Ueberspannungsableiter für eine Gleichstrom-Freileitung

Abstract

 Der für Gleichstrom-Freileitungen vorgesehen Ueberspannungsableiter besteht aus einer als offenes Funkenhornpaar (1, 2) ausgebildeten Funkenstrecke und aus mindestens einem mit der Funkenstrecke in Reihe geschalteten spannungsabhängigen Widerstand (3). Die Spannungsabhängigkeit des Widerstandes (3) ist durch die Gleichung: Strom = (Konstante x Spannungs)" beschrieben, wobei der Widerstand einen Exponenten von mindestens 20 aufweist. Der Ueberspannungsableiter ist besonders beeignet für die Oberleitung von elektrischen Bahnen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ueberspannungsableiter für eine Gleichstrom-Freileitung, insbesondere für die Oberleitung elektrischer Bahnen, mit einer an der Freileitung angeschlossenen Funkenstrecke.

[0002] Aus der DE-PS 10 18 522 ist ein Ueberspannungsableiter der eingangs erwähnten Art bekannt. Diese Schutzeinrichtung dient zum Unschädlichmachen von Wolken ionisierter Gase, die bei Blitzeinschlägen entstehen und an Oberleitungen elektrischer Bahnen entlang wandern. Sie besteht aus einer Funkenstrecke, deren erste Elektrode mit der Oberleitung verbunden, aber davon beabstandet ist und deren zweite, zur ersten parallele Elektrode geerdet ist. Die Elektroden bilden mit der Oberleitung einen spitzen Winkel und sind so breit, dass die ionisierte Wolke nicht zwischen die Elektroden laufen kann. Bei dieser Funkenstrecke und bei anderen bei Bahnbetrieben üblichen Hörnerfunkenstrecken ist zu erwarten, dass eine Ueberspannung zwischen den Elektroden einen Lichtbogen zündet, der wegen dem im Lichtbogen geführten Gleichstrom sich selber nicht löschen kann. Nach Abklingen der Ueberspannung fliesst nämlich im Lichtbogen ein durch die Betriebs-Gleichspannung unterhaltener Erd-Kurzschlussstrom. Dieser Erd-Kurzschlussstrom wird bei den heutigen Gleichstrom-Bahnbetrieben durch den nächsten zur Löschung von Kurzschluss-Gleichströmen ausgebildeten Leistungsschalter unterbrochen, wodurch aber auch ein Betriebsunterbruch entsteht. Nebst einem unerwünschten Betriebsunterbruch ist bei dieser Anordnung nachteilig, dass der den Erd-Kurzschlussstrom führende Lichtbogen vor seiner Löschung die Funkenstrecke selbst und auch weitere Anlagenteile beschädigen kann und dass der Leistungsschalter jedesmal bei einem durch Ueberspannung verursachten oder eingeleiteten Kurzschluss eine Kurzschlusstrom-Unterbrechung durchführen muss. Für den Leistungsschalter müssen dabei kürzere Wartungsintervalle gewählt werden. Die Lebensdauer eines so eingesetzten Leistungsschalters ist auch relativ kurz.

[0003] In der Anordnung nach der CH-PS 95 909 hat man ein Funkenhornpaar mit einem durch Verdampfung eines Elektrolytes funktionierenden Stromunterbrecher zusammengebaut. Es ist vorgesehen, dass eine Ueberspannung zwischen den Funkenhörnern einen Lichtbogen zündet. Der Strom fliesst im nachgeschalteten Stromunterbrecher durch den Elektrolyt zur Erde und verdampft diesen. Die Dampfentwicklung verdrängt die Flüssigkeit, verlängert und kühlt den Lichtbogen und schliesslich unterbricht den durch die Betriebsspannung unterhaltenen Erd-Kurzschlussstrom. Diese Anordnung ist nur für Wechselspannungsleitungen geeignet und für Gleichstrom-Freileitungen nicht verwendbar. Bei Gleichstrom würde im Elektrolyt des Stromunterbrechers eine Elektrolyse mit gefährlicher Gasbildung auftreten. Abgesehen davon wäre zur Gleichstromunterbrechung noch eine einen künstlichen Nulldurchgang des Stromes erzeugende Anordnung nötig.

[0004] Bei der Schutzvorrichtung gegen schädliche Ueberspannungen nach der CH-PS 39 308 hat man zwei ein Funkenhornpaar bildende Elektroden beweglich angeordnet. Diese Elektroden werden durch daran angeschlossene gegenüberliegende plattenförmige Körper, durch elektrostatische Kräfte so verstellt, dass bei der Betriebsspannung eine grosse Elektrodenentfernung möglich ist. Der Funkenstrecke ist ein Widerstand nachgeschaltet. Diese Einrichtung ist kompliziert und für Gleichstrom-Freileitungen nicht verwendbar. Zur Unterbrechung von Gleichströmen sind hier keine Einrichtungen vorhanden.

