DE2612902A1

DE2612902A1 - Ableiter fuer elektrische ueberspannungsstoesse mit einem ventilabschnitt mit grosser zeitkonstante und einem abschnitt mit reihenentladungsstrecken

Info

Publication number: DE2612902A1
Application number: DE19762612902
Authority: DE
Inventors: Harvey Edward Fiegel; James Stanley Kresge
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-05-01
Filing date: 1976-03-26
Publication date: 1976-11-04
Also published as: CA1068775A; JPS51134854A; CH609806A5; US3967160A; SE7605038L; GB1549651A; FR2310007B1; FR2310007A1; SE421160B

Description

Ableiter für elektrische Überspannungsstöße mit einem Ventilabschnitt mit großer Zeitkonstante und einem Abschnitt mit Reihenentladungsstrecken

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein überspannungsableiter und insbesondere solche Ableiter für die Anwendung für Gleichstrom mit hoher Spannung.

Ableiter schützen die Isolation von elektrischen Leistungssystemen dadurch, daß sie Kurzzeitig die Impedanz des Teils des Systems auf Null verringern, das einen Überspannungsstoß führt, so daß die unerwünschte Änderung der vom System infolge des Stoßes verfügbaren Energie sicher abgeleitet wird. Daher kann ein Hochspannungsableiter als spannungsempfindlicher Hochstrom-

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schalter mit hoher Geschwindigkeit betrachtet werden. Die Schaltfunktion wurde in konventionellen Ableitern ausgeführt durch eine Reihenkombination von Ventileinheiten und Elektroden-Entladungsstreckeneinheiten. Die Ventileinheiten sind scheibenförmige Blöcke mit einem Material mit nicht-linearem Widerstand oder Varistormaterial, das bei steigender Spannung einen sinkenden Widerstand besitzt. Die Entladungsstreckeneinheiten beinhalten ein Paar von hornförmigen Entladungsstrecken in einer besonderen Entladungskammer, die so gestaltet ist, daß sie ein Löschen des Entladungsbogens zwischen den Elektroden begünstigt. Es können für die EntladungsStreckeneinheit weitere Bauteile vorgesehen sein, um den Aufbau und das Löschen des Bogens zu steuern. Für Hochspannungsabieiter sind eine Vielzahl von Ventileinheiten und Entladungsstreckeneinheiten in einem Reihenstapel innerhalb eines isolierenden Gehäuses angeordnet, gewöhnlich in einem Porzellanrohr mit Endkappen aus Metall.

Wenn ein solcher konventioneller Ableiter eine überspannung erhält, dann werden eine oder mehrere Entladungsstrecken gezündet. Hierdurch wird der Stromkreis durch die Ventile nach Erde geschlossen. Der Strom fließt durch den Ableiter so lange nach Erde, bis die normale Systemspannung erneut eingestellt ist. Bei der normalen Systemspannung verringert der vergrößerte Widerstand des Ventilabschnittes den Strom im Ableiter auf einen Wert, der nicht ausreicht zur Aufrechterhaltung der Bogenentladung in den Entladungsstreckeneinheiten. Daher werden die Entladungsbogen gelöscht und der Ableiter stellt erneut einen unterbrochenen oder geöffneten Schalter dar.

In den bekannten Ableitern nehmen die Entladungsstreckeneinheiten einen großen Teil des verfügbaren Raums innerhalb des Gehäuses ein und sind sehr kompliziert und damit kostspielig. Dies ergibt sich daraus, daß sie wesentlich sind für die Auslösung der Schaltfunktion durch Zünden und für die Beendigung der Sehaltfunktion durch Löschung (Entionisierung)(Clearing). Die

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kennzeichnenden Merkmale der EntladungsStreckeneinheiten, welche eine größere Bedeutung besitzen, beziehen sich auf die Löschfunktion (Entionisierung), welche besonders bei hohen Spannungen Probleme ergibt infolge des notwendigen Kompromisses bezüglich des Widerstandes des Ventilabschnittes bei der normalen Systemspannung.

