DE102008005678B4

DE102008005678B4 - Überspannungsableiter

Info

Publication number: DE102008005678B4
Application number: DE102008005678.2A
Authority: DE
Inventors: Petronella Fähraeus; Gunnar Persson; Daniel K. Johannson; Lars-Erik Leu
Original assignee: ABB Power Grids Switzerland AG
Current assignee: Hitachi Energy Ltd Ch
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: CN201215749Y; DE102008005678A1

Abstract

Überspannungsableiter (1) umfassendeine erste Endelektrode (2) und eine zweite Endelektrode (3),einen Stapel (4) aus mehreren Varsitorenblöcken (5), die nacheinander in der axialen Richtung der Varsitorenblöcke (5) zwischen den ersten und zweiten Endelektroden angeordnet sind, undmindestens ein elektrisch isolierendes Element (6, 7, 8),dadurch gekennzeichnet, dassdas elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) Basalt umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Überspannungsableiter. Insbesondere betrifft die Erfindung Überspannungsableiter für mittlere oder hohe Spannung, die ein isolierendes Element umfassen.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Überspannungsableiter werden zum Schutz von elektrischer Ausrüstung vor Überspannungen in Stromversorgungssystemen verwendet. Ein gebräuchliches Produkt für diesen Zweck sind zylindrische Blöcke aus Metalloxid, beispielsweise Zinkoxid, so genannte Varsitoren. Sie weisen die Eigenschaft auf, einen hohen Widerstand bei niedrigen Spannungen und einen niedrigen Widerstand bei hohen Spannungen zu haben.
In dieser Beschreibung und in den folgenden Ansprüchen bezieht sich „mittlere und hohe Spannungen“ auf Spannungen von 1 kV und mehr.
Wenn die Betriebsspannung höher ist als dem, was ein einzelner Varsitor widerstehen kann und nach wie vor einen hohen Widerstand aufzeigt, werden verschiedene Blöcke in Reihe zu einem Stapel verbunden. Um große Ströme durch einen Stapel zu führen, muss ein ausreichender Kontaktdruck zwischen den Blöcken erreicht werden. Dies wird durch die Bereitstellung von Klemmelementen erreicht, die erste und zweite Endelektroden verbinden.
US 5 291 366 A offenbart einen Überspannungsableiter mit einem Stapel aus Zinkoxidblöcken, der zwischen zwei Endelektroden mit Hilfe eines Klemmelements geklemmt ist, das aus zwei die zwei Endelektroden verbindenden isolierenden Elementen besteht. Die Klemmelemente sind aus starren Kunststoffstreifen hergestellt, die wiederum aus glasfaserverstärktem Epoxidharz hergestellt sind.
Die Abmessung eines Überspannungsableiters ist entscheidend und da seine Funktion als Schutz - für beispielsweise einen Umwandler - einschließt, dass er große Ströme für kurze Zeit führen muss, kann das Risiko eines Zusammenbruchs bzw. Durchbruchs nie vollständig ausgeschlossen werden. Dies kann beispielsweise durch Ionisierung und elektrische Entladungen in oder um die Varsitorenblöcke herum geschehen, die durch eine mittels Gaserzeugung verursachte Druckerhöhung die Hülle der Überspannungsableiter explodieren lassen können.
EP 0 683 496 B 1 offenbart einen Überspannungsableiter, bei dem ein Varsitorenstapel und Klemmelement in Form von Kompressionsschleifen radial durch eine Explodieren-verhindernde Bandage aus isolierenden Material umgeben sind, die mit Öffnungen zum Druckablass bereitgestellt wird. Die Explodieren-verhindernde Bandage kann aus mehreren tubulären Ringen bestehen, die mit einem bestimmten axialen Abstand untereinander angeordnet sind. Eine Hülle, beispielsweise aus Gummi, ist auf die Explodieren-verhindernde Bandage aufgegossen, so dass das Material auch den Raum zwischen dem Varsitorenstapel und den Ringen ausfüllt. Die Explodieren-verhindernde Bandage oder die Kompressionsschleifen können fortlaufend gewundene Glas- oder Aramidfasern in einem wärmehärtbaren Harz, so wie Epoxid, Vinylester oder Polyester, umfassen.
DE 24 17 369 A beschreibt ein Prepreg für elektrische Isolierung und Verwendung desselben.
Ein Überspannungsableiter weist normalerweise eine Basis aus Aluminium auf, die an seinem zweiten Ende angebracht ist, um den Ableiter zu stützen. Die Basis des Überspannungsableiters muss außerdem der Last des Überspannungsableiters und manchmal der Last und Bewegung von der eingehenden Leitung widerstehen. Manchmal umfasst der Überspannungsableiter mehrere Ableitereinheiten, die übereinander angeordnet sind, was den Überspannungsableiter schwer macht und weiterhin die Last auf die Basis erhöht. Um den Überspannungsableiter gegen die Erde zu isolieren, werden mehrere Füße aus isolierendem Material zwischen der Erde und der Basis aus Aluminium angeordnet.
Es besteht ein Bedarf, die heutigen Überspannungsableiter in mehrerer Hinsicht zu verbessern, beispielsweise durch verbessern der mechanischen Festigkeit des Überspannungsableiters und auch, um eine kosteneffektivere Alternative zu bekannten Überspannungsableitern bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter des Typs bereitzustellen, der als Oberbegriff in Anspruch 1 aufgeführt und aus EP 0 683 496 B1 bekannt ist und verbesserte oder vergleichbare Eigenschaften verglichen mit den Überspannungsableitern des Standes der Technik aufweist.
Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Überspannungsableiter nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden aus der folgenden Beschreibung und aus den abhängigen Ansprüchen ersichtlich.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Überspannungsableiter eine erste Endelektrode und eine zweite Endelektrode, einen Stapel aus mehreren zylinderförmigen Varsitorenblöcken, die einer nach dem anderen in axialer Richtung der Varsitorenblöcke zwischen ersten und zweiten Endelektroden angeordnet sind, und mindestens ein Basalt-umfassendes elektrisch isolierendes Element. Durch die Verwendung von Basalt in mindestens einem der elektrisch isolierenden Elemente wird die mechanische Festigkeit des isolierenden Elements, beispielsweise die Zugbelastbarkeit, verbessert, wenn die gleiche Menge an Material verwendet wird, wie für ein isolierendes Element in einem Überspannungsableiter gemäß dem Stand der Technik.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das elektrisch isolierende Element Basalt in Form von Basaltfasern. Durch die Verwendung von Basaltfasern anstelle von zuvor verwendeten Materialien in mindestens einem der elektrisch isolierenden Elemente des Überspannungsableiters wird die Zugbelastbarkeit des Elements, verglichen mit einem isolierenden Element gleicher Abmessung in einem Überspannungsableiter gemäß dem Stand der Technik, erhöht.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das elektrisch isolierende Element in einem Harz eingebettete Basaltfasern. Das Harz ist vorzugsweise ein wärmehärtbares Harz, beispielsweise Epoxid, Vinylester oder Polyester.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das elektrisch isolierende Element eine Explodieren-verhindernde Bandage, die um die Varsitorenblöcke herum angeordnet ist. Die Explodieren-verhindernden Bandagen sind beispielsweise als Ringe um den Varsitorenstapel herum angeordnet und weisen Öffnungen zwischen den Ringen auf, um einen Druckablass im Falle eines Kurzschlussereignisses zu ermöglichen. Durch Herstellen der Explodieren-verhindernden Bandage aus einem Basalt umfassenden Materials werden der Explodieren-verhindernden Bandage hervorragende mechanische Eigenschaften mit hoher Zugbelastbarkeit verliehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das elektrisch isolierende Element mindestens ein Klemmelement, das die Elektroden so verbindet, dass ein axialer Kontaktdruck zwischen den Varsitorenblöcken und den Elektroden bereitgestellt ist. Durch Herstellen der Klemmelemente aus einem Basalt umfassenden Material werden den Klemmelementen hervorragende mechanische Eigenschaften mit hoher Zugbelastbarkeit verliehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das Klemmelement eine Kompressionsschleife, die den Stapel aus Varsitorenblöcken und die Elektroden axial umgibt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kompressionsschleife eine Wicklung mit vielen Windungen aus Basaltfasern. Durch Herstellen der Kompressionsschleifen aus einem Basalt umfassenden Material werden den Kompressionsschleifen hervorragende mechanische Eigenschaften mit hoher Zugbelastbarkeit verliehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das elektrisch isolierende Element eine isolierende Basis, die an einem ersten Ende des Überspannungsableiters angeordnet ist, um den Überspannungsableiter zu stützen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Basis gegossenes und Basaltfasern umfassendes Epoxid. Durch die Herstellung der Basis aus in Epoxid gegossenen Basaltfasern, wird der bisherige Bedarf an isolierenden Füßen zwischen der Basis und der Erde beseitigt, da die Basis selbst isolierend ist. Weiterhin weist die Basaltfasern und Epoxid umfassende Basis die erforderliche Festigkeit auf, um der Last von dem Überspannungsableiter oder einer Last auf das erste Ende des Überspannungsableiters zu widerstehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das elektrisch isolierende Element 10-60 Gew.-% Epoxid und 40-90 Gew.-% Basaltfasern, vorzugsweise 20-50 Gew.-% Epoxid und 50-80 Gew.-% Basaltfasern.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe der Erfindung durch die Verwendung von Basaltfasern in einem elektrisch isolierenden Element für einen Überspannungsableiter gelöst.
Figurenliste
Die Erfindung wird detaillierter durch die Beschreibung der Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 schematisch einen Überspannungsableiter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, der in eine elektrisch isolierende Hülle eingebettet ist.
2 schematisch den Überspannungsableiter aus 1 zeigt, bevor er in die elektrisch isolierende Hülle eingebettet ist, und