[0005] Aus der DE-PS 24 34 858 ist es beispielsweise bekannt, einen spannungsabhängigen Widerstand auf der Basis von Zinkoxyd für Gleichlast zu verwenden. Bei diesem Widerstand wird durch Zusatz von Wismutoxyd, Germaniumoxyd, Kobaltoxyd und Manganoxyd zur zu sinternden Masse eine höhere Stabilität unter Gleichlast und höhere Stossaufnahmefähigkeit erreicht. Aus Gründen der Betriebssicherheit müssen jedoch bei Gleichstrom-Freileitungen relativ viele Widerstandselemente in Reihe geschaltet werden. Ein aus spannungsabhängigen Widerständen auf der Basis von Zinkoxyd bestehender Ueberspannungsableiter für eine Gleichstrom- Freileitung ist daher mit wirtschaftlichen Nachteilen verbunden.

[0006] Ein moderner, beispielsweise aus der DE-PS 16 38 120 bekannter Ueberspannungsableiter mit in einem Isolator untergebrachten gestapelten Funkenstrecken und dazu in Reihe geschalteten ebenfalls gestapelten spannungsabhängigen Widerständen ist nur für Wechselspannungsleitungen geeignet. Die Funkenstrecken sind nicht in der Lage, einen Gleichstrom zu unterbrechen.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Ueberspannungsableiter für eine Gleichstrom-Freileitung, insbesondere für die Oberleitung elektrischer Bahnen zu schaffen, der in der Lage ist, die bei einer Ueberspannung auftretenden elektrischen Ladungen zur Erde abzuleiten, den Folge-Gleichstrom zu unterbrechen, eine hohe Betriebssicherheit und wirtschaftliche Vorteile aufweist.

[0008] Die gestellte Aufgabe ist dadurch gelöst, dass der Ueberspannungsableiter aus einer als offenes Funkenhornpaar ausgebildeten Funkenstrecke und aus mindestens einem mit der Funkenstrecke in Reihe geschalteten spannungsabhängigen Widerstand besteht, wobei in der folgenden die Spannungsabhängigkeit des Widerstandes beschreibenden Gleichung: Strom = (Konstante x Spannung) der Exponent n mindestens 20 ist. Bei dieser Anordnung zündet die an der Gleichstrom-Freileitung plötzlich auftretende Ueberspannung zwischen den dafür vorgesehenen Funkenhörnern einen Lichtbogen, der zwischen den Funkenhörnern thermisch hochgetrieben, dabei gekühlt und verlängert wird. Der Betrag des spannungsabhängigen Widerstandes nimmt während diesem Vorgang so kleine Werte an, dass die Ladung von der Gleichstrom-Freileitung zur Erde fliessen kann. Sobald die auf der Gleichstrom-Freileitung vorhandene elektrische Ladung über den Lichtbogen und den spannungsabhängigen Widerstand zur Erde geflossen ist, kehrt die Betriebs-Gleichspannung zurück. Bei dieser Spannung nimmt der Widerstand des spannungsabhängigen Widerstandes plötzlich so stark zu, dass der zwischen den Funkenhörnern brennende Lichtbogen instabil wird und erlischt. Auf diese Weise ist es möglich, mit einfachen und wirtschaftlich vorteilhaften Mitteln in der Ueberspannungsableiter-Anordnung selbst eine Gleichstromunterbrechung zu erzielen. Um die erforderliche Betriebssicherheit zu erreichen, sind in Kombination mit einem Funkenhornpaar auch wesentlich weniger Widerstandselemente notwendig als bei einem direkt zwischen der Gleichstrom-Freileitung und Erde angeschlossenen spannungsabhängigen Widcrstandsstapel.

[0009] Vorteilhafterweise sind bei diesem Ueberspannungsableiter das an der Gleichspannungsleitung angeschlossene erste Funkenhorn auf einem ersten Stützisolator und das zweite Funkenhorn auf einen den spannungsabhängigen Widerstand umschliessenden zweiten Stützisolator montiert, wobei die Anschlüsse des spannungsabhängigen Widerstandes mit den Armaturen des zweiten Stützisolators elektrisch leitend verbunden sind und beide Stützisolatoren an einem gemeinsamen geerdeten Rahmen befestigt sind. Diese Anordnung ergibt eine weitere Vereinfachung im Aufbau des Ueberspannungsableiters und bietet wirtschaftliche Vorteile.

[0010] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht und

Fig. 2 die Draufsicht eines Ueberspannungsableiters für eine Gleichstrom-Freileitung eines elektrischen Bahnbetriebes.

[0011] Der in den beiden Figuren dargestellte Ueberspannungsableiter besteht im wesentlichen aus einer zwischen den beiden Funkenhörnern 1 und 2 gebildeten Funkenstrecke und aus drei der Funkenstrecke nachgeschalteten spannungsabhängigen Widerständen 3. Die Spannungsabhängigkeit des Widerstandes 3 ist durch die folgende Gleichung beschrieben: Strom = (Konstante x Spannung)^n. In dieser Gleichung beträgt der Exponent n mindestens 20. Diese Grösse des Exponenten ergibt eine in der Praxis in den meisten Fällen für die Unterbrechung des im Lichtbogen fliessenden Gleichstromes ausreichende Zunahme des Widerstandes bei der nach Abklingen der Ueberspannung wiederkehrenden Betriebsspannung. Auf diese Weise ist es möglich, den im Lichtbogen fliessenden Gleichstrom mit Hilfe einfacher spannungsabhängiger Widerstände und eines einfachen Funkenhornpaares zu unterbrechen.

[0012] Das an der nicht dargestellten Gleichstrom-Oberleitung angeschlossene erste Funkenhorn 1 ist auf einem ersten Stützisolator 4 und das zweite Funkenhorn 2 auf einen die spannungsabhängigen Widerstände 3 umschliessenden zweiten Stützisolator 5 montiert. Die Anschlüsse der spannungsabhängigen Widerstände 3 sind mit den Armaturen 6, 7 des zweiten Stützisolators 5 elektrisch leitend verbunden. Die beiden Stützisolatoren 4, 5 sind an einem gemeinsamen geerdeten Rahmen 8 befestigt.

[0013] Beim Auftreten einer Ueberspannung am mit der Oberleitung verbundenen Funkenhorn 1 erfolgt ein Ueberschlag an der engsten Stelle zwischen den Funkenhörnern 1 und 2. Das Potential des durch die spannungsabhängigen Widerstände 3 geerdeten Funkenhorns 2 liegt vor dem Ueberschlag praktisch auf Erdpotential, weil der bei Gleichspannung massgebende Widerstandswert der Widerstände 3 wesentlich unter dem Widerstandswert der Funkenstrecke liegt. Beim Ueberschlag bricht die Spannung zwischen den Funkenhörnern 1 und 2 zusammen, sodass praktisch die ganze Ueberspannung auf die spannungsabhängigen Widerstände 3 fällt. Der Betrag des Widerstandes der spannungsabhängigen Widerstände 3 nimmt aber bei einer um 5 bis 25 % über der Nennspannung liegenden Grenze plötzlich sehr schnell ab, sodass an seinen Anschlüssen 6, 7 bei der Führung des Ableitstromes kein die Isolation der Gleichspannungsleitung gefährdender Spannungsabfall auftritt.

[0014] Nachdem die bei einer Ueberspannung auf der Oberleitung vorhandene elektrische Ladung zur Erde abgeleitet wurde, fällt die Spannung an der Oberleitung praktisch auf die Betriebsspannung zurück. Bei dieser Spannung nimmt aber der Widerstandswert der spannungsabhängigen Widerstände 3 so stark zu, dass der durch thermische Wirkung bereits in die Länge gezogene und gekühlte Lichtbogen zwischen den Funkenhörnern 1, 2 instabil wird und erlischt. Der beschriebene Ueberspannungsableiter erlaubt es, den nach Abklingen einer Ueberspannung fliessenden Kurzschluss-Gleichstrom mit einfachen Mitteln in der Ueberspannungsableiter-Anordnung selber zu unterbrechen, wodurch die durch Ueberspannungen bedingten Kurzschlussabschaitungen der vorhandenen Leistungsschalter ausbleiben.

Ansprüche

1. Ueberspannungsableiter für eine Gleichstrom-Freileitung, insbesondere für die Oberleitung elektrischer Bahnen, mit einer an der Freileitung angeschlossenen Funkenstrecke, dadurch gekennzeichnet, dass der Ueberspannungsableiter aus einer als offenes Funkenhornpaar (1, 2) ausgebildeten Funkenstrecke und aus mindestens einem mit der Funkenstrecke in Reihe geschalteten spannungsabhängigen Widerstand (3) besteht, wobei in der folgenden, die Spannungsabhängigkeit des Widerstandes (3) beschreibenden Gleichung: Strom = (Konstante x Spannung)ⁿ, der Exponent "n" mindestens 20 ist.

2. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das an der Gleichstrom-Freileitung angeschlossene erste Funkenhorn (1) auf einem ersten Stützisolator (4) und das zweite Funkenhorn (2) auf einen den spannungsabhängigen Widerstand (3) umschliessenden zweiten Stützisolator (5) montiert sind, wobei die Anschlüsse (6, 7) des spannungsabhängigen Widerstandes (3) mit den Armaturen des zweiten Stützisolators (5) elektrisch leitend verbunden sind und beide Stützisolatoren (4, 5) an einem gemeinsamen geerdeten Rahmen (8) befestigt sind.

Zeichnung