-
Überspannungsschutzeinrichtung In den Verteilungsnetzen von Industrieanlagen
treten. @erfahrungsgemäß häufig übierspannung@en auf, deren Höhe ein Vielfaches
der Betriebsspannung betragen kann. Verursacht werden diese überspannungen .entweder
durch Schalthandlungen, durch Erdschlüsse, beispielsweise in Form von Kabel-oder
Endverschlußdurchschlägen, oder auch durch induktiven bzw. unmittelbaren Übertritt
von Wanderwellen aus der :speisenden Hoichspannungsfreileitung. Infolge der besonderen
Kapazitäts- und Induktivitätsverhältnisse, die in Induktionsnetzen vorliegen, namentlich
wenn diese als Hochspannungskabelnetze ausgebildet sind, kann @es Eierbei zu Resonanz-
oder sonstigen Schwingungserscheinungen kommen, die eine weitere Erhöhung der Überspannungsw
elle und eine Vergrößerung ihres Ausbreitungsbereiches zur Folge haben.
-
Nun liegen in Indusitrienetzien die Stellen schwächster Isolation
.meist gerade im den Hochspannungsmotoren; denn die einschlägigen Vorschriften s
chreibien für diese in fabrikneuem Zustand eine Prüfspannung vor, die bereits 5o
bis 75 % unter der vorschriftsmäßigen Prüfspannung der übrigen Anlagebeile liegt.
Dazu. kommt, daß die Isolation der übrigen Anlageteile im Betrieb infolge des geringeren
Verschleißes meist erheblich weniger leidet als die Isolation der Motoren. Audtretende
Überspannungen führen daher häufig zu einem Durchschlag innerhalb der Motoren, die
dadurch zum Ausfall kommen. Bedeutet die Beschädigungeines
Hochspannungsmotors
an sich schon einen beträchtlichen Schaden, so tritt durch den Ausfall des Motors
meist noch ein viel größerer Schaden mittelbar wegen der dadurch verursachten Störung
des Produktionsprozesses ein. Das gilt in besonders hohem Maße für solche Anlagen
der chemischen Industrie, die normalerweise in ununterbrochenem Dauerbetrieb arbeiten.
-
Die bisher gebräuchlichen überspannungsschutzeinrichtungen eignen
sich wohl für die Ableitung, der auf Hoch- und Höchstspannungsfreileitungen auftretenden
Überspannungen und für die Begrenzung dieser überspannungen auf einen für die Isolationsfestigkeit
der Freileitungslsolatoren,- der Durchführungen und der Transformatoren ungefährlichen
Wert; in InduvstrIenetzen, namentlich wenn diese als Kabelnetze ausgeführt sind,
werden jedoch die bei überspannungen abzuleitenden Energiemengen so groß, daß die
bekannten Überspannungsableiter dieser Aufgabe, vor allein im Hinblick auf die besonderen
Anforderungen, welche die Isolation der Hochspannungsmotoren stellt, nicht gewachsen
sind. Die Erfindung hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, einen überspannungsableiter
zu schaffen, der auch auf diesem Anwendungsgebiet einen zuverlässigen Schütz bietet.
Ein solcher überspannungsableiter müß imstande sein, die bei üb:erspannüngen in
Hochäpannungskabelnetzen auftretenden Energiemengen sicher abzuleiten, nach Abklingen
der Überspannung das Netz unverzüglich wieder von Erde zu trennen und die in das
Netz einlaufenden restlichen Spannungswellen unterhalb, desjenigen Wertes. zu halten,
der zu einer Schädigung bzw. zu einem -Durchschlag der Wicklungsisolation der Motoren
führen könnte. Ein, solcher überspannungsablefer ist dann natürlich auch in Freileitungsanlagen
ohne weiteres brauchbar.