3 schematisch eine isolierende Basis eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt schematisch einen Überspannungsableiter 1 mit einer ersten Endelektrode 2, die angeordnet ist, um an eine Netzspannung an einem ersten Ende 11 des Überspannungsableiters angeschlossen zu werden, und eine zweite Endelektrode 3, die angeordnet ist, um an die Erde an einem zweiten Ende 12 des Überspannungsableiters angeschlossen zu werden. Eine isolierende Basis 8 ist an und in Verbindung mit dem zweiten Ende 12 des Überspannungsableiters angeordnet, um den Überspannungsableiter zu stützen und der Last von dem Überspannungsableiter 1 oder einer Last auf dem ersten Ende 11 des Überspannungsableiters zu widerstehen. Die Basis ist aus in Epoxid eingebetteten Basaltfasern hergestellt. Eine elektrisch isolierende Hülle 10 umgibt das Innere des Überspannungsableiters 1 . Die elektrisch isolierende Hülle ist auf die Ableitereinheiten gegossen und besteht vorzugsweise aus einem Elastomer, beispielsweise Silikongummi oder Ethylenpropylenterpolymergummi (EPDM).
2 zeigt den Überspannungsableiter 1 ohne die elektrisch isolierende Hülle 10 und die Basis 8 . Ein Stapel aus mehreren zylindrischen Varsitorenblöcken 5 sind einer nach dem anderen in axialer Richtung der Varsitorenblöcke 5 zwischen den ersten und zweiten Endelektroden 2, 3 angeordnet. Die Varsitorenblöcke 5 sind aus Zinkoxid hergestellt und weisen einen zylindrischen Durchschnitt auf. Die Symmetrieachsen der Varsitorenblöcke 5 stimmen so überein, dass sie einen im Wesentlichen vertikalen Stapel bilden. Die Anzahl und die Abmessung der Varsitorenblöcke hängen von der Anwendung des Überspannungsableiters ab.
Klemmelemente 7 in Form von mehreren Kompressionsschleifen sind mit den Elektroden 2, 3 verbunden, so dass der benötigte axiale Kontaktdruck zwischen den Varsitorenblöcken 5 und den Elektroden 2, 3 bereitgestellt wird. Die Kompressionsschleifen laufen um die Schultern 13 der ersten Endelektrode 2 und den Schultern 14 der zweiten Endelektrode 3 herum und klemmen die Endelektroden 2, 3 gegen den Stapel 4 aus Varsitorenblöcken 5 .
Die Kompressionsschleifen 7 sind aus einer Wicklung mit vielen Windungen aus Basaltfasern hergestellt, die mindestens teilweise in Epoxid eingebettet sind. Vorzugsweise sind die Schleifen aus fortlaufenden Basaltfasern gewickelt. Die Schleifen umfassen 20-30 Gew.- % Epoxid und 70-80 Gew.-% Basaltfasern.
Die fortlaufende Basaltfaser ist ein Nicht-Metall und eine anorganische Faser. Die fortlaufenden Basaltfasern sind aus einem natürlichen Basaltstein hergestellt, beispielsweise aus verfestigter vulkanischer Lava, die bei sehr hohen Temperaturen geschmolzen ist, ungefähr bei 1400°C. Der geschmolzene Basalt wird durch kleine Düsen ausgepresst, die gewöhnlich einen Durchmesser im Mikrometerbereich aufweisen (1-100 µm).
Eine Explodieren-verhindernde Bandage 6 ist in Form mehrerer Ringe 6 um die Varsitorenblöcke 5 herum angeordnet. In 2 sind aus Gründen der Verdeutlichung nur vier der Ringe 6 gezeigt, jedoch werden die Ringe entlang des gesamten Varsitorenstapels 4 bereitgestellt. Die Ringe 6 sind im Wesentlichen in der Mitte der Höhe für die jeweiligen Varsitorenblöcke 5 angeordnet. Die Ringe sind aus Basaltfasern in einer Epoxidmatrix hergestellt. Die Abmessung und insbesondere die Dicke der Ringe hängen von dem Typ des Überspannungsableiters und von der Energiemenge ab, die im Falle eines elektrischen Durchbruchs bzw. Zusammenbruchs des Überspannungsableiters entwickelt wird. Zwischen zwei benachbarten Ringen 6, den Kontaktoberflächen zwischen zwei benachbarten Varsitorenblöcken abgewandt, gibt es eine ringförmige Öffnung, um einen Druckablass im Falle eines Kurzschlussereignisses zu ermöglichen. Die Ringe umfassen 20-30 Gew.-% Epoxid und 70-80 Gew.-% Basaltfasern.
3 zeigt schematisch eine isolierende Basis 8, die an einem zweiten Ende 12 des Überspannungsableiters 1 zum Stützen des Überspannungsableiters angeordnet ist, wenn es eine Last auf dem ersten Ende 11 des Überspannungsableiters gibt. Die Basis 8 ist aus Basaltfasern in einer Matrix aus Epoxid hergestellt. Die Basis umfasst 10-60 Gew.-% Epoxid und 40-90 Gew.-% Basaltfasern.
Die Erfindung wird nicht in irgendeiner Art und Weise durch die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen begrenzt. Im Gegenteil, verschiedene Möglichkeiten der Veränderungen sollten dem Fachmann offensichtlich sein, ohne von der Grundidee der Erfindung abzuweichen, wie sie in den anhängigen Ansprüchen definiert ist. Beispielsweise umfassen einige Überspannungsableiter keine Basis und es sollte klar sein, dass gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Überspannungsableiter ohne die Basis aus 1 hergestellt wird. Ebenfalls kann die Explodieren-verhindernde Bandage in einer anderen bekannten Gestaltung vorliegen, als die vorstehend erwähnten Ringe. Die Klemmelemente können in einer anderen Gestaltung vorliegen, als die vorstehend erwähnten Kompressionsschleifen. Beispielsweise kann das Klemmelement mindestens ein zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordneter Stab sein. Weiterhin können die Explodieren-verhindernde Bandage und die Klemmelemente in eine einzelne Einheit zusammengefasst sein und können das mindestens eine elektrisch isolierende Element in einem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter sein.

