Qualitäts-/Kondensator-Blog
Hochspannungswiderstände für Funkenstrecken und Überspannungsableiter zum Schutz
Im Bereich der Hochspannungstechnik sind die Steuerung und Ableitung elektrischer Energie von entscheidender Bedeutung für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer kritischer Systeme.
Hochspannungswiderstände für Funkenstrecken und Überspannungsableiter: Gestaltung des Energiepfads
Antwort aus dem Ingenieurwesen
Funkenstrecken und Überspannungsableiter schützen Hochspannungsanlagen, indem sie Überspannungsenergie gegen Erde ableiten. Der Widerstand in diesem Pfad bestimmt, wie schnell die Überspannung gedämpft wird, wie sich die Spannung aufteilt und ob es anschließend zu einem erneuten Überspannungsschlag kommt. Röhrenartige Dickschichtwiderstände werden zur Dämpfung und zum Absenken des Ausgangssignals in Funkenstreckenzündschaltungen verwendet, Flache Teilerwiderstände Die Lichtbogenspannung und die Ableitungsklasse in Überspannungsableiterbaugruppen müssen eingestellt werden, da beide die Impulsenergie überstehen, ohne ihren Wert zu verändern.
- Dimensionieren Sie den Widerstand anhand der Impulsenergie (J) und des Spitzenstroms, nicht nur anhand der durchschnittlichen Leistung.
- Prüfen Sie den Spannungskoeffizienten: Der effektive Widerstand muss bei der tatsächlichen Betriebsspannung innerhalb der Toleranz liegen.
- Um die Spannung an den gestapelten Ableiterabschnitten auszugleichen, wird ein Reihenwiderstand hinzugefügt.
Abstract
Jede Überspannungsschutzschaltung enthält einen Widerstand, der in den Schaltplänen der Hersteller nicht dargestellt wird: Er lädt den Triggerkondensator, begrenzt den Folgestrom, dämpft die oszillierende Entladung oder regelt die Spannung an mehreren Überspannungsableitern. In der Hochspannungstechnik ist der Widerstand kein passives Nebenelement; er wandelt einen heftigen Spannungsstoß in eine kontrollierte Energieabgabe um. Dieser Artikel erklärt das Verhalten von Dickschichtwiderständen unter Impulsbedingungen, ihre Dimensionierung für Funkenstrecken und Überspannungsableiter sowie die Spezifikation der HVC-HVR-Serie, damit die Schutzschaltungen wiederholte Schaltvorgänge überstehen und nicht nach der ersten Überspannung ausfallen.
1. Anwendungskontext: Steuerung des Abflusspfads
Eine Funkenstrecke besteht aus zwei Elektroden, die durch einen Isolierspalt getrennt sind. Überschreitet die Überspannung die Durchschlagfestigkeit des Gases, ionisiert der Spalt und bildet einen niederohmigen Pfad, der den Stoßstrom gegen Erde ableitet. Der Widerstand in den Hilfsschaltungen sorgt für ein vorhersehbares Verhalten: Er lädt den Kondensator, der die Zündelektrode zündet, dämpft den Strom, der sonst zwischen Streuinduktivität und Spaltkapazität oszillieren würde, und teilt die Spannung so auf, dass mehrteilige Funkenstrecken und Überspannungsableiter gleichmäßig belastet werden. Die drei Funktionen stellen unterschiedliche elektrische Anforderungen, haben aber eine gemeinsame Voraussetzung: Der Widerstand muss während der Absorption großer, kurzer Energieimpulse stabil bleiben.
Bei einer Triggerschaltung, die einen 100-nF-Kondensator mit 30 kV entlädt, werden innerhalb weniger Mikrosekunden etwa 45 J gespeicherte Energie freigesetzt. Der in Reihe geschaltete Widerstand muss einen Teil dieser Energie absorbieren und den Spitzenstrom aushalten; die thermische Masse des Widerstandsfilms und des Substrats, nicht die Dauerleistungsbelastbarkeit, ist dafür ausschlaggebend.
2. Technische Anforderungen
2.1 Impulsenergie und Momentanleistung. Die größte Belastung für einen Schutzschaltkreis ist der Einzelimpuls, ausgedrückt als Energie (J) oder als Spitzenleistung mit einer definierten Dauer:
Ein 50-kΩ-Widerstand an einer 30-kV-Spannungsstrecke erfährt kurzzeitig eine Spitzenleistung von 18 kW, jedoch nur für Mikrosekunden. Ein für einen solchen Impuls ausgelegter Folienwiderstand wird anhand der Impulskennlinie des Herstellers ausgewählt, die Spitzenspannung, Impulsdauer und Wiederholrate in Beziehung setzt.
2.2 Spannungskoeffizient des Widerstands (VCR). Dickschichtwiderstände ändern ihren Wert mit der angelegten Spannung. Ein Widerstand mit hohem VCR in einem Spannungsteiler verschiebt das Anzapfverhältnis mit steigender Netzspannung, was den Zweck der präzisen Abstufung zunichtemacht:
In einem 100-kV-Überspannungsableiterstapel führt bereits ein Spannungszwischenkreiswiderstand (VCR) von wenigen ppm/V an einem 10-MΩ-Zweig zu einem Fehler im Kilovoltbereich bei der gemessenen oder abgestuften Spannung. Die HVR-Flachserie wird so gefertigt, dass ein niedriger VCR gewährleistet ist und das Teilerverhältnis über den gesamten Betriebsbereich konstant bleibt.