Der Widerstand des Ventilblocks wird bestimmt durch die Beziehung I = KV¹¹, wobei I die Stromstärke, K eine Konstante und V die Spannung über dem Block darstellt und das Zeichen η ein Zahlenwert ist, welcher für die konventionellen Blöcke aus Siliziumkarbid etwa 4 beträgt und in dem Gebiet der überspannungsableiter als "Exponent" bezeichnet wird, um den Grad der Nichtlinearität eines bestimmten Varistormaterials für den Ventilblock zu beschreiben. Es gibt Materialien mit "niedrigem Exponenten", wobei der Exponent kleiner als 10 ist und Materialien mit "hohem Exponenten", für die der Exponent größer als 10 ist.

Der Widerstand des Ventilabschnittes bei der normalen Spannung des Systems bestimmt den Folp;3Strom, welcher durch die Entladungsstrecken gelöscht (entionisiert) werden muß. Im allgemeinen kann ein geringer Folgestrom leicht gelöscht werden. Bei konventionellen Ableitern besteht jedoch eine praktische Grenze für den Widerstand des Ventilabschnittes bei der Normalspannung des Systems. Wenn der Widerstand bei der normalen Systemspannung zur Verringerung des Polgestroms erhöht wird, dann wird notwendigerweise der Widerstand bei hohen Spannungen ebenfalls um einen proportionalen Betrag erhöht. Während eines Blitzstoßes oder sehr abrupten Stoßvorgangs ist jedoch der Ableiterstrom so hoch, daß schon eine geringfügige Erhöhung des Widerstandes des Ventilabschnittes zu einer Entladespannung des Ableiters, nämlich dem Spannungsabfall über dem Ableiter führt, die größer ist als der gewünschte Schutzspannungspegel für das System. Es wird daher notwendig, einen größeren Polgestrom zu handhaben, um die Ableiterspannung für abrupte Stoßvorgänge unterhalb des Schutzpegels zu halten.

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Die Probleme bei der Löschung des Folgestroms werden weiterhin vergrößert durch das Erfordernis, daß diese Löschung nicht zu plötzlich erfolgt, da sonst durch das Löschen eines primären Stoßes ein schädlicher zweiter Stoß in dem System erzeugt werden kann. Typischerweise werden in den Entladungsstreckeneinheiten Spulen vorgesehen zur Bewegung der Bogenentladungen und zur Steuerung des Löschvorgangs, so daß die Stromstärke auf einen sicheren Wert begrenzt wird, bevor die vollständige Löschung in den Entladungsstrecken erfolgt.

Sogar Ableiter mit einer großen Anzahl von relativ komplizierten Entladungsstreckeneinheiten mit Strombegrenzung besitzen ernsthafte Nachteile, wenn sie für Hochspannungs-tibertragungssysteme für Gleichstrom verwendet werden. Solche Gleichstromsysteme besitzen allgemein sehr lange übertragungsleitungen und dies bedeutet, daß die Schaltstöße in dem System sehr lange anhalten können und länger andauern als etwa 10 Millisekunden. Solche langdauernden Stöße besitzen eine Neigung zur Erhitzung der Strombegrenzungs-Entladungsstrecken, wenn diese Entladungsstrecken versuchen, den Strom durch Vergrößerung des Bogenwlderstandes zu begrenzen. Die Erhitzung der Entladungsstreckenelektroden, der Kammer und des darin enthaltenen Gases verändert die Löschkennlinie der Entladungsstreckeneinheit, so daß im Ergebnis die Löschung ausbleiben kann. Weiterhin erleiden die Ventileinheiten eine Erhitzung und eine entsprechende Verschlechterung ihres Systemspannungswiderstandes und tragen damit zu der Belastung der Entladungsstrecken beim Löschen bei. Bisher enthielten solche Ableiter für übertragungssysteme mit Gleichstrom und hoher Spannung eine ziemlich große Anzahl von kostspieligen und komplizierten Reihenentladungsstrecken mit Strombegrenzung in dem Entladungsstreckenabschnitt und einen relativ komplizierten Ventilabschnitt, der zusätzliche Ventilblöcke besitzt, welche die Stromstärke von Schaltstößen begrenzen und den Polgestrom verringern; sie werden jedoch durch Kurzschluß-Entladungsstrecken kurzgeschlossen für die höheren Stromstärken von abrupten Stößen, um die Ableiterspannung zu begrenzen.

