NL1019801C2 - Bliksemstroombestendige vonkbaan. - Google Patents

Description

9

Korte aanduiding: Bliksemstroombestendige vonkbaan.

De uitvinding heeft betrekking op een bliksemstroombestendige vonkbaan met meerdere in serie geschakelde vonkbanen, waarbij de vonkbaan bestaat uit n deelvonkbanen waarvan een lichtboogbrandspanning door serieschakeling van de deelvonkbanen op de 5 n-voudige waarde van de lichtboogbrandspanning van een deelvonkbaan is gebracht, en waarbij de deelvonkbanen met uitzondering van de vonkbaan die in geval van een bliksemstroom als eerste reageert, van impedanties, in het bijzonder capaciteiten voorzien zijn, zodat de deelvonkbanen opeenvolgend ontsteken, waarbij de tweede en elke 10 volgende vonkbaan via de impedanties direct met een gemeenschappelijke referentiepotentiaal, in het bijzonder aardpotentiaal, verbonden zijn en telkens impedanties van gelijke grootte toegepast zijn.

Dergelijke vonkbanen zijn bijvoorbeeld uit DE 197 42 302 Al en DE 197 55 082 Al bekend.

15 Het is bekend dat een vonkbaan respectievelijk een meervoudige vonkbaan voor het vereffenen van een transiënte potentiaal kan worden toegepast, waarbij ook de daaropvolgende netwerkvolgstroom wordt onderbroken. De functie van een dergelijke vonkbaan is in vier basisfuncties op te delen: 20 1. Het ontsteken van de vonkbaan bij een overspanning door een bliksem.

2. Het af leiden van de bliksemstroom respectievelijk leiden van de bliksemstroom tussen aarde en de geleiders en het waarborgen van een geringe spannings langs de lichtboog.

25 3. Het leiden en onderbreken van de netwerkvolgstroom.

4. Het weer versterken van de vonkbaan en het standhouden daarvan tegen de wederkerende spanning op de plaats van de vonkbaan.

De verbetering die in het navolgende beschreven is, heeft uitsluitend betrekking op het ontsteken van de vonkbaan bij 30 transiënte overspanningen en bij bliksemoverspanning van hoofdbliksems, en op het ontsteken van de vonkbaan, in het bijzonder bij dergelijke bliksemoverspanningen die bij volgbliksems optreden die en een verhoogde steilheid ten opzichte van dergelijke hoofdbliksems hebben.

1019801 I * - 2 -

Met betrekking tot het eerste deelprobleem is op te merken dat bij alle bekende technische oplossingen de ontsteking van de vonkbaan van de bliksemstroomafleider ten gevolge van elke transiënte overspanning plaatsvindt, zoals bijvoorbeeld ten gevolge van 5 salvoimpulsen bij het afschakelen van inductieve belastingen, ten gevolge van het onderbreken van zekeringen en ten gevolge van overspanningen door schakelen in de breedste zin, wanneer de overspanning de ontsteekspanning van de vonkbaan van de afleider overschrijdt. Dit betekent dat een bliksemstroomafleider bij een 10 dergelijke overspanning elke keer aanspreekt. Daarbij kan het afhankelijk van het ontstekingsmoment tot een netwerkvolgstroom komen, die afhankelijk van de uitvoering van de bliksemstroomafleider door de bliksemstroomafleider of door een voorgeschakelde zekering onderbroken wordt. De bliksemstroomafleider dient echter in over-15 eenstemming met de functie daarvan eigenlijk alleen bij een bliksemo-verspanning te ontsteken. Het zou van voordeel zijn wanneer een ontsteken door andere overspanningen zou kunnen worden vermeden, daardoor zou de bliksemstroomafleider gespaard worden en zou het net worden bevrijd van een onnodig inzakken van spanning respectievelijk zou het 20 doorsmelten van smeltzekeringen worden vermeden.

Een doel van de uitvinding is derhalve om een vonkbaan zodanig te construeren dat deze alleen bij een bliksemoverspanning ontsteekt.

