DE2005988C3 - Überspannungsableiter - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft Überspannungsableiter deren Entladungsweg durch Lichtbogenkammern unterteilt ist, in denen außer den Kammerelektroden Mittel zur Längung und zur Bewegung verlängerter Lichtbögen gegen eine Lichtbogenkühlfläche vorgesehen sind.

Bekannte Überspannungsleiter weisen üblicherweise eine Funkenstreckenanordnung in Serie mit Ventilwiderständen mit negativer Widerstandscharakteristik zwischen Erde und einer elektrischen Netzleitung auf, die gegen Überspannungsstöße zu schützen ist.

Im Betrieb solcher Überspannungsableiter trennt dieser bei normaler Leitungsspannung den Netzleiter von Erde. Erfolgt aber ein Überspannungsstoß in einer Größenordnung über der Durchschlagsfestigkeit des b5 Überspannungsabieiters, findet über der Entladungsstrecke eine Entladung statt, was einen Entladestrom durch den Überspannungsableiter zur Erde zur Folge hat. Da der elektrische Anfangswiderstand eines Lichtbogens zwischen den Elektroden der Entladungsstreckenanordnung im Vergleich zur nicht übergeschlagenen Funkenstrecke sehr Wein ist, erscheint der größte Teil der Überspannung über den Ventilwiderständen, deren Widerstand infolge der negativen Widerstandscharakteristik augenblicklich auf einen sehr geringen Wert abfällt. Hierdurch ist der Überspannungsableiter in der Lage, einen hohen Stromstoß gegen Erde abzuleiten. Hiernach neigt die normale Leiterspannung dazu, den Kraftstromfluß durch den Überspannungsableiter zu erhalten. Da aber die Spannung an den Ventilwiderständen auf die normale Leiterspannung abfällt, steigt deren Widerstand an und reduziert bereits den Kraftstromfluß durch den Überspannungsableiter, bevor durch die kombinierte Wirkung von Ventilwiderständen und seriengeschalteten Funkenstrecken die Lichtbögen zwischen den Elektroden gelöscht werden.

Die Nennspannungen heutiger elektrischer Netze liegen bei 380 kV und darüber, ebenso wächst die Länge der Übertragungsleitungen, so daß das Bedürfnis einer hohen Energieaufnahme am Überspannungsableiter an Bedeutung gewinnt. Teilweise konnte die Forderung nach zusätzlicher Energieaufnahme dadurch erfüllt werden, daß in die Funkenstreckenanordnungen eine Strombegrenzung einbezogen wurde zur Verminderung der Größe der zur Erreichung einer ausreichend schnellen Unterbrecherfunktion notwendigen Ventilwiderstände. Diese Strombegrenzung wird bekanntlich durch Verwendung von seriengeschalteten Magnetspulen erreicht, welche die Lichtbögen schnell gegen am Umfang der Anordnung angeordnete Kühlflächen treiben, wodurch die Lichtbogenspannung bzw. der Lichtbogenwiderstand rasch auf einen hohen Wert gebracht wird. Der Vorteil solcher MaOnahmen besteht darin, daß sich solche Überspannungsableiter auch für Gleichstromsysteme verwenden lassen, da sich durch geeignete Kühlmittel eine solch hohe Lichtbogenspannung erzeugen läßt, daß eine Stromunterbrechung im Gleichstromsystem erfolgt. Derartige Anordnungen sind beispielsweise in CH 4 28 238 bzw. der entsprechenden Patentschrift US 33 61 923 beschrieben.

