DE10025685A1

DE10025685A1 - Trennschalt-Vorrichtung für einen Hochspannungs-Überspannungsableiter

Info

Publication number: DE10025685A1
Application number: DE2000125685
Authority: DE
Inventors: Kai Steinfeld
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2001-11-29

Abstract

Eine zur Auftrennung einer Ableitstrombahn eines defekten Hochspannungs-Überspannungsableiters vorgesehene Trennschalt-Vorrichtung weist zumindest zwei parallel zu einem Strompfad angeordnete, sich in einem Bereich koaxial überdeckende Ringelektroden (6, 7) auf. Zwischen diesen Ringelektroden (6, 7) wird während eines Ableitvorganges ein Lichtbogen gezündet. Die im Lichtbogen sowie an einem im Strompfad vom Ableitstrom durchflossenen Widerstandselement (13) freigesetzte thermische Energie wird zur Auslösung eines Explosivantriebes (16) genutzt. DOLLAR A Zumindest eine der Ringelektroden (7) weist einen als Zündhilfe für den Lichtbogen wirkenden Vorsprung (9) auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Trennschalt-Vorrichtung für einen Hochspannungs-Überspannungsableiter, welche zumin dest zwei parallel zu einem Strompfad angeordnete, sich in einem Bereich koaxial überdeckende Ringelektroden zur Zündung eines Lichtbogens sowie einen thermisch auslösbaren Explosiv antrieb aufweist.

Eine derartige Trennschalt-Vorrichtung ist beispielsweise aus der PCT-Anmeldung WO/97/10631 bekannt. Um in Elektroenergie netzen auftretende Überspannungen abzubauen, werden sog. Hochspannungs-Überspannungsableiter eingesetzt. Hochspan nungs-Überspannungsableiter moderner Bauart nutzen zum Schalten einer Ableitstrombahn Metalloxidableitblöcke, welche in der Lage sind ihre Leitfähigkeit in Abhängigkeit der an liegenden Spannung zu ändern. Ein Hochspannungs-Überspan nungsableiter mit defektem Metalloxidableitblock stellt in einem Elektroenergienetz einen Dauerkurzschluss dar. Insbe sondere in nicht gelöschten Netzen muss die Ableitstrombahn unterbrochen werden. Zur Unterbrechung der Ableitstrombahn wird die bekannte Trennschalt-Vorrichtung genutzt. Die Trenn schalt-Vorrichtung weist einen Strompfad auf, in dessen Ver lauf ein elektrisches Widerstandselement angeordnet ist. Parallel zu dem Strompfad bilden zwei Ringelektroden eine Lichtbogenstrecke aus. Zum Bewirken der Trennung der Ableit strombahn ist ein Explosivantrieb vorgesehen.

Während eines Überspannungsableitvorganges fließt der Ableit strom zunächst über den Strompfad der Trennschalt-Vorrichtung ab. Aufgrund der Dimensionierung des Widerstandselementes tritt an ihm ein derartiger Spannungsabfall auf, dass der Ableitstrom zu wesentlichen Anteilen unter Bildung eines Licht bogens über die beiden Ringelektroden fließt. Dieser Ableit vorgang ist nach maximal einigen Millisekunden abgeschlossen. Die dabei im Lichtbogen und am Widerstandselement entstehende thermische Energie reicht zur Zündung des Explosivantriebes nicht aus.

Die ringförmige Ausbildung der beiden Elektroden führt zu ei ner quasi homogenen elektrische Feldverteilung zwischen den selben. Das Zünden des Lichtbogens erfolgt innerhalb des ho mogenen Feldes an einer beliebigen, unbestimmten Stelle. Das führt dazu, dass für die Funktion wesentliche Teile, wie bei spielsweise das Widerstandselement oder der Explosivantrieb einer zusätzlichen thermischen Belastung unterliegen können. Durch diese thermische Belastung wird das Betriebsverhalten der Trennschalt-Vorrichtung so beeinträchtigt, dass bei dem Auftreten beherrschbarer Überspannungen eine Fehlauslösung des Explosivantriebes der Trennschalt-Vorrichtung erfolgen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Trennschalt-Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszu bilden, dass ein zuverlässigerer Betrieb der Trennschalt- Vorrichtung gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird bei einer Trennschalt-Vorrichtung der ein gangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich der koaxialen Überdeckung zumindest eine der Ring elektroden einen das elektrische Feld konzentrierenden, als Zündhilfe für den Lichtbogen wirkenden Vorsprung aufweist.

Ein derartiger Vorsprung lässt sich konstruktiv einfach in die Ringelektrodenanordnung einbringen. Der Vorsprung kann dabei an einer beliebigen oder an mehreren Ringelektroden an geordnet sein. Das während eines Ableitvorganges zwischen den Ringelektroden auftretende elektrische Feld wird durch den. Vorsprung in seiner Homogenität gestört. Das Zünden des Lichtbogens wird durch die an dem Vorsprung auftretende er höhte elektrische Feldstärke positiv beeinflusst. Der Licht bogen erhält einen bevorzugten Ansatzpunkt. Ein Zünden des Lichtbogens an einem beliebigen Ort wird vermieden. Weitere in der Trennschalt-Vorrichtung enthaltene Elemente, wie bei spielsweise das Widerstandselement oder der Explosivantrieb, werden so vor der Einwirkung des Lichtbogens geschützt.

