CH629041A5 - 3-phasen-ueberspannungsableiter. - Google Patents

Description

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es nun, diese Nach- Form der Elektrode 20a und einem Winkel zwischen der Elek-teile auszuschalten, was bei der Anordnung gemäss den Fig. 9 trodenlängsachse und Gehäuse kann ein im wesentlichen und 10 wie nachfolgend beschrieben erreicht wird. 20 gleichförmigen Potentialprofil erreicht werden. Dies trifft natür-

Fig. 9 und 10 zeigen einen 3-Phasen-Überspannungsableiter, lieh auch für die Elektroden 20b und 20c zu. Wenn dann die Sta-der wieder ein Metallgehäuse 10 in Form eines bodenseitig ver- pel nichtlinearer Widerstände 14a, 14b und 14c zwischen die schlossenen Hohlzylinders umfasst, welches 3 elektrische Lei- Elektroden 20a, 20b und 20c und dem Gehäuseboden plaziert ter 16a, 16b und 16c umschliesst, die mit gleichen radialen und werden, fliesst infolge dem im wesentlichen gleichförmigen Winkelabständen koaxial zum Gehäuse angeordnet sind. Oben- 25 Potentialprofil der Strom durch die nichtlinearen Widerstände seitig durchdringen diese Leiter einen elektrisch isolierenden mit konstanter Stärke, wodurch deren Lebensdauer erheblich Verschlussteil 18, der das Gehäuse gasdicht abschliesst. Das vergrössert wird.

Gehäuse 10 ist wieder mit einem Gas 12 von hoher dielektri- Somit besteht bei dieser Anordnung das Wesentliche darin,

scher Dichte, wie Schwefel-hexafluorid (DFe), gefüllt. Die Lei- dass sich die Stapel nichtlinearer Widerstände 14a, 14b und 14c ter 16a, 16b und 16c dienen der elektrischen Verbindung mit 30 zwischen zugeordneten Elektroden 20a, 20b und 20c und dem den 3-Phasen-Anschlüssen a, b und c eines nicht näher gezeig- geerdeten Gehäuse 10 erstrecken, derart, dass die Teilspannun-ten, zu schützenden elektrischen Gerätes. gen an den nichtlinearen Widerständen jedes Stapels im

Innenseitig des Gehäuses 10 sind die Leiter 16a, 16b und 16c wesentlichen gleich dem Potentialprofil zwischen der zugehö-mit zylindrischen Elektroden 20a, 20b und 20c verbunden, die rigen Elektrode und dem geerdeten Gehäuse verlaufen. Tritt sich parallel zur Längsachse des Gehäuses 10 in diesem erstrek-35 somit beispielsweise eine Überspannung in der Phase a auf, ken. Diese zylindrischen Elektroden 20a, 20b und 20c bilden welche deren Potential verändert, wird sich das Potentialprofil abgeschirmte Leiter. der Stapel der nichtlinearen Widerstände jeder anderen Phase

Weiter sind eine Mehrzahl nichtlinearer Widerstände 14a b und c kaum verändern. Mit anderen Worten, die Potentialan-aufeinandergesetzt und in geeigneter Weise miteinander ver- teile im Bereich der Starkstromteile der Stapel jeder Phase b bunden, etwa von einer elektrisch isolierenden Hülle umfasst 40 oder c nehmen nicht zu und bleiben im wesentlichen unverän-(nicht gezeigt), um einen an beiden Enden offenen Stapel zu bil- dert. Somit verlängert sich deren Lebensdauer.

den. Dieser Stapel ist, wie Fig. 10 zeigt, an seinem einen oberen Auf diese einfache Weise wird eine relativ grosse Wirkung Ende an der Elektrode 20a und mit seinem unteren Ende am erzielt, wobei die vorbeschriebene Anordnung natürlich kon-Gehäuseboden so abgestützt, dass sich der Stapel gegen den struktive Änderungen zulässt. Beispielsweise können die Elek-Boden hin radial nach aussen erstreckt bezüglich der Längs- 45 troden ebenfalls geneigt angeordnet werden, so dass diese paradise des Gehäuses. Wie sichtbar, ist der Stapel nichtlinearer allei der Achse der Stapel nichtlinearer Widerstände verlaufen.

4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

629041 2 PATENTANSPRÜCHE verteilt wird, um deren Lebensdauer zu erhöhen.