Andererseits ergeben sich verschiedene Probleme, wenn Entladungsstrecken mit Strombegrenzung für langdauernde Entladungsvorgänge hoher Energie in Überspannungsableiter verwendet weiden. Wird etwa eine zu starke Lichtbogenabkühlung vorgenommen, kann die erzeugte Lichtbogenspannung zusammen mit dem Spannungsabfall an den Ventilwiderständen den Zündspannungspegel des Ableiters übersteigen. In diesem Fall kann der Ableiter seine Funktion nicht mehr erfüllen und stellt seinerseits eine Gefahr für den Stromkreis dar, den er an sich schützen soll. Ferner können bei einer sehr zeitlangen Entladung die an die Kühlflächen getriebenen Lichtbögen an diesen permanente Erosionen hervorrufen, was die Strombegrenzungsfähigkeiten der Eniladungsstrecken verschlechtert. Aber auch ohne Dauerbeschädigungen können bei einer langdauernden Entladung doch zeitweilige Erhitzungen auftreten, so daß die Strombegrenzungsfähigkeit zeitweilig derart absinkt, daß die Unterbrechung hinausgezögert wird. Diese Nachteile wirken sich insbesondere bei Gleichstromableitern aus, da, falls die Unterbrechung nicht unmittelbar nach dem Überspannungsstoß erfolgt, diese Unterbrechung wegen Überhitzung der Funkenstrecken überhaupt nicht mehr erfolgen kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe

besteht deshalb darin, einen Überspannungsableiter zu schaffen, der auch bei der Ableitung von hohen Strömen langer Dauer funktionsfähig bleibt

Diese Aufgabe wird bei einem Ableiter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Lichtbogenkammer in der Verschiebungsbahn des Lichtbogens zwischen den Kammerelektroden und den Zähnen der Lichtbogenkühlfläche eine Hemmvorrichtung derart aufweist, daß mittels ihrer Länge und Breite und mittels ihres Abstandes zu den Zähnen der Lichtbogenkühlfläche ein Lichtbogen oberhalb vorbestimmter Stromstärke an einer Wanderung zur Lichtbogenkühlfläche gehindert und ein Lichtbogen unterhalb vorbestirnmter Stromstärke schleifenförmig um die Hemmvorrichtung herumführbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die mit. der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Hemmvorrichtung die Wanderung hohe Ströme führender Lichtbogen zur Lichtbogenkühlfläche genügend lange verzögert werden kann, damit der Lichtbogenstrom auf Werte abfallen kann, bei denen der Lichtbogen ohne Erzeugung überhöhter Bogenspannungen gekühlt und gelöscht werden kann. Mittels der Abmessungen der Hemmvorrichtung gemäß der Erfindung und der Relation zur Lichtbogenkühlfläche lassen sich die Verzögerungen leicht und genau steuern. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Hemmvorrichtung quer zur Wanderungsrichtung der Lichtbogen anzuordnen. Der Überspannungsableiter ist sowohl für Gleichstromsysteme als auch für andere Systeme, beispielsweise Niederspannungssysteme, verwendbar.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbei- J5 spielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Überspannungsableiter,

Fi g. 2 eine Draufsicht auf eine der durch Platten des Überspannungsabieiters gemäß Fig. 1 begrenzten Lichtbogenkammer mit dargestelltem Lichtbogen in der Zündphase,

Fig.3 und 4 eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 2 zur Veranschaulichung der Lichtbogenwanderung in weiteren verschiedenen Betriebsphasen des Überspannungsabieiters,

F i g. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig.6 eine Seitenansicht im Schnitt entlang der Schnittlinie 6-6 in Fig. 3.

Der in F i g. 1 dargestellte Ableiter umfaßt Isolierplatten 2 bis 7, welche jede herkömmliche Form aufweisen können und aus geeignetem Isoliermaterial bestehen, wie es beispielsweise in der US-PS 31 51 273 beschrieben ist. Zwei elektrisch leitfähige Platten bilden die oberen und unteren Anschlußplatten 8 und 9 des Ableiters. Mit der unteren Anschlußplatte 9 steht ein nichtlinearer Ventilwiderstand 10 in elektrischem Kontakt, wonach eine dritte, mit Erde verbundene Anschlußplatte 11 den Abschluß bildet. «>

Bekanntlich begrenzen jcvu!;. Denachbarte Isolierplatten zwischen sich Lichtbogenkammern, in denen jeweils zwei Hörnerelektroden angeordnet sind, welche dazu dienen, einen Lichtbogen zwischen den Hörnern nach außen gegen die Umfangswandung der Kammern f>5 zu treiben, um die Lichtbogenspannung zu erhöhen. Die in Fig. 1 angedeuteten Elektroden als Kammerelektroden 12, 13, 14 und 15 sind hierbei zwischen den Anschlußplatten 8 und 9 durch Kupferstifte 16 bis 21 in bekannter Weise in Serie geschaltet Ferner ist eine Spule 22 vorgesehen, welche mit den Kupferstiften 18 und 19 verbunden ist, so daß sich diese in Serienschaltung mit der durch die Kammerelektroden 12 bis 15 gebildeten Entladungsstrecke befindet.

