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Überspannungsableiter Überspannungsableiter für hohe Spannungen werden
aus einer geeigneten Zahl von Ableitereinheiten genormter Spannung zusammengesetzt.
Jede Einheit besteht aus einer Anzahl Funkenstrecken und Widerstandselementen, die
in Reihe geschaltet und zu einer Säule angeordnet sind. Die Säule ist in einem Porzellangehäuse
mit Armaturen am Ende eingeschlossen. Die einzelnen Ableitereinheiten sind mit ihren
Enden gegeneinandergesetzt, wobei die Armaturen angrenzender Einheiten miteinander
verschraubt werden, so daß eine elektrische und mechanische Verbindung entsteht,
durch die alle diese Einheiten in Reihe geschaltet sind. Ein solcher Aufbau ergibt
eine vertikale Säule mit einer großen Höhe verglichen mit dem Durchmesser.
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Bei solchen Ableitern ist es schwierig, eine ausreichend gleichmäßige
Verteilung der Spannung auf die Ableitereinheiten zu erreichen. Der Ableiter wird
zwischen einer Übertragungsleitung oder einem anderen zu schützenden Gerät und Erde
angeordnet. Er wird daher durch die Leiter-Erdspannung beansprucht. Wegen der Höhe
der üblichen Ableiter verteilt sich jedoch die Spannung nicht gleichmäßig auf die
Ableitereinheiten. An den Reihenfunkenstrecken, die bei überspannungsableitern verwendet
werden, ergibt sich auch bei Spannungen unterhalb der Ansprechspannungen ein elektrostatisches
Feld. Dieses Feld ist nicht gleichförmig, so daß auch die Spannungsverteilung über
die Reihenfunkenstrecken ungleichmäßig ist. Einzelne der Funkenstrecken sind einer
höheren Spannung ausgesetzt als die anderen. Die höchste Spannung tritt gewöhnlich
an den Funkenstrecken auf, die in der Nähe des der Leitung zugekehrten Endes und
des geerdeten Endes liegen. Wegen dieser größeren Beanspruchung der Funkenstrecken
an den Enden wird dort die überschlagsspannung erreicht, bevor an den restlichen
Funkenstrecken die Überschlagspannung auftritt. Der überschlag der Funkenstrecke
erfolgt daher kaskadenartig. Infolgedessen ist die gesamte überschlagsspannung eines
solchen Ableiters kleiner als erwartet und außerdem unbestimmt.
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Für eine zufriedenstellende Wirkungsweise ist eine verhältnismäßig
gleichmäßige Verteilung der Spannung erforderlich. Zur Korrektur der Spannungsverteilung
an einem Ableiter stehen verschiedene Mittel zur Verfügung. Eine Möglichkeit besteht
darin, die Schlagweiten der einzelnen Funkenstrecken proportional der Spannungsbeanspruchung
anzupassen, um die jeweilige überschlagsspannung zu vergrößern. Dieser Weg ist jedoch
sehr mühsam und kaum für eine wirtschaftliche Herstellung und eine leichte Auswechselbarkeit
am Einbauort geeignet. Es können auch Steuerringe verwendet werden, die das elektrostatische
Feld des Ableiters beeinflussen, um die Spannungsverteilung für eine zufriedenstellende
Arbeitsweise ausreichend gleichmäßig zu gestalten. Bei IJberspannungsableitern für
hohe Spannungen mit einer beträchtlichen Größe ist es jedoch sehr schwierig, auf
diese Weise eine genügend gleichmäßige Spannungsverteilung zu erhalten. Häufig ist
es dabei notwendig, verhältnismäßig verwickelte Steuerringanordnungen zu verwenden,
die einen großen Durchmesser besitzen und in unerwünschter Weise sowohl die Kosten
als auch den Bedarf an Raum des Ableiters vergrößern. der wegen des notwendigen
Abstandes zu benachbarten Geräten erforderlich ist.
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Eine weitere Möglichkeit der Spannungsverteilung besteht darin, die
Funkenstrecke durch hochohmige Widerstände zu shunten. Durch die Parallelwiderstände
fließt ständig ein kleiner Strom, solange der Ableiter mit einem unter Spannung
stehenden Netz verbunden ist. Der Spannungsfall an den Widerständen steuert die
Verteilung der 60-Hz-Wechselspannung, da die Elektroden dann mit Punkten eines Widerstandspotentiometers
verbunden sind, durch das ihr Potential festgelegt ist. Auf diese Weise kann eine
gewünschte Spannungsverteilung erreicht werden. Ferner hat man für das Shunten der
Funkenstrecken Kondensatoren verwendet, die einen kapazitiven Spannungsteiler bilden.
