DE3013911C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzschaltung für Zinkoxid-Varistoren gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Eine derartige Schutzschaltung ist aus der US-PS 40 12 667 bekannt.

Schutzschaltungen können einen nicht linearen Zinkoxid- Varistor verwenden, um die Höhe der Spannung über einer zu schützenden Einrichtung, die häufig ein Reihenkonden­ sator ist, zu begrenzen. Unter normalen Betriebsbedingungen fließen Lastströme durch den Reihenkondensator, so daß die Spannung über dem Kondensator das Produkt des Last­ stromes und der kapazitiven Reaktanz ist. Die Spannung, die der Kondensator aushalten kann, ist so gewählt, daß die Kondensatorspannung, die durch den Laststromfluß hervor­ gerufen ist, gut innerhalb der Spannungsfestigkeit des Kondensators liegt. Die Varistorcharakteristik ist dabei so gewählt, daß unter normalen Laststrombedingungen der Varistorstrom auf einige wenige Milliampere begrenzt ist. Wenn ein Fehlerzustand, beispielsweise ein Leiter-Erdfehler auf der Übertragungsleitung, in die der Reihenkondensator geschaltet ist, auftritt, steigt der Strom durch den Kon­ densator an. Dieser Stromanstieg bewirkt, daß die Konden­ satorspannung ansteigt und wenn die Kondensatorspannung genügend hoch ist, wird die Spannungsfestigkeit des Kon­ densators überschritten. Um das Auftreten einer zu hohen Spannung über dem Kondensator zu verhindern, wirkt der Zinkoxid-Varistor als alternativer Pfad für den Fehlerstrom, der die überhöhte Kondensatorspannung hervor­ ruft. Jedoch kann der Stromfluß durch den Zinkoxid-Varistor während des Leiterfehlers den Varistor beschädigen, falls der Fehlerstrom für längere Zeiträume fließen kann. Da in den Varistoren viel Energie abgeführt werden muß, müssen deshalb Mittel vorgesehen sein, um die gesamte Energieabfuhr innerhalb des Varistors selbst zu begrenzen.

Ein üblicherweise verwendetes Mittel, um die Einrichtung vor einer überhöhten Energieabfuhr zu schützen, ist die Verwendung einer parallelen Funkenstrecke, um wenigstens einen Teil der während des Fehlerzustandes entwickelten Energie umzuleiten (s. H. Weitzel, "Thermische Belastung von Ableitern", ETZ-A, Band 91 (1970), Heft 10, Seiten 554 bis 557). Eines der Probleme, die bei der Verwendung von getriggerten Funkenstreckeneinrichtungen auftreten, besteht darin zu bestimmen, wann die Geschwindigkeit, mit der die Energie innerhalb der Einrichtung abgeführt wird, zu groß wird. Wenn die Geschwindigkeit, mit der die Energie in der Einrichtung abgeführt wird, zu hoch ist, hat die Funkenstrecke nicht genügend Zeit, wirksam zu werden, bevor die Einrichtung Schaden nimmt. Die US-PS 41 74 529 beschreibt eine Schaltungsanordnung, bei der sowohl die Größe der Energie, die innerhalb des ge­ schützten Varistors abgeführt wird, als auch die Geschwin­ digkeit ermittelt werden, mit der die Energie abgeführt wird. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Energieabfuhr­ geschwindigkeit selbst bestimmen kann, wann der Varistor­ strom umgeleitet werden muß, um eine Beschädigung des Varistors zu verhindern. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Fehler relativ nahe an den geschützten Varistoren auftritt und eine relativ kleine Induktivität der Über­ tragungsleitung vorhanden ist, um eine Strombegrenzungs­ impedanz für den Fehlerstrom zu bilden. Die Energieanstiegs­ geschwindigkeit ist eine direkte Funktion des Fehlerstroms, so daß der Fehlerstrom dazu verwendet werden kann zu be­ stimmen, wann die Energieabfuhrgeschwindigkeit des Varistors zu hoch ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfache und schnell und sicher ansprechende Schutzschaltung für Zinkoxid-Vari­ storen zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß eine Spannung an die Hochspannungs­ einrichtung geliefert wird, wenn die über den linearen Widerständen entwickelte Spannung eine vorbestimmte Ein­ schaltungsspannung für den spannungsabhängigen Schalter liefert.

Auf diese Weise wird eine empfindliche Schutzschaltung erhalten, die einfach aufgebaut ist und trotzdem einen Fehlerstrom sicher ableitet, bevor ein Varistor beschä­ digt werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung eines Ausführungsbeispieles der Er­ findung näher erläutert.

Die Figur ist ein schematisches Schaltbild von der verbes­ serten Schutzschaltung für Zinkoxid-Varistoren.

Gemäß der Figur ist ein Metall­ oxid-Varistor 10 einem Kondensator 11 parallel ge­ schaltet, um den Kondensatorstrom umzuleiten, wenn die Spannung über dem Kondensator 11 zu hoch wird. Überhöhte Spannungen entwickeln sich beispielsweise, wenn auf einer Übertragungsleitung ein Erdschluß auftritt. Eine trigger­ bare Luftfunkenstrecke 12 ist sowohl dem Metalloxidvari­ stor als auch dem Kondensator 11 parallel geschaltet, um einen Nebenschluß sowohl für den Varistor als auch den Kondensator zu bilden, wenn die Größe oder die Geschwindig­ keit der Energieabfuhr innerhalb des Varistors zu hoch wird. Ein induktives Element 13 ist mit der Luftfunken­ strecke in Reihe geschaltet, um den Strom sowohl durch die Luftfunkenstrecke als auch den Kondensator zu begrenzen, wenn die Luftfunkenstrecke überschlägt. Ein Fühler 14 wird dazu verwendet, den Strom durch den Varistor zu überwachen, um ein Eingangssignal an einen Impulstrans­ formator T zu liefern, der seinerseits Hochspannungs­ impulse an die triggerbare Luftfunkenstrecke 12 liefert. Die Schutzschaltung ist mit der Übertra­ gungsleitung an einem Anschluß L und auch an einem gemein­ samen Anschluß G verbunden.

Der Fühler 14 enthält einen Stromtransformator, der den Strom durch den Varistor 10 überwacht und nur dann ein Eingangssignal an den Impulstransformator liefert, wenn auf der Übertragungsleitung ein Fehlerzustand auf­ tritt.

Der Stromtransformator des Fühlers 14 ist einem Lastwiderstand R ₁ pa­ rallel geschaltet und mit der einen Seite eines Wider­ standes R ₂ verbunden. Die andere Seite des Widerstandes R ₂ ist mit einem nicht-linearen widerstandsbehafteten Ele­ ment Z und einer Seite der Niederspannungswicklung eines Transformators T verbunden. Das andere Ende des nicht­ linearen Widerstandes Z ist mit Erde verbunden. Der nicht-lineare Widerstand Z umfaßt einen Zinkoxid-Varistor mit einer vorbestimmten "Einschalt"-Spannung. Es können auch andere spannungsabhängige Schaltelemente verwendet werden, wie beispielsweise Zenerdioden.

Es wird im folgenden der Mechanismus beschrieben, durch den die vorstehend angegebene Schaltungsanordnung die hohen Energieanstiegsgeschwindigkeiten innerhalb des Va­ ristors 10 abtastet und Niederspannungsimpulse erzeugt. Da die Geschwindigkeit, mit der Energie durch den Varistor 10 absorbiert wird, dem Strom durch den Varistor propor­ tional ist, kann die Geschwindigkeit, mit der Energie innerhalb des Varistors absorbiert wird, aus dem Spitzen­ wert des Varistorstromes ermittelt werden. Der Varistor­ strom wird durch eine Spannung dargestellt, die über dem Widerstand R ₁ entwickelt wird. Deshalb ist die Geschwindig­ keit, mit der Energie in dem Varistor abgeführt bzw. ver­ braucht wird, durch die Spitzenspannung über dem Widerstand R ₁ dargestellt. Die Größe dieser Spannung wird durch die Zusammenschaltung des Widerstandes R ₂ und des nicht-line­ aren Widerstandes Z abgetastet. Der nicht-lineare Wider­ stand Z ist ein spannungsabhängiger Schalter, wie beispiels­ weise ein Varistor oder eine Zenerdiode. Wenn die Spannung über dem Widerstand R ₁ kleiner als die Einschaltspannung des nicht-linearen Widerstandes Z ist, fließt ein kleiner Strom durch den Widerstand R ₂ und den nicht-linearen Wi­ derstand Z, so daß im wesentlichen die gesamte Spannung über dem Widerstand R ₁ über dem nicht-linearen Wider­ stand Z auftritt. Wenn die Spannung über dem Widerstand R ₁ größer als die Einschaltspannung des nicht-linearen Widerstandes Z ist, fließt Strom durch den Widerstand R ₂ und den nicht-linearen Widerstand Z. Die die Einschalt­ spannung des nicht-linearen Widerstandes Z überschrei­ tende Spannung tritt über dem Widerstand R ₂ auf. Die Span­ nung über dem Widerstand R ₂ ist klein gemacht relativ zur Gesamtspannung über dem Widerstand R ₁, so daß kleine Span­ nungswerte, die über die erforderliche Einschaltspannung des nicht-linearen Widerstandes Z hinausgehen, ausreichen, um die erforderlichen Spannungsimpulse für den Transfor­ mator T zu erzeugen. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung für kleine Fehlerstromanstiege über einen vorbestimmten Wert. Die Spannung über dem Wider­ stand R ₂ wird durch den Transformator T auf einen genü­ gend hohen Wert erhöht, um den Betrieb der triggerbaren Luftfunkenstrecke 12 auszulösen. Da die Spannung über dem Widerstand R ₁ über einem weiten Bereich variiert, kann ein paralleler nicht-linearer Widerstand über den Widerstand R ₂ geschaltet sein, um die maximale Spannung zu begrenzen, die über dem Widerstand R ₂ auftritt, und um dadurch zu verhindern, daß überhöhte Spannungsimpulse den Transformator T beschädigen.

Die Spannungsimpulse, die über der Niederspannungsseite des Transformators T auftreten, sind nahezu genau in Phase mit der über dem Varistor 10 entwickelten Spannung. Dies bedeutet, daß die durch den Transformator T entwic­ kelten Hochspannungsimpulse elektrisch gleichphasig sind mit den Spannungsmaxima, die über der Auflösefunkenstrecke 12 auftreten. Diese elektrische Phasenbeziehung ist ein wichtiges Merkmal der beschriebenen Schutzschaltung.

Der eine Leiter der Hochspannungswicklung des Trans­ formators T ist mit dem gemeinsamen Anschluß G und mit der einen Seite eines Widerstandes R ₃ verbunden. Die andere Seite des Widerstandes R ₃ ist mit dem einen Lei­ ter eines Kondensators C verbunden. Der andere Leiter des Kondensators C ist mit dem anderen Anschluß der Hoch­ spannungsseite des Transformators T verbunden. Der Konden­ stor C und der Widerstand R ₃ bilden ein Hochpaßfilter, das die Spannungswelle formt, die über der Hochspannungs­ wicklung des Transformators T auftritt. Die über dem Widerstand R ₃ auftretende Spannung ist das Signal, das die Luftfunkenstrecke 12 in Betrieb setzt.

Die Schutzschaltung für Zinkoxid-Varistoren wurde zwar zum Schutz von Varistoren in Verbindung mit Reihenkondensatoren von Hochspannungs-Übertragungs­ leitungen beschrieben. Dies ist jedoch nur als Beispiel gedacht. Die Schutzschaltung gemäß der Erfindung kann für alle Anwendungsfälle für Zinkoxid-Varistoren ver­ wendet werden.

Claims (5)

1. Schutzschaltung für Zinkoxid-Varistoren mit einer Auslöse-Funkenstrecke und einer Hochspannungseinrichtung, um die Funkenstrecke beim Auftreten eines Stromstoßes im Varistor zu triggern, und mit einer Stromabtastein­ richtung zum Bestimmen des Auftretens des Stromstoßes, dadurch gekennzeichnet, daß zum Speisen der Hochspannungseinrichtung (T) durch die Strom­ abtasteinrichtung (14) eine von dieser erzeugte Spannung an der Reihenschaltung eines linearen Widerstands (R ₂) und eines spannungsabhängigen Schalters (Z) liegt und die Span­ nung des linearen Widerstands an der einen Seite der Hoch­ spannungseinrichtung (T) anliegt zum Anlegen einer Spannung an die Hochspannungseinrichtung, wenn die von der Strom­ abtastvorrichtung erzeugte Spannung eine vorbestimmte Einschaltspannung für spannungsabhängigen Schalter (Z) überschreitet.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromabtasteinrichtung (14) einen Stromtransformator umfaßt und ein weiterer linearer Widerstand (R ₁) an den Ausgang des Stromtransformators gelegt ist zur Erzeugung der Spannung bei einem Stromfluß durch den/die zu schützenden Varistor(en) (10).

3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Ausgang der Hochspannungseinrichtung mit einer Trigger- oder Auslöseelektrode verbunden ist zur Lieferung eines Hochspannungsimpulses an die Trigger- oder Auslöse­ elektrode beim Auftreten eines Stromstoßes durch den zu schützenden Varistor.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungseinrichtung (T) einen Transformator umfaßt und ein Kondensator (c) und ein Wellenformungswiderstand (R ₃) über die Ausgangsklemmen des Transformators geschaltet sind zur Bildung eines Hochpaßfilters zwischen den Trans­ formatorausgängen und der Trigger- oder Auslöseelektrode.

5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Schalter (Z) ein Varistor oder eine Zenerdiode ist.