Der Einfachheit halber wird nachfolgend nur eine einzelne Funkenstreckenkammer näher erläutert, im praktischen Fall jedoch werden in der Regel immer eine Mehrzahl solcher Kammern in Reihe geschaltet, wobei der gesamte Ableiterstrom proportional ist der Anzahl der Funkenstrecken. Solche Anordnungen werden in bekannter Weise von einem geeigneten Isoliergehäuse 23 umgeben, etwa einem Porzellanzylinder mit AnschluSmitteln am oberen und unteren Ende. Ein solches Isoliergehäuse 23 ist in F i g. 1 durch eine Umrißlinie angedeutet.

Wie in F i g. 2 gezeigt ist, weist die Oberseite der Isolierplatte 3 ein Paar Hörnerelektroden als Kammerelektroden 12 und 12a auf, welche eine Funkenstrecke 12b begrenzen. Parallel zu dieser Funkenstrecke 126 ist eine Vorionisationsvorrichtung 24 parallel mit einem Abstufungswiderstand 25 angeschlossen. Die Vorionisationsvorrichtung 24 kann hierbei gemäß der US-PS 32 23 874 aufgebaut sein und ist mit den Kupferstiften 16 und 17 durch geeignete Leiterstücke 26 und 27 verbunden. Die Oberseite der Isolierplatte 3 weist eine flache Ausnehmung 28 auf, welche von einer überhöhten Randzone 29 umgeben wird. In der Ausnehmung sind die Elektroden sowie von der Randzone vorstehende Zähne 30 bis 33 zur Lichtbogenlängung angeordnet.

Aus dem in F i g. 6 dargestellten Querschnitt der oben beschriebenen Lichtbogenkammer läßt sich entnehmen, daß die obere Begrenzung der Kammer von der Isolierplatte 2 bewirkt wird, welche so ausgebildet ist, daß sie mit ihrer Randzone die Randzone 29 der Isolierplatte 3 übergreifen kann und ebenfalls angeformte Zähne 34 umfaßt, weiche in die Lücken zwischen den entsprechenden Zähnen 30 bis 33 der Isolierplatte 3 eingreifen.

Weiterhin sind in den Fig.2 und 6 eine Hemmvorrichtung in der Lichtbogenkammer zwischen den Kammerelektroden 12 und 12a und der durch die Zähne 30 bis 33 gebildeten Lichtbogenkühlfläche gezeigt. Vorzugsweise wird die Hemmvorrichtung 35 durch einen von der Oberseite der Platte 3 abragenden und daran angegossenen Vorsprung gebildet, der sich senkrecht von der Ausnehmung 28 der unteren Platte 3 gegen die Unterseite der Isolierplatte 2 erstreckt, wie F i g. 6 deutlich zeigt.

Die Hemmvorrichtung 35 kann aus Isoliermaterial oder aus elektrisch leitfähigem Material bestehen. Zweckmäßigerweise bestehen aber die lsoherplatten 2 und 3 aus porösem Isoliermaterial und, da die Hemmvorrichtung 35 gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel an der Isolierplatte 3 angegossen ist, besteht auch die Hemmvorrichtung 35 aus Isoliermaterial. Der Zweck der Hemmvorrichtung 35 besteht darin, die Bewegung oder Wanderung eines Hochstrom-Lichtbogens, die durch die elektrodynamische Wirkung der Hörner und der Treibkraft des durch die Spule 22 erzeugten magnetischer: Feldes nach einem Überschlag zustande kommt, auf seinem Weg von den Kammerelektroden 12— 12a nach außen zu hemmen. Es wurde gefunden, daß durch die Hemmung der Bewegung eines Lichtbogens in einer Löschfunkenstrecke der Aufbau wesentlicher Spannungen bei Entladung hoher Ströme begrenzt werden kann. Durch