Bei der Verwendung ohmscher Widerstände zur Steuerung ergibt sich jedoch eine beträchtliche
Verlustleistung. Dagegen
wirkt die kapazitive Spannungssteuerung
mit wesentlich geringerer Verlustleistung.
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Das Problem bei der Verwendung von Kondensatoren besteht darin, daß
angemessene Möglichkeiten für die Unterbringung der Kondensatoren im Inneren der
überspannungsableiter fehlen. Die bisher bekannten Anordnungen sind sperrig, kompliziert,
teuer und erfordern wesentliche Änderungen an den üblichen Überspannungsableitern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Aufbau für einen
überspannungsableiter für hohe Spannungen zu schaffen, bei dem eine im wesentlichen
gleichförmige Spannungsverteilung durch kapazitive Spannungssteuerung gewährleistet
ist.
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Erfindungsgemäß sind die Kondensatoren in hohlen Zugstangen untergebracht,
die den überspannungsableiter zusammenhalten.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Dabei zeigt Fig. 7 einen Vertikalschnitt durch
einen überspannungsableiter gemäß der Erfindung. Die Elemente des Ableiters sind
darin in einer Seitenansicht darnestellt; Fig. 2 ist eine schematische Skizze, in
der das elektrische Ersatzschaltbild des überspannungsableiters dargestellt ist.
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In der in den Figuren zur Erläuterung dargestellten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine Ableitereinheit in einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse
10 untergebracht. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Porzellan. Es können jedoch
auch andere geeignete wetterfeste Isoliermaterialien verwendet werden. Das Gehäuse
10 ist an jedem Ende mit metallischen Armaturen 12 versehen, die mit Zement 14 auf
das Gehäuse 10 aufgekittet sind. Die Befestigung am Gehäuse 10 könnte auch in anderer
gewünschter Weise erfolgen. Die Enden des Gehäuses sind durch eine Trennwand 16
verschlossen, die mit den Armaturen 12 in geeigneter, nicht dargestellter Weise,
z. B. mit Schrauben, verbunden ist. Eine Dichtung 18 ist zwischen jeder Trennwand
und dem Gehäuse vorgesehen, um das Innere des Gehäuses abzudichten. Für die Endarmaturen
und den Anschluß der Gehäuse können auch andere geeignete Konstruktionen gewählt
werden, die eine elektrische und mechanische Verbindung einer solchen Ableitereinheit
zu einer Säule gleicher Einheiten in der üblichen Weise gestatten.
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Im Gehäuse 10 zwischen den Armaturen 12 sind in einer Säule eine Anzahl
Ableiterelemente untergebracht. Die in Fig. 1. dargestellte Ableitereinheit besitzt
zwei Ableiterelemente 20, 22. Es könnte jedoch auch eine andere geeignete Zahl verwendet
werden. Die Ableiterelemente 20, 22 sind identisch, wie Fig. 2 zeigt. Infolgedessen
wird nur das Element 20 im einzelnen beschrieben. Es besteht aus einer Funkenstreckeneinheit
24, die in Reihe mit einer Anzahl Widerstandselemente 26 mit nicht linearer Kennlinie
angeordnet ist. Die Widerstände sind in einem Isolierrohr 28 zwischen isolierenden
Endstücken 30 untergebracht. Die Ableiterelemente 20 und 22 können auch nur Funkenstrecken
oder nur Widerstandsblöcke oder beliebige Kombinationen der beiden Elemente enthalten.
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Die Funkenstrecke 24 besteht aus einer Anzahl Einzelfunkenstrecken
32, die in einem Porzellanrohr 34 zu einer Säule angeordnet sind. Jede der Einzelfunkenstrecken
32 besteht aus zwei flachen Elektrodenplatten 36 und einer geformten Elektrode 38
mit einer kreisringförmigen Ausbuchtung, die mit der Elektrode 36 so zusammenwirkt,
daß eine kreisringförmige Funkenstrecke gebildet wird. Die Elektroden 36 und 38
werden durch kreisringförmige Abstandsstücke 40 aus einem Material mit einem hohen
Widerstand im gewünschten Abstand voneinander gehalten.
