CH628469A5 - Schutzeinrichtung zum schutze einer elektrischen schaltung gegen abnormale ueberspannungen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung zum Schutze einer elektrischen Schaltung gegen abnormale Überspannungen, mit einem geerdeten zylindrischen Metallgehäuse und einer bzw. einem sich in Richtung der Achse des Metallgehäuses erstreckenden und mit einer Hochspannungsleitung verbünde- 35 nen Anschlusselektrode oder Leiter und mit einer Vielzahl von nichtlinearen Widerstandselementen, welche die Elektrode bzw. den Leiter mit dem geerdeten Metallgehäuse verbinden.

Es ist bekannt, eine in Fig. 1 gezeigte Einrichtung als Schutzeinrichtung zu verwenden. (1) bezeichnet einen Er- 40 dungsbehälter mit einem inneren Teil, welcher mit einem Gas mit hoher Isolierfestigkeit wie SF6 gefüllt ist. (3) bezeichnet einen Widerstand mit ausgezeichneter nichtlinearer Charakteristik, z. B. einen Widerstand aus übereinandergeschichteten gesinterten Substratkörpern mit Zinkoxyd als Hauptkompo- 45 nente. (4) bezeichnet ein leitfähiges Substrat als Anschlussdraht auf der Hochspannungsseite. (5) bezeichnet isolierende Abstandselemente zur Halterung der Zuleitung (4).

Im folgenden soll die Arbeitsweise dieser herkömmlichen Einrichtungen erläutert werden. 50

Die Leitung (4) ist mit dem Hochspannungsanschluss der zu schützenden elektrischen Schaltung verbunden und ein durch einen Blitz od.dgl. hervorgerufener Spannungsstoss wird durch die Widerstände (3) kurzgeschlossen. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Spannungs-Strom-Charakteristik des als Wider- 55 stand (3) verwendeten Zinkoxyd-Sinterelementes. Der Anstieg der Klemmenspannung beim Stromstoss wird durch die in weitem Bereich vorliegende konstante Spannungscharakteristik gemildert. Die ausgezogene Linie in Fig. 2 zeigt die Charakteristik gegenüber Gleichstrom oder gegenüber einem grossen 60 Stromstoss. Die Spannungs-Strom-Charakteristik infolge der Beaufschlagung des Elements mit Wechselspannung, d.h. mit Spitzenwerten des Stroms und der Spannung, ist im Bereich geringer Stromstärken verschieden von der Spannungs-Strom-Charakteristik der Gleichspannung (gestrichelte Linie 65 in Fig. 2), da das Element eine elektrostatische Kapazität hat. Diese Charakteristiken sind typisch für Zinkoxyd-Sinterele-mente und andere nichtlineare Widerstände. Die Strom-Span-

VOOCcL, -

X

dV(X)

dX

X

Wenn man C und K als konstant (unabhängig von X) annimmt, so ergibt sich die folgende Gleichung ifaV(X)

dx2

K

V(X)

Bei der Lösung dieser Gleichung setzt man als Grenzwertbedingung V(o) = V an. Die Lösung lautet dann

V(X) =v

>inh

ß (H-X)1

J *

< fü" 1 ïinhi /- Hl

Die Potentialverteilung V(X) des nichtlinearen Widerstandes ergibt sich in Form der ausgezogenen Linie in Fig. 4(a), welche erheblich von der linearen Potentialverteilung gemäss der gestrichelten Linie abweicht. Man erkennt aus den obigen Gleichungen, dass die Abweichung von der linearen Potentialverteilung sich bei einer Erhöhung der Länge des nichtlinearen Widerstandes vergrössert. Somit ergibt sich gemäss der ausgezogenen Linie in Fig. 4(b) eine beträchtliche Ungleichförmigkeit des Feldes E(X) = |dV(X)/dX| im Inneren des nichtlinearen Widerstandes. Die maximale Feldstärke befindet sich auf der Hochspannungsseite (X=0), und die Feldstärke Enlax an dieser Stelle des maximalen Feldes ist beträchtlich höher als die durchschnittliche Feldstärke Eav. Unter diesen Bedingungen ergibt sich im Bereich nahe der Hochspannungsseite des nichtlinearen Widerstandes gemäss Fig. 2 eine Überspannung im Vergleich zum Pegel der normalen Erdungsspannung Vp. Bei einer derartigen normalerweise auftretenden Überspannung wird das Element jedoch elektrisch beschädigt. Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Spannungslebensdauer-Kurve des Zinkoxydelements. Die Lebensdauer nimmt drastisch ab, wenn

