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Schutzeinrichtung für überspannungsgefährdete Teile von dreiphasigen
Drehstromanlagen Es ist bekannt, Reihenkondensatoren oder andere im Zuge einer Wechselstromleitung
angeordnete Anlageteile mittels zweier antiparallel geschalteter Entladungsgefäße
mit Initialzündung zu schützen. Abb. r zeigt eine derartige Anordnung. Zur Zündung
der Gefäße, d. h. zur Einleitung einer Entladung zwischen den ibeiden Hauptelektroden
(Anode A und Kathode I(), dient ein besonderer Steuerstromkreis, der entweder für
jedes der beiden Gefäße oder für beide Gefäße gemeinsam vorgesehen ist und zweckentsprechende
Steuerglieder S (z. B. Glimmstrecken, Stromventile) enthält. Der Steuerstromkreis
eines jeden Gefäßes ist dem Anodenstromkreis parallel geschaltet. Beim Auftreten
einer Überspannung zwischen den Klemmen a, b des zu schützenden Gerätes,
beispielsweise des Reihenkondensators C, spricht der Steuerstromkreis mindestens
des einen Gefäßes an und treibt einen Strom über die Zündelektrode Z nach der Kathode
K. Dieser Zündstrom leitet bei ausreichendem positivem Potential der Anode A gegenüber
der Kathode K die Entladung zwischen den beiden Hauptelektroden A und K ein.
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Sind in einem Drehstromnetz die zu schützenden Anlageteile, z. B.
Reihenkondensatoren, dreiphasig angeordnet, so ist in allen drei Phasen eine entsprechende
Schutzeinrichtung erforderlich. Abb. a zeigt beispielsweise in bekannter Art die
dreiphasige Anordnung von Reihenkondensatoren in einer Drehstromleitung. Die Kondensatoren
C kompensieren den Blindwiderstand der Leitungsinduktivität L. Bei einem Kurzschluß
an den Klemmen des Verbrauchers V bilden Kondensatoren und Leitungsinduktivität
einen Spannungsresonanzkreis, der, falls nicht geeignete Schutzmaßnahmen vorgesehen
sind, an den Kondensatoren hohe Überspannungen hervorruft.
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Als Überspannungs- und Überlastungsschutz sind parallel zu jedem Kondensator
C Entladungsgefäße I, II vorgesehen, die durch geeignete nicht dargestellte Steuereinrichtungen
zur
Entladung gebracht werden, sobald die Spannung an den Klemmen des betreffenden Kondensators-
einen bestimmten z.ulässigen Wert überschreitet. Mit Rücksicht auf die wechselnde
Polarität der Überspannungen sind an jedem Kondensator Entladungsgefäße für beide
Stromrichtungen erforderlich. Da die für diesen Zweck hauptsächlich in Betracht
kommenden Entladungsgefäße nur in einer Richtung zur Stromleitung verwendbar sind,
werden für jede Phase zwei Gefäße, insgesamt also zum Schutz der drei Kondensatoren
sechs Gefäße benötigt.
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Ein derartiger Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß
drei Entladungsgefäße gleichsinnig in einem Dreieck zusammengeschaltet werden, die
entweder unmittelbar oder über Umspanner, gegebenenfalls unter Vorschaltung von
Widerständen, an die zu schützenden Anlageteile angeschlossen sind.: Die Wirkungsweise
derartiger Schutzeinrichtungen ist an den folgenden Ausführungsbeispielen erläutert.
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Abb. 3: zeigt eine einfache Ausführungsart der Erfindung. A sei der
gegen Überspannungen zu schützende Teil einer Drehstromanlage. Drei Entladungsgefäße,
beispielsweise Quecksilberdampfgefäße Q1, Q2, Qa, mit Zündelektroden Z sind gemäß
der Erfindung gleichsinnig im Dreieck zusammengeschaltet und an die Klemmen u,
v, w des zu schützenden Anlageteils angeschlossen. Durch Vorschaltung ` von
Widerständen R", R," R", wird der Entladungsstrom in den Gefäßen begrenzt, und zugleich
ein völliges Zusammenbrechen der Spannung zwischen den Klemmen u, v, w ver-
hindert.
