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Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter nach dem Oberbegriff des Anspruch 1.
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Aus der Druckschrift
DE 38 15 666 A1 ist ein Überspannungsableiter für Mittelspannung bekannt. Der Überspannungsableiter weist eine Reihe von Metalloxidwiderständen auf, die scheibenförmig übereinander gelegt eine Ableitersäule bilden und in einem Isolatormantel aus Silikonkautschuk eingelassen sind. An der Hochspannungsseite ist ein Steckanschluss vorgesehen, der einen vereinfachten Anschluss des Überspannungsableiters an ein weiteres elektrisches Mittelspannungsgerät wie beispielsweise einen Transformator ermöglicht.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2012 008 484 A1 ist ein steckbarer Überspannungsableiter für Hochspannungsanwendungen bekannt. Der Überspannungsableiter weist eine Ableitersäule aus scheibenförmig übereinander angeordneten Metalloxidwiderständen auf. Die Metalloxidwiderstände bilden eine Ableitsäule, die in einem Isolierzylinder verpresst und mit einer Silikonkautschukummantelung isoliert ist. Ein äußeres Gehäuse wird aus einem Rohr aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet, das durch einen luftgefüllten Hohlraum von dem Isoliermantel aus Silikonkautschuk beabstandet ist. An der Seite des Hochspannungsanschlusses weist der Überspannungsableiter einen konusförmig ausgebildeten, d. h. nach Art eines Kegelstumpfes gewölbten, Steckverbindungsanschluss auf. Der Steckverbindungsanschluss ermöglicht einen vereinfachten Anschluss des Überspannungsableiters an ein Hochspannungsgerät, wie beispielsweise einen schutzgasisolierten Schaltschrank oder über eine Durchführung an einen Hochspannungstransformator. Um im Fehlerfall keine Explosionsgefahr entstehen zu lassen, weist der Überspannungsableiter zwei Sicherheitsmerkmale auf: Einerseits ist eine Membran vorgesehen, die bei Überdruck bricht und Gas in eine Ausblasschute strömen lässt, so dass heiße Gase lediglich in einer ungefährlichen Richtung ausgestoßen werden. Andererseits ist eine Schneidvorrichtung vorgesehen, die bei einer unkontrollierten Erwärmung und Ausdehnung des Isoliermantels aus Silikonkautschuk diesen einschneidet und auf diese Weise ein Zerbersten des gesamten Gerätes verhindert.
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Derzeit werden für unterschiedliche Bauformen von Überspannungsableitern unterschiedliche Metalloxidwiderstände eingesetzt. Typischerweise werden für Überspannungsableiter gemäß der beiden eingangs erwähnten Bauformen zylinderförmige Widerstände verwendet, die bei einer Strombelastung von 10 kA und einer Wellenform, die nach der Norm IEC 60099-4:2014 ein Verhältnis von Anstiegszeit zur Abklingzeit von 8/20µs aufweist, wobei sich eine Restspannung („residual voltage“) von üblicherweise ca. 350 V/mm (typischerweise zwischen 300 V/mm und 450 V/mm) einstellt. Die Längenangabe in mm bezieht sich dabei auf die Bauhöhe eines einzelnen Metalloxidwiderstands. Der Begriff Restspannung ist insbesondere in der dt. Version der o.g. Norm, nämlich der DIN EN 60099-4 von Juli 2015, beschrieben. Hier taucht auch der Begriff Restspannung auf (in der IEC „residual voltage“ genannt).
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Das Verhältnis von Anstiegszeit zu Abklingzeit von 8/20 µs ist als übliche Testeinstellung aus der Publikation „SIOV metal oxide varistors – General Technical Information", April 2011, EPCOS AG, von Seite 13 bekannt.
