beta-Teilchen mit der Kathode der Steuerfunkenstrecke 25, ζ. B. der Elektrodenfläche 33, obwohl auch andere Mechanismen zur Erzeugung von Elektronen im Spiel sein können, "/ie oben schon bemerkt, sollen die inneren Oberflächen der Steuerfunkenstrecke 25 so sauber

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wie möglich sein. In diesem Falle hat der Wasserstoffanteil ala Reduktionsmittel eine wichtige Funktion, indem er reduzierbare Verunreinigungen unschädlich macht, die sich sonst mit dem Tritium vereinigen und dadurch die Wirkung des Tritiums zur Erzeugung freier Elektronen herabsetzen könnten.

Die Beta-Strahlung und die Elektronenemission von der Kathode leiten die Entladung über den Spalt 34 ein, und zwar bei einer vorbestimmten Spannung mit einer Schwankung, die nahezu gleich Hull ist. Da die Entladung der Steuerfunkenstrecke ihrerseits die Hauptentladung des Überspannungsabieiters einleitet, arbeitet der überspannungsableiter mit einer Ansprechkonstanz, die bisher nicht erreichbar war.

Die Halbwertszeit von Tritiua ist 12 Jahre, so daß die erforderliche Tritiumeenge in der Steuerfunkenstrecke 25 von der erwarteten Lebensdauer des gesamten Überspannungsableiter und von der Größe der Steuerfunkenstrecke 25 abhängt, die ihrerseits von der Nennspannung des Überspannungsabieiters abhängt. Es wurde gefunden, daß ein Tritiuagehalt Yon Bindestens 100 Mikrocurie pro cm der Gasmisctiung ausreicht, für eine längere Dauer Elektronen zur Einleitung der Entladung zu liefern. Bei einem 60-kV-Überspannungsableiter ist die Wirkungsweise der Steuerfunkenstrecke 25 z. B, durch 400 Mikrocurie pro ca"" für die Lebensdauer eines solchen Ableiters gewährleistet.

Da die Beta-StraMung von Tritiu« nur eine geringe Energie hat, durchdringt sie die Wände der Steuerfunkenstrecke 25 nicht, so de.8 Personen« die sich in der Nähe des Ableiters aufhalten, uicht gefährdet sind und eine Abschirmung nicht erforderlich ist. Außerdem kann die ^teuerfunkenstrecke innerhalb dee abgedichteten Ableitergehäuse3 angebracht sein, so daß eine weitere Sicherheit gegen Austritt von Beta-Teilchen aus dem Ableiter gegeben ut

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Beim Betrieb des Ableiters nach Fig. 1 liegt aji Spalt 34 eine Spannung, die im wesentlichen der Spannung der Leitung L proportional ist, infolge des Spannungsteilernetzwerkes, das durch die Steuerwiderstände E und die Steuerkondenoatoren 6 bis 11 gebildet wird. Wenn an der Leitung L eine Jberspannung auftritt, so daß die Spannung an dem Spalt 34 einen vorbestimmten Wert überschreitet, schlägt der Spalt über, so daß eine Überspannung zunächst an der Hauptfunkenstrecke 2, dann an der Hauptfunkenstrecke 1 usw. auftritt, bis schließlich alle Hauptfunkenstrecken infolge des Käskadeneffektes der Kondensatorschaltung gezündet haben. Bei diesem Vorgang ist der Strom durch die Steuerfunkenstrecks 25 klein im Verhältnis zu den Stoß- und Fülgeströmen, die durch die Hauptfunkenstrecken 1 bis 5 fließen, da der Widerstand 28 den Strom durch die wteuerfunkenstrecke 25 begrenzt. Die Steuerfunkenstrecke 25 hat daher die Funktion eines Spannungsfühlers und Triggers, ohne jedoch große Mengen elektrischer Energie verarbeiten zu müssen.

Ein spannungsabhängiges Ansprechsignal entsteht dadurch, daß die Spannung am Spalt 34 zusammenbricht, wenn der Spalt überschlägt. Die Fühlergenauigkeit der Steuerfunkenstrecke 25 ist daher durch ihre mittlere Uberschlagsspannung und deren Schwankungsbreite gegeben. Außerdem kann die" Uberschlagsspannung mit der Zeit und durch Abnutzungserscheinungen, ferner als Funktion der Kurvenform der überspannung sich verändern. Die Schwankungsbreite ist jedoch bei der vorliegenden Erfindung auf einen Ufert von weniger als 2 A der mittleren Ansprechspannung begrenzt, und zwar für solche Kurvenformen der Spannung, die während einer Dauer von 20 /us bis 4 ms linear oder nahezu linear ansteigen. Dieses überschlagsverhalten bleibt während der Lebensdauer dee überspannungsableiters unverändert, wobei der Ableiter Hunderten von Ableitvorgängen unterworfen sein kann.

7 Ansprüche . ' -

2 Figuren.

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Claims

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Patentansgrüche

\J überspannungsableiter für Hochspannung mit einer Mehrzahl von in Beihe geschalteten Hauptfunkenstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu mindestens einer der Hauptfunkenstrecken (1) eine Steuerfunkenstrecke (25) geschaltet ist, deren Elektroden (31, 32) in einem gasdicht abgeschlossenen Gehäuse liegen, das eine tritiumhaltige Gasiaischung enthält.
2. überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasiaischung Wasserstoff enthält.
3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung 5 A Wasserstoff und 95 /»Stickstoff enthält.
4. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tritiumgehalt der Gaseischung mindestens 100 Mikrocurie pro cm·' beträgt.
5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerfunkenstrecke (25) und der zugeordneten Hauptfunkenstrecke (1) ein Strombegrenzungswiderstand (28) liegt.
6. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfunkenstrecke kreisflächenförmige ebene und parallele Elektroden (30, 3D aufweist, deren Abstand etwa 20 > ihres Durchmessers beträgt.

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7. Überspannungsableiter nach 4nsprueh 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (30, 3D becherförmig ausgebildet und durch einen Isolierstoffzylinder (35), der mit den flanschartig-ausgebildeten äußeren Händern (36t 37) der Elektroden gasdicht verbunden ist, distanziert sind.

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