Geeignete Steuereinrichtungen S, die in der Abbildung nur andeutungsweise gezeigt
sind, dienen zur Zündung der Gefäße. Tritt beispielsweise zwischen den Klemmen u
und v eine Überspannung auf, so kommen je nach der Polarität der Überspannung zwei
Entladungswege in Frage: in der einen Richtung über das Gefäß Q1, in der anderen
Richtung über die Reihenschaltung der beiden Gefäße Q2 und Q3. Die Steuereinrichtungen
S können beispielsweise so geschaltet und bemessen sein, daß jedem Gefäß ein besonderer
Steuerstromkreis zugeordnet ist, der die Klemmenspannung an dem betreffenden Gefäß
überwacht und bei Überschreitung eines bestimmten Spannungswertes in der Stromdurchlaßrichtung
des Gefäßes einen Stromstoß durch die Zündelektrode Z leitet, wodurch die Entladung
zwischen den beiden Hauptelektroden eingeleitet wird.
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Zur Zündung eines jeden Gefäßes ist es notwendig, daß an dessen Klemmen
eine Überspannung von geeigneter Polarität und einer bestimmten Mindesthöhe Uk auftritt,
die natürlich höher sein muß als der Scheitelwert der höchsten im normalen Betrieb
vorkommenden Klemmenspannung U" des zu schützenden Anlageteils; die zum Ansprechen
der Gefäße erforderliche Spannung sei beispiels-,ieise Uh = 1,5 - U". Eine
Überspannung dieser Größe zwischen den Klemmen as und v (Abb. 3) würde also
bei geeigneter Polarität durch die Entladung des Gefäßes Q1 überbrückt. Hat jedoch
die Überspannung zwischen -az und v die entgegengesetzte Richtung, so wird jedes
der Gefäße Q2 und Q3 erst dann zünden, wenn die Spannung an den Klemmendes betreffenden
Gefäßes den Anspfechwert UI, erreicht: Im ungünstigsten Fall kann es dann
vorkommen, daß in jedem der beiden Gefäße Q, und Q3 die Ansprechspannüng Uk nahezu,
jedoch nicht vollkommen erreicht wird und daß itlfölgedessen zwischen den Klemmen
zs und v nahezu die doppelte Ansprechspannung, also unter der obigen Annahme ungefähr
das 3fache des im normalen Betrieb vorkommenden Spannungshöchstwertes auftritt;
ahne daß eine Entladung erfolgt.
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Ein solches ungleichmäßiges, in hohem Maße polaritätsabhängiges Ansprechen
des Entladungskreises ist im allgemeinen unerwünscht: Wenn auch oft die zu schützenden
Apparate, beispielsweise Kondensatoren, kurzzeitige Überspannungen von der Größenordnung
des drei- und noch mehrfachen normalen Spannungshöchstwertes ohne Schaden vertragen
können, so wäre es immerhin notwendig, bei der Bemessung der Entladungsgefäße und
deren Steuereinrichtungen die Möglichkeit des Auftretens verhältnismäßig. hoher
Überspannungen zu berücksichtigen. Ein gleichmäßigeres Ansprechen der Entladungsgefäße
kann man erreichen, indem man die Steuerstromkreise der drei Gefäße in geeigneter
Weise miteinander verkettet.
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Abb. 4 zeigt eine derartige Anordnung. Die drei zu schützenden Kondensatoren
Cl, C2 und C3 seien ähnlich wie in Abb, 2, jedoch über Umspanner W1, W2 und Ws in
eine DrehstromleitungD eingeschaltet und dienen zur Kompensation des induktiven
Blindwiderstandes der Leitung.
