DE917857C

DE917857C - Schutzanordnung fuer Reihenkondensatoren mit zu diesen parallel geschalteter Funkenstrecke

Info

Publication number: DE917857C
Application number: DEW3232A
Authority: DE
Inventors: Ralph Eugene Marbury
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1949-08-18
Filing date: 1950-08-10
Publication date: 1954-09-13
Also published as: BE501305A; DE971309C; BE497595A; CH283213A; FR62259E; GB675945A; US2660693A; GB674692A; CH292319A; US2597012A; JPS275170B1; FR1023893A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Reihenkondensatoren in Wechselstromleitungen, insbesondere auf eine Schutzanordnung für Reihenkondensatoren in Höchstspannungsdrehstromnetzen, für die die Stabilität der Übertragung eine Haupt- bzw. Grenzbedingung für den Betrieb der Fernleitungen ist.

Reihenkondensatoren werden in Wechselstromübertragungs- bzw. -Verteilungsleitungen eingebaut, um entweder die ganze induktive Blindleistung der Leitung oder einen Teil derselben zu kompensieren, wodurch die Stabilitätsgrenze bzw. der Leistungsfaktor einer Übertragungsleitung erhöht bzw. die Spannungsregelung einer Verteilungsleitung verbessert wird. Da solche Reihenkondensatoren unmittelbar in die Leitung eingeschaltet sind und den Leitungsstrom führen, ist die an ihnen auftretende Spannung dem Leitungsstrom proportional, und im Falle einer Störung an der Leitung kann die an dem Reihenkondensator auftretende Spannung auf ein Vielfaches ihres Normalwertes anwachsen. Genormte Kondensatoreinheiten, beispielsweise solche, die in Reihenkondensatoranlagen Anwendung finden, können Überspannungen von der Größenordnung von 150% der Normalspannung während kurzer Zeit aufnehmen; jedoch dürfen dieselben, wenn auch nur sehr kurzfristig, nicht wesentlich höheren Überspannungen ausgesetzt werden, ohne daß die Gefahr der Beschädigung besteht.

Es ist wegen der damit verbundenen hohen Kosten nicht üblich, Reihenkondensatoren zu verwenden, die diejenige Höchstspannung aushalten,

der sie im Falle von Störungen ausgesetzt sein könnten, da die Kosten eines Kondensators ungefähr mit dem Quadrat der Spannung, für welche er gebaut ist, steigen. Eine Reihenkondensatoranlage besteht daher für gewöhnlich aus Kondensatoreinheiten, deren Spannungswerte auf der Basis der im Normalbetrieb an dem Kondensator auftretenden Spannung festgelegt sind, und einer Schutzanordnung, welche im Störungsfall den ίο Reihenkondensator überbrückt, oder irgendeiner anderen Überstromschutzeinrichtung, die den Reihenkondensator gegen Überspannungen schützen soll. Um den Reihenkondensator ausreichend zu schützen, muß die Schutzanordnung so arbeiten, daß sie ihn im wesentlichen unmittelbar beim Auftreten einer Überspannung bestimmter Größe überbrückt, d. h. der Reihenkondensator muß in ausreichendem Maße schon innerhalb der ersten Halbwelle des Störungsstromes wirksam überbrückt werden. Wegen dieser Forderung einer im wesentlichen verzögerungsfreien Wirksamkeit werden für gewöhnlich in diesen Schutzanordnungen Funkenstrecken angewandt, da kein Schalter bzw. kein anderes Gerät mit beweglichen Teilen und mechanischer Bewegung schnell genug ansprechen würde. Bei Schutzanordnungen, die für gewöhnlich in Verbindung mit Reihenkondensatoren in Verteilerleitungen verwendet werden, ist eine Funkenstrecke an den Kondensator angelegt, um beim Auftreten einer bestimmten Überspannung am Kondensator dieselbe augenblicklich abklingen zu lassen und den Kondensator davor zu schützen; ferner ist ein Schalter bzw. irgendein anderes Schaltgerät vorgesehen, mit dessen Hilfe sowohl die Funkenstrecke als auch der Kondensator unmittelbar, nachdem die Funkenstrecke durchschlagen wurde, überbrückt werden, um den Lichtbogen der Funkenstrecke zu löschen und die Funkenstrecke vor der durch den Lichtbogen bedingten übermäßigen Erwärmung zu schützen. Der Sehalter wird danach geöffnet, um den Umgehungskreis wieder zu unterbrechen und um den Kondensator, nachdem der Leitungsstrom wieder auf seinen Normalwert abgefallen ist, wieder betriebsbereit zu machen bzw. nach Verstreichen eines bestimmten Zeitraumes, der lang genug gewählt wird, um den Schutzgeräten der Leitung zu gestatten, die Störung zu beheben. Diese Ausführungsart von Schutzanordnungen arbeitet bei Reihenkondensatoren, die in Verteilerleitungen eingebaut sind, vollkommen befriedigend, wo der Hauptzweck des Reihenkondensators der ist, die Spannungsregelung der Leitung zu verbessern ; die kurze Verzögerung, mit welcher der Reihenkondensator nach dem Auftreten einer Störung bis zu deren Beseitigung seine Tätigkeit wieder aufnimmt, ist von geringerer Bedeutung. Wenn ein Reihenkondensator jedoch in eine Höchstspannungsübertragungsleitung eingebaut ist, bei der die Stabilität der Übertragung eine wichtige bzw. eine Grenzbedingung für den Betrieb der Leitung darstellt, und wenn der Reihenkondensator mit dem Hauptzweck der Erhöhung der Stabilitätsgrenze der Übertragung eingebaut wurde, wodurch die Größe der über die Leitung zu übertragenden Leistung erhöht wird, dann arbeitet diese Art von Schutzanordnungen, die bei Reihenkondensatoren in Verteilerleitungen befriedigend arbeitet, nicht zur Zufriedenheit; die Aufgabe des Schutzes der Leitung ist in diesem Fall sehr viel schwieriger zu lösen. Der Reihenkondensator muß im wesentliehen augenblicklich nach dem Auftreten einer bestimmten Überspannung geschützt werden, wie dies bereits erwähnt wurde, und wenn er vollständig überbrückt wird, wie dies bei den bisher bekannten Schutzanordnungen der Fall ist, so w^rird der Reihenkondensator während der Dauer der Störung, wenn gerade das Stabilitätsproblem am allerbrennendsten ist, unwirksam. Daher muß die Schutzanordnung so wirken, daß der Reihenkondensator unmittelbar nach Behebung der Störung seine Tätigkeit voll wieder aufnimmt, so daß er während des kritischen Ubergangszustandes, der der Behebung der Störung folgt, zur Aufrechterhaltung der Stabilität zur Verfügung steht.