1.3-Phasen-Überspannungsableiter mit einem hohlen, Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass zwi-

zylinderförmigen, geerdeten Metallgehäuse, in welchem sich sehen den Anschlussleitern und den Stapeln nichtlinearer

Stapel nichtlinearer Widerstände vom Gehäuseboden her Widerstände je eine Elektrode vorgesehen ist, wobei die Elek-

erstrecken, welche Stapel mit Anschlussleitern in Verbindung s troden, zumindest im wesentlichen längs der Gehäuseachse stehen, die sich nach aussen erstrecken, dadurch gekennzeich- verlaufend, im gleichen Abstand untereinander um die Gehäu-

net, dass zwischen den Anschlussleitern (16a, 16b, 16c) und den seachse angeordnet sind, derart, dass die Teilspannungen an

§tapeln nichtlinearer Widerstände (14a, 14b, 14c) je eine Elek- den nichtlinearen Widerständen jedes Stapels im wesentlichen trode (20a bzw. 20b bzw. 20c) vorgesehen ist, wobei die Elektro- gleich dem Potentialprofil zwischen der betreffenden Elek-

den, zumindest im wesentlichen längs der Gehäuseachse ver- i o trode und dem Gehäuse verlaufen.

laufend, im gleichen Abstand untereinander um die Gehäuse- Bevorzugt kann dann eine weitere Ausgestaltung darin achse angeordnet sind, derart, dass die Teilspannungen an den bestehen, dass sich die Stapel nichtlinearer Widerstände je nichtlinearen Widerständen jedes Stapels im wesentlichen obenseitig an der zugeordneten Elektrode und je mit dem unte-

gleich dem Potentialprofil zwischen der betreffenden Elek- ren Ende am Gehäuseboden abstützen, wobei die Stapel eine trode und dem Gehäuse verlaufen. , is gegen den Boden hin radial nach aussen gerichtete Schräglage

2. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch einnehmen.

gekennzeichnet, dass sich die Stapel nichtlinearer Widerstände Hierbei ist es möglich, dass sich die Elektroden achsen-(14a, 14b, 14c) je obenseitig an der zugeordneten Elektrode parallel zur Gehäuselängsachse erstrecken oder, dass sich die (20a, 20b, 20c) und je mit dem unteren Ende am Gehäuseboden Elektroden achsenparallel zum betreffenden Stapel nichtlinea-abstützen, wobei die Stapel eine gegen den Boden hin radial 20 rer Widerstände erstrecken.

nach aussen gerichtete Schräglage einnehmen. Eine beispielsweise Ausführungsform des Gegenstandes

3-Phasen-Überspannungsableiter bekannter Bauart zum 50 kum, wie Schwefel-Hexafluorid (SF«) gefüllt ist. Das Gehäuse Schutz elektrischer Anlagen, insbesondere elektrischer Appa- 10 ist geerdet und umschliesst einen Stapel von Widerständen rate gegen Überspannungen umfassen ein geerdetes Metallge- 14 mit nichtlinearer Charakteristik, der sich in der Längsachse häuse zylindrischer Form, in welchem sich drei gleichförmig des Gehäuses 10 erstreckt. Der Stapel von Widerständen 14 um die Gehäuseachse gruppierte Stapel nichtlinearer Wider- umfasst einen untersten Widerstand, der sich am Boden des stände befinden, welche zum Anschluss an das 3-Phasen-Netz 55 Gehäuses 10 abstützt, sowie einen obersten Widerstandskör-dienen. Bei geringen Wechselspannungen bilden die nichtlinea- per, welcher mit einem Leiter 16 verbunden ist, welcher als ren Widerstände praktisch perfekte Kondensatoren mit allen hochspannungsseitiger Anschluss dient. Dieser Leiter 16 durchProblemen der auftretenden Streukapazitäten zwischen den dringt gasdicht einen Isolationskörper 18, welcher den Hals des Stapeln und zwischen jedem Stapel und dem Gehäuse, wobei Gehäuses 10 verschliesst. Die Widerstandskörper 14 sind vorsieh die Spannung über einem Stapel ungleich über die einzel- 60 zugsweise aus einem gesinterten Körper gebildet, der im nen Widerstandselemente des Stapels verteilt, wie sich theore- wesentlichen Zink-Oxyd (ZnO) enthält.

tisch analysieren lässt. Dabei werden die Widerstände jedes Der Überspannungsabieiter ist im Betrieb über den Leiter

Stapels hochspannungsseitig überlastet, was zu deren rascher 16 an eine Hochspannungsleitung eines elektrischen Apparates Zerstörung führt. angeschaltet, um den Apparat gegen Überspannungen, etwa

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Überspan- 65 bei Blitzschlag, durch eine Überspannungsableitung gegen nungsableiter der vorgenannten Art so auszugestalten, dass die Erde zu schützen.