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Ein kreisringförmiger Permanentmagnet 42 ist in dem Raum untergebracht,
der von den Ausbuchtungen zweier benachbarter Elektroden 32 gebildet wird. Der Magnet
erzeugt ein Magnetfeld im Bereich der Funkenstrecke, durch das der Lichtbogen in
Bewegung gesetzt wird. Dadurch wird die Löschung erleichtert. Je nach der Spannung
kann jede notwendige Zahl Einzelfunkenstrecken 32 zusammengesetzt werden. Die Funkenstrecken
ergeben die vertikale Säule, die in dem Rohr 34 untergebracht ist. Die Enden
des Porzellanrohres 34 sind durch metallische Endkappen 44 verschlossen, die mit
den Porzellanrohren in geeigneter Weise verbunden sind. Sie können z. B. mit einem
metallischen Überzug auf dem Porzellanrohr 34 verlötet sein.
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Die Widerstandsscheiben 26 bestehen vorzugsweise aus körnigem Siliziumkarbid,
das in der gewünschten Größe und Form mit einem wasserlöslichen Silikat als Bindemittel
geformt und anschließend gebacken wird, so daß Widerstandselemente der üblichen
Art entstehen.
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Die Ableiterelemente sind säulenförmig in Isolierrohren 28 untergebracht.
Die Isolierrohre 28 sind an den Enden durch isolierende Endkappen 30 verschlossen.
Durch hohle aus Isoliermaterial bestehende Zugstangen 46, die sich durch Flansche
48 der Endteile 30 erstrecken, werden die Rohre 28 zusammengehalten. Die Endteile
30 bestehen aus geeignetem Isoliermaterial. Sie sind im wesentlichen kreisförmig
mit einem in Fig. 1 dargestellten Flanschtei148 ausgebildet. In den Flanschteilen
48 der Endteile 30 sind Öffnungen 50 für die Aufnahme der Zugstangen 46 vorgesehen.
Die Öffnungen 50 besitzen übereinstimmende Querschnitte für die Aufnahme der Zugstangen
46. In den Endkappen 30 sind Kontakt glieder 52 vorgesehen, die für die elektrische
Verbindung der säulenförmigen Ableiterelemente mit der Leitung und Erde sowie für
die innere Verbindung der in Reihe geschalteten Elemente 20 sorgen. Die Kontaktglieder
52 sind durch Schlitze 54 aus den Endkappen 30 herausgeführt. Leitende Platten 56
und 60 werden von Zugstangen 46 am oberen und unteren Ende des Ableiters getragen.
Zwischen den Ableiterelementen 20 und 22 ist eine leitende Platte 58 vorgesehen,
die in Schlitzen oder Öffnungen 62 der Zugstangen 46 gehalten wird. Die Kontaktglieder
52 der Ableiterelemente, die sich aus den Schlitzen 54 der Endkappen 30 erstrecken,
sind mit den benachbarten leitenden Platten 56, 58 bzw. 60 verbunden.
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In den hohlen Zugstangen 46 sind Kondensatoren 64 gestapelt. Die Anschlüsse
66 der Kondensatoren 64 verlaufen längs der Zugstange. Die Kondensatoren 64 sind
mit ihren Anschlüssen übereinander gestapelt, so daß sie in Reihe geschaltet sind.
Die Kondensatoren, die mit ihren Anschlüssen zu der Stelle zwischen dem oberen Ableiterelement
20 und dem unteren Ableiterelement 22 weisen, sind durch eine U-förmige Federklammer
62 aus leitendem Material
voneinander getrennt, die die Kondensatoren
an diesem Punkt mit der leitenden Scheibe 58 verbindet. Eine U-förmige Tragfeder
68 aus leitendem Material ist an jedem Ende des Kondensatorstapels in dem Hohlraum
der Zugstange 46 vorgesehen. Die Enden der Feder öffnen sich seitwärts nach außen.
Eine leitende Hülse 70 mit einem inneren und einem äußeren Gewinde ist in jedes
Ende der Zugstangen 46 eingeschraubt. Von der Hülse wird ein Bolzen 72 aufgenommen.