Bei bisherigen Versuchen zur Schaffung einer befriedigenden Schutzanordnung für Reihenkondensatoren in Höchstspannungsübertragungsleitungen wurde der Reihenkondensator jeweils während der Störung vollständig überbrückt, und es wurden verschiedene Anordnungen vorgeschla- go gen, mit deren Hilfe der Überbrückungskreis nach Rückkehr des Leitungsstromes auf seinen Normalwert bzw. in den Bereich seines Normalwertes so schnell wie möglich unterbrochen wurde. Selbst mit besonders gebauten, schnell öffnenden Relais und Schaltern besitzt eine solche Anordnung jedoch immer noch die wesentliche Verzögerung von mindestens einigen Perioden nach dem Abklingen der Störung, bevor der Reihenkondensator wieder wirksam wird. Mit den bisher bekannten Schutzanordnungen wurde der Reihenkondensator also während der Störung und zum mindesten während eines Teiles der kritischen, unmittelbar auf das Abklingen der Störung folgenden Zeitspanne vollständig außer Tätigkeit gesetzt, so daß der Reihenkondensator, der in erster Linie zum Zwecke der Verbesserung der Stabilitätsbedingungen und zur Erhöhung der über die Leitung zu übertragenden Leistung eingebaut wurde, sich in solchen Fällen vollständig außer Betrieb befindet und gerade wäh- n₀ rend derjenigen Zeit, während der er am dringendsten gebraucht wird, für den beabsichtigten Zweck nicht zur Verfügung steht. Diese Schwierigkeiten bei der Schaffung eines ausreichenden Schutzes für Reihenkondensatoren, ohne daß diese gerade in dem Augenblick unwirksam werden, wenn sie am dringendsten benötigt werden, waren der Hauptgrund, der die Verwendung von Reihenkondensatoren in Höchstspannungsübertragungsleitungen erschwert bzw. ganz unmöglich gemacht hat, obwohl die Vorteile der Verwendung von Reihenkondensatoren in solchen Leitungen an sich längst bekannt sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Reihenkondensatoranlage für Drehstromhöchstspannungsübertragungsleitungen, bei der die

Reihenkondensatoren gegen Überspannungen infolge von Störungsströmen bzw. irgendwelchen anderen Überströmen geschützt sind, bei der jedoch die Reihenkondensatoren unmittelbar nach Abklingen der Uberstromwelle, d. h. innerhalb der ersten Halbwelle nach Abklingen der Störung, wieder in Betrieb gesetzt werden, so daß die Reihenkondensatoren während des der Störung folgenden Ubergangszustandes die Stabilität der Leitung wieder voll aufrechterhalten.

Der Gegenstand der Erfindung besteht in erster Linie in einer Schutzanordnung für Reihenkondensatoren, bei der eine Funkenstrecke an den Kondensator angelegt ist, um im wesentlichen augenblickliehen Schutz gegen Überspannungen zu bieten, und bei der der Lichtbogen der Funkenstrecke während der Störung vorzugsweise bei jedem Stromnulldurchgang durch einen Luftstrom gelöscht wird, so daß die Funkenstrecke den Funken unterbricht und der Lichtbogen in keiner der Halbwellen, solange die Spannung nicht wieder auf die anfängliche Unterbrechungsspannung der Funkenstrecke ansteigt, wieder zünden wird, so daß der Reihenkondensator innerhalb der ersten Halbwelle, nachdem die Störung abgeklungen ist, wieder wirksam wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird der Reihenkondensator während einer Störung nicht vollständig kurzgeschlossen, sondern durch einen im Nebenschluß zu ihm liegenden Widerstand überbrückt, der so bemessen ist, daß er die an dem Reihenkondensator anliegende Spannung auf einen zulässigen Wert begrenzt, so daß der Reihenkondensator nicht nur während der Störung ausreichend geschützt ist, sondern auch mindestens teilweise mithilft, die Stabilität aufrechtzuerhalten. Da der Widerstand mit der Funkenstrecke in Reihe liegt, wird der Reihenkondensator innerhalb der ersten Halbwelle nach Abklingen des Fehlers wieder voll wirksam bzw. innerhalb derjenigen ersten Halbwelle, während der die an dem Reihenkondensator anliegende Spannung nicht mehr auf einen unzulässig hohen Wert ansteigt.

Ein weiteres Erfindungsmerkmal ist, daß vorzugsweise die Funkenstrecke mittels einer Isolatorsäule gegen Erde isoliert ist und Einrichtungen besitzt, mit deren Hilfe Luft von der dem Erdboden zugewandten Seite der Säule her zur Funkenstrecke geleitet werden kann, und daß weiterhin Einrichtungen vorgesehen sind, die eine ausreichende Luftzufuhr ganz in der Nähe der Funkenstrecke gewährleisten, so daß der Luftstrom eingeschaltet werden kann, sobald die Funkenstrecke anfängt, wirksam zu werden, und durch die derselbe so lange aufrechterhalten werden kann, wie ein Funke an der Funkenstrecke überspringt.

