CH642492A5

CH642492A5 - Encapsulated over voltage suppressor

Info

Publication number: CH642492A5
Application number: CH782179A
Authority: CH
Inventors: Bernard Dr Knecht
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1979-08-29
Filing date: 1979-08-29
Publication date: 1984-04-13
Also published as: DE2938073A1

Description

Die Erfindung betrifft einen in ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse eingeschlossenen Überspannungsabieiter mit scheibenförmigen Ableiterelementen, welche mit ihren Stirnseiten zu mindestens einer Säule übereinanderge-stapelt und von ringförmigen, im Inneren des Gehäuses befindlichen Abschirmelementen umschlossen sind, wobei je zwei benachbarte Abschirmelemente über mindestens ein spannungssteuerndes Element verbunden sind, und wobei die spannungssteuernden Elemente als parallel zur Säule aus den Ableiterelementen liegende Kette geschaltet sind. The invention relates to a surge arrester enclosed in an electrically conductive and grounded housing and having disc-shaped arrester elements, the end faces of which are stacked one above the other to form at least one column and are surrounded by ring-shaped shielding elements located inside the housing, two adjacent shielding elements each having at least one voltage-controlling element Element are connected, and wherein the voltage-controlling elements are connected as a chain lying parallel to the column of the arrester elements.

Aus der CH-PS 551703 sind bereits ein Überspannungsabieiter der vorgenannten Art bekannt, bei dem die als Löschfunkenstrecke ausgebildeten Ableiterelemente in einem iso-liermittelgefüllten ersten und die Abschirm- und Steuerelemente in einem vom ersten getrennten isoliermittelgefüllten zweiten Raum untergebracht sind. Als Steuerelemente müssen hierbei Kapazitäten verwendet werden, da die beim Ansprechen der Löschfunkenstrecken auftretende Verteilung des zu steuernden elektrischen Feldes frequenzabhängig ist. Durch diese kapazitive Steuerung wird eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes des Überspannungsabieiters beim Ansprechen erreicht. From CH-PS 551703 an overvoltage arrester of the aforementioned type is already known, in which the arrester elements designed as an extinguishing spark gap are accommodated in an insulating-filled first and the shielding and control elements in a second space separated from the first isolating agent-filled. Capacitors must be used here as control elements, since the distribution of the electrical field to be controlled which occurs when the extinguishing spark gaps respond is frequency-dependent. This capacitive control ensures a homogeneous distribution of the electrical field of the surge arrester when activated.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen Überspannungsablei-ter der vorgenannten Art zu schaffen, bei dem die Verteilung des zu steuernden elektrischen Feldes nur bei normaler Betriebsspannung nötig ist, so dass der Überspannungsablei-ter mit konstruktiv einfachen Mitteln und somit äusserst preisgünstig herzustellen ist. It is an object of the invention to provide an overvoltage arrester of the aforementioned type in which the distribution of the electric field to be controlled is only necessary with normal operating voltage, so that the overvoltage arrester can be manufactured with simple constructional means and thus extremely inexpensively.

Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 vorliegenden Merkmale gelöst. According to the invention, the aforementioned object is achieved by the features present in the characterizing part of patent claim 1.

Der erfindungsgemässe Überspannungsabieiter zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass er konstruktiv insofern einfach gestaltet werden kann, als die Abieiter-, Abschirm- und Steuerelemente in einen einzigen isoliermittelgefüllten Raum untergebracht werden können. Darüber hinaus werden als Steuerelemente preisgünstige ohmsche Widerstände verwendet, was dadurch ermöglicht wird, dass Überspannungsablei-ter bei denen nichtlineare, löschfunkenstreckenfreie Festkörperwiderstände als Ableiterelemente vorgesehen sind, nur unter normalen Bedingungen, d.h. nur bei betriebsfrequenten Spannungen ohne Überspannungen, also nur bei einer Frequenz funktionsfähig sein müssen. Dieser Vorteil des erfin-dungsgemässen Überspannungsabieiters ergibt sich aus dem Verlauf der Strom-Spannungs-Charakteristik der als Ableiterelemente verwendeten Festkörperwiderstände. Sobald nämlich eine kleine Überspannung am Überspannungsabieiter auftritt, leiten die Festkörperwiderstände sofort einen derartig hohen Strom, dass der Strom durch das dem Hochspannungs-anschluss am nächsten gelegene Ableiterelement sich kaum vom Strom durch das der Erde nächste Ableiterelement unterscheidet. The surge arrester according to the invention is characterized above all by the fact that it can be structurally simple in that the arrester, shielding and control elements can be accommodated in a single space filled with insulation. In addition, inexpensive ohmic resistors are used as control elements, which is made possible by the fact that surge arresters in which non-linear, spark-gap-free solid-state resistors are provided as arrester elements only under normal conditions, i.e. only have to be functional at operating frequency voltages without overvoltages, i.e. only at one frequency. This advantage of the surge arrester according to the invention results from the course of the current-voltage characteristic of the solid-state resistors used as arrester elements. As soon as a small overvoltage occurs at the surge arrester, the solid-state resistors immediately conduct such a high current that the current through the arrester element closest to the high-voltage connection hardly differs from the current through the arrester element closest to earth.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. Hierbei beziehen sich in allen Figuren gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente. Es zeigt: Further advantages of the invention emerge from the following description of an exemplary embodiment in conjunction with the accompanying drawing. Here, the same reference numerals refer to the same elements in all the figures. It shows:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Schnitt durch den Über-spannungsableiter nach der Erfindung, und Fig. 1 is a plan view of a section through the surge arrester according to the invention, and