Spannung über jedem Stapel nichtlinearer Widerstände im Die hierbei verwendeten Widerstände 14 haben eine Span wesentlichen gleich über alle Widerstandselemente des Stapels nung-Strom-Charakteristik gemäss Fig. 2. Hierbei stellt die

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Abzisse den Strom in Ampère im Logarithmus und die Ordinate die Spannung in Volt dar. Die ausgezogene Kurve gibt die Charakteristik für einen Gleichstrom wieder und zeigt, dass die Spannung über der Widerstandsanordnung über einen relativ grossen Stromänderungsbereich konstant gehalten werden 5 kann. Somit kann der Spannungsanstieg über dem Überspannungsabieiter ziemlich niedrig gehalten werden.

Wird aber an der Anordnung gemäss Fig. 1 eine Wechselspannung angelegt, weicht die Charakteristik im Niederspannungsbereich gemäss gestrichelter Linie in Fig. 2 von der vor- i o beschriebenen Gleichstrom-Charakteristik ab. Die gestrichelte Linie veranschaulicht den Spitzenwert der Wechselspannung gegenüber dem des Wechselstromes. Der Unterschied zwischen den beiden Charakteristiken resultiert aus den gesinterten Zinkoxyd-Elementen und deren elektrostatischen Kapazi- 15 tät. Es ist dabei auffällig, dass von einer gewissen Höhe der Wechselspannung ab die Wechselstrom-Charakteristik identisch wird mit der Gleichstrom-Charakteristik.

Wenn also die Spannung gemäss Fig. 2 einen Wert Vo übersteigt, sind Wechselstrom- und Gleichstromcharakteristik etwa 20 gleich, dagegen unterschiedlich bei Spannungswerten unter dem Wert Vo. Für ein gesintertes Zinkoxydelement ist der Wert des Stromes bei der Spannung Vo etwa 1 Milli-Ampère oder höher. Bei einem Wechselstromableiter mit einem Stapel nichtlinearer Widerstände besteht eine sogenannte Erdspannung 25 Vp, welche unter der genannten Spannung Vo liegt, wobei der Wert dieser normalen Erdspannung Vp (Spannung über dem Abieiter) in Beziehung zur Lebensdauer der gesinterten Zinkoxyd-Elemente steht, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. 30

Bezüglich solcher niedriger Wechselspannungen funktioniert das gesinterte Zinkoxydelement als Kondensator, wobei allerdings Probleme auftreten. So bestehen bei der Anordnung gemäss Fig. 1 Streukapazitäten zwischen den nichtlinearen Widerständen 14 und dem Gehäuse 10. Zur Beurteilung dieser 35 Streukapazitäten ist zunächst festzustellen, wie sich die angelegte normale Spannung bezüglich Erde über dem Stapel bezüglich der einzelnen Widerstandselemente aufteilt, wozu eine äquivalente Schaltung gemäss Fig. 3 dient.

In dieser Fig. 3 bedeutet H die totale Länge des Stapels 40 nichtlinearer Widerstände 14 (siehe auch Fig. 1). Ferner bedeutet x den Abstand eines Messpunktes vom Hochspannungsende des Stapels her; dx ein Teil des Abstandes x; K/dx die elektrostatische Kapazität eines Teiles eines Elementes mit der Länge dx und Cdx die elektrostatische Kapazität zwischen dem 45 Teil des Elementes mit der Länge dx und dem Metallgehäuse. Weiter sei eine Spannung V über dem Stapel 14 angelegt,

wobei v(x) das Potential am Punkt x bedeutet. Dann gilt die Beziehung:

v(x) = V

sinhC/lfo1 XÜ

TI«]

siiih

50

v(x)0dx =

"dv ( x ) dx dx

_K dx

]

dx

Bei der Annahme, dass C und K unabhängig von x sind und somit konstant, kann diese Beziehung reduziert werden auf:

dx

Wird weiter angenommen, dass die Grenzbedingungen V(o) = V und V(H) = 0 bestehen, ergibt sich:

65

Einen Verlauf des Potentials am Stapel von nichtlinearen Widerständen entsprechend der vorstehenden Beziehung ergibt die in Fig. 4a ausgezogene Kurve, wobei die Abszisse den Abstand x und die Ordinate das Potential wiedergibt. Wird der Stapel nichtlinearer Widerstände gegen einen festen Widerstand ausgetauscht, ergibt sich ein Potentialprofil gemäss gestrichelter Linie in Fig. 4a.