zweckmäßige Bemessung der Hemmvorrichtung für einen gegebenen Strom kann somit eine einwandfreie und schnelle Löschung der Entladungsstrecke eines Überspannungsabieiters erreicht werden nach einer Hochspannungsentladung, bei welcher ein hoher Lichtbogenstrom entsteht. Ferner wird die Lichtbogenkühlfläche gegen Zerstörung oder Erosion bei hohen Lichtbogenströmen geschützt, wie dies nachfolgend noch näher erläutert wird.

Die Funktionsweise der Anordnung läßt sich am besten anhand der F i g. 2, 3 und 4 beschreiben. Gemäß F i g. 2 befindet sich zwischen den Kammerelektroden 12 und 12a ein Lichtbogen 36 mit hohem Strom. Normalerweise wird bei einer Stoßspannung über den Kammerelektroden 12 und 12a und den übrigen seriengeschalteten Elektroden der Entladungsstrecke der Überschlag gemäß Pfeil an der engsten Stelle der Funkenstrecke 12f> stattfinden. Daraufhin bewirken die Hörnerelektroden infolge ihrer Ausbildung eine Bewegung oder Wanderung des Lichtbogens nach außen in Richtung auf die Zähne 30 bis 33 in der Lichtbogenkammer. Diese Bewegung wird zusätzlich unterstützt durch die elektrodynamische Treibwirkung des Magnetfeldes der Spule 22. Wenn nun der Lichtbogen 36 rasch in die Zähne 30 bis 33 getrieben wird, kann infolge der raschen Kühlwirkung der Zähne und infolge des hohen Lichtbogenstromes eine übermäßige Lichtbogenspannung auftreten. Da aber sowohl Strom als auch Spannung sehr hoch sind, ist auch der Anteil der abzuführenden Energie sehr hoch, was die Kühlzähne schnell überhitzt. Das kann zur Verschlechterung der Strombegrenzungsfähigkeit des Ableiters führen, wobei diese Gefahr insbesondere bei Gleichstromanlagen auftritt.

Die Hemmvorrichtung 35 weist nun eine solche Länge auf, daß die Lichtbogenenden zunächst gegen die dicken Hörnenden der Elektroden getrieben werden, ehe die äußersten Zonen des Lichtbogens 36 beginnen, sich um die Enden der Hemmvorrichtung 35 herumzulegen, wie Fig.2 deutlich zeigt. Ferner weist die Hemmvorrichtung 35 von den Zähnen 31 und 32 eine solche Entfernung auf, daß zwischen den innersten Enden der Zähne 31 und 32 und der Rückseite der Hemmvorrichtung 35 ein Durchgang gebildet ist, der klein genug ist, einem Lichtbogen 36 mit hohem Strom den Durchgang zu verwehren, hingegen einem Lichtbogen 36a mit geringerem Strom den Durchtritt zu gestatten, wie das Fig. 3 veranschaulicht. Diese Wirkung begründet sich darauf, daß die Dicke des Lichtbogens eine Funktion seines Stromes ist.

Ein höherer Lichtbogenstrom hat somit einen dickeren Lichtbogen zur Folge und ein solcher dickerer Lichtbogen kann dann nicht durch den relativ schmalen Durchgang zwischen der Innenfläche der Zähne und der Rückseite der Hemmvorrichtung hindurchgetrieben werden. Somit wird im Betrieb der Lichtbogen 36 mit einem hohen Strom durch die Hemmvorrichtung 35 in seiner Bewegung zur Kühlfläche hin gehemmt, wobei der Lichtbogen zwischen den Enden der Hemmvorrichtung und den betreffenden Zähnen hängen bleibt, bis praktisch der gesamte Überstrom zur Erde abgeleitet ist. Ist diese Entladungsphase erreicht, fällt der Strom rasch auf den Normalpegel des Folgestromes ab, so daß ein Lichtbogen 36a mit wesentlich geringerem Strom entsteht. Dieser Lichtbogen ist dann so dünn, daß er durch den beschriebenen Spalt getrieben werden kann und dann Schleifen gemäß der Darstellung in Fig.3 bildet. Diese erhitzen und ionisieren die Ionen im Raum zwischen Zähnen 31 und 32 und verursachen dann einen Überschlag derart, daß der Lichtbogen eine Schleife entlang der gesamten Kühlfläche bildet, wie es in F i g. 4 gezeigt ist, und rasch gelöscht wird. Durch unterschiedliche Anordnungen und Dimensionierungen der Hemmvorrichtung kann die Betriebscharakteristik solcher