Die Erfindung wird aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsart, die beispielsweise in der Zeichnung dargestellt ist, besser verständlich. Es zeigt Fig. ι eine schematische Ansicht einer Reihenkondensatoranlage und

Fig. 2 eine teils im Aufriß und teils im Schnitt wiedergegebene Ansicht einer Schutzfunkenstrecke gemäß der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in Anwendung auf eine Reihenkondensatoranlage in einer Drehstromleitung dargestellt. Die Leitung 1 stellt eine Phase einer Höchstspannungsdreiphasenübertragungsleitung dar, in welche ein Reihenkondensator eingebaut ist, um die Stabilitätsgrenze der Leitung zu erhöhen, wodurch die Größe der über die Leitung zu übertragenden Leistung erhöht wird. In der Zeichnung ist der Einfachheit halber nur eine Phase abgebildet; es ist jedoch klar, daß die anderen Phasen die gleichen Einrichtungen aufweisen. Der Reihenkondensator 2 besteht aus einer entsprechenden Anzahl von Kondensatoreinheiten, die jeweils in Reihe bzw. in Reihe und zueinander parallel geschaltet sind, um den gewünschten kapazitiven Blindwiderstand und die gewünschte Stromaufnahme sicherzustellen; diese Batterie ist als Ganzes in Reihe in die Leitung 1 eingeschaltet. Der Begriff Kondensator umfaßt in diesem Zusammenhang jede jeweils benötigte Anzahl einzelner Kondensatoreinheiten. Vorzugsweise sind Trennschalter 3 beiderseits des Reihenkondensators 2 und ein Überbrückungsschalter 4 vorgesehen. Mit diesem kann der Reihenkondensator überbrückt und mit jenem zur Besichtigung und Pflege von der Leitung 1 getrennt werden. Der Überbrückungsschalter 4, der normalerweise offen ist, wirkt, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist und nachstehend beschrieben wird, selbsttätig; es wird jedoch bemerkt, daß der Überbrückungsschalter 4 auch von Hand betätigt werden kann, um den Reihenkondensator nach Bedarf überbrücken zu können, und daß außerdem irgendwelche zusätzlich erforderliche selbsttätige Steuereinrichtungen vorgesehen sein können.

Wie bereits erläutert, ist der Reihenkondensator 2 im Falle unzulässiger Überspannungen bei einer Störung bzw. anderen Überströmen in der Leitung ι unzulässig hohen Beanspruchungen ausgesetzt; er muß im wesentlichen augenblicklich nach Auftreten einer Überspannung geschützt werden, die einen bestimmten Sicherheitswert, beispielsweise 150% der Normalspannung, überschreitet. Hierzu ist eine Schutzfunkenstrecke 5 vorgesehen, und ein Widerstand 6 ist in Reihe mit der Funkenstrecke 5 geschaltet. Die miteinander in Reihe geschaltete Funkenstrecke 5 und der Widerstand 6 sind an den Reihenkondensator 2, wie Fig. 1 zeigt, so angeschlossen, daß, wenn die Funkenstrecke 5 durchschlagen wird, der Widerstand 6 parallel zum Reihenkondensator 2 liegt. Die Funkenstrecke 5 ist so gebaut und eingestellt, daß sie den Funken immer dann übertreten läßt bzw. daß sie immer dann leitend wird, wenn die an dem Reihenkondensator anliegende Augenblicksspannung den festgelegten Sicherheitswert übersteigt. Der Widerstand 6 ist so bemessen, daß er, wenn er parallel zum Reihenkondensator 2 geschaltet ist, die an ihm liegende Spannung auf einen Sicherheitswert begrenzt. Genauer gesagt, ist der ohmsche

Widerstand des Widerstandes 6 so festgelegt, daß der sich ergebende Scheinwiderstand der Parallelschaltung Widerstand—Kondensator so groß ist, daß der Spannungsabfall am Reihenkondensator und Widerstand bei dem in der Leitung ι möglichen höchsten Störungsstrom die Sicherheitshöchstspannung, welcher der Reihenkondensator 2 ausgesetzt werden darf, nicht übersteigt. Es ist daher klar, daß, wenn der Widerstand 6 parallel ίο zum Reihenkondensator 2 geschaltet ist, der Reihenkondensator selbst unter den schwersten zu erwartenden Bedingungen wirksam gegen Überspannungen geschützt ist, daß er jedoch dabei nicht vollständig überbrückt und außer Wirksamkeit gesetzt wird und daß noch ein gewisser kapazitiver Blindwiderstand in Reihe mit der Leitung vorhanden ist, um die Stabilität während der Störung aufrechtzuerhalten.

Die Funkenstrecke 5 ist eine selbstlöschende Funkenstrecke, d. h. der Lichtbogen der Funkenstrecke wird jedesmal, wenn der Strom durch Null geht, gelöscht und zündet wieder, solange die Augenblicksspannung in der folgenden Halbwelle nicht auf einen bestimmten Wert im Bereich der erstmaligen Überschlagsspannung an der Funkenstrecke ansteigt. Es kann jede geeignete Bauart einer selbstlöschenden Funkenstrecke Anwendung finden; vorzugsweise wird eine Bauart verwendet, bei der die Löschung mittels eines Stromes entionisierenden Gases, welches durch den Spalt zwischen den Elektroden der Funkenstrecke hindurchgeblasen wird, erzielt wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Luftstrom dazu benutzt, den Spalt der Schutzfunkenstrecke 5 selbstlöschend zu machen; der Luftstrom wird von einem Ventil 7 gesteuert, welches die Luft durch eine Düse 8 in den Spalt leitet. Das Ventil 7 wirkt, wie nachstehend näher erläutert, selbsttätig, so daß der Luftstrom im wesentlichen unmittelbar nach dem Durchschlagen der Funkenstrecke 5 ausgelöst wird, d. h. sobald Strom in dem von der Funkenstrecke 5 und dem Widerstand 6 gebildeten Stromkreis zu fließen beginnt; der Luftstrom wird so lange aufrechterhalten, bis der Strom in dem Funkenstreckenkreis aufhört zu fließen, und dann unterbrochen.

