-
Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
-
Überspannungsableiter dienen dazu, unzulässige Spannungen z.B. infolge eines Blitzeinschlags in eine Freileitung auf Erde abzuleiten und auf diese Weise andere Geräte wie etwa Transformatoren zu schützen. Hierfür enthalten Überspannungsableiter Metalloxidwiderstände, die unterhalb einer bauartbedingten Schwellenspannung kaum elektrisch leitend sind, oberhalb der Schwellenspannung aber gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Solche Überspannungsableiter sind aus der Produktbroschüre „High-voltage surge arresters – Product guide", Siemens AG 2012, Order Nr. E50001-G630-A249-X-4A00, bekannt. Die Metalloxidwiderstände sind jeweils im Hinblick auf ihren Durchmesser gleich dimensioniert und in einer oder mehreren Säulen übereinander gestapelt, bei einigen Bauformen auch parallel, angeordnet.
-
Aus dem Handbuch „Metalloxid-Ableiter in Hochspannungsnetzen – Grundlagen", 3. Auflage, Autor V. Hindrichsen, Siemens AG 2012, Order Nr. E50001-G630-H197, Seiten 26 bis 28, ist es bekannt, dass so genannte Steuerringe am hochspannungsseitigen Ende des Überspannungsableiters angeordnet werden, um eine ungleichmäßige Erwärmung des Ableiters bzw. eine höhere thermische Beanspruchung des hochspannungsseitigen Endes zu vermeiden. Die Steuerringe sind dabei in der Regel jeweils als ein kreisförmiger Metallstreifen ausgebildet, der von mehreren Befestigungselementen in einem Abstand zum Überspannungsableiter gehalten wird. Je größer der Durchmesser des Steuerrings und je länger die Befestigungselemente ausgebildet werden, desto besser wird die Spannungsverteilung im Ableiter und damit die thermische Belastung vergleichmäßigt. Dabei sollten die Steuerringe jedoch räumlich so kompakt wie möglich gebaut sein, um Mindestabstände zu benachbarten Komponenten – z.B. Steuerringe benachbarter Ableiter – einhalten zu können. Auch die Befestigungselemente dürfen nicht allzu lang ausgebildet werden, um Überschläge auf benachbarte Teile oder Erde zu vermeiden. Weiterhin verringern Steuerringe die Schlagweite der Ableiter, so dass insbesondere im Hochspannungsbereich längere Gehäuse gewählt werden müssen.
-
Alternativ zu Steuerringen werden vereinzelt Steuerkondensatoren im Inneren der Ableiter eingesetzt, um die thermische Belastbarkeit des Ableiters zu steuern.
-
Prinzipiell zu unterscheiden sind Steuerringe von so genannten Koronarringen, die z.T. bei Höchstspannungsableitern eingesetzt werden, um die Anschlussklemmen des Ableiters elektrostatisch abzuschirmen.
-
An die Erfindung stellt sich die technische Aufgabe, einen Überspannungsableiter anzugeben, der vergleichsweise einfach aufgebaut und räumlich kompakt ausgebildet ist und ohne einen Steuerring eingesetzt werden kann.
-
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1.
-
Als Halbleiterwiderstände können beispielsweise Metalloxidscheiben verwendet werden, die zu einer Säule gestapelt werden. Die Säule kann auf im Stand der Technik übliche Weise elektrisch leitend verbunden werden, z.B. durch Pressverfahren (Kaltverschweißen) oder mittels eines Rahmens, bevorzugt im sogenannten Käfigdesign. Dabei hält ein Käfig aus mehreren Stäben die Säule zusammen und sorgt durch Verspannung für einen geeigneten Anpressdruck der einzelnen Scheiben.
-
Durch den Einsatz von Halbleiterwiderständen mit unterschiedlichen Querschnitten in einem Ableiter ergeben sich unterschiedliche thermische Energieaufnahmevermögen für die Halbleiterwiderstände: je größer der Querschnitt ist, desto mehr Wärme kann der betreffende Halbleiterwiderstand aufnehmen, ohne dass sich negative Effekte wie z.B. ein sog. „thermal runaway“ ergeben. Hierdurch kann auf einen Steuerring Verzichtet werden, ohne dass gleichzeitig das thermische Energieaufnahmevermögen des gesamten Ableiters reduziert wird.
-
Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass die häufig erst am Aufstellungsort vorgenommen Installation von Steuerringen entfallen kann. Hierdurch wird Zeit und auch Bauraum eingespart. Es entfällt außerdem das Risiko einer fehlerhaften Montage, weil der Überspannungsableiter als einzelnes, kompaktes Bauteil geliefert werden kann.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters sind mehrere entlang der Achse angeordnete Säulen von Halbleiterwiderständen vorgesehen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist der mindestens eine hochspannungsseitige Halbleiterwiderstand mit einem größeren Querschnitt als ein erdspannungsseitiger Halbleiterwiderstand im oberen Drittel der Länge des Überspannungsableiters angeordnet. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein Ableiter, der aus drei in einem Gehäuse übereinander gestapelten Säulen besteht, in der unteren und mittleren Säule herkömmliche Metalloxid-Widerstände mit üblichem Querschnitt aufweist, während in der oberen Säule jedoch Metalloxid-Widerstände mit größerem Durchmesser vorgesehen sind. Es ist auch möglich, innerhalb einer Säule Metalloxid-Widerstände mit unterschiedlichem Durchmesser zu verwenden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist der Überspannungsableiter mehrere Gehäuse auf, die jeweils Halbleiterwiderstände enthalten, wobei in einem hochspannungsseitigen Gehäuse mindestens ein Halbleiterwiderstand einen größeren Querschnitt als ein Halbleiterwiderstand in einem erdseitigen Gehäuse aufweist.