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Als. Überspannungsschutz sind drei im Dreieck zusammengeschaltete
Zündstiftgefäße Q1, Q2, Q3 über die Widerstände R", R,, und R" an die zu schützenden
Kondensatoren angeschlossen. Die Zündung der Gefäße wird durch einen im wesentlichen
aus Glimmstrekken S1, S2, S3, G1, G2; G3 und richtungsabhängigen Widerständen, beispielsweise
TrokkengleichTichtern Tu, Ty und T",, bestehenden Steuerstromkreis eingeleitet;
zur Begrenzung des Zündstromes können ferner noch Ohmsehe Widerstände R,1, R" und
R, vorgesehen werden.
In der Anordnung gemäß Abb. q. sind die den
drei Entladungsgefäßen Q f, Q2 und Q3 als Steuerorgane zugeordneten
Glimmstrecken Si, S2 und S3 unter Vorschaltung der Widerstände R,1, R12 und R,3
ifn'n Dreieck zusammengeschlossen und über Trockengleichrichter T1, T2 und T3 mit
den Hauptelektroden der Gefäße Q1, _Q2 und Q3 verbunden.
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Die Schutzeinrichtung wirkt in folgender Weise. Bei einer Überspannung
beispielsweise zwischen den Klemmen u, v des Kondensators Cl liegt an der Glimmstrecke
S, zu--
nächst die volle Spannung. Denn in den Ohmschen Widerständen
R", R,, und Rs1 tritt, solange kein Strom fließt, kein Spannungsabfall ,auf. Die
Trockengleichrichter Tu, T,, sind ebenfalls als. Ohmsche Widerstände zu betrachten,
und zwar hat ' j e nach der Polarität der Spannung der in der Durchlaßrichtung liegende
Gleichrichter einen sehr niedrigen, der in der Sperrichtung liegende dagegen einen
sehr hohen Widerstandswert, .der allerdings bei raschen Stromänderungen durch die
hohe Eigenkapazität des Trockengleichrichters überbrückt ist.
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Beim Ansprechen der Glimmstrecke S, wird eine Überspannung von tt
über Ru, T,l, Rsl, S1, T," R" nach der Klemme v bzw. in der entgegengesetzten Richtung
von v nach u geleitet. Bei einer von v nach u gerichteten Überspannung
liegt der Trockengleichrichter TU in Sperrichtung. Nach einem kurzen, durch
die Eigenkapazität von Tu bedingten Ausgleichvorgang liegt an Tu nahezu
die volle Überspannung, während alle übrigen Spannungsabfälle in deri Steuerstromkreis
zwischen u und v vernachlässigt werden können. Die Schutzglimmstrecke Glwird daher
ansprechen, leitet infolgedessen einen beträchtlichen Strom über den Zündstift Z1,
und da in diesem Augenblick die Anode ein hohes positives Potential gegenüber der
Kathode besitzt, wird die Anodenentladung eingeleitet und hierdurch der gesamte
Steuerstromkreis überbrückt.
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Ist dagegen die Überspannung von u nach v
gerichtet, so erfolgt
das Ansprechen der Glimrnstrecke S, genau in der gleichen Weise, nur mit dem Unterschied;
daß jetzt der Trokkengleichrichter T" in der Durchlaßrichtung, dagegen T,, in der
Sperrichtung wirkt. Die an T,, auftretende hohe Spannung bewirkt ein Ansprechen
der Glimmstrecke G2 und einen Stromstoß .durch den Zündstift Z2 des Gefäßes Q2.
Falls nun die Anode dieses Gefäßes gegenüber der Kathode ein ausreichendes positives
Potential besitzt, so wird die Anodenentladung eingeleitet und hierdurch die Spannung
zwischen den Klemmen v und w auf einen geringen Betrag herabgesetzt. Falls nun gleichzeitig
noch eineüberspannung positiver Polarität von ü gegen zu auftritt, so wird die Glimmstrecke
S3 und folglich auch die Glimmstrecke G3 und das Entladungsgefäß Q3 ansprechen.
