DE19728961A1 - Überspannungsableiter für Hoch- oder Mittelspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsableiter für Hoch- oder Mittelspannung mit einem Ableiterblock, der in einem Kapselungsgehäuse gasdicht abgeschlossen angeordnet ist.

Ein derartiger Überspannungsableiter ist beispielsweise aus der EP 0 388 779 A2 bekannt.

Bei einem funkenstreckenlosen Ableiter fließt im Ruhezustand ein Leckstrom durch die nicht linearen Widerstandselemente, der eine gewisse Erwärmung des Ableiterkörpers zur Folge hat. Dieser Leckstrom kann im Zuge einer Alterung des Ableiters langsam ansteigen, was zu einer Erhöhung der mittleren Tem­ peratur des Ableiters führen würde.

Die Messung der Erwärmung eines funkenstreckenlosen Ableiters kann zu einer Überwachung seines Alterungszustandes dienen. Auch bei Ableitern mit einer Funkenstrecke erlaubt die Mes­ sung der Temperatur Aussagen über Vorgänge im Ableiter. Au­ ßerdem ist auch die Information über weitere Betriebsgrößen des Ableiters wünschenswert, die im Inneren des Kapselungsge­ häuses ermittelt werden können.

Zu diesem Zweck stellt sich die Aufgabe, einen Überspannungs­ ableiter zu schaffen, der eine besonders einfache und komfor­ table Überwachung seines Betriebszustandes und seines Alte­ rungszustandes, beispielsweise der Temperatur, des Stroms, des Gasdrucks oder der Gas feuchte erlaubt sowie ein Verfah­ ren, das eine zuverlässige Überwachung des Ableiters und eine Ableitung von Aussagen über den Zustand des Ableiters er­ laubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß inner­ halb des Kapselungsgehäuses ein Sensor, insbesondere ein Tem­ peratursensor, in Form eines Oberflächenwellensensors ange­ ordnet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht hierzu vor, daß mittels eines Oberflächenwellensensors eine Meßgröße, insbesondere die Temperatur im Innenraum des Kapselungsgehäuses gemessen wird, daß die Meßwerte mittels einer Antenne nach außen übertragen werden und daß insbesondere aus der Temperatur die in dem Ableiter umgesetzte elektrische Energie bestimmt wird.

Ein funkabfragbarer Oberflächenwellensensor ist ein passives, akustisches Bandelement, zu dem von außen, außerhalb des Kap­ selungsgehäuses des Ableiters über eine Antenne ein Abfrage­ signal in Form einer elektromagnetischen Welle eingestrahlt werden kann, das mittels einer Antenne empfangen und abhängig von bestimmten physikalischen Größen, beispielsweise der Um­ gebungstemperatur des Oberflächenwellensensors in veränderter Form zurückgestrahlt wird und durch eine Antenne außerhalb des Kapselungsgehäuses wieder aufnehmbar ist. Der Meßwert für die Meßgröße, insbesondere die Temperatur im Inneren des Kapselungsgehäuses des Überspannungsableiters steht somit ohne weiteren Aufwand an einem Abfragegerät außerhalb des Kapselungsgehäuses, das beispielsweise am Fuß des Ableiters angeordnet sein kann, zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung und kann beispielsweise mittels eines Lichtwellenleiters, über Funk, oder über eine sonstige Meßleitung zu einer zentralen Datenverarbeitungsanlage weitergeleitet werden.

Die Signale, die von unterschiedlichen Oberflächenwellensen­ soren zurückgestrahlt werden, können durch die einzelnen Oberflächenwellensensoren auch codiert werden, so daß Signale von mehreren dicht benachbarten Überspannungsableitern pro­ blemlos unterschieden und entsprechend zugeordnet werden kön­ nen. Das Verhalten eines Oberflächenwellensensors kann grund­ sätzlich auch durch eine vorübergehend erfolgte Überlastung des Sensors irreversibel verändert werden. Somit kann auch eine in der Vergangenheit erfolgte Überlastung anhand des ge­ änderten Verhaltens des Oberflächenwellensensors festgestellt werden. Diese Eigenschaft läßt sich zur Registrierung von Ableiterüberlastungen oder Totalausfällen nutzen.

Durch die Überwachung, insbesondere der Temperatur des Über­ spannungsableiters, kann einerseits die in dem Ableiter um­ gesetzte Energie und, hieraus abgeleitet, der Leckstrom be­ stimmt werden, der in Zusammenhang mit der anliegenden Span­ nung eine Aussage über den Alterungszustand und die voraus­ sichtliche Lebensdauer des Ableiters erlaubt.