Überspannungsableiter den Verwendungszwecken entsprechend geändert werden. Beispielsweise kann gemäß F i g. 5 die Hemmvorrichtung zwei Wandungsabschnitte 35a und 35b an der Isolierplatte 3a umfassen. Diese beiden Wandungsabschnitte begrenzen dann zwischen sich einen Durchgang 35c mit etwa der gleichen Ausdehnung wie die Durchlässe zwischen den äußeren Enden der Wandungsabschnitte 35a und 35b und den betreffenden Zähnen 30 bzw. 33.

Durch diese Maßnahme wird erzielt, daß nach der bereits beschriebenen Stromsenkung ein relativ dünner Lichtbogen geringen Stromes zusätzlich durch den mittleren Durchgang 35c hindurchgetrieben wird und so der Lichtbogen sehr rasch hinter die Wandungsabschnitte 35a und 35b gelangen kann. Ferner wird durch diese Anordnung ein wesentlich größerer Sektor der Kühlfläche abgeschirmt, was zur Folge hat, daß der dann gegen die Kühlfläche getriebene Lichtbogen stärker gekühlt wird, was einem rascheren Aufbau einer hohen Lichtbogenspannung dient. Ein weiterer Vorteil in der Aufteilung der Hemmvorrichtung 35 in mehrere Abschnitte besteht darin. Durchlässe verschiedener Dimensionen zu bilden, so daß zusätzliche Abschnitte der Randzone der Lichtbogenkammer zunächst abgeschirmt und dann für den Lichtbogen mit gesunkenem Strom freigegeben werden können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1 Patentansprüche:

1. Überspannungsableiter deren Entladungsweg durch Lichtbogenkammern unterteilt ist, in denen außer den Kammerelektroden Mittel zur Längung und zur Bewegung verlängerter Lichtbögen gegen eine Lichtbogenkühlfläche vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lichtbogenkammer in der Verschiebebahn des Lichtbogens zwischen den Kammerelektroden (12, \2a) und den Zähnen (30 bis 33) der Lichtbogenkühlfläche eine Hemmvorrichtung (35) derart aufweist, aaß mittels ihrer Länge und Breite und mittels ihres Abstandes zu den Zähnen (30 bis 33) der Lichtbogenkühlfläche ein Lichtbogen oberhalb vorbestimmter Stromstärke an einer Wanderung zur Lichtbogenkühlfläche gehindert und ein Lichtbogen unterhalb vorbestimmter Stromstärke schleifenförmig um die Hemmvorrichtung herumführbar ist.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmvorrichtung (35) als ein von einer Kammerwandung abragender Vorsprung dargestellt ist

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmvorrichtung (35) in mehrere Wandungsabschnitte (35a, 55b) vorbestimmter Gesamtlänge unterteilt ist und zwischen den Wandungsabschnitten mindestens ein Durchgang {35c) derart vorgesehen ist, daß ein Lichtbogen unterhalb vorbestimmter Stromstärke gegen die Lichtbogenkühlfläche bewegbar ist.

4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmvorrichtung (35) aus Isolierstoff besteht.

5. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüehe 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenkammer und die Hemmvorrichtung (35) aus porösem Isolierstoff bestehen.

6. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbo- *o genkammer und die Hemmvorrichtung (35) aus elektrisch leitfähigem Material bestehen.

7. Überspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmvorrichtung (35) und ein Teil der Lichtbogenkammer aus einem einzigen Gußstück bestehen.