Met betrekking tot het tweede deelprobleem is op te merken dat bekend is dat de negatieve bliksemontlading tussen een wolk en de 25 aarde met 90% het grootste deel van alle bliksems vormt. Bij de negatieve bliksemontlading tussen een wolk en de aarde treden wederom bij rond 50% daarvan negatieve volgbliksems op, waarvan de steilheid aanzienlijk groter is dan die van de eerste hoofdbliksem. De vonkbanen worden voor wat betreft het aanspreken daarvan echter met de 30 bliksemoverspanning van de eerste hoofdbliksem getest. Het aanspreekgedrag bij negatieve volgbliksems wordt volgens de huidige normen niet getest. Aangezien de vonkbanen desondanks aan deze belasting blootgesteld zijn, moet het aanspreekgedrag van de vonkbaan ten behoeve van deze belasting geoptimaliseerd worden.

35 Een doel is derhalve om het beschermingsniveau van de vonkbaan dat tot dusverre alleen voor de bliksemstootspanning 1,2/50 ps opgegeven wordt, uit te breiden tot de belasting door negatieve volgbliksems en daarbij eveneens een gelijk beschermingsniveau te bereiken.

- 3 -

Volgens de uitvinding wordt dit daardoor bereikt dat de dimen-sionering van de stuurcondensatoren volgens de volgende formule plaatsvindt.

(n-1) x CE = k x CL x —,

Vs 5 waarbij n het aantal condensatoren, CE elke stuurcondensator, k een veiligheidsfactor > 1, CL de leidingscapaciteit van de leiding van de vonkbaan naar de bron van de overspanning, 0 de grenswaarde van de overspanning en Ue het beschermingsniveau van de vonkbaan is.

Hierdoor is het aanspreekgedrag van de meervoudige vonkbaan 10 zodanig ingesteld dat transiënte overspanningen door schakelhandelingen de meervoudige vonkbaan niet ontsteken, terwijl bliksemoverspanningen telkens de meervoudige vonkbaan ontsteken wanneer de signaalenergie van de overspanning groot genoeg is om alle deelvonkbanen te ontsteken. Wanneer de signaalenergie van een 15 bliksemoverspanning niet voldoende is voor het ontsteken van de gehele meervoudige vonkbaan, bijvoorbeeld wanneer deze door een ver verwijderde blikseminslag is veroorzaakt, dan blijft de spanning, desondanks tot een waarde onder het beschermingsniveau begrensd.

Het opnieuw ontsteken van de bliksemstroomafleider na het 20 onderbreken van de netwerkvolgstroom wordt moeilijker aangezien de transiënte, wederkerende spanning door de stuurcondensatoren geabsorbeerd wordt.

Een verder doel van de uitvinding is om het beschermingsniveau van de vonkbaan dat tot dusverre alleen voor de bliksemstootspanning 25 1,2/50 ps opgegeven werd, uit te breiden tot een belasting door negatieve volgbliksems en daarbij een gelijk beschermingsniveau te bereiken.

Alle vonkbanen tonen op grond van gasontladingsprocessen een zekere mate van traagheid die door het verlopen van de ontlading op 30 basis van een toevalsgedrag van beginelektronen in het gas veroorzaakt is. Het verlopen van de ontlading is derhalve nadelig voor alle bliksemstroomafleiders met slechts één vonkbaan. Ook bij een meervoudige vonkbaan treedt dit effect op. De laatst ontstekende deelvonkbaan van een meervoudige vonkbaan bepaalt derhalve de 35 aanspreekspanning. Elke vonkbaan toont dit gedrag in de stootkarakteristiek, die het verband tussen doorslagspanning en doorslagtijd weergeeft. Met toenemende steilheid van de stootspanning neemt derhalve de aanspreekspanning van de vonkbaan toe. Bij extreem I « - 4 - steile overspanningen kan dit ertoe leiden dat het beschermingsniveau dat volgt uit het aanspreekgedrag bij een bliksemstootspanning 1,2/50 ps, wordt overschreden. Een dergelijke overschrijding is bij dergelijke overspanningen die door negatieve volgbliksems veroorzaakt 5 worden, mogelijk.

Om de vonkbaan ten behoeve van dergelijke omstandigheden aan te passen wordt voorgesteld om de deelvonkbanen met uitzondering van de eerste deelvonkbaan van varistoren te voorzien die telkens parallel aan de deelvonkbaan geplaatst zijn, waarbij de dimensionering van de 10 varistoren volgens de volgende vergelijking plaatsvindt: (n-1) Ur + üjut < U8, waarbij n het aantal vonkbanen, Ur de rest-spanning over de varistor, 0« de spanning over de eerste vonkbaan FS1 die gegeven is door anode- en kathodeval, en ü8 het beschermingsniveau van de meervoudige vonkbaan is.

