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Die Erfindung betrifft eine Blitzschutzeinrichtung für eine Hochspannungsfreileitung zur Montage auf einem Zwischenmast nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Hochspannungsfreileitung mit einer solchen Einrichtung.
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Die Erfindung ist in der Elektroenergiewirtschaft und insbesondere als Blitzschutzmittel für Hochspannungsfreileitungen einsetzbar.
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Aus dem Stand der Technik sind Blitzschutzeinrichtungen für Hochspannungsfreileitungen bekannt, die einen nichtlinearen Widerstand aufweisen. Zwischen dem nichtlinearen Widerstand und dem Draht der Hochspannungsfreileitung ist eine Überschlagstrecke ausgebildet [
RU2400894 IPC H02G7/00, 2009,
RU2400895 IPC H02G7/20, 2009,
RU2400896 IPC H02G7/20, 2009]. Die erste dieser bekannten Einrichtungen weist eine freie Überschlagstrecke auf. In der zweiten und der dritten Einrichtung ist die Überschlagstrecke entlang der Oberfläche eines Stützenisolators ausgebildet. Alle bekannten Einrichtungen weisen einen allgemeinen Mangel auf: Sie können nicht an den weit verbreiteten Masten von Hochspannungsfreileitungen mit Metalltraversen montiert werden. Für ihre Anwendung in Hochspannungsfreileitungen muss eine spezielle Stütze mit einer Isoliertraverse entwickelt und verwendet werden.
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Aus der
RU 85040U1 [IPC H02H9/06, 2009] ist eine Einrichtung zum Überspannungsschutz von Hochspannungsleitungen (Ausgestaltungen) bekannt. Eine zweite Ausgestaltung dieser Einrichtung ist für die Montage an Zwischenmasten von Hochspannungsfreileitungen konzipiert und ist als Prototyp gewählt.
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Diese bekannte Einrichtung ist auf einer Metalltraverse eines Zwischenmastes der Hochspannungsfreileitung montiert wird. Diese Einrichtung weist einen nichtlinearen Widerstand in Form einer Säule von Varistoren aus und hat eine externe Entladefunkenstrecke, die zwischen dem unteren Flansch des nichtlinearen Widerstandes und dem Hochspannungsdraht der Freileitung ausgebildet ist. Am unteren Flansch des nichtlinearen Widerstandes ist eine Sprühelektrode senkrecht zum Hochspannungsdraht aufgebaut. Die Sprühelektrode ist als ein Kreisbogen ausgebildet, dessen Radius der Längendifferenz zwischen der Funkenstrecke und der Aufhängehöhe des Hochspannungsdrahts der Hochspannungsfreileitung in Bezug auf die Traverse gleich ist.
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Der Mangel dieser bekannten Einrichtung ist eine niedrige Fertigungs- und Verarbeitungsgerechtheit und Zuverlässigkeit der Blitzschutzeinrichtungen wegen der zu strikten Anforderungen, welche die Geometrie und die Maße der Elektrode, die Aufhängehöhe des Hochspannungsdrahts in Bezug auf die Traverse und die Länge der externen Funkenstrecke gestellt sind.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Fertigungs- und Verarbeitungsgerechtheit und die Zuverlässigkeit des Blitzschutzes der Hochspannungsfreileitung zu erhöhen.
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Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung geht von einer Blitzschutzeinrichtung für eine Hochspannungsfreileitung aus, die einen nichtlinearen Widerstand, der an einer Traverse eines Zwischenmastes mit Hilfe eines Trägers befestigt ist, und eine externe (Luft-)Entladefunkenstrecke aufweist, die zwischen dem Draht der zu schützenden Hochspannungsfreileitung und einer Sprühelektrode ausgebildet ist. Dabei ist nach der Erfindung der Draht der zu schützenden Hochspannungsfreileitung an einer Kette von Isolierkörpern angehängt. Die Sprühelektrode ist dabei am unteren Flansch des nichtlinearen Widerstandes befestigt und in Form eines Metalltors ausgebildet, welches in Richtung senkrecht zum Draht der zu schützenden Hochspannungsfreileitung gerichtet ist.
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Dies ermöglicht es, das oben genannte technische Ergebnis zu erreichen.
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Die Blitzschutzeinrichtung hat weitere Ausgestaltungen.
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Eine Ausgestaltung ist auf die Erhöhung des Nutzeffekts des Blitzschutzes gerichtet. Sie besteht darin, dass die Länge der externen Funkenstrecke und die elektrischen Kennwerte des nichtlinearen Widerstandes gemeinsam folgenden Bedingungen entsprechen: Ukl(5 mA) > 0,95 UmB; URest(10 kA) < 2,5 UmB und LFs = (0,5 0,7)UmB, wobei
- UmB
- – die maximale Betriebsspannung der zu schützenden Hochspannungsfreileitung in kV,
- Ukl(5 mA)
- – die Klassifizierungsspannung des nichtlinearen Widerstandes bei einem Klassifizierungsstrom 5 mA,
- URest (10 kA)
- – die Restspannung des nichtlinearen Widerstandes bei einem Gewitter-Stromimpuls von 10 kA und
- LFs
- – die Länge der externen der Funkenstrecke in cm ist.
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Eine zweite Ausgestaltung der Erfindung ist darauf gerichtet, den Nutzeffekt des Blitzschutzes unter Bedingungen von beachtlichen Windabtrieben des an der Kette der Stützenisolatoren angehängten Drahts der Hochspannungsfreileitung aufrechtzuerhalten. Diese Ausgestaltung besteht darin, dass die Länge des Metalltors in Richtung senkrecht zum Draht der zu schützenden Hochspannungsfreileitung im Bereich von (0,3 ÷ 0,5)LSi, liegt, wobei
- LSi
- die Bauhöhe der Isolierkette ist.
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Die Erfindung zeigt auch eine Hochspannungsfreileitung mit Masten, an deren Traversen elektrische Leitungen mit Hilfe von Isolatorenketten angehängt und Blitzschutzeinrichtungen mit einer externen Funkenstrecke aufgebaut sind. Die Hochspannungsfreileitung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Blitzschutzeinrichtung gemäß der obigen Beschreibung ausgebildet ist.
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Wenn die Fernleitungsstrecke in Gebieten mit schlechtleitenden Böden gebaut ist, ist die Wahrscheinlichkeit von gewitterbedingten Stromausfällen bei der mit den vorgeschlagenen Einrichtungen versehenen Hochspannungsfreileitung wesentlich kleiner.
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Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 die Frontansicht einer Einrichtung und
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2 zeigt die Draufsicht der gleichen Einrichtung.
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Die Einrichtung (1 und 2) weist einen nichtlinearen Widerstand 1 auf, der in Form einer Säule von Varistoren ausgebildet ist. Die Varistorensäule ist in ein Isolierstoffgehäuse eingekapselt. Der Widerstand 1 ist an einer Traverse 2 eines Zwischenmastes der Hochspannungsfreileitung mit Hilfe eines Trägers 3 befestigt. Eine externe Entladefunkenstrecke 4 ist zwischen einem an der Traverse 2 auf einer Kette 6 der Stützenisolatoren angehängten Draht 5 und einer am unteren Flansch 8 des Widerstands 1 befestigten Sprühelektrode 7 ausgebildet. