CIRCUIT ARRANGEMENT FOR SUPERVISING THE OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF AN EXCESS VOLTAGE ARRESTER WITHOUT SPARK GAP

Abstract: 1. A circuit arrangement for monitoring the operating characteristics of a surge arrester (10) that does not incorporate any spark gaps, characterised by a capacitor (12) connected in series with the surge arrester (10) to lie between the arrester and an earth terminal, and a direct voltage source (14) connected across the capacitor (12) by a current meter (18) which is switched between the capacitor (12) and the direct voltage source (14).

Description: Schaltungsanordnung zur Uberwachung der Betriebseigenschaften eines funkenstreckenlosen Uberspannungsableiters Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Uberwachung der Betriebs eigenschaften eines funkenstreckenlosen Uberspannungsableiters, der als Blitzschutz in elektrischen Versorgungssystemen eingesetzt werden soll. Seit einiger Zeit werden zahlreiche funkenstreckenlose Uberspannungsableiter benutzt, die keine in Reihe geschalteten Funkenstrecken aufweisen, sondern aus einem nichtlinearen Widerstandsmaterial gebildet sind, das hauptsächlich aus Zinkoxid besteht. Diese Bauart von funkenstreckenlosen Uberspannungsableitern hat bis Jetzt noch nicht voll gesicherte Nachweise ihrer Zuverlässigkeit aufgrund von Langzeiterfahrungen bei ihrem Gebrauch im tatsächlichen Netz einsatz erbracht. Daher bedarf es periodischer Prüfungen der Leistungsfähigkeit von in Betrieb befindlichen funkenstreckenlosen Uberspannungsableitern. Im allgemeinen lautet die Beziehung zwischen einer Gleichspannungskomponente (eine an einem Widerstand hervorgerufene Spannungskomponente) an einem Uberspannungsableiter und einem über diesen fliessenden Strom im Falle eines funkenstreckenlosen Uberspannungsableiters, der im wesentlichen aus Zinkoxid besteht, i = k . vi (1), worin i den Strom, v die Spannungskomponente, k eine Konstante und Cc einen Nichtlinearitätsfaktor bedeutet. Der funkenstreckenlose Uberspannungsableiter auf der Basis von Zinkoxid hat einen grösseren Wert von 0 < in der Gleichung (1) im Vergleich mit herkömmlichen Uberspannungsableitern mit einer Funkenstrecke und Widerstandselementen auf der Basis von Siliziumkarbid (SiC). Die Ersatzschaltung tatsächlich ausgeführter funkenstreckenloser Uberspannungsableiter enthält jedoch einen Widerstand und eine parallel dazu geschaltete Kapazität, da er eine ziemlich grosse statische Kapazität aufgrund des Körpers aus Widerstandsmaterial besitzt. Daher ist der in der Gleichung (1) angegebene Strom von einer Stromkomponente begleitet, die auf dieser Kapazität beruht. Man nimmt im allgemeinen an,dass eine Verschlechterung der Eigenschaften des Zinkoxidelementes in der Kennlinie eines funkenstreckenlosen Uberspannungsableiters im wesentlichen durch eine Gleichstromkomponente dargestellt werden kann, d. h. durch eine in dem Widerstand erzeugte Stromkomponente. Daher umfassen bekannte Verfahren zur Prüfung der Kennlinie funkenstreckenloser Ableiter die Erfassung der kapazitiven Stromkomponente und den Abzug hiervon des gesamten, durch den funkenstreckenlosen über spannungsableiter fliessenden Stromes. Zum Beispiel wird in Reihe mit dem überspannungsableiter ein Prüfglied geschaltet, das in seiner Dimensionierung dem inneren Ableiterelement des funkenstreckenlosen Ableiters entspricht, so dass an dem Prüfglied eine in Phase mit der Klemmenspannung des Ableiters liegende Spannung erzeugt wird. Ferner wird ein Signal von dem gesamten Ableiterstrom abgezogen, das durch Differenzierung der Klemmenspannung des Prüfgliedes erzeugt und bis zur Höhe der kapazitiven Stromkomponente vervielfacht ist. Die Einstellung der Vervielfachung zu dem Zweck, das differenzierte Signal des Prüfgliedes der kapazitiven Stromkomponente des Ableiters gleichzumachen, wird dadurch erreicht, dass man Mittelwerte des Stromes des Prüfgliedes und des Ableiters miteinander unter der Bedingung vergleicht, dass die Spannung an dem Prüfglied so erniedrigt ist, dass die Stromkomponente an dem Widerstand des Prüfgliedes vernachlässigbar sein kann. Die Stromkomponente an dem Widerstand des funkenstreckenlosen überspannungs- ableiters wird aus der Differenz zwischen diesem Signal und dem Gesamtstrom des funkenstreckenlosen überspannungs- ableiters