15 Door dit aanbrengen van varistoren wordt op voordelige wijze be reikt dat het beschermingsniveau ook bij zeer grote steilheid van de stootspanning gewaarborgd blijft.

Voorbeelduitvoeringsvormen van de uitvinding zijn schematisch in de tekening weergegeven en in het navolgende nader beschreven, waar-20 bij: fig. 1 een eerste schakeling volgens de uitvinding en een ver-vangschema toont; en fig. 2 een gemodificeerde uitvoering van de vonkbaan en een vervangingsschema toont.

25 Fig. 1 toont een opstelling van een meervoudige vonkbaan. De overspanning U(t) is over de gehele meervoudige vonkbaan aangelegd en ontsteekt eerst alleen de eerste deelvonkbaan FS1 met de eigencapaci-teit C12. Na het ontsteken van de eerste deelvonkbaan ligt over de deelvonkbaan FS2 de spanning 3 0 Uw (0 = U(0 C*s· « U(0 aangezien Ca « CiB .

^23

Hiermee zal ook de deelvonkbaan FS2 ontsteken. Alle verdere deelvonkbanen zullen overeenkomstig opeenvolgend ontsteken.

Met het ontsteken van elke deelvonkbaan wordt echter van de sig-naalenergie van de impulsspanning U(t) een energiebijdrage voor het 35 opladen van de stuurcondensatoren C1E........CNE ontnomen. Wanneer de signaalenergie beperkt is, zoals bij alle transiënte overspanningen die door schakelhandelingen veroorzaakt worden, dan wordt de signaalenergie bij met overeenkomstige grootte gedimensioneerde stuurconden- 1019801 - 5 - satoren C1E....C(N-l)E volledig verbruikt, zodat de n-de deelvonkbaan niet meer kan ontsteken aangezien de resterende spanning over de n-de deelvonkbaan kleiner is dan de ontsteekspanning daarvan.

De dimensionering van de stuurcondensatoren kan volgens de vol-5 gende criteria plaatsvinden.

• Lineaire aansturing. Alle CE zijn even groot. De grootte van de stuurcondensatoren kan volgens de navolgende redenering bepaald worden:

Aan de zijde van de vonkbaan bevindt zich een bedradingscapa-10 citeit CL die als gevolg van een transiënte overspanning zou worden opgeladen tot 0. De lading in dit leidingsgedeelte is dan Ql. Deze lading wordt nu bij de aanwezigheid van een meervoudige vonkbaan ten gevolge van het ontsteken daarvan door de stuurcondensatoren verbruikt. Opdat de laatste deelvonkbaan niet ontsteekt, mag de lading 15 alleen over n-1 deelvonkbanen verdeeld worden. Nadat de lading verdeeld is, moet over de meervoudige vonkbaan alleen nog een spanning ter hoogte van het beschermingsniveau staan. Dan bevindt zich in de stuurcondensatoren een lading Q = (n-1) *Cg *üa. Door het gelijkstellen van de ladingen Q = Ql en rekening houdend met een veiligheidsfactor 20 is de grootte van de stuurcapaciteit te bepalen.

Λ on-l)*CE = k*CL*~ us ü » grenswaarde van de overspanning U8 e beschermingsniveau van de vonkbaan 25 k =» veiligheidsfactor >1, waarbij CL de leidingscapaciteit van de leiding vanaf de vonkbaan naar de bron van de overspanning is.

In het geval van een blikseminslag ontstaat een praktisch 30 oneindig grote signaalenergie die in elk geval alle deelvonkbanen tot aanspreken brengt.

Daarmee is het aanspreekgedrag van de meervoudige vonkbaan op voordelige wijze aldus ingesteld dat • transiënte overspanningen door schakelhandelingen de meervoudige 35 vonkbaan niet ontsteken; » bliksemoverspanningen telkens tot ontsteking leiden wanneer de signaalenergie van de overspanning groot genoeg is om alle deelvonkbanen te ontsteken. Wanneer de signaalenergie van een blik- *013801 - 6 - semoverspanning (bijv. veroorzaakt door een ver verwijderde blikseminslag) niet voldoende is voor het ontsteken van de gehele meervoudige vonkbaan, dan blijft de spanning toch tot een waarde onder het beschermingsniveau begrensd; 5 · het opnieuw ontsteken van de bliksemstroomafleider na het onderbreken van de netwerkvolgstroom moeilijker wordt aanzien de transiënte wederkerende spanning door de stuurcondensatoren wordt opgenomen.