Im Störungsfall wird die Funkenstrecke 5 durchschlagen, wodurch der Widerstand 6 parallel zum Reihenkondensator 2 geschaltet wird, sooft die an dem Reihenkondensator 2 anliegende Augenblicksspannung den festgelegten Sicherheitswert, auf welchen die Funkenstrecke 5 eingestellt ist, überschreitet. Sobald die Funkenstrecke 5 durchschlagen wird, wird unmittelbar darauf der Luftstrom ausgelöst. Der Lichtbogen in der Funkenstrecke 5 wird infolgedessen bei jedem Nulldurchgang des Stromes gelöscht und wird so lange nicht mehr zünden, wie die an dem Reihenkondensator anliegende Spannung während der folgenden HaIbwelle den Durchschlagswert unterschreitet. Die Funkenstrecke 5 wird daher so lange fortfahren, den Widerstand 6 bei jedem Nulldurchgang des Stromes auszuschalten und ihn während der folgenden Halbwelle wieder einzuschalten, wie die Spannung diesen Wert überschreitet. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis die Überströme aufhören zu bestehen; der Lichtbogen in dem Spalt der Schutzfunkenstrecke 5 wird dann während der ersten Halbwelle nach Fortfall der Störung nicht mehr zünden. Der Luftstrom wird sodann abgeschaltet.

Der Widerstand 6 wirkt also so, daß er die an dem Reihenkondensator 2 anliegende Spannung auf einen Sicherheitswert begrenzt und einen vollkommenen Schutz für die Reihenkondensatoren gewährleistet, ohne sie jedoch kurzzuschließen und außer Wirksamkeit zu setzen, während die Funkenstrecke 5 dazu dient, den Widerstand 6 während jeder Halbwelle, während der er gebraucht wird, parallel zum Reihenkondensator 2 zu schalten und ihn, wenn erforderlich, auszuschalten. Auf diese Weise wirkt der Reihenkondensator 2 während des ersten Teiles jeder Halbwelle vollständig, während er während des Restes der Halbwelle, wenn er von dem Widerstand 6 überbrückt wird, noch teilweise wirksam ist, worauf er während der ersten Halbwelle nach Fortfall der Störung wieder vollständig wirksam wird. Der Reihenkondensator 2 dient daher wenigstens zum Teil dazu, die Stabilität während einer Störung aufrechtzuerhalten, und wirkt während des auf die Störung folgenden Übergangszustandes vollständig. Daraus geht hervor, daß der Reihenkondensator einerseits voll geschützt ist, andererseits jedoch in dem Augenblick, in dem er am nötigsten gebraucht wird, nicht vollständig außer Wirksamkeit gesetzt wird, wie dies bei bisher bekannten Schutzanordnungen der Fall ist, bei denen der Reihenkondensator während einer Störung vollständig überbrückt wird und auch während wenigstens eines Teiles der auf die Störung folgenden kritischen Zeitspanne bis zur Behebung des Fehlers vollständig überbrückt bleibt.

Der Widerstand 6 dient außerdem noch dem weiteren Zweck der Verhinderung einer Beschädigung des Reihenkondensators 2 durch oszillatorische Umladungen, die eintreten könnte, wenn die selbstlöschende Funkenstrecke 5 allein an den Reihenkondensator angelegt wäre, da der Widerstand 6 dämpfend auf die Entladung des Reihenkondensators 2 wirkt und so seine Beschädigung verhindert. Dämpfungswiderstände sind bisher schon im Zusammenhang mit durch Funkenstrecken geschützten Reihenkondensatoren vorgeschlagen worden, jedoch besaßen die bisher vorgeschlagenen Widerstände verhältnismäßig niedrige Werte, da sie nur die Kondensatorentladung dämpfen sollen und mit diesen Ausführungsformen nicht beabsichtigt ist, die an dem Reihenkondensator während Störungen anliegende Spannung auf einen Mindestwert zu begrenzen. Der Widerstandö gemäß der iao Erfindung ist hingegen in erster Linie dafür vorgesehen, die an dem zu schützenden Reihenkondensator anliegende Spannung zu begrenzen, und wird in Verbindung mit einer selbstlöschenden Funkenstrecke verwendet, die ihn, wenn er benötigt wird, sofort einschaltet und ihn im wesentlichen un-

mittelbar, wenn er nicht mehr gebraucht wird, ausschaltet.