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Für Hochspannungsanwendungen werden heutzutage bereits gekapselte Überspannungsableiter eingesetzt, die ein metallisches Gehäuse aufweisen, das mit Isoliergas unter Hochdruck, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid, befüllt ist. Solche Überspannungsableiter sind beispielsweise aus der Produktbroschüre „SF6 – insulated metal enclosed surge arresters", Siemens AG, 2015, Bestellnr.: EMHP-C10007-00-7600, bekannt. Dabei werden üblicherweise sogenannte High-gradient Metalloxidwiderstände eingesetzt. Dieser Typ von Metalloxidwiderständen weist bei einer Strombelastung von 10 kA und einer Wellenform, die nach der Norm IEC60099-4:2014 ein Verhältnis von Anstiegszeit zur Abklingzeit von 8/20 µs aufweist, eine Restspannung pro Länge von mindestens 480 V/mm auf. Durch diese höhere Restspannung pro Länge im Vergleich zu den eingangs erwähnten konventionellen Metalloxidwiderständen ist es mit High-gradient Metalloxidwiderständen möglich, eine geringere Bauhöhe einer Ableitersäule bei gleicher Strombelastbarkeit herzustellen. Bei den gekapselten Überspannungsableitern ist es jedoch notwendig, mittels des Schutzgases die einzelnen Metalloxidwiderstandsscheiben entlang ihrer Oberfläche bei der elektrischen Beanspruchung nicht überschlagen zu lassen. Weiterhin wird das Schutzgas benötigt, um elektrische Überschläge zwischen den Widerständen und dem metallischen Gehäuse zu vermeiden. Metalloxidwiderstände des High-Gradient-Bautyps können beispielsweise online von der Firma „TGE – Metal Oxide Varistors Manufacturer“ – bezogen werden, Https://www.xatge.com/ac-high-gradient-mov/.
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Ausgehend von bekannten Bauformen für Überspannungsableitern stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, einen Überspannungsableiter anzugeben, der vergleichsweise platzsparend und kostengünstig herzustellen ist, und dabei gleichzeitig vergleichsweise sicher bei ansonsten gleichbleibender elektrischer Belastbarkeit ist.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Überspannungsableiter hat den Vorteil, dass durch den Einsatz der High-gradient Metalloxidwiderstände, die direkt in eine Isolatorschicht aus Silikon eingebettet werden, eine besonders kompakte Bauform des Überspannungsableiters ermöglicht wird. Werden beispielsweise High-Gradient-Widerstände mit 550 V/mm Restspannung anstatt konventioneller zylinderförmiger Widerstände mit einer Restspannung von ca. 350 V/mm eingesetzt, so kann die Ableitersäule für das gleiche Hochspannungsniveau um bis zu 40 % kürzer ausgebildet werden, wobei zur Erreichung eines vergleichbaren Energieaufnahmevermögens wie bei herkömmlichen Widerständen ein größerer Durchmesser der scheibenförmigen Widerstände vorgesehen wird. Durch die direkte Einbettung in eine Isolatorschicht aus Silikon wird eine besonders kostengünstige Herstellung ermöglicht. Auf den Einsatz des als Treibhausgas bekannten Schwefelhexafluorids oder anderer Schutzgase kann komplett verzichtet werden. Der Verzicht auf Schutzgase bietet für diesen Überspannungsableiter weitere Kostenvorteile, weil der Transport, die Lagerung und die Entsorgung von Schutzgasen vergleichsweise teuer ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters sind die high-gradient Metalloxidwiderstände dafür ausgebildet, bei einer Strombelastung von 10 kA und einer Wellenform, die nach der Norm IEC 60099-4:2014 ein Verhältnis von Anstiegszeit zu Abklingzeit von 8/20 µs aufweist, eine Restspannung pro Länge von mindestens 480 V/mm aufzuweisen. Es ergeben sich die eingangs erwähnten Vorteile.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist die Isolatorschicht auf ihrer der Widerstandssäule abgewandten Seite eine elektrisch leitfähige Schicht auf. Dies ist ein Vorteil, weil dadurch Potentialunterschiede auf dem Isolator ausgeglichen werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist eine Stabilisierungsschicht vorgesehen, die zwischen der Widerstandssäule und der Isolatorschicht angeordnet ist. Die Stabilisierungsschicht hat den Vorteil, dass die einzelnen Metalloxidwiderstände in der Widerstandssäule derart zusammengepresst werden, dass einerseits eine gute elektrische Kontaktierung der einzelnen Scheiben gewährleistet wird und andererseits eine mechanische Stabilisierung der Ableitersäule erreicht wird. Ein weiterer Vorteil ist es, dass bei einer Erwärmung des