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die Spannung sich Vo nähert. Bei dem herkömmlichen Aufbau der Schutzeinrichtung weicht auf der Hochspannungsseite die Spannung jedoch stark von der normalen Erdungsspannung ab, so dass der nichtlineare Widerstand in diesem Bereich nachteiligerweise stark beeinträchtigt wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schutzeinrichtung zum Schutze gegen abnormale Spannungsbeaufschlagung zu schaffen, welche eine verbesserte Anordnung nichtlinearer Widerstände aufweist, so dass diese gleichförmig mit Spannung beaufschlagt werden und nicht beeinträchtigt werden, so dass man ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten während langer Betriebsdauer erhält.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Schutzeinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche gekennzeichnet ist durch eine gespreizte Anordnung von Isolierrohren zwischen dem Metallgehäuse und der Elektrode bzw. dem Leiter, wobei die nichtlinearen Widerstandselemente jeweils in den Isolierrohren angeordnet sind und derart miteinander verbunden sind, dass die Potentialzuteilung zu den Widerstandselementen im wesentlichen ähnlich der Potentialverteilung im Metallgehäuse ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine herkömmliche Schutzeinrichtung;

Fig. 2 Kennliniendiagramme der Schutzeinrichtung gemäss Fig. 1;

Fig. 3 eine äquivalente Schaltung der Schutzeinrichtung gemäss Fig. 1 ;

Fig. 4 eine elektrische Potentialverteilung der Schutzeinrichtung gemäss Fig. I ;

Fig. 5 die Abhängigkeit der Lebensdauer eines nichtlinearen Widerstandes von der Spannung;

Fig. 6 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung;

Fig. 7 einen Schnitt gemäss Linie A-A in Fig. 6;

Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht der Schutzeinrichtung gemäss Fig. 6;

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Verbindung der nichtlinearen Widerstände und

Fig. 10 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung.

Fig. 6 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. (1) bezeichnet ein Erdungsgefäss mit einem Innenraum (2), welcher mit einem Gas hoher Isolierfestigkeit wie SF6 gefüllt ist. Ferner ist eine Anschlusselektrode (4) vorgesehen, welche als Zuleitungsdraht auf der Hochspannungsseite wirkt. Die Anschlusselektrode (4) wird durch isolierende Abstandselemente (5) gehalten. (6) bezeichnet eine in achsialer Richtung des Er-dungsgefässes (1) angeordnete Elektrode und (7) bezeichnet eine Vielzahl von Rohren aus isolierendem Material. Fig. 7 zeigt eine Draufsicht in Richtung der Linie A-A der Fig. 6.

Die isolierenden Rohre (7) erstrecken sich in Form einer Spinne von der Stelle der Elektrode (6) gemäss Fig. 7 schräg nach unten und nach aussen und die anderen Enden der isolierenden Rohre sind durch nicht gezeigte Befestigungselemente am Erdungsgefäss (1 ) befestigt. Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht der Schutzeinrichtung zur Veranschaulichung der Anordnung der Innenteile gemäss Fig. 6. Im Inneren eines jeden isolierenden Rohres (7) sind eine Vielzahl von nichtlinearen Widerständen (gemäss Fig. 8 Gruppen von drei Elementen) angeordnet und in Reihe geschaltet. Die Widerstandselemente sind in einer Vielzahl von Stufen angeordnet und die einzelnen Gruppen sind durch isolierende Abstandselemente ( 10) getrennt. Die gruppierten nichtlinearen Widerstände (9a), welche der Elektrode am nächsten liegen, sind durch einen Leitungsdraht (1 la) mit der Elektrode (4) verbunden. Der Zuleitungsdraht (IIa) ist mit dem höchstgelegenen Widerstandselement der Gruppe (9a) verbunden. Das unterste Widerstandselement der Gruppe (9a) ist über eine Leitung (8a) mit der Gruppe (9b) nichtlinearer Widerstandselemente verbunden (und zwar wieder mit dem höchsten Element dieser Gruppe). Das unterste Element der Gruppe (9b) ist über eine weitere Leitung (8b) mit der nächsten Gruppe (9c) nichtlinearer Widerstandselemente verbunden usw. Auf diese Weise sind die Vielzahl gruppierter nichtlinearer Widerstandselemente (9x) in Reihe geschaltet und schliesslich über eine Leitung (IIb) geerdet. Fig. 9 veranschaulicht die spiralige Reihenschaltung der nichtlinearen Potentialverteilung zwischen der Elektrode (6) und dem Erdungstank (1) durch gestrichelte Linien (12) angedeutet. Erfindungsgemäss sind eine Vielzahl von Gruppen nichtlinearer Widerstandselemente (9a), (9b), (9c), ... (9x) gemäss Fig. 8 derart angeordnet, dass man eine Potentialverteilung erhält, welche im wesentlichen ähnlich der Verteilung des elektrischen Potentials gemäss Fig. 6 ist. Demgemäss sind die Potentiale der nichtlinearen Widerstandselemente gleichförmig zugeteilt, ohne dass die elektrische Potentialverteilung gestört wird, so dass die Lebensdauer der nichtlinearen Widerstandselemente erhöht ist. Darüberhinaus hat die erfindungs-gemässe Schutzeinrichtung einen einfachen wirtschaftlichen Aufbau.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Gemäss Fig. 10 wird anstelle der Elektrode (6) in Fig. 6 eine Leitung (12) verwendet. Darüberhinaus sind Tanks für die Gasisolations-Sammelschiene (13a), (13b) vorgesehen. Erfindungsgemäss kann die Schutzeinrichtung zur Verhinderung einer abnormalen Spannungsbeaufschlagung an der Sammelschiene eingesetzt werden, so dass man eine kompakte Schutzeinrichtung erhält.