Fig. 2 toont een aanvullende schakeling met varistoren.

10 Het toenemen van de spanning door vertraging van de ontlading van de deelvonkbaan wordt vermeden door een schakeling met varistoren. De varistoren bevinden zich parallel aan de deelvonkbanen FS2...FSN en houden tot het moment dat de deelvonkbanen vertraagd ontsteken de spanning daarover vrijwel constant op een waarde die door de karakte-15 ristiek van de varistoren bepaald is. Aangezien de varistoren ten opzichte van een luchtvonkbaan vrijwel vertragingsvrij werken ontstaat een stootkarakteristiek die vrijwel onafhankelijk is van de steilheid van de spanning. Alleen de eerste deelvonkbaan FS1 moet door natuurlijke gasontlading ontsteken. De ontstekingsspanning van de 20 eerste deelvonkbaan FS1 kan echter bij een meervoudige vonkbaan op een 'waarde ingesteld worden die ver onder het beschermingsniveau ligt.

De dimensionering van de varistoren vindt volgens de volgende vergelijking plaats: 25 (n-1) Ur + 0« < ü8 n : aantal vonkbanen

Ur : restspanning van de varistor

Uak : spanning over de bovenste deelvonkbaan FS1, gegeven door 30 anode- en kathodeval

Ue : beschermingsniveau van de meervoudige vonkbaan.

Door deze schakeling van varistoren wordt op voordelige wijze bereikt dat het beschermingsniveau ook bij een zeer grote steilheid 35 van de stootspanning gewaarborgd blijft.

De uitvinding is niet alleen beperkt tot het uitvoeringsvoor-beeld, echter is in het kader van de publicatie in vele opzichten aan te passen.

ίο·'"·; oi I < - 7 -

Alle nieuwe, afzonderlijke en gecombineerde kenmerken die in de beschrijving en/of de tekeningen zijn geopenbaard, worden als wezenlijk voor de uitvinding aangemerkt.

<2 f- u i

Claims (2)

1. Bliksemstroombestendige vonkbaan met meerdere in serie geschakelde vonkbanen, waarbij de vonkbaan uit n deelvonkbanen (FS) bestaat, waarvan een lichtboogbrandspanning door serieschakeling van de deelvonkbanen (FS) op de n-voudige waarde van de lichtboogbrandspan-5 ning van een deelvonkbaan is gebracht, en waarbij de deelvonkbanen (FS) met uitzondering van de vonkbaan (FS1) die in geval van een bliksem als eerste reageert, van impedanties, in het bijzonder condensatoren voorzien zijn, zodat de deelvonkbanen (FS) opeenvolgend ontsteken, waarbij de tweede en elke verdere vonkbaan (FS2 - FSN) via 10 de impedanties direct met een gemeenschappelijke referentiepotentiaal, in het bijzonder aardpotentiaal, verbonden zijn en telkens impedanties van gelijke grootte toegepast zijn, met het kenmerk, dat de dimensio-nering van de stuurcondensatoren volgens de navolgende formule plaatsvindt : Λ u 15 (n-1) x CE * k x CL x —— , waarbij n het aantal condensatoren, CE elke stuurcondensator, k een veiligheidsfactor > 1, CL de leidingscapaci-teit van de leiding van de vonkbaan naar de bron van de overspanning, 0 de grenswaarde van de overspanning en U8 het beschermingsniveau van de vonkbaan is.

1 t - 8 -

2. Vonkbaan volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de deel vonkbaan met uitzondering van de eerste deelvonkbaan FS1 van varisto-ren voorzien is die telkens parallel aan de deelvonkbanen (FS2 tot FSN) geplaatst zijn, waarbij de dimensionering van de varistoren volgens de volgende vergelijking plaatsvindt: 25 (n-l)Ur + U*k < U8, waarbij n het aantal vonkbanen, Ur de restspanning over de varistor, Uj» de spanning over de eerste vonkbaan FS1 die door anode- en kathodeval gegeven is, en U8 het beschermingsniveau van de meervoudige vonkbaan is. 1019801