Somit ergibt sich, dass ein elektrisches Feld E(x), welches sich im Stapel nichtlinearer Widerstände aufbaut, und sich durch E(x) = | dv(x) | dx | definieren lässt, gemäss der ausgezogenen Kurve in Fig. 4b sehr ungleichmässig ist. Gemäss Fig. 4b besteht ein Maximum Emax des elektrischen Feldes hochspan-nungsseitig des Stapels 14 an der Stelle x-o, welches Maximum vergleichweise gegenüber dem mittleren Wert Eav sehr hoch ist. Unter diesen Umständen ist der Teil des Stapels nichtlinearer Widerstände nahe dem hochspannungsseitigen Ende in einem Überspannungszustand, bei welchem die Überspannung wesentlich über der normalen Spannung Vp gegen Erde liegt. Ist eine solche Überspannung ständig am nichtlinearen Widerstand angelegt, verschlechtert sich dessen elektrischer Zustand.

Aus Fig. 5 ist ein Beispiel einer Spannung-Lebensdauer-Kurve für Zinkoxydelemente entnehmbar. Hierbei stellt die Ordinate die Spannung und die Abszisse den Logarithmus der Lebensdauer in Jahren dar. Hierbei stellt die obere Kurve ein Zinkoxydelement mit niedriger Temperatur und die untere Kurve ein solches Element bei höherliegender Temperatur dar. Danach nimmt die Lebensdauer rapide ab, wenn die Spannung den Wert Vo (gemäss Fig. 2) übersteigt.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich somit, dass bei herkömmlichen Konstruktionen solche Überspannungsabieiter eine sich gegen die Hochspannungsseite hin verschiebende Normal-Spannung gegen Erde als Nachteil dadurch erweist, dass die Abschnitte des Stapels nichtlinearer Widerstände näher zur Hochspannungsseite hin rasch zerstört werden.

Eine ähnliche, bekannte 3-Phasen-Konstruktion ist der Fig. 6 zu entnehmen. Dieser 3-Phasen-Überspannungsleiter umfasst 3-Phasen-Komponenten in einem gemeinsamen Metallgehäuse. Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch diese Anordnung entlang der Schnittlinie VII-VII in Fig. 6. Hierbei unterscheidet sich diese Anordnung von der vorbeschriebenen lediglich dadurch, dass hier drei Stapel von nichtlinearen Widerständen 14a, 14b und 14c im Gehäuse 10 untergebracht sind, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, und in welchem die Stapel gleiche Winkelabstände und radiale Abstände von der Gehäuseachse aufweisen. Jeder Stapel ist einer Phase a, b bzw. c zugeordnet, wobei sich je ein elektrischer Leiter 16a, 16b bzw. 16c gasdicht durch ein Isolier-Verschlussstück 18 am oberen Gehäuseende erstreckt

Wie bei der Anordnung gemäss Fig. 1 bilden die nichtlinearen Widerstände 14a, 14b und 14c für die Phasen a, b und c Streukapazitäten Ci, C2 bzw. C3 zum geerdeten Gehäuse. Zudem bestehen hier zwischen den benachbarten Stapeln ebenfalls Streukapazitäten, nämlich Cab zwischen den Phasen a und b, Cbc zwischen den Phasen b und c und Cca zwischen den Phasen c und a. Wird dabei angenommen, dass jeder Stapel n nicht lineare Widerstände umfasst, kann jede Streukapazität in n Teilkapazitäten unterteilt werden, um äquivalente Schaltkreise dieser Anordnung zu erhalten, wie dies der Fig. 8 entnommen werden kann. Durch geeignete Beziehungen sind hierbei die Beziehungen zwischen Streukapazität und zugehö-

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3. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher gekennzeichnet, dass sich die Elektroden (20a, 20b, 20c) achsen- erläutert. Vorerst zeigen:

parallel zur Gehäuselängsachse erstrecken. Fig. 1 in schematischer Darstellung ein herkömmlicher

4. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 251-Phasen-Überspannungsableiter herkömmlicher Bauart, zur gekennzeichnet, dass sich die Elektroden achsenparallel zum Veranschaulichung der damit verbundenen Probleme; betreffenden Stapel nichtlinearer Widerstände erstrecken. Fig. 2 eine Spannungs-Strom-Charakteristik der Anwen-