Claims

Überspannungsableiter (1) umfassend eine erste Endelektrode (2) und eine zweite Endelektrode (3), einen Stapel (4) aus mehreren Varsitorenblöcken (5), die nacheinander in der axialen Richtung der Varsitorenblöcke (5) zwischen den ersten und zweiten Endelektroden angeordnet sind, und mindestens ein elektrisch isolierendes Element (6, 7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) Basalt umfasst.
Überspannungsableiter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, worin das mindestens eine elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) Basalt in Form von Basaltfasern umfasst.
Überspannungsableiter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, worin das mindestens eine elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) in einem Harz eingebettete Basaltfasern umfasst.
Überspannungsableiter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, worin das Harz Epoxid ist.
Überspannungsableiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das mindestens eine elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) eine um die Varsitorenblöcke (5) angeordnete Explodieren-verhindernde Bandage (6) ist.
Überspannungsableiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, worin das mindestens eine elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) ein Klemmelement (7) ist, das die Elektroden (3, 4) so verbindet, dass ein axialer Kontaktdruck zwischen den Varsitorenblöcken (5) und den Elektroden (2, 3) bereitgestellt wird.
Überspannungsableiter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, worin das Klemmelement (7) eine Kompressionsschleife ist, die den Stapel aus Varsitorenblöcken und die Elektroden axial umgibt.
Überspannungsableiter (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, worin die Kompressionsschleife eine Wicklung mit vielen Windungen aus Basaltfasern umfasst.
Überspannungsableiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, worin das mindestens eine elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) eine isolierende Basis (8) ist, die an einem zweiten Ende (12) des Überspannungsableiters (1) angeordnet ist, um den Überspannungsableiter (1) zu stützen.
Überspannungsableiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 9, worin das elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) 10-60 Gew.-% Epoxid und 40-90 Gew.-% Basaltfasern umfasst.
Überspannungsableiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10, worin das elektrisch isolierende Element (6, 7, 8) 20-50 Gew.-% Epoxid und 50-80 Gew.-% Basaltfasern umfasst.
Verwendung von Basaltfasern in einem elektrisch isolierenden Element (6, 7, 8) für einen Überspannungsableiter (1).