Da sich zu der Spannung u, w noch der Spannungsabfall in dem Widerstand R, addiert,
braucht die Spannung u-W nicht einmal den vollen Ansprechwert der Glimmstrecke S3
zu erreichen. Die zwischen u und v verbleibende Spannung übersteigt
daher keinesfalls die Ansprechspannung der Glimmstrecke S3, vermehrt üm die Restspannung
an dem durch die Röhre Q2 überbrückten Kondensator C2.
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Es kann natürlich auch vorkommen, daß der Zündstift Z2 in der oben
geschilderten Weise einen Stromstoß erhält, wenn die Anode gegenüber .der Kathode
des Gefäßes Q2 negatives Potential aufweist. Das ist aber nur dann möglich, wenn
die Spannungen von u nach v und von v nach w .gleiches Vorzeichen
haben. Dann muß aber die Überspannung von u nach w noch größer sein als diejenige
von u nach v, und die Glimmstrecke S3 wird ebenfalls ansprechen und die Entladung
des Gefäßes Q3 herbeiführen.
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Als Nachteil der Schaltung gemäß Abb. q. könnte man den Umstand betrachten,
daß bei Überspannungen zwischen den Klemmen u und v, jedoch sehr geringem Spannungsunterschied
zwischen den Klemmen v und zu, unter Umständen die Glimmstrecke S, ansprechen und
einen Strom über den Zündstift Z2 leiten wird, daß jedoch in keinem der drei Gefäße
Q1, Q2, Qs eine Anodenentladung erfolgt. In diesem Falle wird der Zündstift Z2,
der im allgemeinen nur -zur Aufnahme sehr kurzzeitiger Stromstöße bemessen zu werden
braucht, nahezu während einer vollen Halbwelle belastet, und dieser Vorgang kann
sich, solange die Überspannung andauert, in jeder Periode wiederholen. In besonders
ungÜnstigen Fällen kann auf diese Weise, besonders bei sehr langer Dauer der Überspannungen,
eine beträchtliche Erwärmung des betreffenden Zündstiftes eintreten. Die Gefahr,
daß durch derartige Überlastung der Zündstift Schaden leidet, ist jedoch im allgemeinen
gering.
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Abb.5 zeigt eine andere Ausführungsart der Erfindung. Gegenüber der
Schaltung gemäß Abb. q. sind folgende Änderungen getroffen. Zur Begrenzung der Anodenströme
sind statt der Widerstände R", R," RK, die den einzelnen Anoden vorgeschalteten
- Widerstände R,, R2, R3 vorgesehen. Hierdurch wird u. a. erreicht, daß die Steuereinrichtungen
für die drei Gefäße unmittelbar an den Klemmen v, v, v, w der zu schützenden
Apparate angeschlossen sind. Das läßt sich allerdings auch durch eine Schaltung
ähnlich Abb. q, erreichen, indem man die drei Trockengleichrichter -T, T,,, T" unmittelbar
an die Klemmen u, v, w
anschließt. Der wichtigste Unterschied der
Abb:
5 gegenüber Abb. q. besteht darin; daß die Steuerglimmstrecken S", S,; und S", nicht
wie dort im Dreieck, sondern in Stern geschaltet sind. Bei dieser Anordnung müssen,
wenn zwischen zwei Klemmen, z. B. u und v, eine Überspannung auftritt,, immer
zwei in Reihe geschaltete Glimmstrecken gleichzeitig ansprechen.
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Eine gleichmäßige Potentialverteilung auf die beiden Glimmstrecken
kann man durch parallel geschaltete hochohmige Widerstände oder durch kleine Kondensatoren
erreichen. Die Strombegrenzungswiderstände R,1, R,2 und Rss für den Steuerstromkreis
sind in Abb.: 5 unmittelbar den einzelnen Zündstiften vorgeschaltet.