In einigen Fällen kann es genügen, einen kleineren und deshalb billigeren Widerstand 6 anzuwenden, der einen niedrigeren Widerstandswert als der oben beschriebene Widerstand hat, so daß der Reihenkondensator 2 während derjenigen Zeitspannen, während denen die Funkenstrecke 5 durchschlagen wird, mehr oder weniger wirksam überbrückt ist. Wenn nun ein solcher Widerstand zusammen mit einer selbstlöschenden Funkenstrecke Anwendung findet, wird der Hauptvorteil der Wiedereinschaltung des Reihenkondensators auf volle Wirksamkeit innerhalb der ersten HaIbwelle nach Fortfall der Störung ebenfalls beibehalten, so daß der Reihenkondensator während des unmittelbar auf die Störung folgenden Ubergangszustandes, währenddessen er zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität am dringendsten benötigt

ao wird, voll wirksam ist. Dieses Ergebnis wird durch die selbstlöschende Funkenstrecke erzielt, bei der der Lichtbogen bei jedem Nulldurchgang des Stromes gelöscht wird und nicht wieder zündet, bis die Augenblicksspannung nochmals über den

as Sicherheitswert ansteigt, so daß die tatsächliche Stromstärke innerhalb jeder Halbwelle beibehalten wird und der Reihenkondensator erst dann überbrückt wird, wenn es notwendig ist. Die Zeit, innerhalb welcher der Reihenkondensator wieder vollständig wirksam wird, nachdem eine Störung abgeklungen ist, wird infolgedessen auf einen Mindestwert herabgedrückt. Der Widerstand 6 verhindert, obwohl er einen verhältnismäßig kleinen ohmschen Wert hat, übergroße Augenblicksströme und begrenzt den Anfangsstromstoß der Kondensatorentladung, wenn die Funkenstrecke 5 durchschlagen wird. Außerdem vermindert er die Heftigkeit des Durchschlages an der Funkenstrecke. Wenn ein Widerstand mit größerem ohmschem Wert verwendet wird, ergibt sich noch der zusätzliche Vorteil, daß der Reihenkondensator während einer Störung nur teilweise überbrückt wird, wie dies bereits erläutert wurde.

Der Luftstrom kann der Funkenstrecke 5 über das Ventil 7 in irgendeiner geeigneten Weise zugeführt werden. Da die Funkenstrecke 5 jedoch für die volle Nennspannung des Netzes gegen Erde isoliert sein muß und da die Netzspannung bei den Anlagen, für die die Schutzanordnung hauptsäch-Hch gedacht ist, ziemlich hoch, nämlich von der Größenordnung von beispielsweise 220 kV sein kann, entstehen gewisse praktische Schwierigkeiten bei der Schaffung einer ausreichenden Luftzufuhr mit ausreichendem Druck zur Funkenstrecke 5, damit der Luftstrom, solange er benötigt wird, auch tatsächlich aufrechterhalten wird. Der Luftstrom muß unmittelbar nach dem Durchschlag der Funkenstrecke in dieselbe eingeführt werden, wobei die Verzögerung nicht mehr als 1,5 bis 2 Perioden betragen darf. Er muß so lange aufrechterhalten werden, wie die Funkenstrecke weiter durchschlagen wird, was unter Umständen eine beträchtliche Anzahl von Perioden andauern kann. Diese Forderung macht die Zufuhr einer erheblichen Luftmenge zur Funkenstrecke nötig, und es muß eine Verzögerung hierbei auf Grund der Luftzufuhr vom Luftbehälter bis zur Funkenstrecke über beträchtliche Entfernungen vermieden werden, andererseits muß die Funkenstrecke für die Netzspannung isoliert sein, d. h. sie muß sich in einem beträchtlichen Abstand von allen Anlagen, die Erdpotential besitzen, befinden.

Eine bevorzugte Ausführungsform für die Zuführung des Luftstromes ist in der Zeichnung dargestellt. Es ist ein Hauptpreßluftbehälter 9 vorgesehen, der mittels eines von einem Motor 11 angetriebenen Verdichters 10 mit Preßluft beschickt wird. Der Motor 11 wird aus irgendeiner verfügbaren Niederspannungsquelle 12 gespeist. Er kann in irgendeiner geeigneten Weise selbsttätig so gesteuert werden, daß er den Verdichter 10· in Gang setzt und daß der Luftdruck im Hauptpreßluftbehälter 9 auf einem bestimmten Druck,· beispielsweise von der Größenordnung von 10,6 kg/cm², gehalten wird. Der Verdichter 10 ist mit dem Hauptpreßluftbehälter 9 über ein Rückschlagventil 13 in an sich bekannter Weise verbunden. Es hat sich nicht als günstig erwiesen, den Hauptpreßluftbehälter 9, den Verdichter 10 und seinen Antriebsmotor 11 gegen Erde zu isolieren. Der Hauptpreßluft- g₀ behälter 9 ist deshalb über eine Isolierleitung 15 mit einem Hilfsluftbehälter 14 verbunden, so daß der Hilfsluftbehälter 14 in der Nähe der Funkenstrecke 5 und gegen Erde isoliert angebracht sein kann. Damit ist eine ausreichende Luftzufuhr dicht an der Funkenstrecke 5 gegeben. In die Isolierleitung 15 ist vorzugsweise ein Druckregler 16 irgendeiner geeigneten Bauart eingebaut, um den Druck im Hilfsluftbehälter 14 auf einem bestimmten niedrigeren Wert zu halten, beispielsweise von der Größenordnung 7 kg/cm². Ein Rückschlagventil 17 wird vorzugsweise ebenfalls in der Isolierleitung 15 vorgesehen.

Der Hilfsluftbehälter 14 ist so angeordnet, daß er den Luftstrom über das Ventil 7 unmittelbar zur Funkenstrecke 5 schickt. Es kann irgendeine geeignete Bauart eines Ventils 7 Anwendung finden, das in Abhängigkeit von dem Auftreten eines Stromes in der Funkenstrecke 5 bzw. im Widerstandskreis rasch geöffnet wird und das, wenn der Stromfluß aufhört, selbsttätig wieder geschlossen wird. Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Ventil 7 besteht aus einer Ventilkammer 18, die normalerweise mittels eines Hauptventils 19 geschlossen ist. Das Hauptventil 19 wird mittels eines in einem mit der Ventilkammer 18 verbundenen Zylinder 21 verschiebbaren Kolbens 20 betätigt. Die Luft tritt aus der Ventilkammer 18 über einen normalerweise durch ein Steuerventil 22 verschlossenen, nicht näher bezeichneten Kanal ein, der außerdem ein zweites Ventil 23 enthält, das mit einer normalerweise offenen öffnung 24 zur Entlüftung des Zylinders 21 zusammenwirkt. Das Steuerventil 22 kann mittels eines Solenoides 25 betätigt werden und wird normalerweise mittels 1*5 einer Spannfeder 26 oder irgendeines anderen ge-

eigneten Druckmittels in seiner geschlossenen Lage gehalten, die in Fig. ι dargestellt ist. Das Solenoid 25 wird durch den in der Funkenstrecke 5 fließenden Strom entweder unmittelbar oder über einen Wandler 27 erregt.