5. Überspannungsabieiter nach Anspruch 2, dadurch dung gemäss Fig. 1 ;

gekennzeichnet, dass sich jeder Stapel nichtlinearer Wider- Fig. 3 eine Equivalent-Schaltung der Anordnung gemäss stände (14a, 14b, 14c) mit seinem oberen Ende an einer radialen 30 Fig. 1 ;

Abragung (22a bzw. 22b bzw. 22c) der betreffenden Elektrode Fig. 4a eine Potential-Charakteristik der Anordnung abstützt. gemäss Fig. 1 ;

6. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch Fig. 4b den Verlauf des elektrischen Feldes der Anordnung gekennzeichnet, dass die nichtlinearen Widerstände aus einem gemäss Fig. 1 ;

Material mit gesintertem Zinkoxyd bestehen. 35 Fig. 5 eine Graphik zur Veranschaulichung der Lebens-

7. Verwendung des Überspannungsabieiters nach dauer der Anordnung gemäss Fig. 1 ;

Anspruch 1 an einem elektrischen Gerät mit 3-Phasen- Fig. 6 im Querschnitt einer 3-Phasen-Anordnung herkömm-

Anschluss. licher Bauart;

Fig. 7 ein Schnitt entlang der Schnittlinie VII-VII in Fig. 6; 40 Fig. 8 eine Equivalentschaltung der Anordnung gemäss Fig. 7;

Die Fig. 9 und 10 zeigen nun im Querschnitt und im Längsschnitt einen 3-Phasen-Überspannungsableiter gemäss der Die vorliegende Erfindung betrifft einen 3-Phasen-Über- Erfindung.

spannungsableiter mit einem hohlen, zylinderförmigen, geerde- 45 Unter Bezugnahme auf Fig. 1 soll zunächst zur Verdeutli-ten Metallgehäuse, in welchem sich Stapel nichtlinearer Wider- chung auf eine bekannte Einphasen-Anordnung hingewiesen stände vom Gehäuseboden her erstrecken, welche mit werden. Diese Anordnung umfasst ein Metallgehäuse 10 in

Anschlussleitern in Verbindung stehen, die sich nach aussen Form eines Hohlzylinders mit geschlossenem Boden und einge-erstrecken. zogenem Hals, welches mit einem Gas 12 von hohem Dielektri-

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rigem Widerstandselement sichtbar gemacht. Beispielsweise Widerstände 14a mit seinem oberen oder Hochspannungsende bedeutet C die Streukapazität zwischen dem obersten Wider- an einer radialen Abragung 22a im oberen Bereich der Elek-stand der Phase a und dem geerdeten Gehäuse 10 und beispiels- trode 20a abgestützt. Das untere oder Erdspannungsende hingeweise Cbcn die Streukapazität zwischen den untersten (n-ten) gen ist an einer peripheren Schulter am Gehäuseboden abge-Widerständen der Phasen b und c. Die äquivalenten Kreise s stützt.

jeder Phase sind je identisch mit dem Kreis gemäss Fig. 3. Ebenso sind Stapel von nichtlinearen Widerständen 14b

Diese vorbeschriebene Anordnung hat nun die gleichen und 14c zwischen der Elektrode 20b bzw. 20c und dem Gehäu-Nachteile wie die zuerst anhand Fig. 1 beschriebene. Ferner hat seboden in der vorbeschriebenen Weise angeordnet. Auch hier jeder Stapel nichtlineare Widerstände Zwischenphasen-Streu- bestehen die einzelnen nichtlinearen Widerstände aus gesinter-kapazitäten, welche mit den momentanen Betriebsbedingun- io tem Zinkoxyd.

gen ändern. Tritt beispielsweise in Phase a eine Überspannung Durch diese Anordnung ist es möglich, dass die Äquipoten-auf, nehmen die Streukapazitäten Cab und Cca zu, da solche tiallinien, die sich zwischen den Elektroden 20a, 20b oder 20c Kapazitäten so reagieren, als würde der Durchmesser des geer- und dem geerdeten Gehäuse 10 entwickeln, im wesentlichen deten Gehäuses 10 abnehmen. Daraus folgt, dass ein Teil des axial der betreffenden Elektrode verlaufen, wie die gestrichel-nichtlinearen Widerstandstapels der Phasen b und c unter eine is ten Linien 24 in Fig. 10 im Bereich der Elektrode 20a zeigen, höhere Spannung gelangt, was, wie bereits erläutert, diesen Teil und zwar in Abwesenheit des nichtlinearen Widerstandsstapels der Stapel schneller zerstört. 14a. Durch Änderung der Länge, des Durchmessers und der