gewonnen. Somit besteht das bekannte Prüfverfahren für die Kennlinie funkenstreckenloser Ableiter in der Erfassung der Widerstandsstromkomponente und dem Auffinden ihrer Änderung mit der Zeit, um zu beurteilen, ob der überspan- nungsableiter richtig arbeitet. Bei in einem Versorgungsnetz eingebauten funkenstreckenlosen überspannungsablei- ter schliesst jedoch der durch den überspannungsableiter fliessende Strom weitgehend die in der Kapazität erzeugte Stromkomponente ein, während die in dem Widerstand erzeugte Stromkomponente sehr klein ist, so dass ihr gesondertes Auffinden bedeutende Schwierigkeiten macht. Diese Schwierigkeit kann noch dadurch vergrössert werden, dass die Versorgungsspannung harmonische Anteile besitzt, da sich die Stromkomponente an dem Widerstand von den harmonischen Bestandteilen kaum trennen lässt. Bekannte Verfahren zum Messen der Kennlinie funkenstreckenloser über spannungsableiter sind daher nicht ausreichend, um zu genauen Ergebnissen zu gelangen. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, durch einen einfachen Vorgang zu einer genauen Anzeige des Zustandes der betrieblichen Kennwerte bzw. des Betriebsverhaltens eines funkenstreckenlosen überspannungsablei ters zu gelangen. Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine erdseitig mit dem funkenstreckenlosen überspannungsableiter in Reihe geschaltete Gleichspannungsquelle zur Messung einer durch den überspannungsableiter fliessenden Gleichstromkomponente vor. Bei der Schaltungsanordnung nach der Erfindung kann man durch Anschluss eines Kondensators parallel zu der Gleichspannungsquelle und der Einfügung eines Strommessers zwischen den Kondensator und die Gleichspannungsquelle die durch den überspannungsableiter fliessende Gleichstromkomponente ohne Störung durch eine auftretende über- spannung bequem messen. Vorzugsweise kann bei dieser Schaltungsanordnung die Höhe der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle veränderbar sein, so dass der Nichtlinearitätsfaktor oe aus der Beziehung zwischen der veränderbaren Gleichspannung und der Gleichstromkomponente gemessen werden kann. Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Fig. 1 ist ein übersichtsschaltplan, der eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung zur überwachung der Betriebseigenschaften eines funkenstreckenlosen über spannungsableiters zeigt. Die Fig. 2 ist eine Darstellung von Kurvenformen von Spannungs- und Stromkomponenten in einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Dabei zeigt die Fig. 2A die Klemmenspannung v des funkenstreckenlosen überspannungs ableiters, Fig. 2B eine kapazitive Stromkomponente ic an der Ersatzkapazität C des überspannungsableiters, Fig.2C eine Stromkomponente iR an dem Ersatzwiderstand R des überspannungsableiters und Fig. 2D den Gesamtstrom i des überspannungsableiters. In der Fig. 3 sind Kurvenformen für den Fall dargestellt, dass die Gleichspannungsquelle der Schaltungsanordnung gemäss der Fig. 1 den Wert Null hat. Die in den Fig. 3A bis 3D dargestellten Grössen entsprechen denen in den Fig. 2A bis 2D. Die Fig. 1 ist ein übersichtsschaltplan, welcher die Erfindung in Verbindung mit einem funkenstreckenlosen über spannungsableiter 10 zeigt, der als Ersatzschaltbild dargestellt ist mit einem Widerstand R und einer Kapazität C, die parallel geschaltet sind. Ein Kondensator 12 ist zwischen den funkenstreckenlosen überspannungsablei- ter und Erde geschaltet. Eine Hochspannungsquelle 14 für Gleichspannung und ein Kurzschlussschalter 16 sind parallel zu dem Kondensator 12 geschaltet, und ein Strommesser 18 ist in die Verbindung zwisohen dem Kondensator 12 und der Gleichspannungsquelle 14 geschaltet. Der Kondensator 12 hat eine ausreichend grosse Kapazität zwecks niedriger Impedanz bei der Frequenz des über den funkenstreckenlosen überspannungsableiter 10 fliessenden Stromes. Im Betrieb der Schaltungsanordnung wird eine bestimmte Gleichspannung EDC zwischen dem funkenstreckenlosen über spannungsableiter 10 und Erde aufgebracht. Dann erscheinen eine Klemmenspannung v des überspannungsableiters 10 und ein durch diesen fliessender Strom i mit ihren entsprechenden Komponenten ic und iR, die in der Kapazität C und dem Widerstand R des überspannungsableiters erzeugt werden, mit Kurvenformen, wie sie in den Fig. 2A bis 2D dargestellt