Überspannungsableiters im Betrieb aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien keine Unterbrechung der elektrischen Kontaktierung zwischen den einzelnen Metalloxidwiderständen auftreten kann. Zusätzlich wird durch die Stabilisierungsschicht verhindert, dass beim Vergießen mit Silikon Isolatormaterial zwischen die Metalloxidwiderstände gelangen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist die Stabilisierungsschicht einen Schrumpfschlauch auf. Dabei wird ein dehnfähiges Material über die Ableitersäule gestülpt, das sich nach voriger Erwärmung abkühlt und dabei die einzelnen Metalloxidwiderstände fest zusammenpresst. Diese Herstellungsmethode ist sehr kostengünstig und einfach umsetzbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist die Stabilisierungsschicht Stäbe auf, die zur Verspannung der Metalloxidwiderstände dienen und in Käfigbauweise um die Widerstandssäule angeordnet sind. Häufig werden hierfür Stäbe aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) eingesetzt. Der Vorteil dieser Bauform ist, dass durch die Käfigbauweise die Widerstandssäule besonders gut mechanisch stabilisiert wird und Biegekräfte gut aufnehmen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist die Stabilisierungsschicht durch eine Umwicklung der Widerstandssäule mit Glasfasermatten ausgebildet ist. Die Glasfasermatten wurden zuvor mit einem Klebstoff getränkt, was ein vergleichsweise kostengünstiges und einfach handzuhabendes Herstellungsverfahren darstellt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist die Stabilisierungsschicht durch eine Kunststoffschicht gebildet. Die Kunststoffschicht kann beispielsweise durch Aufspritzen oder Vergießen in herkömmlicher Art und Weise gebildet werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist ein Gehäuse vorgesehen, das zumindest anteilig aus Metall gebildet ist. Dies ist ein Vorteil, weil ein solcher Überspannungsableiter an seiner Außenseite keine elektrische Spannungsfestigkeit aufweisen muss. Bei Überspannungsableitern im Freiluftbereich könnte die äußere Isolationsstrecke zwischen Hochspannungsanschluss und Erdanschluss zu kurz sein und infolge dessen Spannungsüberschläge im Einsatz auslösen.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist ein Gehäuse vorgesehen, das zumindest anteilig aus Kunststoff gebildet ist. Bevorzugt wird ein glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) eingesetzt. Dies ist ein Vorteil, weil GFK lange erprobt, mechanisch stabil, elektrisch nicht leitend und kostengünstig ist.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist das Gehäuse durch einen luftgefüllten Hohlraum von der Isolatorschicht beabstandet. Dies ist ein Vorteil, weil die Kurschlussstromfestigkeit des Überspannungsableiters weiter verbessert wird.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann das Gehäuse jedoch auch direkt auf der Isolatorschicht angeordnet werden, so dass keine oder nur eine unwesentlich dünne Luftschicht ausgebildet wird.
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Generell bietet der Einsatz des Gehäuses der oben genannten Ausführungsformen den Vorteil, dass im Fehlerfall durch das Gehäuse in der Regel eine Ausblasrichtung für heißes Gas vorgegeben ist, was das Risiko der Beschädigung anderer Geräte oder von Menschen senkt. Außerdem wird durch ein Gehäuse die mechanische Stabilität des Überspannungsableiters und der Berührungsschutz für Personen verbessert.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform mit einem luftgefüllten Hohlraum wird eine Druckentlastungsvorrichtung für Fehlerfälle vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass im Fehlerfall durch Entstehung heißen Gases mit Überdruck keine Explosionsgefahr besteht, weil mittels der Druckentlastungsvorrichtung ein Überdruck vom Inneren des Gehäuses nach außen abgegeben werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist die Druckentlastungsvorrichtung eine Ausblasschute und eine Membran auf, die dafür ausgebildet ist, im Fehlerfall bei einem Druck oberhalb eines festgelegten Schwellenwertes zu reißen und Gas aus dem Inneren des Gehäuses zur Ausblasschute zu lenken. Dies ist ein Vorteil, weil mittels Membran und Ausblasschute sichergestellt wird, dass heißes Gas lediglich in einer Richtung aus dem Überspannungsableiter austritt, in der keine Gefahr für die Beschädigung weiterer technischer Geräte oder die Verletzung eines Menschen besteht.