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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger Überspannungsableiter geschaffen mit einem Ventilabschnitt mit hohem Exponenten und einem einfachen Reihenentladungsstreckenabschnitt,

Bei diesem neuartigen Ableiter wird der Polgestrom auf einen so niedrigen Wert verringert, daß er durch einen Entladungsstreckenabschnitt gelöscht werden kann, der einfache Entladungsstrecken besitzt. Dies führt zu einem verbesserten Betriebsverhalten mit stark verringerter Kompliziertheit des EntladungsStreckenabschnittes sogar für die Anwendung auf ein Gleichstromsystem mit hoher Spannung.

Figur 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild und zeigt einen Ventilabschnitt und einen EntladungsStreckenabschnitt eines Ableiters gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Figur 2 ist ein Teilschaltbild eines Ableitermoduls des Ableiters nach Figur 1.

Figur 3 ist eine Seitenansicht des Ableitermoduls des Ableiters nach Figur 1.

Figur 4 ist eine Ansicht der Einheit nach Figur 3 von der entgegengesetzten Seite.

Figur 5 ist eine perspektivische Ansicht von oben für einen freigelegten Teil einer Entladungsstreckeneinheit des Moduls der Figuren 3 und h.

Figur 6 zeigt eine perspektivische Ansicht von oben für einen passenden Deckelteil der Entladungsstreckeneinheit nach Figur 5.

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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird allgemein als Blockschaltbild eines Ableiters 10 in Figur 1 gezeigt. Der Ableiter 10 enthält einen Ventilabschnitt 12 und einen Entladungsstreckenabschnitt 14 in einem nicht gezeigten isolierenden Gehäuse, wobei diese Abschnitte in Reihe zwischen eine Kraftübertragungsleitung 16 und Erde geschaltet sind. Der Ventilabschnitt und der Entladungsstreckenabschnitt 12, 14 enthalten jeweils eine Vielzahl von Ventileinheiten und Entladungsstreckeneinheiten und diese sind abwechselnd in Reihe gestapelt, um einen gleichförmigeren Abfall der Spannung entlang der Länge des Ableiters zu ermöglichen. Eine solche ineinandergeschachtelte Stapelung kann bequemerweise dadurch vorgenommen werden, daß einzelne identische Ableitermodule hergestellt werden und eine ausreichende Zahl dieser Module gestapelt wird, um eine gewünschte Nennlastspannung zu erhalten.

In dem Ableiter 10 der bevorzugten Ausführungsform sind einzelne Ableitermodule paarweise nebeneinander angeordnet; sie sind jedoch in Reihe verbunden zur Bildung einer Moduleinheit. Solche Moduleinheiten werden dann in ausreichender Zahl im Innern des Gehäuses gestapelt, um die gewünschte Nennlastspannung zu erhalten. ■· ' '·

Eine Moduleinheit 18 des Ableiters 10 der bevorzugten Ausführungsform wird in einer Teilsehaltzeichnung in Figur 2 und in zwei Ansichten von entgegengesetzten Seiten in den Figuren 3 und 4 gezeigt. Die Teilschaltzeichnung der Figur 2 gestattet eine leichte Identifizierung der entsprechenden Bauteile in den Figuren 3 und 4. In allen drei Figuren 2, 3 und 4 sind die Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Es wird nunmehr auf die Figuren 2, 3 und 4 Bezug genommen. Die Einheit 18 enthält ein erstes Ableitermodul 20 und ein zweites Ableitermodul 22, die Seite an Seite zwischen zwei Endplatten gegeneinander gepreßt werden.