Andererseits kann im Ableitfall auch der augenblicklich flie­ ßende Ableitstrom aus einer vorübergehenden Erwärmung des Ab­ leiters bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann hierzu so ausgestaltet werden, daß im Falle einer sprunghaf­ ten Temperaturerhöhung des Ableiterblocks die im Ableiter umgesetzte elektrische Energie aus der Temperaturdifferenz und der Wärmekapazität bestimmt wird.

Ein solcher Ableitstrom fließt im Normalfall nur sehr kurz­ zeitig, so daß in sehr kurzer Zeit eine hohe Energie in dem Ableiterblock in Wärme umgesetzt wird. Dies führt zu einer vorübergehenden starken Erwärmung des Ableiters, die sich in einem Temperatursprung äußert, der durch den Oberflächensen­ sor aufgenommen wird. Aus der Temperaturdifferenz eines sol­ chen Temperatursprungs, multipliziert mit einer mittleren Wärmekapazität des Ableitermaterials bzw. aus einer entspre­ chenden Eichkurve kann dann die in dem Ableiter umgesetzte Energie berechnet werden bzw. es können die Ableitvorgänge gezählt werden, um den Zustand des Ableiters zu dokumentieren bzw. Wartungen zu veranlassen.

Hierzu kann vorgesehen sein, daß die Temperaturwerte von dem Oberflächenwellensensor dauernd aufgenommen werden. Eine sta­ tionäre Abfrageeinheit strahlt dann dauernd Signale an den Oberflächenwellensensor ab und empfängt die zurückgestrahlten Signale zur Auswertung.

Es kann jedoch auch vorgesehen sein, mit einem transportablen Abfragegerät die einzelnen Oberflächenwellensensoren einer Gruppe von Ableitern lediglich im Wartungsfall bzw. peri­ odisch abzufragen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Über­ spannungsableiters sieht vor, daß der Oberflächenwellensensor innerhalb eines wenigstens teilweise metallischen Gehäuses angeordnet ist, dessen Wände oder sonstige Bestandteile eine Antenne bilden und das in axialer Richtung des Ableiterblocks zwischen zwei Ableitelementen oder zwischen einem Ableitelement und einer Anschlußelektrode eingefügt ist.

Das metallische Gehäuse kann typisch als Hohlzylinder mit stirnseitigen Deckeln ausgebildet sein, der beispielsweise aus Aluminium besteht. Das metallische Gehäuse kann dann bei­ spielsweise wenigstens einen Längsschlitz aufweisen, der parallel zur Längsachse des Ableiterkörpers verläuft und als Schlitzantenne zum Empfang und zur Abstrahlung der Signale wirkt, die zwischen dem Abfragegerät und dem Oberflächenwel­ lensensor ausgetauscht werden. Hierzu sind zwei Anschlußlei­ tungen des im Inneren des metallischen Gehäuses angeordneten Oberflächenwellensensors mit diesem Gehäuse leitend verbun­ den.

Das metallische Gehäuse oder ein Teil desselben kann auch als Streifenleitungsantenne (Patch-Antenne) ausgebildet sein, die aus zwei leitenden Schichten mit einer zwischen diesen ange­ ordneten dielektrischen Schicht besteht.

Derartige Schlitzantennen und Streifenleitungsantennen oder sogenannte Micro-Strip-Antennen sind beispielsweise aus Meinke, Grundlach: "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 5. Auflage, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York be­ kannt sowie aus dem Fachartikel "Input Impedance and Radia­ tion Pattern of Cylindrical-Rectangular and Wraparound Microstrip Antennas" IEEE Transactions on Antennas and Pro­ pagation Vol. 38, No. 5, May 1990.

Es kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, daß das Ge­ häuse im Ableitfall den Ableitstrom führt.

In diesem Fall muß die Stromtragfähigkeit des metallischen Gehäuses so ausgebildet sein, daß der Ableitstrom von diesem getragen werden kann, ohne daß das Gehäuse oder der Oberflä­ chenwellensensor durch Überhitzung beschädigt werden.

Das Gehäuse kann zu diesem Zweck mit den direkt benachbarten Ableitelementen verklebt oder durch Federdruck kontaktiert sein.

Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft dadurch ausgestaltet sein, daß das Gehäuse zylinderförmig gestaltet und in die Au­ ßenkontur des Ableiterblocks eingepaßt ist.

Durch diese Ausgestaltung ergibt sich eine hohe dielektrische Stabilität ohne vorstehende Kanten, die Entladungen begünsti­ gen könnten.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Oberflächenwellensensor an einer Innenwand des Gehäuses befestigt ist, die einem Ableitelement unmittelbar benachbart ist.