sind. In diesen ist der Wert der Stromkomponente iR des Widerstandsstromes, der in den Halbwellenabschnitten erscheint, in denen die Gleichspannung EDC und die Klemmenspannung des überspannungsableiters einander positiv überlagert sind, viel grösser als der Wert von iR, der in den anderen Halbwellenabschnitten (vgl. Fig. 2C) erscheint. Ferner wird eine Gleichstromkomponente IDC, die dort erscheint, von einer Gleichstromquelle 14 bereitgestellt. Durch Messung der Grösse der Gleichstromkomponente IDC mit dem Strommesser 18 kann daher eine Zunahme der Widerstandsstromkomponente im Vergleich mit ihrem Ausgangswert zu der Zeit der Auf stel- lung des überspannungsableiters festgestellt werden. Der Wert dieser Zunahme dient als Mass dafür, ob die Betriebseigenschaften des überspannungsableiters einwandfrei sind. Bei der Erfindung werden die kapazitive Stromkomponente ic und ein Wechselstromteil der Widerstandsstromkomponente iR über den überspannungsableiter 10 nach Erde durch den Kondensator 12 entladen, so dass die Schaltungsanordnung zur überwachung der Ableiterkennlinie in vorteilhafter Weise gegen überspannungen geschützt werden kann, die an dem Ableiter auftreten, da sie durch den Kondensator 12 aufgenommen werden. Falls die Schaltungsanordnung keine Gleichspannungsquelle 14 oder eine Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 14 vom Wert Null hat, verhält sie sich ähnlich wie die erwähnten bekannten Verfahren und führt zu einem Messergebnis der Betriebseigenschaften, wie es in den Fig. 3A bis 3D anstelle von 2A bis 2D gezeigt ist. Die Widerstandsstromkomponente iR ist in diesem Fall wesentlich kleiner als die kapazitive Stromkomponente ic (obwohl die Darstellung der Kurvenform in Fig. 3C in der Amplitude übertrieben ist), und daher ist eine angemessene und genaue Messung nicht erreichbar, solange nicht zusätzliche Mittel für die Verstärkung oder ähnliches vorgesehen sind. Ferner kann die Schaltungsanordnung nach der Erfindung mit Mitteln zur Veränderung der Gleichspannung EDC der Gleichspannungsquelle 14 versehen sein, so dass die Beziehung zwischen der Grösse der Gleichstromkomponente IDC und der veränderbaren Gleichspannung EDC aus den Anzeigen des Strommessers 18 erhalten werden kann. Dann lässt sich die Veränderung des Nichtlinearitätsfaktors ¯ im Vergleich mit seinem Ausgangswert zur Zeit der Aufstellung des überspannungsableiters erhalten. Somit kann die Schaltungsanordnung nach der Erfindung weitergehende Messungen als die bekannten Verfahren liefern. Dem Vorstehenden ist zu entnehmen, dass die Erfindung unter Verwendung einer einfach aufgebauten Schaltungsanordnung auf einfache und genaue Weise die betrieblichen Kennwerte eines funkenstreckenlosen Uberspannungsableiters im angeschlossenen Zustand zu erfassen gestattet. Ferner kann die Messung des Nichtlinearitätsfaktors oc die mit den bekannten Verfahren kaum durchführbar ist, auf einfache Weise mittels der Schaltungsanordnung nach der Erfindung durchgeführt werden, wodurch die über wachung funkenstreckenloser überspannungsableiter bedeutend verbessert wird. Obwohl im vorangehenden eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben und gezeigt worden ist, kann man zu zahlreichen Abwandlungen und Äquivalenten greifen, die von der Erfindung sinngemäss erfasst werden. 3 Ansprüche 3 Figuren

Claims: PatentansprUche 1. Schaltungsanordnung zur überwachung der Betriebseigenschaften eines funkenstreckenlosen überspannungs- ableiters (10), g e k e n n z e i c h n e t durch eine erdseitig mit dem überspannungsableiter (10) in Reihe geschaltete Gleichspannungsquelle (14) zur Messung einer durch den überspannungsableiter (10) fliessenden Gleichstromkomponente. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e' t durch einen parallel zu der Gleichspannungsquelle (14) erdseitig mit dem überspannungs- ableiter (10) in Reihe geschalteten Kondensator (12) sowie durch einen Strommesser (18), der zwischen den Kondensator (12) und die Gleichspannungsquelle (14) geschaltet ist. 1 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Höhe der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle (14) veränderbar ist.

Inventors: KIYOKUNI, NOBUAKI, DIPL.-ING.
Applicants: FUJI ELECTRIC CO. LTD.
Application year: 1980
Main classification: H02H3
IPC codes: H01T1, G01R19, G01R31, H01C7