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Das erste Modul 20 besitzt ein Paar von aneinanderliegenden scheibenförmigen Ventilblöcken 24 mit metallisierten Stirnflächen und einem Ansatz aus isolierendem Glas am Rand. Eine Außenfläche der Blöcke 24 ist von dem oberen Ende der Platten durch ein keramisches Abstandstück 26 beabstandet. Drei vorionisierte Funkenentladungsstrecken 28, 30, 32 werden gegen die andere Außenfläche gedrückt und werden durch die Triggerentladungsstrecke 34 einer Triggerschaltung 36 gespeist, die innerhalb des gestrichelten Rechtecks gezeigt ist. Die Spannung für die Vorionisationseinheit der Schaltung 36 wird von einem Ionisierungsspannungsnetzteil 38 aus Siliziumkarbid geliefert. Ein Hauptwiderstand 40 zur Abstufung der Spannung ist parallel zu den Ventilblöcken 24 und den EntladungsStreckeneinheiten 28, 30, 32 geschaltet. Zwischen die Endplatte 23 sind Spannungsabfallkondensatoren 42 in Reihe mit einem Widerstand 44 geschaltet.

Das zweite Ableitermodul 22 neben dem ersten Modul 20 wird durch einen Metallbügel 48 in Reihe mit dem ersten Modul 20 geschaltet. Das zweite Modul 22 ist in nahezu allen Gesichtspunkten ähnlich dem ersten Modul 20, da es Ventilblöcke 50, Funkenentladungsstreckeneinheiten 52 und einen Hauptspannungsabstufungswiderstand 54 besitzt, wobei diese Bauteile bezüglich ihrem Aufbau und ihrer Anordnung im wesentlichen identisch sind mit den entsprechenden Bauteilen des ersten Moduls Das zweite Modul 22 besitzt jedoch eine räumlich umgekehrte Lage. Die Entladungsstreckeneinheiten 52 des zweiten Moduls 22 wirken jedoch als in Kaskaden arbeitende Entladungsstrecken, und daher ist keine Triggerentladungsstrecke mit ihrer zugeordneten Schaltung vorgesehen im Gegensatz zu dem ersten Modul 20. An der entsprechenden Stelle der Widerstände 38 für den Ionisierungsnetzteil des ersten Moduls 20 sind statt—dessen Widerstände 58 zur Kompensation des Spannungsabfalls aus Siliziumkarbid vorgesehen.

Jedes der Module 20, 22 besitzt eine Nennspannung von sechs Kilovolt. Die Moduleinheit l8 besitzt daher eine Nennspannung von 12 Kilovolt.

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Die Ventilblöcke 24 des Ableiters 10 sind jeweils gesinterte Keramikscheiben aus einer Zinkoxidverbindung. Die Scheibe wird aus einem Pulver gepreßt, das die folgende Zusammensetzung in -zS besitzt:

96,55 %	ZnO	Zinkoxid
0,5 %	Bi₂O₃	Wismut—trioxid
0,5 %	Co₂O₃	Kobalttrioxid
0,5 %	MnO₂	Mangandioxid
1,0 %	Sb₂O₃	Antimontrioxid
0,5 %	Cr₂O₃	Chromoxid
O₅I je	BaCO₃	Bariumkarbonat
ο,ι %	B₂O₃	Boroxid
0,25 ϊ	SiO₀	Siliziumdioxid

Nachdem die Scheibe in ihre Form gepreßt ist, wird sie allgemein in der gleichen Weise gesintert wie die häufiger verwendeten Siliziumk.arbid-Scheiben. Die metallisierten Schichten und der isolierende Ansatz gegen Überschlag werden in späteren Verfahrensschritten aufgebracht. Nach dem Sintern besitzt die Scheibe eine Dicke von etwa 2,3 cm (0,9 Zoll), einen Durchmesser von etwa 7 cm (2,75 Zoll) und besitzt einen Exponenten von etwa 40.