2.3 Induktivität und nicht-induktiver Abschluss. Bei einem schnellen Stromstoß wirkt die parasitäre Induktivität dem Strom entgegen und erzeugt einen Überschwingeffekt, der den Zweck des Schutzes zunichtemacht:
Ein spiralförmiger Einschnitt in einem Röhrenwiderstand verhält sich bei Anstiegszeiten unter einer Mikrosekunde wie eine kleine Induktivität. Induktionsfreie oder gegenläufig gewickelte Ausführungen halten die effektive Induktivität im Nanohenry-Bereich, sodass der Widerstand den Einschwingvorgang dämpft, anstatt mit ihm in Resonanz zu treten.
2.4 Thermische und umweltbedingte Beständigkeit. Der Widerstand muss nach jedem Impuls zu seinem ursprünglichen Wert zurückkehren, trotz des lokalen Temperaturanstiegs im Film:
Aluminiumoxidsubstrate mit hoher Wärmekapazität und Glasüberzugsschutz halten die Drift gering, und das gekapselte Gehäuse widersteht der Koronaentladung und dem Ozon, die Überspannungsschutzgeräte im Feld umgeben.
Abb. 1 – Schutzkette mit den beiden Widerstandsfunktionen: R1 im Trigger-/Dämpfungszweig und R2 im Entlade-/Teilerzweig. Beide müssen ihren Wert während der Aufnahme von Impulsenergie beibehalten.
3. Schwachstellen der Ingenieure (Feedback aus der Praxis)
Problem 1 — Der Dämpfungswiderstand ändert seinen Wert und die Zündung setzt aus. Nach einigen hundert Auslösungen verrutschte unser Triggerteiler, und der Spalt löste zu früh aus. Der Film wurde durch die wiederholte Impulserhitzung beschädigt. (Anmerkung: Der letzte Satz "Moving to a overglassed, low-vcre" ist irrelevant und sollte entfernt werden.) Flaches HVR-System Das Verhältnis wurde über 1000 Impulse hinweg innerhalb von 0.25 % gehalten.
Problem 2 — Der Widerstand schwingt mit der Stoßwelle mit, anstatt sie zu dämpfen. „Trotz des in Reihe geschalteten Widerstands beobachteten wir eine Überspannung von 2 kV auf der geschützten Sammelschiene.“ Die spiralförmig gewickelte Röhre wies eine ausreichende Induktivität auf, um zusammen mit der Streukapazität ein Überschwingen zu verursachen. Der Austausch gegen eine induktionsfreie, gegenläufig gewickelte Röhre reduzierte die Überspannung auf das Rauschen.
Schmerz 3 — Der Überspannungsableiter teilt die Spannung nicht auf, und ein Abschnitt fängt die gesamte Überspannung ab. „Ein MOV-Abschnitt fiel ständig aus, während die benachbarten Abschnitte unbeschädigt schienen.“ Ohne abgestufte Widerstände konzentriert sich die Belastung durch kapazitive und Leckströme. Hinzufügen von angepassten Widerständen HVR-Teilerwiderstände Durch die gleichmäßige Spannungsverteilung innerhalb der einzelnen Abschnitte wurden Ausfälle einzelner Abschnitte verhindert.
4. Auswahlparameter
| Position | Empfohlene HVC-Serie | Stromspannung | Schlüsselspezifikation |
|---|---|---|---|
| Auslöser / Dämpfung | HVR-Rohr | 10–100 kV | Nichtinduktiv, impulsbelastbar |
| Teiler / Benotung | HVR-Wohnung | 5–50 kV | Niedrige Videoqualität, ±0.5 % Übereinstimmung |
| Entleerungsventil | HVR-Rohr | 10–100 kV | Hohe Impulsenergie pro Volumen |
| Widerstandstyp | Pulsenergie | Induktivität | VCR | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|---|
| Kohlenstoffzusammensetzung | Hoch | Medium | Hoch | Herkömmliche Funkenstreckenschaltungen |
| HVR-Dickschichtröhre | Hoch | Niedrig (nicht-induktiv) | Niedrig | Dämpfung, Kippfunktion |
| HVR-Dickschicht-Flach | Medium | Niedrig | Sehr geringe | Zirkel, Benotung |
| Drahtgewickelt | Medium | Hoch | Niedrig | Wo Induktivität akzeptabel ist |
Auswahlhinweise. Beginnen Sie mit der Impulsenergie und dem Spitzenstrom, nicht mit der mittleren Leistung: Ein Widerstand, der die Dauerleistungsprüfung besteht, kann beim ersten Stoß dennoch ausfallen. Überprüfen Sie anschließend den Spannungskoeffizienten für alle Stellen, an denen der Widerstand das Teilerverhältnis bestimmt, und die Induktivität für alle Stellen, die schnelle Transienten dämpfen müssen. Verwenden Sie bei gestapelten Überspannungsableitern aufeinander abgestimmte Widerstände aus derselben Produktionscharge, um eine vorhersagbare Güte zu gewährleisten.