Wenn in der Leitung 1 eine Störung oder irgendein sonstiger Überstrom eintritt, wird die Funkenstrecke 5 durchschlagen und der Widerstand 6 an den Reihenkondensator 2 angelegt, wodurch die an dem Reihenkondensator auftretende Spannung, wie bereits erklärt, begrenzt wird. Sobald die Funkenstrecke 5 durchschlagen wird und Strom durch den von ihr und dem Widerstand 6 gebildeten Stromkreis fließt, wird das Solenoid 25 erregt und bewegt das Steuerventil 22 nach rechts, wodurch die Entlüftungsöffnung 24 geschlossen wird und Luft aus der Ventilkammer 18 in den Zylinder 21 einströmt. Die auf diese Weise dem Kolben 20 zugeführte Druckluft bewegt das Hauptventil 19 ao nach rechts, worauf Luft von der Ventilkammer 18 der Düse 8 zuströmen kann, die den Luftstrom in den Spalt der Schutzfunkenstrecke 5 einführt. Der Luftstrom entionisiert den Funkenraum in der Funkenstrecke und löscht infolgedessen den Lichtbogen bei jedem Nulldurchgang des Stromes. Solange der Überstromzustand bestehenbleibt, zündet der Lichtbogen bei jeder Halbwelle, sobald die Augenblicksspannung an der Funkenstrecke 5 den vorgeschriebenen Wert, auf den sie eingestellt ist, überschreitet. Dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis die Störung behoben ist bzw. bis der Strom auf seinen Normalwert zurückgekehrt ist. Dieses fortgesetzte Wiederzünden des Lichtbogens bei jeder Halbwelle ruft in dem Stromkreis der Funkenstrecke 5 einen intermittierenden Strom hervor, der das Solenoid 25 ausreichend erregt hält, um das Steuerventil 22 offenzuhalten, so daß das Hauptventil 19 ebenfalls offengehalten wird und der Luftstrom während dieser Zeit aufrechterhalten wird. Wenn die Störung behoben ist und die jeweils an dem Reihenkondensator 2 auftretende Augenblicksspannung nicht mehr auf die Durchschlagsspannung der Funkenstrecke 5 ansteigt, wird der Lichtbogen der Funkenstrecke 5 nicht mehr wiederzünden, wodurch der Strom im Stromkreis der Funkenstrecke 5 verschwindet. Das Solenoid 25 wird infolgedessen entregt, und die Spannfeder 26 bewegt das Steuerventil 22 wieder In₁ die in Fig. 1 dargestellte Lage, in der die Entlüftungsöffnung 24 offen und der Zylinder 21 von der Ventilkammer 18 abgesperrt ist. Der Zylinder 21 wird daher entlüftet, und die Druckluft in der Ventilkammer 18, die auf das Hauptventil 19 wirkt, bewegt dieses in seine geschlossene Lage, wodurch der Luftstrom unterbrochen wird.

Der Überbrückungsschalter 4 wird selbsttätig so gesteuert, daß der Reihenkondensator 2 im Falle eines Ausbleibens der Druckluft überbrückt ist. Der Überbrückungsschalter 4 ist schematisch dargestellt; er wird mittels einer Feder 28 gespannt und normalerweise durch eine Klinke 29 in offener Stellung gehalten. Die Klinke 29 wird normalerweise mittels eines Solenoides 30 in einer Stellung gehalten, in der sie den Überbrückungsschalter 4 offenhält; bei Entregung des Solenoides 30 wird die Klinke 29 mittels einer Druckfeder 31 bzw. irgendeiner anderen geeigneten Druckvorrichtung in einer solchen Richtung bewegt, daß der Überbrückungsschalter 4 ausgelöst und mittels der Feder 28 geschlossen wird. Das Solenoid 30 wird normalerweise durch die Niederspannungsquelle 12 erregt; der Stromkreis enthält die normalerweise geschlossenen Kontakte 32 eines Druckschalters 33, der mit dem Hilfsluftbehälter 14 oder der Isolierleitung 15 so verbunden, ist, daß er auf den in dem Hilfsluftbehälter 14 herrschenden Luftdruck anspricht. Der Druckschalter 33 ist so eingestellt, daß seine Kontakte 32, wenn der Druck in dem Hilfsluftbehälter 14 unter einen bestimmten Wert, beispielsweise 5,6 kg/cm², fällt, öffnen und damit der Klinke 29 gestatten, den Überbrückungsschalter 4 auszulösen, wodurch der Reihenkondensator 2 überbrückt wird. Dabei ist vorausgesetzt, daß der normalerweise in dem Hilfsluftbehälter 14 herrschende Druck 7 kg/cm² beträgt.