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Die Anordnung gemäß Abb. 5 wirkt in fol-Bender Weise: Bei einer Überspannung
zwischen den Klemmen u und v sprechen die beiden Glimmstrecken S" und S,,
an. Genau' wie in Abb, 4. wird bei der Stromrichtung von v nach ii die Glimmstrecke
G1 zünden und durch einen überZündstift Z1 geleiteten Stromstoß die Entladung des
.Gefäßes Q1 herbeiführen. Bei einer von u nach v gerichteten Überspannung
spricht die Glimmstrecke G2 an und leitet einen durch -den Widerstand R" begrenztenStrom
durch denZündstiftZ2. Hat nun die Anode des Gefäßes Q2 gegenüber der Kathode ein
zur Zündung ausreichendes positives Potential, so zündet das Gefäß Q2. Die Spannung
zwischen u und v sinkt auf einen geringen Wert. Falls die Überspannung zwischen
ii und v in diesem Augenblick noch nicht verschwindet, so muß ein erheblicher
Teil dieser Spannung zwischen den Klemmen u und w bestehen, während nur ein kleiner
Teil auf den Entladungskreis des gezündeten Gefäßes Q2 und dessen Anodenvorwiderstand
R2 entfällt. -DieKlemmenspannung zwischen uundw liegt aber nun fast in voller Höhe
an der Glimmstrecke S,D Diese wird daher ebenfalls ansprechen und durch einen Zündstrom
über die Glimmstrecke G3 die Zündung des Gefäßes Q3 einleiten. Hat dagegen die Anode
des Gefäßes Q2 gegenüber der Kathode beim Auftreten des Zündstromes nur ein geringes,
zur Entladung nicht ausreichendes positives oder ein negatives Potential, so ist
die Spannung zwischen den Klemmen u und w von vornherein nur um einen geringen Betrag
kleiner oder sogar größer als die Überspannung zwischen u und v. Nachdem die Glimmstrecke
S" bereits gezündet hat, wird die Zündung der Glimmstrecke Su, und damit die Entladung
des Gefäßes Q3 auf jeden Fall erfolgen.
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Die Abb. 6 und 7 zeigen Ausführungsformen des Anschlusses der Schutzeinrichtung
an die zu schützenden Anlageteile. Da die als Schutzeinrichtung dienenden Entladungsgefäße
Q1, Q2, Q, erfindungsgemäß im Dreieck zusammengeschaltet sind, ist ein unmittelbarer
dreipoliger Anschluß an die zu schützenden Teile nur dann möglich, wenn auch diese
dreipolig im Stern oder Dreieck zusammengeschaltet sind. Bei Reihenkondensatoren
C1, C2 und C3, die gemäß Abb. 6 unmittelbar in die Drehstromleitung eingeschaltet
sind; kann die Schutzeinrichtung über Umspanner angeschlossen werden. Dabei muß
die Streuinduktivität dieser Umspanner äußerst gering gehalten werden, weil jede
Reiheninduktivität im Entladungskreis das Ansprechen und den Stromanstieg in den
Entladungsgefäßen verzögert und hierdurch die Schutzwirkung beeinträchtigt.
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Wenn dagegen, wie in Abb. 7 dargestellt, die Kondensatoren in bekannter
Weise selbst über Umspanner in die Drehstromleitung eingereiht werden, so ist es
ohne weiteres möglich, die Kondensatoren im Stern öder Dreieck zusammenzuschalten.
Es können Einzelumspanner für die drei Phasen oder auch Drei- oder Mehrschenkelumspanner
verwendet werden. Da im allgemeinen mit der Möglichkeit eines einpoligen Erd- oder
Kurzschlusses öder Doppelerdschlusses gerechnet werden muß; ist es in jedem Fälle
zweckmäßig, die Umspannersekundärwicklungen im Dreieck zu schalten oder eine im
Dreieck geschaltete Tertiärwicklung vorzusehen.