Hierdurch nimmt der Oberflächenwellensensor ohne größere Ver­ zögerungen die Temperatur des benachbarten Ableitelementes an, so daß die angezeigte Temperatur zuverlässig die aktuelle Ableitertemperatur repräsentiert.

Grundsätzlich ist es auch denkbar, den Oberflächenwellensen­ sor im Gasraum des Überspannungsableiters außerhalb des Ab­ leiterblocks anzuordnen, um die Temperatur des Überspannungs­ ableiters oder eine andere Meßgröße, wie die Gasdichte oder Gasfeuchte eines Füllgases zu überwachen. Jedoch ist darauf zu achten, daß der Oberflächenwellensensor mit der Antenne dielektrisch günstig, d. h. ohne größere Feldverzerrungen des elektrischen Feldes eingepaßt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrie­ ben.

Dabei zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Überspannungsableiters,

Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Ableiterblocks mit einem in diesen eingefügten metallischen Gehäuse,

Fig. 3 schematisch den Aufbau des metallischen Gehäuses mit dem Oberflächenwellensensor,

Fig. 4 schematisch ein Gehäuse mit einer micro-strip-An­ tenne,

Fig. 5 schematisch ein Gehäuse mit einer schichtweise aufge­ bauten Gehäusewand,

Fig. 6 schematisch ein Gehäuse mit einer als Schlitzantenne ausgeführten Zwischenwand.

Ein Überspannungsableiter 1 für Hochspannung ist auf einem Fundament 2 aufgestellt. Er besteht unter anderem aus einem Kapselungsgehäuse 3, das einen Ableiterblock 4 gasdicht um­ schließt, sowie Abschlußarmaturen 5, 6, die das Kapselungsge­ häuse 3 an beiden Enden abschließen und Feldsteuerelementen 7, 8. Der Ableiterblock 4 besteht aus zylindrischen Ab­ leitelementen 15, 16, 17, 18 in Form von nichtlinearen Wi­ derständen, beispielsweise Zinkoxidwiderständen, die axial mittels Federdruck zusammengedrückt oder leitend verklebt oder durch andere Mittel zusammengehalten sind. Der Hochspan­ nungsanschluß ist an der Armatur 5 angeordnet, während der Erdanschluß mit der Armatur 6 verbunden ist.

In dem Ableiterblock sind 3 Elemente 11, 12, 13 schwarz dar­ gestellt, die jeweils ein Gehäuse 18 eines Oberflächenwellen­ sensors 19 repräsentieren. Am Fuße des Überspannungsableiters 1 ist eine Abfrageeinheit 9 dargestellt, die über eine Antenne hochfrequente elektromagnetische Wellen ausstrahlt, wobei die Wellenfronten symbolisch mit 10 bezeichnet sind. Diese Wellen werden von den Antennen der Oberflächenwel­ lensensoren in den Gehäusen 11, 12, 13 aufgenommen und nach Durchlaufen des jeweiligen Oberflächenwellensensors und einer entsprechend dem jeweils erfaßten Meßwert beispielsweise der Temperatur erfolgten Veränderung des jeweiligen Signals zu der Abfrageeinheit 9 zurückgestrahlt.

Innerhalb der Abfrageeinheit 9 wird aus den zurückgestrahlten Signalen der durch die einzelnen Oberflächenwellensensoren aufgenommene lokale Meßwert, insbesondere Temperaturwert be­ stimmt und gespeichert. Die Werte können mittels einer Meß­ leitung 14 zu einer Warte weitergeleitet werden.

Durch die Einfügung von Temperatursensoren in den Ableiter­ block 4 kann die Temperatur des Ableiterblocks an den ent­ sprechenden Stellen einzeln bestimmt werden. Bei einer Erhö­ hung des Ruhestromes des Ableiters infolge Alterung findet eine allmähliche Erwärmung des Ableiters statt, die entspre­ chend registriert werden kann. Findet diese Erwärmung lokal ungleichmäßig statt, so deutet dies auf eine vorzeitige Alte­ rung bestimmter Ableitelemente hin.

Im Ableitfall wird in sehr kurzer Zeit eine sehr große elek­ trische Energiemenge in Wärme umgesetzt, die nur verzögert mittels des Isoliergases, das in dem Kapselungsgehäuse 3 an­ geordnet ist, nach außen hin zum Kapselungsgehäuse 3 abgege­ ben werden kann der kurzfristige Temperatursprung, der mit­ tels der Oberflächenwellensensoren registriert werden kann, gibt Aufschluß über die umgesetzte Energiemenge und damit über die Beanspruchung des Ableiters.