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der als Kette geschalteten Steuerelemente und der durch die Abschirmelemente dargestellter Kapazität zur Erde. Fig. 2 is an equivalent circuit diagram of the control elements connected as a chain and the capacitance to earth represented by the shielding elements.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen A zylindersymmetrische Zinkoxyd-Scheiben, welche säulenförmig übereinan-dergestapelt sind, wobei die unterste Scheibe mit Erde und die oberste Scheibe mit Hochspannung HV verbunden ist. Diese Scheiben bilden die Ableiterelemente des Aktivteils eines Abieiters und befinden sich im Inneren einer metallischen Kapselung K, welche mit einem Isoliermittel, etwa gasförmigem Schwefelhexafluorid (SFä), gefüllt ist. In FIG. 1, the reference symbol A denotes cylindrical-symmetrical zinc oxide disks which are stacked on top of one another in the form of a column, the bottom disk being connected to earth and the top disk being connected to high voltage HV. These disks form the arrester elements of the active part of a surge arrester and are located inside a metallic encapsulation K, which is filled with an insulating agent, such as gaseous sulfur hexafluoride (SFä).

Zwischen den Ableiterelementen A und der Kapselung K befindet sich eine Kette von in der Zeichnung nicht dargestellten, isolierenden Substraten, auf denen ringförmige, elektrisch leitfähige Abschirmelemente Bi,..., Bm aufgebracht sind. Zwischen je zwei Abschirmelementen Bi,..., Bm und in elektrischem Kontakt damit stehen ohmsche Widerstände R9, Ri,..., Rm, welche als parallel zum Aktivteil liegende Kette geschaltet sind, so dass der unterste Widerstand Ro auf Erdpotential und der oberste Widerstand Rm auf Hochspannung HV liegt. Diese ohmschen Widerstände wirken als Steuerelemente des in den Abschirmelementen Bi,..., Bm auftretenden Verschiebungsstromes und sind derart bemessen, dass die radiale (von der Achse der säulenförmig gestapelten Halbleiterelemente radial nach aussen gerichtete) und azimutale (horizontal um die Achse der säulenförmig gestapelten Ableiterelemente wirkende) Komponente des innerhalb der Abschirmelemente Bi,..., Bm unter normaler Betriebsspannung entstehenden elektrischen Feldes Er und Eu minimal ist. Die ohmschen Widerstände Ro, Ri,..., Rm können nichtlineares Siliziumkarbid enthaltende Widerstände sein. Diese Widerstände können zumindest teilweise auch aus einer metallischen Verbindung mit kleinem spezifischen Widerstand bestehen. Between the arrester elements A and the encapsulation K there is a chain of insulating substrates, not shown in the drawing, on which ring-shaped, electrically conductive shielding elements Bi, ..., Bm are applied. Between two shielding elements Bi, ..., Bm and in electrical contact therewith there are ohmic resistors R9, Ri, ..., Rm, which are connected as a chain lying parallel to the active part, so that the lowest resistance Ro is at ground potential and the highest Resistance Rm is at high voltage HV. These ohmic resistors act as control elements of the displacement current occurring in the shielding elements Bi, ..., Bm and are dimensioned such that the radial (from the axis of the columnar stacked semiconductor elements directed radially outwards) and azimuthal (horizontal around the axis of the columnar stacked) Discharge element acting) component of the electrical field Er and Eu generated within the shielding elements Bi, ..., Bm under normal operating voltage is minimal. The ohmic resistors Ro, Ri, ..., Rm can be resistors containing non-linear silicon carbide. These resistors can at least partially consist of a metallic connection with a low specific resistance.