Eine flache Platte 74 wirkt mit den freien Enden der Tragfeder 68 zusammen.
Der Bolzen 72 greift in die Platte 74, so daß die Kondensatoren 64 unter Vorspannung
stehen und elektrisch gut miteinander verbunden sind.
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Die Trennwand 16 besitzt eine Anzahl Erhöhungen 76, die mit
einem Gewinde versehen und den Ableiterelementen 20 und 22 zugekehrt sind. Ein Federring
78 mit am Umfang in Abstand voneinander angeordneten Bohrungen wirkt mit den Vorsprüngen
76 zusammen. Der Federring wird durch Schrauben 80 gehalten, die sich durch Öffnungen
am Umfang des Federringes 78 in die Gewindebohrungen der Vorsprünge 76 erstrecken.
Zwischen den Vorsprüngen sind die Bolzen 72 durch den Federring 78 und die leitenden
Platten 56 und 60 am oberen und unteren Ende der Ableiterelemente geführt, so daß
die Kondensatoren mit den Platten 56 und 60 verbunden sind. Die Platten
56 und 60 sind mit Abstand vom Federring 78 angeordnet und zugleich elektrisch mit
ihm über leitende Hülsen 82 verbunden. Die Federringe sind mit den Trennwänden 16
durch die leitenden Hülsen 82 und Schrauben 80 verbunden. Die Trennwände stehen
mit den Endarmaturen 12 in Verbindung. Die Endarmaturen dienen zum Stapeln der Ableitereinheiten
mit anderen Einheiten bzw. zum Anschließen der Ableiter an Leitung und Erde.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß Ableiterelemente, bestehend
aus Funkenstrecken und Widerstandsblöcken, zwischen Leitung und Erde in Reihe geschaltet
sind. Die obere Endarmatur 12 ist mit der oberen Trennwand 16 verbunden, die ihrerseits
mit dem Federring 78 in Verbindung steht. Der Federring ist mit der leitenden Platte
56 durch die leitende Hülse 82 verbunden. Die leitende Platte 56 ist an das obere
Ende der Ableitereinheit durch das Kontaktglied 52 angeschlossen. Das dazwischenliegende
Kontaktglied 52 verbindet das untere Ende des Ableiterelementes 20 mit dem oberen
Ende des Ableiterelementes 22 über einen weiteren Kontakt 52. Das geerdete Ende
des Ableiterelementes 22 besitzt einen Erdanschluß über die untere Armatur 12 in
gleicher Weise wie der Leitungsanschluß des Ableiters. Ein Teil der Kondensatoren
64 ist mit jedem Ableiterelement über die Tragfelder 68 im Bolzen 72, die Hülse
82 und den Federring 78 sowie die Federklammer 62 und die leitende Platte
58 parallel geschaltet. Wenn der Ableiter zwischen Leiter und Erde in einem
unter Spannung stehenden System angeordnet ist, fließt ständig ein kleiner Leckstrom
durch die Kondensatoren 64 nach Erde. Wie ersichtlich ist, ist jede Funkenstrecke
durch die Kondensatoren geshuntet. Dadurch ergibt sich in an sich bekannter Weise
eine hinreichend gleichmäßige Verteilung der Spannung auf die Elemente des Ableiters,
so daß richtige und gleichbleibende Werte der Ansprechspannung erreicht werden.
Fig.2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des Ableiters, bei dem alle Elemente
des Ableiters in Reihe geschaltet sind und zu diesen in Reihe geschalteten Elementen
die Kondensatoren parallel liegen.
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Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß ein Ableiter geschaffen wurde.
der durch die Anordnung der Kondensatoren in den hohlen Zugstangen einen gedrängten
Aufbau ermöglicht und bei dem der übliche Aufbau der überspannungsableiter nur geringfügig
geändert wird.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel wurde lediglich zum Zweck der
Erläuterung gewählt. Daneben sind auch Änderungen im Rahmen der Erfindung möglich.
Zum Beispiel könnte man einen Ableiter aus Einheiten zusammenbauen, bei denen in
Reihe liegende Säulen nebeneinander im Gehäuse angeordnet sind und Bolzen mit parallel
zu schaltenden Kondensatoren einer getrennten Säule zugeordnet sind. In gleicher
Weise können andere Abwandlungen der Erfindung vorgenommen werden.