-
Die Erfindung benutzt zur Lösung dieser Aufgabe Gasentladungsstrecken,
die parallel zu den zu schützendem Apparaten und Maschinen bzw. zwischen, die Leiter
der zu :schützenden. Anlage und Erde geschaltet ;sind, und zwar werden diese Entladungsstrecken
als Quecksilberdampfgefäße ausgebildet, die mixt einer :ständig in die Kathode tauchenden.
bzw. mit dieser in leistender Berührung befindlichen. Zündelektrode ausgerüstet
sind. Die Verwendung von Entladungsstrecken mit lichtbogenartiger Entladung als
überspannungsableiter ist an sich bereits bekannt. Bei den bekannten Einrichtungen
dieser Art werden jedoch ausschließlich Entlaiduazgsstreeken mit selbständiger Entladung
benutzt, deren Zündung unmittelbar durch überschreitung .eines kritischen Wertes
der zwischen den Elektroden liegenden Spannung erfolgt, wobei im allgemeinen zunächst
eine Glimmentladung einsetzt, die dann .erst in einen Lichtbogen umschlägt. Solche
Entladungsstrecken sind nicht geeignet, Ströme von der Größenordnung, wie sie hier
gefordert wird, zu führen. Außerdem macht :es Schwierigkeiten, die Entladung nach.
Beseitigung der Überspannung wieder .schnell genug zu löschen, weil die Brennspannung
des entstehenden Lichtbogens. um ein Beträchtliches niedriger liegt .als der zur
Einleitung der Glimmentladung erforderliche Spannungswert. im Gegensatz hierzu lassen
sich Quecksälberdampfentlädungsgefäße, deren Kathode zunächst durch eine Tauchzündelektrode
in emissionsfähigen Zustand gesetzt wird, für praktisch beliebig hohe Stromstärken
herstellen, wobei zu bedenken ist, daß der ganze Ableitungsvorgang ja nur den Bruchteil
einer Sekunde dauert. Weiterhirn. ist es von Wichtigkeit, daß die Ansprechgeschwindigkelt
solcher Entladungsgefäße, d. h. die Geschwindigkeit, mit der die Ausbildung des
Lichtbogens der Erregung der Zündelektrode folgt, außerordentlich hoch ist. Schwierigkeiten
bereitet jedoch bei der Verwendung von. Quecksilberdampfentladungsgefäßen mit Tauchzündelektro:de
die Schaltung des Zündstromkreises. Es erscheint zunächst als das Gegebene, den
Zündstromkreis unmittelbar der Entladungsstrecke parallel zu schalten und seinen
Widerstand so zu bemessen, daß der zur Zündung erforderliche Strom in ihm erst bei
einem bestimmten Überspannungswert erreicht wird. Das würde aber eine ständige Belastung
des Zünders und damit eine erhebliche Verkürzung seiner Lebensdauer sowie eine Beeinträchtigung
der Ziindgenauigkeit bedeuten. Deshalb besteht ein weiteres wesentliches Merkmal
der Erfindung darin, daß die Zündstromkreise unter Zwischenschaltung einer erst
'beim Auftreten einer Überspannung zündenden Hilfsentladungsstrecke mit selbständiger
Entladung zur 'Hauptentladungsstrecke parallel geschaltet sind. Ein Strom kommt
über den Zünder infolgedessen erst 'dann zustande, wenn tatsächlich leine übersp.annung
auftritt. Dieser Strom kann dann aber auch sofort .so groß sein, daß -er die Zündung
der Hauptentladungsstrecke einleitet, so daß bei Überschreitung einer bestimmten
Spannungsgrenze die Schutzeinrichtung praktisch ohne Verzögerung anspricht, Das
Löschen der Hilfsentladungsstrecke im Zünderkreis macht keiinnerlei Schwierigkeiten,
weil wegen der Parallelschaltung des Zünderkreises zu der Hauptentladungsstrecke
in dem Augenblick, in dem die letztere zündet, die Spannung an ihm auf die sehr
niedrige Brennspannung der Hauptentladungsstrecke zusammenbricht.
-
Als Hilfsentladungsstrecke im Zünderkreis wird zweckmäßig eine Löschfunkenstrecke
verwendet, zumal solche Löschfunkenstrecken ganz genau definierte Zündspannungswerte-
besitzen. Besonders vorteilhaft ist @es, an dieser Stelle seine Einrichtung zu verwenden,
die aus der Reihenschaltung einer Löschfunkenstrecke mit einem Widerstand besteht,
dessen Widerstandswert mit wachsender Spannung. sinkt. Solche Einrichtungen sind
als. selbständige Überspannungsableiter fertig zusammengebaut- im Handel unter dem
Namen »Kathodenfallableiter« für verschiedene Ansprechspannungen listenmäßig erhältlich.