Eine in der Praxis bevorzugte Ausführungsart einer Funkenstrecke mit dazugehöriger Druckluftanlage ist in Fig. 2 dargestellt. Wie aus ihr ersichtlich, sind der Hauptpreßluftbehälter 9, der Verdichter 10 und der Motor 11 in einem Gehäuse

35 untergebracht, welches auf dem Fußboden bzw. irgendeinem geeigneten Fundament aufgesetzt sein kann. Dasselbe soll nicht gegen Erde isoliert sein. Die Funkenstrecke 5, das Ventil 7 und der Hilfsluftbehälter 14 sind für volle Netzspannung gegen Erde isoliert und auf eine senkrechte Säule aus Isolatoren 36 aufgesetzt, die gleichzeitig dazu benutzt wird, die Luft von dem Hauptpreßluftbehälter 9 zum Hilfsluftbehälter 14 zu leiten. Die Isolatoren 36 können hohle Porzellanisolatoren irgendeiner geeigneten Ausführungsart und mit aneinanderliegenden Stirnseiten zu einer senkrechten Säule aufgebaut sein, wobei jeweils eine für die betreffende Spannung ausreichende Anzahl von Isolatoren Anwendung findet. Der Hilfsluftbehälter 14 besteht vorzugsweise aus einem zylindrischen Stahlbehälter und ist in senkrechter Lage, wie aus Fig. 2 ersichtlich, auf den obersten der Isolatoren

36 aufgesetzt. Die Isolatorensäule kann auf das Gehäuse 35 aufgesetzt oder an irgendeiner anderen n₀ geeigneten Stelle aufgestellt sein. Der Hilfsluftbehälter 14 ist mit dem Hauptluftbehälter 9 mittels einer Isolierleitung 15 verbunden, die vorzugsweise aus einem dickwandigen Gummischlauch besteht, der einerseits dem Luftdruck standhält und der andererseits auf eine geeignete Spannungsfestigkeit, beispielsweise 6600 V/m, geprüft sein kann. Derjenige Teil der Isolier leitung 15, der sich innerhalb des Gehäuses 35 befindet, kann jedoch die Form einer gewöhnlichen Röhre haben und mit dem Gummischlauch am Fuß des untersten der Isolatoren 36 verbunden sein. Die Isolierleitung 15 erstreckt sich durch die hohlen Isolatoren 36 hindurch und ist innerhalb dieser in Schraubenwindungen verlegt; die Isolatoren 36 sind Vorzugsweise mit einer Isolierflüssigkeit 37 gefüllt. Um

die Verwendung von luftdichten Dichtungen bzw. anderen Abdichtungsmitteln zwischen den Isolatoren zu vermeiden, ist die Isolierleitung 15 an jedem Ende jedes einzelnen Isolators aus diesem herausgeführt und jeweils zwischen zwei aneinanderstoßenden Isolatoren durch Druckverschraubungen 38 verbunden. Das Ventil 7 ist in einem Ventilgehäuse 39 untergebracht, das auf dem Hilfsluftbehälter 14 aufsitzt, während die Funkenstrecke 5 unmittelbar auf dem Ventilgehäuse 39 aufgesetzt ist.

Die bevorzugte Ausführungsart einer Funkenstrecke, die in Fig. 2 dargestellt ist, weist massive Graphitelektroden auf, die einem fortgesetzten Funkenübertritt standhalten, ohne daß übermäßige Erhitzung bzw. irgendwelche andere Beschädigungen eintreten. Die Funkenstrecke 5 besteht aus einer oberen, hohlen Elektrode 40, die im allgemeinen die Form einer sich nach unten öffnenden Schale hat, und einer unteren Elektrode 41, die stabförmig ist, senkrecht steht und in die Höhlung der oberen Elektrode 40 hineinragt. Beide Elektroden liegen in einem solchen Abstand voneinander, daß eine Funkenstrecke der gewünschten Durchschlagspannung entsteht. Die untere Elektrode 41 besitzt eine Mittelbohrung 42, die sich durch die ganze Länge derselben hindurch erstreckt; ein Ventilationsrohr 43 ist mit dieser Mittelbohrung 42 am unteren Ende der unteren Elektrode41, d.h. an dem von der Funkenstrecke 5 abgewandten Ende, verbunden. Das Ventilationsrohr 43 kann durch das Ventilgehäuse 39 hindurchführen und in die Luft münden, während die Düse 8 des Ventils 7 neben der unteren Elektrode 41 nach oben mündet, so daß der Luftstrom in den Raum zwischen den Elektroden 40 und 41 geleitet wird und über die Mittelbohrung 42 und das Ventilationsrohr 43 entweichen kann. Die obere Elektrode 40 ist an einem metallenen Deckel 44 befestigt, welcher eine Klemme 45 irgendeiner geeigneten Ausführungsart trägt, mit der eine Leitung an die obere Elektrode 40 angeklemmt werden kann. Die untere Elektrode 41 ist auf eine nicht näher bezeichnete Grundplatte aufgeschraubt, die gleichzeitig die Abdeckung für das Ventilgehäuse 39 bilden kann; an dem Ventilgehäuse 39 befindet sich eine geeignete Durchführung 46, durch welche eine Leitung an die untere Elektrode 41 herangeführt werden kann. Die Funkenstrecke S ist in einem Porzellangehäuse 47 untergebracht, welches die Funkenstrecke 5 schützt und die Elektroden 40 und 41 voneinander isoliert. Aus dem Gesagten ergibt sich, daß die Erfindung ein Höchstspannungsfunkenstreckenschutzgerät darstellt, welches für die volle Leitungsspannung gegen Erde isoliert ist und welches mittels eines Luftstromes selbstlöschend wirkt. Der Hilfsluftbehälter 14 und das Ventil 7 sind außerdem gegen Erde isoliert und unmittelbar neben der Funkenstrecke 5 angebracht, so daß, wenn das Ventil 7 infolge eines durch die Funkenstrecke 5 fließenden Stromes geöffnet wird, der Luftstrom unmittelbar ausgelöst wird, ohne daß eine Verzögerung dadurch eintritt, daß die Luft von einem auf Erdpotential befindlichen Hauptpreßluftbehälter erst herangeführt werden muß. Die Verwendung des Hilfsluftbehälters macht es außerdem möglich, einen verhältnismäßig großen Luftvorrat dicht bei der Funkenstrecke unterzubringen, so daß der Luftstrom auf die volle Dauer, während der die Funkenstrecke 5 arbeitet, mit unverminderter Stärke aufrechterhalten werden kann. Es ist also eine günstige praktische Ausführung einer selbstlöchenden Funkenstrecke zur Verwendung in der Schutzanordnung nach Fig. 1 gegeben.