-
Durch die beschriebene Lösung des Problems wird nicht eine Temperaturerhöhung am oberen Ende des Ableiters im Dauerbetrieb verhindert, sondern eine Auswirkung auf das thermische Gesamtenergieaufnahmevermögen im Falle einer Überspannung vermindert.
-
Dies soll im Folgenden an einem einfachen Ausführungsbeispiel verdeutlicht werden. Ein Ableiter ohne Steuerring weist drei Bausteine bzw. Säulen auf. Die Umgebungstemperatur beträgt 20 °C. Die maximal mögliche Temperatur der Metalloxidwiderstände beträgt 210°C. Bei einem unter Dauerspannung erwarteten Energieeintrag erfolgt bei dieser Temperatur bei Einsatz moderner Metalloxidwiderstände kein „thermal runaway“, d.h. kein unkontrolliertes Absinken des Widerstands der Säule.
-
Unter Dauerspannung ergeben sich beispielsweise für den unteren und mittleren Baustein Temperaturen von ca. 30 °C für die Widerstände. Im oberen Baustein dagegen 80 °C. Werden alle Metalloxid-Widerstände in den drei Bausteinen mit gleichem Durchmesser (gleichem spezifischen Volumen) gebaut, so bestimmt der obere Baustein bzw. die hochspannungsseitige Säule das maximale thermische Energieaufnahmevermögen. Es ist deutlich geringer als das thermische Energieaufnahmevermögen der anderen beiden Bausteine.
-
Werden stattdessen die Metalloxid-Widerstände im oberen Baustein mit einem größeren Durchmesser gebaut, so bewirkt der Energieeintrag im oberen Baustein eine geringere Temperaturerhöhung als in den anderen beiden Bausteinen. Die Durchmesser der Widerstände sind dabei so aufeinander abzustimmen, dass beim maximalen Energieeintrag die Temperatur keines der Widerstände aus den drei Bausteinen mehr als 210 °C beträgt. Es ist also nicht nötig, den Durchmesser aller Widerstände der drei Bausteine zu erhöhen. Es reicht aus, dies nur im oberen Baustein durchzuführen.
-
In einigen bekannten Überspannungsableitern werden bereits Kühlkörper zwischen den einzelnen Metalloxid-Widerständen eingesetzt. Allerdings erfolgt im Fehlerfall der Energieeintrag in den Ableiter in Folge von Überspannungen i.d.R. in sehr kurzen Zeiträumen (ms oder μs Bereich), so dass eine Wärmeabgabe an die Kühlkörper nur in sehr geringem Maße erfolgen kann (adiabatischer Vorgang). Werden Metalloxid-Widerstände deutlich über ca. 210 °C erwärmt, nimmt deren Verlustleistung exponentiell zu, so dass eine Kühlung durch Kühlkörper nicht mehr den gewünschten Erfolg bringt. Somit ist im Vergleich zur Erfindung die Kühlung mittels eines Kühlkörpers kein alternatives geeignetes Mittel, um auf einen Steuerring zu verzichten.
-
Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigt in schematischer Darstellung die
-
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters.
-
Der Überspannungsableiter 1 weist ein hochspannungsseitiges Ende 2 und ein erdseitiges Ende 3 auf. Im Inneren eines Gehäuses 18 befinden sich mehrere säulenartig angeordnete Halbleiterwiderstände 4. Drei hochspannungsseitige Halbleiterwiderstände 5, 6, 7 weisen einen größeren Querschnitt 16 entlang einer vom hochspannungsseitgen Ende 2 zum erdseitigen Ende 3 verlaufenden Achse 20 auf als ein erdspannungsseitiger Halbleiterwiderstand 17. Die weiteren Widerstände 8–14 sind baugleich mit dem erdspannungsseitigen Halbleiterwiderstand 17. Im Fehlerfall können die Halbleiterwiderstände 5, 6, 7 größere Energieeinträge als die Halbleiterwiderstände 8–15 aufnehmen, ohne dass eine zulässige Höchstbetriebstemperatur für die Widerstände 5–15 überschritten wird. Hierdurch wird insgesamt die thermische Belastbarkeit des Überspannungsableiters 1 verbessert, so dass auf einen ansonsten erforderlichen Steuerring verzichtet werden kann. Dies spart Bauraum und Kosten ein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- „High-voltage surge arresters – Product guide“, Siemens AG 2012, Order Nr. E50001-G630-A249-X-4A00 [0002]
- „Metalloxid-Ableiter in Hochspannungsnetzen – Grundlagen“, 3. Auflage, Autor V. Hindrichsen, Siemens AG 2012, Order Nr. E50001-G630-H197, Seiten 26 bis 28 [0003]