Um den Zünderstrom zu begrenzen, dürfte es ratsam sein, noch einen weiteren Widerstand
in dem Zünderstromkreis vorzusehen. An Stelle eines ohmschen Widerstandes kann hier
auch eine Induktivität benutzt werden, da es wegen des nachfolgenden Zusammenbrechens
der Zünderspannun
- beim Zünden der Hauptentladungsstrecke ja nicht
auf eine stationäre Begrenzung des Zünderstromes, .sondern nur darauf ankommt, daß
dieser bis zum. Zünden der Hauptentladungsstrecke nicht unzulässig hohe Werte :erreicht.
-
Die Entladungsgefäße werden meist so gebaut sein, daß sie nur eine
Kathode enthalten und infolgedessen nur in einer Richtung stromdurchlässig sind.
Beim Schutz von Wechselstromanlagen muß man daher je Phase zwei solcher Gefäße mit
entgegengesetzter Durchlaßrichtung :einander parallel schalten. Damit nun je nach
der Polarität, mit der in der betreffenden Leitung die überspannungswelle auftritt,
stets nur diejenige Entladungsstrecke erregt 'wird, die die zur Ableitung dieser
überspannung richtige Durchlaßrichtung besitzt, ist es zweckmäßig, in die Zünderkreise
noch richtungsabhängige Widerstände zu schalten. Es können hier beispielsweise Trockengleichrichter
oder auch Funkenstrecken mit Ventilwirkung verwendet werden. Eine Ventilwirkung
kann bei Funkenstrecken bekanntlich durch die Ausbildung der Elektroden als Spitze
und Platte erreicht werden.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Mit i ist der zu schützende Zweig eines Drehstromnetzes bezeichnet. Die Schutzeinrichtung,
die beim Ansprechen die Leiter des Drehstromnetzes an Erde legt, ist der Einfachheit
halber nur für eine Phase dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus den beiden
gegensinnig parallel geschalteten Entladungsgefäßen a und a', deren jedes eine Anode
3, eine Kathode ¢ und eine in die letztere tauchende, aus Material hohen Widerstandes
hergestellte Zündelektrode :enthält. In Reihe mit beiden Entladungsgefäßen 2 und
2' liegt noch ein. Strombegrenzungswiderstand 9, der unter Umständen auch als induktiver
Widerstand ausgebildet sein kann. Die Zündelektrode 5 ist mit der Anode 3 des zugehörigen
Entladungsgefäßes verbunden. In ihrem Stromkreis liegt zunächst eine Hilfsentladungsstreck
e 6, die bei einem ganz bestimmten Spannungs= wert anspricht. Weiterhin ist mit
der Zündelektrode ein Strombegrenzungswiderstand 8 sowie eine Ventilstrecke 7 in
Reihe geschaltet, und zwar letztere so, daß ein Zünderstro:m nur dann fließen kann,
wenn die Anode des betreffenden Entladungsgefäßes gegenüber der zugehörigen Kathode
positiv ist.
-
Man erkennt, daß, wie schon vorher- erwähnt, beim Zünden der Entladungsstrecke
an dem Zündspannungskreis nur noch die Brennspannung des Lichtbogens liegt, .so
daß die Hilfsentladungsstrecke 6 sofort wieder erlischt. Auf diese Weise ist es
möglich, den Unterschied zwischen der Betriebsspannung des Netzes und der Ansprech-
bzw. Begrenzungsspannung des erfindungsgemäßen überspannungsableiters beliebig klein
zu halten. An Stelle einanodiger Gefäße, wie sie in der Zeichnung dargestellt sind,
können auch m:ehranodg@e verwendet werden, um eine entsprechende Aufteilung der
abzuführenden Energiemenge auf verschiedene Anoden zu erreichen. Man kann zu demselben
Zweck auch mehrere einanodige Entladungsgefäße gleichsinnig parallel schalten. Mehranodige
Gefäße mit gemeinsamer Kathode und nur einer Zündelektrode kann man auch beim Schutz
von mehrphasigen Anlagen. in der Weisse verwenden, daß jeder Phase eine Anode des
Gefäßes zugeordnet wird. Die Ableiter können bei der Verwendung in Industrie,-anlagen
beispielsweise in den Schalthäusern an die Sammelschiene angeschlossen werden, von
denen die Stich-, Ring- oder vermaschten Zuleitungen zu den Motoren und Apparaten
abgehen.