Weiterhin kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Vor sprung ringförmig umlaufend ausgebildet ist.

Mit der ringförmigen Ausbildung des Vorsprungs wird eine Vielzahl von Ansatzpunkten für den Lichtbogen innerhalb des elektrischen Feldes geschaffen. Der im Ableitfall auftretende Lichtbogen kann an der Vielzahl von möglichen Ansatzpunkten brennen. Der durch den Lichtbogen erzeugte Abbrand am Vor sprung wird auf eine größere Fläche verteilt, wodurch die Standzeit des Vorsprungs und damit die Lebensdauer der gesam ten Trennschalt-Vorrichtung erhöht wird. Weiterhin wird durch den ringförmigen Umlauf das zwischen den Ringelektroden aus gebildete elektrische Feld gleichmäßig beeinflusst. Einzelne Konzentrationspunkte erhöhter Feldstärke werden so vermieden.

Außerdem kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Vor sprung eine diskrete Spitze/Kante aufweist.

Eine diskrete Spitze/Kante stellt in einem elektrischen Feld eine geeignete Form dar, die elektrische Feldstärkeverteilung zu beeinflussen. Es wird innerhalb des elektrischen Feldes eine sog. Spitze-Platte Konfiguration erzeugt. Die Spitze- Platte Konfiguration innerhalb des elektrischen Feldes stellt eine sehr wirksame Anordnung zum Erzielen einer hohen Feld stärke dar. Die Ausbildung einer diskreten Spitze/Kante fördert die Zündung des Lichtbogens durch die auftretende Erhö hung der lokalen elektrischen Feldstärke.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung ge zeigt und nachfolgend näher beschrieben.

Dabei zeigt die

Figur den schematischen Aufbau der Trennschalt-Vorrich tung.

Die Trennschalt-Vorrichtung weist einen ersten Elektroden körper 1 sowie einen zweiten Elektrodenkörper 2 auf. Zum Ein bringen der Trennschalt-Vorrichtung in eine gegen Erdpotenti al ableitende Ableitstrombahn eines Hochspannungs-Überspan nungsableiters ist der erste Elektrodenkörper 1 mit einer Ge windebohrung 3 versehen und der zweite Elektrodenkörper 2 weist einen Gewindebolzen 4 auf. Der erste Elektrodenkörper 1 und der zweite Elektrodenkörper 2 sind von einem isolierenden Gehäuse 5 umgeben. Am ersten Elektrodenkörper 1 ist eine ers te hohlzylindrische Ringelektrode 6 angeordnet. Der zweite Elektrodenkörper 2 weist eine zweite hohlzylindrische Ring elektrode 7 auf. Die erste und die zweite Ringelektrode 6, 7 bilden eine Lichtbogenstrecke 8. Die zweite Ringelektrode 7 ist in einem Teil ihrer axialen Ausdehnung von der ersten Ringelektrode 6 koaxial überdeckt. In dem Bereich der koaxia len Überdeckung weist die zweite Ringelektrode 7 einen Vor sprung 9 auf. Dieser Vorsprung 9 ist ringförmig umlaufend ausgebildet und weist eine Kante 10 auf, die radial auf die erste Ringelektrode 6 gerichtet ist. Der erste Elektroden körper 1 weist auf seiner der Lichtbogenstrecke 8 zugewandten Seite eine erste konzentrische Bohrung 11 auf. Der zweite Elektrodenkörper 2 weist auf seiner der Lichtbogenstrecke 8 zugewandten Seite eine zweite konzentrische Bohrung 12 auf. Die erste konzentrische Bohrung 11 sowie die zweite konzen trische Bohrung 12 dienen der Aufnahme von Elementen zur Ausbildung eines parallel zu der Lichtbogenstrecke 8 angeordne ten Strompfades. Dieser Strompfad weist ein Widerstandsele ment 13 auf, welches durch eine Druckfeder 14 mit dem ersten Elektrodenkörper 1 kontaktiert und positioniert ist. Das Wi derstandselement 13 und ein Teil der Druckfeder 14 sind in nerhalb eines Isolierrohres 15 geführt. In der zweiten kon zentrischen Bohrung 12 ist ein Explosivantrieb 16 angeordnet, dessen Gehäuse elektrisch leitend mit dem zweiten Elektroden körper 2 und über eine elektrisch leitenden Trennscheibe 17 mit dem Widerstandselement 13 kontaktiert ist. Zum Erzielen einer thermisch gut leitenden Verbindung zwischen Wider standselement 13 und Explosivantrieb 16, wird das Wider standselement 13 durch die Druckfeder 14 gegen die Trenn scheibe 17 gepresst.