In der Fig. 2 ist schematisch im Ausschnitt ein Teil des Ab­ leiterblocks 4 dargestellt mit Ableitelementen 15, 16, 17, 18. Zwischen den Ableitelementen 16, 17 ist ein Gehäuse 18 eines Oberflächenwellensensors 19 angeordnet. In dem Gehäuse 18 ist ein Längsschlitz 20 angeordnet, dessen Längsrichtung parallel zur Achse des Ableiterblocks 4 verläuft. Dieser Schlitz 20 wirkt als Antenne zum Empfang und zur Rückstrah­ lung der Abfragesignale von der Abfrageeinheit 9.

Das Gehäuse 18 besteht beispielsweise aus Aluminium oder Stahl und ist so dickwandig ausgebildet, daß es den Ab­ leitstrom von dem Ableitelement 16 zum Ableitelement 17 wei­ terleitet, ohne thermisch überlastet zu werden. Der Oberflä­ chenwellensensor 19 ist mittels seiner Anschlußleitungen mit zwei verschiedenen Punkten des Gehäuses 18 leitend verbunden.

Es kann auch vorgesehen sein, wie dies in der Fig. 4 darge­ stellt ist, ein "wraparound patch" oder eine Streifenlei­ tungsantenne beliebiger Form auf das Gehäuse 18 aufzubringen oder in die Außenwand des Gehäuses 18 zu integrieren, die dann mit dem Oberflächenwellensensor 19 leitend verbunden ist und zur Abstrahlung bzw. zum Empfang der Signale dient.

Alternativ kann auch die zylindrische Wand des Gehäuses 18, wie in Fig. 5 dargestellt, wenigstens teilweise als aus zwei leitenden Schichten mit einem zwischen diesen angeordnetem Dielektrikum bestehender Körper ausgebildet sein, so daß diese Anordnung ebenfalls als Antenne benutzt werden kann.

Die innenliegende Schicht 23 ist dann massiv metallisch aus­ gebildet und trägt den Ableitstrom. Auf diese Schicht ist ein Dielektrikum 24, beispielsweise PTFE aufgebracht, das außen von einer leitenden Schicht 25 bedeckt ist. Die leitende Schicht ist nur an einem Ende 26 des Gehäuses mit der massi­ ven metallischen Schicht leitend verbunden.

In der Fig. 6 ist dargestellt, daß auch eine Zwischenwand 27 des Gehäuses als dessen Bestandteil in Form einer Antenne, beispielsweise einer Schlitzantenne, ausgebildet sein kann.

Das Gehäuse kann auch als Käfig aus parallel zur Längsachse des Ableiterblocks verlaufenden elektrisch leitenden Stäben ausgebildet sein.

Claims (7)

1. Überspannungsableiter (1) für Hoch- oder Mittelspannung mit einem Ableiterblock (4), der in einem Kapselungsgehäuse (3) gasdicht abgeschlossen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Kapselungsgehäuses (3) ein Sensor, insbesondere ein Temperatursensor, in Form eines Oberflächenwellensensors (19) angeordnet ist.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenwellensensor (19) innerhalb eines wenigstens teilweise metallischen Gehäuses (18) angeordnet ist, dessen Wände oder sonstige Bestandteile eine Antenne bilden und das in axialer Richtung des Ableiterblocks (4) zwischen zwei Ab­ leitelementen (16, 17) oder zwischen einem Ableitelement und einer Anschlußelektrode eingefügt ist.

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (18) im Ableitfall den Ableitstrom führt.

4. Überspannungsableiter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (18) zylinderförmig gestaltet und in die Außen­ kontur des Ableiterblocks (4) eingepaßt ist.

5. Überspannungsableiter nach Anspruch 2 oder einem der fol­ genden, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenwellensensor (19) an einer Innen- oder Seiten­ wand (21) des Gehäuses (18) befestigt ist, die einem Ab­ leitelement (17) unmittelbar benachbart ist.

6. Verfahren zur Überwachung eines Überspannungsableiters für Hoch- oder Mittelspannung mit einem Kapselungsgehäuse (3), dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Oberflächenwellensensors (19) eine Meßgröße, insbesondere die Temperatur im Innenraum des Kapselungsgehäuses gemessen wird, daß die Meßwerte mittels einer Antenne (18) nach außen übertragen werden und daß insbesondere aus der Temperatur die in dem Ableiter (1) um­ gesetzte elektrische Energie bestimmt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer sprunghaften Temperaturerhöhung des Ableiter­ blocks (4) die im Ableiter (1) umgesetzte elektrische Energie aus der Temperaturdifferenz und der Wärmekapazität bestimmt wird.