In den Figuren 5 und 6 wird die Funkenentladungseinheit 32 mit · weiteren Einzelheiten getrennt dargestellt. Die Figur 5 zeigt eine Keramiktragscheibe 60, in der ein Paar von Hornentladungsstrecken-Elektroden 62 befestigt sind, welche in eine Vertiefung 64 hineinragen, die eine Bogenentladungskammer bildet. Über den Elektroden 62 ist ein Vorionisationsteil 66 angebracht, der einen Widerstand 68 und einen Kondensator 70 enthält. Der zur Kammer 64 passende Teil wird durch einen erhabenen Teil

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an der gegenüberliegenden Seite einer benachbarten Tragscheibe 7*< gebildet, die mit der Stirnfläche nach oben in Figur 6 gezeigt

ist. Die anderen Entladungsstreckeneinheiten sind ähnlich der Einheit 32; es kann jedoch der Kondensator 70 fehlen.

Es ist ersichtlich, daß daß die Entladungsstreckeneinheit 32 nur die Fähigkeit zur Löschung (Entionisierung) relativ niedriger Folgeströme in der Größenordnung von einigen Ampere besitzt, da typische Strombegrenzungseinrichtungen, wie beispielsweise Magnetspulen oder Verlängerungen der Oberfläche in dem Endwandteil der Entladungskammer Sk nicht vorhanden sind. Da jedoch der Exponent der Ventilblöcke 24 so hoch ist, ist der Folgestrom tatsächlich so gering, daß solche Strombegrenzungseinrichtungen nicht erforderlich sind undein einfacher Entladungsstreckenabschnitt, wie er durch die Entladungsstreckeneinheiten 28, 30, 32 gebildet wird, ausreichend ist. Der Ableiter 10 ist besonders geeignet für Gleichstromsysteme mit hoher Spannung. Er kann jedoch auch für die Wechselstromsysteme verwendet werden.

Der hier zur Bezeichnung des Exponenten der Stromspannungskennlinie eines nicht-linearen Widerstandes, beispielsweise eines Ventilabschnittes des Ableiters verwendete Ausdruck "hoch" bezeichnet einen Exponenten der größer ist als 10. Ein solcher Exponent ist im allgemeinen bedeutend größer als der Exponent, wie er beispielsweise bei dem sehr häufig verwendeten Siliziumkarbidmaterial vorhanden ist, das typischerweise einen Exponenten von etwa 4 besitzt.

Der Ausdruck "Ventilabschnitt mit hohem Exponenten", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, bezeichnet einen Ventilabschnitt, der Ventilblöcke mit einem nicht-linearen Widerstandsmaterial mit hohem Exponenten besitzt, wie sie beispielsweise in dem Ableiter der bevorzugten Ausfuhrungsform vorhanden sind, in denen die Ventilabschnitte einen Exponenten von etwa 25 bis etwa 50 besitzen, wobei sich der Exponent mit der Spannung ändert. Es ist jedoch zu beachten, daß der Ausdruck auch zur Bezeichnung

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eines Ventilabschnittes aus vielen Ventilblöcken mit niedrigem Exponenten in Kombination mit Entladungseinheiten für Nebenschluß verwendet werden kann, wodurch der Exponent des Ventilabschnittes effektiv auf einen Wert größer als 10 gesteigert wird. Eine solche Kombination ist beispielsweise in der US-PS 3 320 482 beschrieben.

Der hier verwendete Ausdruck "einfacher Entladungsstreckenabschnitt¹¹ soll einen Entladungsstreckenabschnitt bedeuten, der nicht mehr als 20 % der Ableiterspannung führt, d. h. der gesamten Spannung über dem Ableiter während einer Entladung. Praktisch gesehen, bedeutet dies im allgmeinen, daß die*Entladungsstreckeneinheiten des Abschnittes nicht mit funktionsmäßig bedeutungsvollen aktiven Einrichtungen zur Strombegrenzung ausgestattet sind, wie beispielsweise Blasspulen oder zahnförmige Teile in der Endwand der Kammer. Tiei vorbekannten Ableitern mit einem EntladungsStreckenabschnitt mit Strombegrenzung führt andererseits der Entladungsstreckenabschnitt typischerweise etwa die Hälfte der Gesamtableiterspannung während einer Entladung. Dieser bedeutend größere Anteil der Entladungsspannung für einen Ableiter mit einem Entladungsstreckenabschnitt mit Strombegrenzung ist zurückzuführen auf die Strombegrenzungsfunktion selbst. Ein Mindestmaß, einer funktionell bedeutungsvollen Begrenzung der Stromstärke durch einen Entladungsstreckenabschnitt eines Ableiters führt allgemein dazu, daß mindestens etwa 20 % der Entladungsspannung von dem Entladungsstreckenabschnitt übernommen wird.