Es empfiehlt sich, als Ableiterelemente A Substanzen, die mindestens 25 Gew.-% Zinkoxyd enthalten zu verwenden. It is advisable to use substances containing at least 25% by weight zinc oxide as arrester elements A.

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

642 492 642 492

Gut bewährt haben sich beispielsweise Kompositkeramiken, welche mindestens 80 Gew.-% Zinkoxyd aufweisen. Anstelle von Zinkoxyd kann auch ein anderer nichtlinearer, löschfun-kenstreckenfreier Festkörperwiderstand als Ableiterelemente A eingesetzt werden. Auch ist es möglich, die Ableiterele- 5 mente A in parallel nebeneinander liegenden Stapeln anzuordnen. For example, composite ceramics which have at least 80% by weight of zinc oxide have proven successful. Instead of zinc oxide, another nonlinear solid-state resistor that is free of spark gaps can be used as arrester elements A. It is also possible to arrange the arrester elements A in stacks lying next to one another in parallel.

Die Abschirmelemente Bi,..., Bm können als leitfähige Schichten ausgebildet sein. Die Steuerelemente Ro,..., Rm werden vorzugsweise derart bemessen, dass in den dem io The shielding elements Bi, ..., Bm can be designed as conductive layers. The control elements Ro, ..., Rm are preferably dimensioned such that in the io

Hochspannungsanschluss HV nächsten Steuerelement Rm bei Betriebsspannung ein Strom < 100 mA, vorzugsweise < 10 mA, fliesst. Es ist vorteilhaft, die Abschirmelemente torusför-mig zu gestalten, was etwa durch Auftragen einer leitfähigen Schicht auf torusförmige Kunststoffringe erfolgen kann. Die is Schichtdicken der Abschirmelemente Bi,..., Bm ist verglichen mit den Abmessungen des isolierten Substrates, etwa den Toren, gering. High voltage connection HV next control element Rm at operating voltage a current <100 mA, preferably <10 mA, flows. It is advantageous to make the shielding elements toroidal, which can be done, for example, by applying a conductive layer to toroidal plastic rings. The layer thickness of the shielding elements Bi, ..., Bm is small compared to the dimensions of the insulated substrate, such as the gates.

Es ist auch möglich, parallel zu einem geringen Teil der Ableiterelemente A, etwa jedem fünften, vorzugsweise aber 20 zu weniger als jedem zehnten, Funkenstrecken zu schalten. It is also possible to connect spark gaps in parallel to a small part of the arrester elements A, for example every fifth, but preferably 20 to less than every tenth.

Diese Funkenstrecken müssen dann aber im Gegensatz zu den Ableiterelementen in einem gegenüber dem im Inneren der Kapselung K befindlichen Isoliergas abgeschotteten Raum untergebracht werden. 25 In contrast to the arrester elements, these spark gaps must then be accommodated in a space which is sealed off from the insulating gas located inside the encapsulation K. 25th

Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Abieiters wird nun anhand der Fig. 2 näher erläutert. Die der Fig. 2 zugrundeliegende Ersatzschaltung ergibt sich daraus, dass die Zinkoxyd-Ableiterelemente sich bei Anlegen der Betriebsspannung HV von beispielsweise 50 oder 60 Hz an den Ablei- 30 ter wie Kapazitäten verhalten. Bei Verwendung von Scheiben mit 110 mm Durchmesser und 20 mm Dicke beträgt die Grösse der Kapazität einer einzelnen Scheibe etwa 6 nF. The mode of operation of the drain according to the invention will now be explained in more detail with reference to FIG. 2. The equivalent circuit on which FIG. 2 is based results from the fact that the zinc oxide arrester elements behave like capacitances when the operating voltage HV of, for example, 50 or 60 Hz is applied to the arrester. When using disks with a diameter of 110 mm and a thickness of 20 mm, the size of the capacity of a single disk is approximately 6 nF.