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Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigen in schematischer Darstellung die
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters und die
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters.
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Die 1 zeigt ein Überspannungsableiter 1 mit high-gradient Metalloxidwiderständen 2, die in Form einer Widerstandssäule 8 angeordnet sind. Auf der Widerstandssäule 8 ist eine Stabilisierungsschicht 3 vorgesehen, die einen Schrumpfschlauch aufweist. Mittels der Stabilisierungsschicht werden die einzelnen Metalloxidwiderstandsscheiben 2 derart zusammengepresst, dass sich eine kompakte Widerstandssäule 8 ausbildet. Auf der Stabilisierungsschicht 3 ist eine Isolatorschicht 6 aus Silikon durch Vergießen aufgebracht. Weiterhin weist der Überspannungsableiter einen erdseitigen Anschluss 4 und ein Hochspannungsanschluss 5 auf, wobei am Hochspannungsanschluss 5 eine kegelstumpfförmige Steckeinrichtung 7 für ein einfaches Anschließen des Überspannungsableiters an beispielsweise einen Hochspannungstransformator vorgesehen ist. Durch die Kombination des Einsatzes von high-gradient Widerständen in Verbindung mit einer Silikonummantelung kann der Überspannungsableiter gemäß 1 mit vergleichsweise sehr kurzer Länge 9 gebaut werden. Diese platzsparende Bauweise ist insbesondere beim Einsatz in Innenräumen mit sehr begrenztem Platzangebot vorteilhaft. Weiterhin ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass das Druckentlastungsverhalten im Fehlerfall verbessert wird, denn je kürzer das Rohr ausgebildet ist, desto geringer ist der Druckaufbau im Ableiter.
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Die 2 zeigt einen Überspannungsableiter 14, wobei gleiche Bauteile wie in 1 mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Im Gegensatz zum Überspannungsableiter gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Überspannungsableiter 14 ein zusätzliches Gehäuse 10 auf. Das Gehäuse 10, 11, 12 wird durch ein Metallrohr 10 gebildet, das an zwei Flanschen 11 und 12 angebracht ist. Im Inneren des Rohres 10 wird ein Hohlraum mit Luft 13 ausgebildet, der die Kurzschlussstromfestigkeit des Überspannungsableiters 14 weiter verbessert. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes des Gehäuses 10, 11, 12 ist es, dass die mechanische Stabilität des Überspannungsableiters durch das äußere Gehäuse 10, 11, 12 weiter verbessert wird. Ein weiterer Aspekt ist es, dass durch das Gehäuse 10, 11, 12 und den luftgefüllten Hohlraum 13 ein verbesserter Berührungsschutz auf der Oberfläche gegeben ist, so dass Schädigungen von Menschen weitestgehend ausgeschlossen werden können (bei versehentlicher Berührung). Tritt ein Fehler innerhalb des Überspannungsableiters auf, so kann sich in Hohlraum die Luft 13 sehr stark erhitzen und das Gehäuse sprengen. Um dem vorzubeugen, ist eine Membran 15 und eine Ausblasschute 16 vorgesehen. Die Membran ist derart ausgelegt, dass sie bei einem Überdruck innerhalb des Gehäuses 10, 11, 12, der über einem vorher festgelegten Schwellenwert liegt, reißt. Das heiße Gas wird dann durch die Ausblasschute 16 derart umgelenkt, dass es nur in einer Richtung (angedeutet durch einen Pfeil) aus dem Überspannungsableiter 14 austritt und eine Gefährdung von elektrischen Geräten oder Personen ausgeschlossen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3815666 A1 [0002]
- DE 102012008484 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm IEC 60099-4:2014 [0004]
- DIN EN 60099-4 von Juli 2015 [0004]
- Publikation „SIOV metal oxide varistors – General Technical Information“, April 2011, EPCOS AG, von Seite 13 [0005]
- Produktbroschüre „SF6 – insulated metal enclosed surge arresters“, Siemens AG, 2015, Bestellnr.: EMHP-C10007-00-7600 [0006]
- Norm IEC60099-4:2014 [0006]
- Https://www.xatge.com/ac-high-gradient-mov/ [0006]
- Norm IEC 60099-4:2014 [0010]