Aus dem Gesagten dürfte ferner hervorgegangen sein, daß für Reihenkondensatoren in Höchsstspannungsdrehstromübertragungsleitungen eine Schutzanordnung geschaffen wurde, bei der der Reihenkondensator zwar gegen Überspannung ausreichend geschützt ist, jedoch nicht vollständig überbrückt wird, so daß er für die Dauer einer etwaigen Störung mindestens teilweise wirksam ist und nach Fortfall der Störung wieder unmittelbar voll wirksam wird, wodurch der Reihenkondensator während derjenigen Zeitspanne, in der die Stabilitätsbedingungen besonders schwer sind, d. h. während einer Störung und während des unmittelbar darauf folgenden Ubergangszustandes, zur Aufrechterhaltung der Stabilität beitragen kann. Dieses Ergebnis wird durch die Anwendung eines die Spannung begrenzenden Widerstandes und durch eine _go selbstlöschende Funkenstrecke, die den Widerstand parallel zum Reihenkondensator schaltet, erzielt, so daß die Spannung immer dann begrenzt wird, wenn ihr Augenblickswert eine bestimmte Grenze überschreitet, während der Widerstand ausge- _g5 schaltet wird, wenn er nicht mehr gebraucht wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schutzanordnung für Reihenkondensatoren in Höchstspannungswechselstromleitungen mit zu diesen parallel geschalteter Funkenstrecke, die leitend wird, wenn die am Reihenkondensator auftretende Augenblicksspannung einen vorbestimmten Wert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (7,27,

25) vorgesehen sind, mit deren Hilfe unmittelbar nach dem Durchbruch der Funkenstrecke ein Luftstrom praktisch verzögerungslos derart auf diese gerichtet wird, daß er deren Licht- n₀ bogen löscht, und zwar jedesmal dann, wenn der Strom durch Null geht, und daß der Luftstrom ein erneutes Zünden des Lichtbogens verhindert, wenn nicht die Augenblicksspannung nochmals auf den erwähnten vorbestimmten Wert ansteigt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (6) in Reihe mit der an den Reihenkondensator (2) angelegten Funkenstrecke (5) geschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (6) so bemessen ist, daß er die an dem Reihenkondensator (2) auftretende Spannung bei Überströmen infolge Leitungsstörungen auf einen bestimmten Höchstwert begrenzt.

4· Anordnung nach Anspruch ι, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Luftstromes ein Ventil (7) und eine auf Strom ansprechende Steuereinrichtung (25 bis 27) zur Auslösung des Öffnungsvorganges des Ventils vorgesehen sind, so daß der Luftstrom eingeschaltet wird, sobald in der Funkenstrecke (5) Strom fließt, und das Ventil (22,24) den Luftstrom unterbricht, wenn der Strom in dem genannten Stromkreis verschwindet.

5. Anordnung nach Anspruch 4, bei welcher der Luftstrom von einem Preßluft enthaltenden Luftbehälter geliefert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf den Luftdruck ansprechendes Gerät (33) vorgesehen ist, welches einen Überbrückungsschalter (4) für den Reihenkondensator schließt, wenn der Druck in dem Luftbehälter unter einen bestimmten Wert fällt.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke (5) eine erste, schalenförmige Elektrode (40) und eine im allgemeinen stabförmige zweite Elektrode (41) aufweist, die in die Schalenhöhlung der erstenElektrode hineinragt, daß die genannten Elektroden so zueinander liegen, daß sie eine Funkenstrecke bilden, die in einem Gehäuse (47) untergebracht ist, daß die stabförmige zweite Elektrode eine Mittelbohrung (42) aufweist und in der Nähe derselben eine Düse (8) angebracht ist, durch die ein Gasstrom in den Raum zwischen den Elektroden eingeblasen wird, und daß eine Entlüftungseinrichtung (43) vorgesehen ist, die sich außerhalb des genannten Gehäuses (47) befindet und mit der Mittelbohrung (42) der zweiten Elektrode an dem von der Funkenstrecke (5) abgewandten Ende in Verbindung steht.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Säule von Isolatoren (36), ein Hauptpreßluftbehälter (9) am Fuß der genannten Isolatorensäule, ein auf dieser befindlicher Hilfsluftbehälter (14), eine Isolierleitung (15), die Hauptpreßluftbehälter (9) und Hilfsluftbehälter (14) miteinander verbindet, ein isolierendes, die Funkenstrecke (5) enthaltendes Gehäuse (47) und ein Ventil (7) vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Luftstrom von dem Hilfsluftbehälter (14) zur Funkenstrecke (5) geleitet wird, und daß das Funkenstreckengehäuse (4) und das Ventil (7) auf den Hilfsluftbehälter (14) aufgesetzt sind.

Angezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 606 982, 638 364, 982, 545 246;

Proc. AJEE 26 (1907), S. 347, s. Referat in ETZ 29 (1908), S. 16 und 17;

Bulletin SEV 32 (1941), S. 695 bis 699;

ETZ 50 (1929), S. 1073, 1078;

ETZ 58 (1937). S. 709 bis 711, 1117 ff.;

Electrical World 103 (1934), S. 942 bis 945;

Schweizerische Technische Zeitschrift 11 (1936), S. 587 und 588;

Elektrowärme 9 (1939), S. 53 bis 57-

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen