DE3013911A1

DE3013911A1 - Schutzschaltung fuer zinkoxid-varistoren

Info

Publication number: DE3013911A1
Application number: DE19803013911
Authority: DE
Inventors: John Richard Hamann
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-04-20
Filing date: 1980-04-11
Publication date: 1980-10-30
Also published as: FR2454717A1; SE442801B; FR2454717B1; JPH0119235B2; CH655622B; CA1142580A; ES8103616A1; JPS55156302A; US4259704A; SE8002835L; ES490655A0; DE3013911C2

Description

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Schutzschaltung für Zinkoxid-Varistoren

Reihenkondensator-Schutzschaltungen können einen nicht linearen Zinkoxid-Varistor verwenden, um die Höhe der Spannung über dem zu schützenden Reihenkondensator zu begrenzen. Unter normalen Betriebsbedingungen fließen Laströme durch den Reihenkondensator, so daß die Spannung über dem Kondensator das Produkt des Laststromes und der kapazitiven Reaktanz ist. Die Spannung, die der Kondensator aushalten kann, ist so gewählt, daß die Kondensatorspannung, die durch den Laststromfluß hervorgerufen ist, gut innerhalb der Spannungsfestigkeit des Kondensators liegt. Die Varistorcharakteristik ist 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_yauftritt, steigt der Strom durch den Kondensator an. Dieser Stromanstieg bewirkt, daß die Kondensatorspannung ansteigt und wenn die Kondensatorspannung genügend hoch ist, wird die Spannungsfestigkeit des Kondensators überschritten. Um das Auftreten einer zu hohen Spannung über dem Kondensator zu verhindern, wirkt der Zinkoxid-Varistor für einen alternativen Pfad für den Fehlerstrom, der die überhöhte Kondensatorspannung hervorruft. 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 wird, müssen deshalb Mittel vorgesehen sein, um die gesamte Energieabfuhr innerhalb des Varistors selbst zu begrenzen.

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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. 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 4 174 529 beschreibt eine Schaltungsanordnung, bei der sowohl die Größe der Energie, die innerhalb des geschützten Varistors abgeführt wird, als auch die Geschwindigkeit ermittelt werden, mit der die Energie angeführt wird. Es wurde jedoch dennoch gefunden, daß die Energieabfuhrgeschwindigekeit per se bestimmen kann, wann der Varistorstrom 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 übertragungsleitung vorhanden ist, um eine Strombegrenzungsimpedanz für den Fehlerstrom zu bilden. Die Energieanstiegsgeschwindigkeit ist eine direkte Funktion des Fehlerstromes, so daß der Fohlerstrom dazu verwendet werden kann zu bestimmen, wann die Energieabfuhrgeschwindigkeit des Varistors zu hoch ist.

Die Erfindung schafft e..ne verbesserte und vereinfachte Schaltungsanorndung zum Bestimmen der Energieanstiegsgeschwindigkeit, indem der Fehler trom abgetastet und ein Hochspannungsimpuls an eine getriggerte Funkenstrecke geliefert wird, um den Fehlerstrom an den Varistoren vorbeizuleiten, bevor ein Varistor beschädigt werden kann.

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

Figur 1 ist ein schematisches Schaltbild von der verbesserten Reihenkondensator-Schutzschaltung gemäß der Erfindung .

Figur 1 zeigt die verbesserte Reihenkondensator-Schutzschaltung, die zum Schützen des Reihenkondensators einer Energieübertragungsleitung verwendet wird- Der Metalloxid-Varistor 10 ist einem Kondensator 11 parallel geschaltet, um den Kondensatorstrom umzuleiten, wenn die Spannung über dem Kondensator zu hoch wird. Überhöhte Spannungen entwickeln sich beispielsweise, wenn auf der Übertragungsleitung ein Erdschluß auftritt. Eine triggerbare Luftfunkenstrecke 12 ist sowohl dem Metalloxidvaristor als auch dem Kondensator parallel geschaltet, um einen Nebenschluß sowohl für den Varistor als auch den Kondensator zu bilden, wenn die Größe oder die Geschwindigkeit der Energieabfuhr innerhalb des Varistors zu hoch wird. Ein induktives Element 13 ist mit der Luftfunkenstrecke 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 Impulstransformator T zu liefern, der seinerseits Hochspannungsimpulse an die triggerbare Luftfunkenstrecke 12 liefert. Die Reihenkondensator-Schutzschaltung ist mit der übertragungsleitung an einem Anschluß L und auch an einem gemeinsamen Anschluß G verbunden.

Die Fühlerschaltung enthält einen Stromtransformator CT, der den Strom durch den Varistor 10 überwacht und nur dann ein Eingangssignal an den Impulstransformator liefert,

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wenn auf der übertragungsleitung ein Fehlerzustand auftritt.

Der Stromtransformator CT ist einem Lastwiderstand R₁ parallel geschaltet und mit der einen Seite eines Widerstandes R~ verbunden. Die andere Seite des Widerstandes R_n ist mit einem nicht-linearen widerstandsbehafeten Element Z und einer Seite der Niederspannungswicklung des Transformators T verbunden. Das andere Ende des nichtlinearen 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 Varistors 10 abtastet und Niederspannungsimpulse erzeugt. Da die Geschwindigkeit, mit der Energie durch den Varistor 10 absorbiert wird, dem Strom durch den Varistor proportional ist, kann die Geschwindigkeit, mit der Energie innerhalb des Varistors absorbiert wird, aus dem Spitzenwert des Varistorstromes ermittelt werden. Der Varistorstrom wird durch eine Spannung dargestellt, die über dem Widerstand R. entwickelt wird. Deshalb ist die Geschwindigkeit, mit der Energie in dem Varistor abgeführt bzw. verbraucht wird, durch die Spitzenspannung über dem Widerstand R₁ dargestellt. Die Größe dieser Spannung wird durch die Zusammenschaltung des Widerstandes R„ und des nicht-linearen Widerstandes Z abgetastet. Der nicht-lineare Widerstand Z ist ein spannungsabhängiger Schalter, wie beispielsweise ein Varistor oder eine Zenerdiode. Wenn die Spannung über dem Widerstand R₁ kleiner als die Einschaltspannung des nicht-linearen Widerstandes Z ist, fließt ein kleiner Strom durch den Widerstand R₀ und den nicht-linearen Wi-

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derstand Z, so daß im wesentlichen die gesamte Spannung über dem Widerstand R₁ über dem nicht-linearen Widerstand Z auftritt. Wenn die Spannung über dem Widerstand R-] größer als die Einschaltspannung des nicht-linearen Widerstandes Z ist, fließt Strom durch den Widerstand R₂ und den nicht-linearen Widerstand Z. Die die Einschaltspannung des nicht-linearen Widerstandes Z überschreitende Spannung tritt über dem Widerstand R₀ auf. Die Spannung über dem Widerstand R₂ ist klein gemacht relativ zur Gesamtspannung über dem Widerstand R₁, so daß kleine Spannungswerte, die über die erforderliche Einschaltspannung des nicht-linearen Widerstandes Z hinaus^-gehen, ausreichen, um die erforderlichen Spannungsimpulse für den Transformator T zu erzeugen. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Schaltungsanordnung für kleine Fehlerstromanstiege über einen vorbestimmten Wert. Die Spannung über dem Widerstand R₂ wird durch den Transformator T auf einen genügend hohen Wert erhöht, um den Betrieb der triggerbaren Luftfunkenstrecke 12 auszulösen. Da die Spannung über den Widerstand R₁ über einem weiten Bereich variiert, kann ein paralleler nicht-linearer widerstand über den Widerstand R_? geschaltet sein, um die maximale Spannung zu begrenzen, die über dem Widerstand R₂ 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 entwikkelten Hochspannungsimpulse elektrisch gleichphasig sind mit den Spannungsmaxima, die über der Auslösefunkenstrecke 12 auftreten. Diese elektrische Phasenbeziehung ist ein wichtiges Merkmal für die Erfindung.

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Der eine Leiter der Hochspannungswicklung des Transformators T ist mit dem gemeinsamen Anschluß G und mit der einen Seite eines Widerstandes R-. verbunden. Die andere Seite des Widerstandes R₃ ist mit dem einen Leiter eines Kondensators C verbunden. Der andere Leiter des Kondensators C ist mit dem anderen Anschluß der Hochspannungsseite des Transformators T verbunden. Der Kondensator C und der Widerstand R₃ bilden ein Hochpaßfilter, das die Spannungswelle formt, die über der Hochspannungswicklung des Transformators T auftritt. Die über dem Widerstand R₃ auftretende Spannung ist das Signal, das die Luftfunkenstrecke 12 in Betrieb setzt.

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

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

ί 1. /Schutzschaltung für Zinkoxid-Varistoren mit einer Auslöse-Funkenstrecke und einer Hochspannungseinrichtung, um die Funkenstrecke beim Auftreten eines Stromstoßes zu triggern, und mit einer Stromabtasteinrichtung zum Bestimmen des Auftretens des Stromstoßes und zum Speisen der Hochspannungseinrichtung, dadurch geken η zeichnet , daß ein erster und ein zweiter Widerstand (R₁, R„) und ein spannungsabhängiger Schalter (Z) mit dem Stromsensor (14) und der einen Seite der Hochspannungseinrichtung (T) verbunden sind zum Anlegen einer Spannung an die Hochspannungseinrichtung, wenn eine über einem der linearen Widerstände (R₁, R₂) erzeugte Spannung eine vorbestimmte Einschaltspannung für den spannungsabhängigen Schalter (Z) überschreitet.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stromabtasteinrichtung (14) einen Stromtransformator (CT) umfaßt und der erste Widerstand (R₁) an den Ausgang des Stromtransformators (CT) gelegt ist zur Erzeugung einer ersten Spannung bei einem Stromfluß durch die zu schützenden Varistoren (10).

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3. Schutzschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Widerstand (R₂) mit dem ersten Widerstand (R₁), dem spannungsabhängigen Schalter (Z) verbunden ist und über den Eingang der Hochspannungseinrichtung (T) geschaltet ist zur Entwicklung einer Spannung über der Hochspannungseinrichtung, wenn der spannungsabhängige Schalter (Z) leitend wird.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Widerstand (R₁) und der spannungsabhängige Schalter (Z) mit dem einen Ausgang der Hochspannungseinrichtung (T) verbunden sind und der andere Ausgang aus der Hochspannungseinrichtung mit einer Trigger- oder Auslöseelektrode verbunden ist zur Lieferung eines Hochspannungsimpulses an die Trigger- oder Auslöseelektrode beim Auftreten eines Stromstoßes durch den zu schützenden Varistor.
5. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungseinrichtung (T) einen Transformator umfaßt und ein Kondensator (C) und ein Wellenformungswiderstand (R₃) über die Ausgangsklemmen des Transformators geschaltet sind zur Bildung eines Hochpaßfilters zwischen den Transformatorausgängen und der Trigger- oder Auslöseelektrode.
6. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Schalter (Z) ein Varistor oder eine Zenerdiode ist.

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7. Verfahren zum Schützen von Varistoren vor Stromstössen, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Stromabtasteinrichtung innerhalb einer Schaltungsanordnung, die die zu schützenden Varistoren enthält, angeordnet wird zum Abtasten des Varistorstromes,

ein erster Widerstand über dem Ausgang der Stromabtasteinrichtung angeordnet wird zur Erzeugung einer dem Varistorstrom entsprechenden Spannung, eine Reihenschaltung aus einem zweiten Widerstand und einem spannungsabhängigen Schalter dem ersten Widerstand parallel geschaltet wird, damit der Schalter geschlossen wird, wenn die Spannung eine vorbestimmte E inschaltspannung überschreitet,

der Ausgang eines Transformators mit einer triggerbaren Luftfunkenstrecke verbunden wird, die den zu schützenden Varistoren parallel geschaltet wird zur Bildung eines Nebenschlußpfades für den Varistorstrom, wenn die triggerbare Luftfunkenstrecke ausgelöst wird, wobei über den Eingang des Transformators ein zweiter Widerstand geschaltet wird zur Speisung des Transformators, wenn der spannungsabhängige Schalter schließt.

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