Bei der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung sind eine Vielzahl von Isolierrohren (7) in dem geerdeten Gefäss (1) angeordnet. Es können z.B. drei oder vier isolierende Rohre oder aber auch nur zwei oder eine grössere Anzahl von isolierenden Rohren angeordnet sein. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung symmetrisch zur Mittelachse. Die isolierenden Rohre können geradlinig oder gekrümmt sein. Insbesondere können die isolierenden Rohre sich von der Mitte (der Stelle des Anschlusses an die Elektrode (4) ) schräg (mit einer Radialkomponente) nach aussen erstrecken. Die einzelnen Gruppen von nichtlinearen Widerstandselementen umfassen bei dem angegebenen Beispiel drei Widerstandselemente. Es können jedoch auch eine grössere Anzahl von Widerstandselementen oder eine kleinere Anzahl (z.B. zwei) Widerstandselemente in jeder Gruppe vorgesehen sein. Die isolierenden Rohre können rund um einen Leiter (6 oder 12) angeordnet sein. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 6 ist das eine Ende der Elektrode (6) mit der Hochspannungsleitung verbunden, während das andere Ende im geerdeten Gefäss endet, und zwar in einer bestimmten Höhe über dessen Boden. Anderseits kann ein Leiter im Falle der Fig. 10 sich auch durch den Boden des geerdeten Gefässes hindurch erstrecken und Teil einer Sammelschiene sein, welche sich durch ein Gehäuse erstreckt, das mit einem isolierenden Gas gefüllt ist.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Schutzeinrichtung zum Schutze einer elektrischen Schaltung gegen abnormale Überspannungen, mit einem geerdeten zylindrischen Metallgehäuse (1) und einer bzw. einem sich in Richtung der Achse des Metallgehäuses erstreckenden und mit 5 einer Hochspannungsleitung verbundenen Anschlusselektrode (4) oder Leiter (12) und mit einer Vielzahl von nichtlinearen Widerstandselementen (9), welche die Elektrode (4) bzw. den Leiter (12) mit dem geerdeten Metallgehäuse (1) verbinden, gekennzeichnet durch eine gespreizte Anordnung von Isolier- io röhren (7) zwischen dem Metallgehäuse (1) und der Elektrode (4) bzw. dem Leiter (12), wobei die nichtlinearen Widerstandselemente (9) jeweils in den Isolierrohren (7) angeordnet sind und derart miteinander verbunden sind, dass die Potentialzuteilung zu den Widerstandselementen im wesentlichen ähnlich 15 der Potentialverteilung im Metallgehäuse ist.
2. 2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von gruppierten nichtlinearen Widerstandselementen (9) in Reihe geschaltet sind.
3. 3. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, 20 dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Isolierrohren

   (7) in Spinnenform angeordnet sind.
4. 4. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von isolierenden Rohren (7) rund um die Elektrode (4) bzw. den Leiter (12) 25 angeordnet sind.

   nungs-Charakteristik bei relativ hoher Wechselspannung ist ähnlich derjenigen bei einer Gleichspannung. Gemäss Fig. 2 sind die Charakteristiken bei Wechselspannung und bei Gleichspannung im wesentlichen ähnlich, wenn die Spannung über dem Wert VD liegt. Der Strom beträgt im Falle eines Zinkoxyd-Sinterelements bei VQ gewöhnlich mehr als 1 mA. Normalerweise liegt an dem nichtlinearen Widerstand im Wechselstromblitzschutz eine Wechselspannung an. Die normale Erdungsspannung sollte bei einem Wert unterhalb V0, z.B. Vp gemäss Fig. 2, liegen, und zwar unter dem Gesichtspunkt der Lebensdauer des beschriebenen Elementes.

   Die folgenden Störungen treten auf, da die beschriebenen Elemente bei niedrigen Wechselspannungen die Funktion eines einfachen Kondensators haben. Bei dem Aufbau gemäss Fig. 1 bildet sich eine schwimmende Kapazität zwischen dem nichtlinearen Element (3) und dem Behälter (1) aus. Daher erhält man für die Spannungszuordnung des nichtlinearen Widerstands das Äquivalentschaltbild gemäss Fig. 3 bei einer Beaufschlagung mit niedriger Wechselspannung als normaler Erdungsspannung. In Fig. 3 bezeichnet H die Gesamtlänge des nichtlinearen Widerstandes; X den Abstand vom Hochspan-nungsanschluss zu dem jeweils in Betracht gezogenen Punkt; dx einen Differentialabstand für die nachfolgende Berechnung; K/dx die elektrostatische Kapazität des Elementes im Bereich dx und dem Behälter und Vx das elektrische Potential des nichtlinearen "Widerstandes im Punkt X bei der Spannung V.

   Es ergibt sich somit die folgende Beziehung

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