Unter Nennbetriebsbedingungen weist ein Metalloxidableitblock eines Hochspannungs-Überspannungsableiters einen sehr hohen, jedoch endlichen elektrischen Widerstand auf. Der endliche elektrische Widerstand des Metalloxidableitblocks bewirkt ei nen sog. Leckstrom des Hochspannungs-Überspannungsableiters, welcher über den parallel zu den Ringelektroden 6, 7 angeord neten Strompfad zum Erdpotential abfließt. Dieser stetige, nur einige mA große Leckstrom erwärmt das Widerstandselement 13 der Trennschalt-Vorrichtung nur in geringem Maße. Der über dem Widerstandselement 13 auftretende Spannungsfall bewirkt zwischen der ersten und der zweiten Ringelektrode 6, 7 kein ausreichend starkes elektrisches Feld, um einen Lichtbogen in der Lichtbogenstrecke 8 zu zünden.

Bei einer auftretenden Überspannung vermindert sich der elek trische Widerstand des Metalloxidableitblocks des Hochspan nungs-Überspannungsableiters so, dass sich ein Ableitstrom gegen Erdpotential ausbilden kann. Innerhalb der Trennschalt- Vorrichtung fließt der Ableitstrom zunächst durch den paral lel zu den Ringelektroden 6, 7 angeordneten Strompfad. Bedingt durch die Dimensionierung des Widerstandselementes 13 ruft der starke Ableitstrom (einige kA) einen derartig hohen Spannungsabfall an dem Widerstandselement 13 hervor, dass sich zwischen den Ringelektroden 6, 7 ein so starkes elektri sches Feld ausbildet, dass ein Lichtbogen in der Lichtbogen strecke 8 gezündet wird und der Ableitstrom auch über den Lichtbogen abfließt. Nach dem Abbau der Überspannung unter bricht der Metalloxidableitblock des Hochspannungs- Überspannungsableiters die Ableitstrombahn. Der Ableitstrom fließt nur einige µs bis ms. Die freigesetzte thermische E nergie ist aufgrund der kurzen Zeitdauer des Ableitvorganges als gering einzuschätzen.

Bei einem Fehler im Hochspannungs-Überspannungsableiter, bei spielsweise einem Kurzschluss im Metalloxidableitblock, wird der elektrische Widerstand der Ableitstrombahn derartig ver mindert, dass ein durch die Nennspannung des Elektroenergie netzes getriebener Fehlerstrom von einigen 10 A bis kA fließt. Dieser Fehlerstrom fließt innerhalb der Trennschalt- Vorrichtung zunächst über das parallel zur Lichtbogenstrecke angeordnete Widerstandselement 13 zum Erdpotential ab und be wirkt einen entsprechend großen Spannungsabfall am Wider standselement 13. Wie bei einem Überspannungsableitvorgang kommutiert der Fehlerstrom auch auf den zwischen den beiden Ringelektroden 6, 7 gezündeten Lichtbogen. Die durch den Feh lerstrom am Widerstandselement 13 sowie im Lichtbogen entste hende thermische Energie wirkt dabei über einen längeren Zeitraum von einigen Sekunden bis zu einigen Stunden auf die Trennschalt-Vorrichtung ein. Die auftretende thermische Ener gie ist so groß, dass der Explosivantrieb 16 ausgelöst und dadurch die Ableitstrombahn aufgetrennt wird.

Durch den an der zweiten Ringelektrode 7 angeordneten Vor sprung 9 wird das zu Beginn eines Ableitvorganges zwischen den beiden Ringelektroden 6, 7 entstehende elektrische Feld derartig beeinflusst, dass der Lichtbogen bevorzugt an dem Vorsprung 9 gezündet wird und einen relativ stabilen Fußpunkt aufweist. Es wird vermieden, dass der Fußpunkt des Lichtbo gens an der zweiten Ringelelektrode 7 in axialer Richtung wandert. Damit ist es wirkungsvoll unterbunden, dass der Lichtbogen andere Elemente, wie beispielsweise das Isolier rohr 15 in ihrer Funktion beeinträchtigt. Fehlauslösungen der Trennschalt-Vorrichtung wird vorgebeugt und die Alterung durch den thermischen Einfluss eines wandernden Lichtbogens wird vermieden.

Claims

1. Trennschalt-Vorrichtung für einen Hochspannungs- Überspannungsableiter, welche zumindest zwei parallel zu ei nem Strompfad angeordnete, sich in einem Bereich koaxial ü berdeckende Ringelektroden (6, 7) zur Zündung eines Lichtbo gens sowie einen thermisch auslösbaren Explosivantrieb (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der koaxialen Überdeckung zumindest eine der Ringelektroden (7) einen das elektrische Feld konzentrieren den, als Zündhilfe für den Lichtbogen wirkenden Vorsprung (9) aufweist.

2. Trennschalt-Vorrichtung für einen Hochspannungs- Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (9) ringförmig umlaufend ausgebildet ist.

3. Trennschalt-Vorrichtung für einen Hochspannungs- Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (9) eine diskrete Spitze/Kante (10) auf weist.