5. HVC-Lösung
① Impulsbelastbare Röhrenwiderstände für Entladung und Dämpfung. Die HVR-Röhrenserie basiert auf Aluminiumoxidstäben mit einem Dickschichtelement, dessen Belastbarkeit anhand der Impulsbelastbarkeitskurve bestimmt wird. Die 18 kW Spitzenleistung für einige Mikrosekunden sind daher eine spezifizierte Bedingung und kein Zufallsprodukt. Induktionsfreie Anschlüsse dämpfen schnelle Spannungsspitzen und verhindern so Überschwingen.
② Flache Widerstände mit niedrigem VCR-Wert für Teiler und Abstufungen. Die HVR-Flachserie bietet ein stabiles Übersetzungsverhältnis über den gesamten Betriebsspannungsbereich – genau das, was ein Überspannungsableiter-Ableitersystem benötigt. Die enge Anpassung von ±0.5 % zwischen den Einheiten sorgt für eine gleichmäßige Spannungsverteilung im Stapel ohne manuelle Abstimmung.
③ Glas-Überglasurschutz für das Spielfeld. Beide Serien sind durch eine dichte Glasur geschützt, die korona-, feuchtigkeits- und ozonbeständig ist, und die Drift nach 1000 Impulszyklen bleibt unter 0.25 %, sodass sich das Verhalten der Schutzschaltung mit zunehmendem Alter nicht ändert.
6. Vorher-/Nachher-Fall
| Parameter | Vorher (drahtgewickelt / Kohle) | Nach (HVC HVR-Serie) |
|---|---|---|
| Teilerdrift nach 1000 Impulsen | 3–5 % (Fehlzündungen) | < 0.25 % (stabil) |
| Überschwingen der Stoßwelle im Bus | 2 kV (Überschwingen) | < 100 V (gedämpft) |
| Ausfälle des Überspannungsableiters | 1 pro Quartal (einzelner Abschnitt) | 0 über 12 Monate |
| Feldpflege | Monatlicher Nachschnitt | Keine Präsentation |
Fallbesprechung. Eine Prüfanlage für Impulsleistung hat ihre Funkenstreckenzündung und die Ableiterabstimmung mit HVC- und HVR-Komponenten neu aufgebaut. Der Zündteiler, der zuvor aufgrund von Drift monatlich nachjustiert werden musste, behielt sein Verhältnis über 1000 Entladungen bei. Die Überschwingspannung des Resonanz-Dämpfungswiderstands sank mit der induktionsfreien Röhre von 2 kV auf unter 100 V, und der Ableiterstapel, der zuvor vierteljährlich einen Abschnitt verlor, lief ein Jahr lang störungsfrei. Die Ursache für alle drei Symptome war dieselbe: ein Widerstand, der seinen Wert änderte, in Resonanz geriet oder unter Impulsbelastung unausgeglichen war.
7. Gestaltungspunkte
- Zuerst sollte die Dimensionierung auf Impulsenergie und Spitzenstrom erfolgen; die durchschnittliche Leistung ist in Schutzschaltungen fast nie der begrenzende Faktor.
- Überprüfen Sie den Spannungskoeffizienten für jede Position, die ein Verhältnis festlegt – ein Teiler, der driftet, ist schlimmer als gar kein Teiler.
- Geringe Induktivität in Dämpfungs- und Triggerpfaden erforderlich; ein Resonanzwiderstand verstärkt die Überspannung, die er eigentlich absorbieren soll.
- Um eine vorhersehbare Spannungsverteilung zwischen gestapelten Überspannungsableitern zu gewährleisten, sollten Widerstände aus derselben Charge verwendet werden.
- Schützen Sie den Widerstandskörper mit Glasur und Kriechstrecke; Koronaentladungen im Feld sind es, die unbeschichtete Schichten altern lassen.
8. Referenzen
- IEC 60099-4:2014, Überspannungsableiter – Teil 4: Metalloxid-Überspannungsableiter ohne Lücken für WechselstromsystemeGenf, Schweiz: IEC.
- ANSI/IEEE C62.11-2020, IEEE-Standard für Metalloxid-Überspannungsableiter für Wechselstromkreise (>1 kV)New York, NY, USA: IEEE.
- Vishay, Impulsfähigkeit von Dickschichtwiderständen – Technische Anmerkung. Malvern, PA, USA: Vishay Dale.
- MS Naidu und V. Kamaraju, Hochspannungstechnik, 5. Aufl. New York, NY, USA: McGraw-Hill, 2013.
- Littelfuse, Grundlagen von Varistoren und Überspannungsschutz – Anwendungshinweis. Chicago, IL, USA: Littelfuse.
- 陈守川主编,《高电压技术》(Hochspannungstechnik), 第3版. Titel: 中国电力出版社, 2015. (auf Chinesisch)
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