Solange die Kapazitäten der Ableiterelemente gross gegenüber den Kapazitäten dieser Ableiterelemente gegenüber Erde sind, bewirkt der kapazitive Strom in den Ableiterelementen eine sehr gute Spannungsverteilung längs des Abieiters. In gekapselten Abieitern wird der Wert der Kapazität zwischen einem einzelnen Ableiterelement und der Kapselung K gegebenenfalls 1 pF erreichen, so dass eine ungleich-massige Spannungsverteilung längs des Abieiters bei normalen Betriebsspannungen HV auftreten kann. Tritt nun eine kleine Überspannung am Abieiter auf, so leiten die Ableiterelemente A sofort einen so hohen Strom, dass der Strom durch die dem Hochspannungsleiter nächstgelegene Ableiterscheibe sich kaum vom Strom durch die der Erde nächstgelegenen Ableiterscheibe unterscheiden. Da der Überspannungsvorgang kurz ist, schadet dieser durch die Überspannung hervorgerufene hohe Strom den Scheiben nicht. Bei normaler Betriebsspannung hingegen ist die radiale und azimutale Komponente des innerhalb der Abschirmelemente des Über-spannungsableiters entstehenden elektrischen Feldes so hoch, dass Ströme von mehr als 10 mA durch den Abieiter fliessen. Bei derartigen Strömen verhalten sich aber die Ableiterscheiben A als Widerstände, wodurch eine unerwünschte Erwärmung bewirkt wird. Durch die Abschirmringe Bi,..., Bm und die Steuerelemente Ro,..., Rm wird dieser Strom aber herabgesetzt, da er gezwungen wird, durch die Steuerelemente Ro,..., Rra und nicht allein durch die Ableiterelemente A zu fliessen. As long as the capacitance of the arrester elements is large compared to the capacitance of these arrester elements to earth, the capacitive current in the arrester elements causes a very good voltage distribution along the arrester. In encapsulated arresters, the value of the capacitance between an individual arrester element and the encapsulation K may reach 1 pF, so that a non-uniform voltage distribution along the arrester can occur at normal operating voltages HV. If a small overvoltage occurs at the arrester, the arrester elements A immediately conduct such a high current that the current through the arrester disk closest to the high-voltage conductor hardly differs from the current through the arrester disk closest to earth. Since the overvoltage process is short, this high current caused by the overvoltage does not damage the panes. With normal operating voltage, however, the radial and azimuthal component of the electrical field created within the shielding elements of the surge arrester is so high that currents of more than 10 mA flow through the arrester. With such currents, however, the arrester disks A act as resistors, which causes undesirable heating. However, this current is reduced by the shielding rings Bi, ..., Bm and the control elements Ro, ..., Rm, since it is forced to flow through the control elements Ro, ..., Rra and not solely through the arrester elements A. .

Zum Beispiel werden an sich bekannte torusförmige Abschirmelemente Bi,..., Bm verwendet. Als Steuerelemente werden ohmsche lineare Widerstände Ro,..., Rm verwendet, deren Werte so gewählt sind, dass die radiale und azimutale Komponente des elektrischen Feldes innerhalb des durch die Abschirmringe begrenzten Zylinders fast verschwinden. For example, known toroidal shielding elements Bi, ..., Bm are used. Ohmic linear resistances Ro, ..., Rm are used as control elements, the values of which are chosen so that the radial and azimuthal component of the electric field within the cylinder delimited by the shielding rings almost disappear.

G G

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

642 492

1. In an electrically conductive and grounded housing enclosed surge arrester with disk-shaped arrester elements, which are stacked with their end faces to form at least one column and surrounded by ring-shaped shielding elements located inside the housing, two adjacent shielding elements being connected via at least one voltage-controlling element , and wherein the voltage-controlling elements are connected as a chain lying parallel to the column of the arrester elements, characterized in that non-linear solid-state resistors (A) free of spark gaps are provided as arrester elements and ohmic resistors (Ro, .. Rm) are provided as control elements, the ohmic resistances (Ro, .. Rm) are dimensioned such that the radial and azimuthal component (Er, Eu) of the electrical field generated within the shielding elements (Bi, ..., Bm) of the surge arrester is minimal.

2. Surge arrester according to claim 1, characterized in that the arrester elements (A) contain at least 25% by weight of zinc oxide.

2nd

PATENT CLAIMS

3, characterized in that non-linear resistors containing silicon carbide are provided as voltage-controlling elements (Ro, ..., Rm).

3. Surge arrester according to claim 2, characterized in that the arrester elements (A) contain at least 80% by weight of zinc oxide.

4, characterized in that insulating substrates are provided between the conductor elements (A) and the housing (K) and that the shielding elements (Bi, ..., Bm) are applied to each of these substrates in the form of conductive layers.

4. Surge arrester according to one of claims 1 to

5. Surge arrester according to one of claims 1 to

6. Surge arrester according to claim 5, characterized in that toroidal plastic rings are provided as substrates.