Bei einem Ableiter gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wert von 20 % der Ableiterspannung ungefähr der größte Anteil der Spannung, welcher von dem Ent ladungss treckeriabschnitt ohne Einführung von Strombegrenzungsmaßnahmen für die Entladungsstrecken getragen wird. Weiterhin ist es sogar erwünscht, jegliche Strombegrenzungsmerkmale zu vermeiden und damit den übernommenen Anteil der Ableiterspannung zu verringern. Der Grund hierfür besteht darin, daß eine Strombegrenzung notwendigerweise eine Erhöhung der Impedanz des Entladungsstreckenab-

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schnittes durch vergrößerten Bogenwiderstand infolge einer Bogenlängung beinhaltet. Eine solche vergrößterte Impedanz vergrößert die gesamte von dem Entladungsbogen an das umgebende Gas und die zugeordneten elektrischen Strukturen unter Temperaturerhöhung abgegebene Energie. Diese erhöhten Temperaturen verschlechtern dann die Lösch- und Zündfunktionen der Entladungsstreckeneinheiten in bekannter Weise. Bei einem Ableiter der bevorzugten Ausführungsform wird nur etwa 5 % der Ableiterspannung von dem Entladungsstreckenabschnitt übernommen, und damit wird jegliche unerwünschte Erhitzung auf ein Mindestmaß gebracht. Obwohl die Horngestalt der Elektroden tatsächlich eine gewisse Bewegung des Entladungsbogrens nach außen mit entsprechender Längung und erhöhter Impedanz begünstigt, ist diese Bewegungsmöglichkeit vorgesehen zur Verminderung einer örtlichen Elektrodenerosion und nicht zur Strombegrenzung. Bei Ventilblöcken mit hohem Exponenten ist der Folgestrom schon niedrig genug, um die Löschbedingungen zu erfüllen, die man sonst durch Strombegrenzungsmerkmale der Entladungsstrecken zu erreichen sucht.

Das Betriebsverhalten des Ableiters der bevorzugten Ausführungsform für me.hrfa.che abrupte oder Blitzentladungsstöße kann verbessert werden durch Zufügung eines Ableitwiderstandes parallel zu den Ventilblöcken 24 jedes Ableitermoduls, um die Rückführung der metallisierten Stirnflächen der Ventilblöcke auf einen gemeinsamen Spannungswert nach dem Löschen des anfänglichen Stoßes zu beschleunigen.

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Claims

2b 1,-902 Ansprüche

1. Elektrischer überspannungsableiter mit einem Abschnitt mit -.— Ventilen mit nicht-linearem Widerstand in Reihe mit einem Entladungsstreckenabschnitt zwischen zwei Anschlüssen,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Ventilabschnitt (24) einen hohen Exponenten der Stromspannungskennlinie besitzt und der Entladungsstreckenabschnitt (3O₃ 32, 28) ein einfacher Entladungsstreckenabschnitt ist.

2. Ableiter nach Anspruch 1, dadurch geke'nnzeichnet , daß an dem EntladungsStreckenabschnitt (30, 32, 28) weniger als etwa 1/5 der Spannung über dem Ableiter während einer Entladung anliegt.

3. Ableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Exponent zwischen etwa 25 und etwa 50 liegt.

4. Ableiter nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß der Entladungsstreckenabschnitt
während..einer Entladung etwa 1/20 der Spannung über dem Ableiter führt.

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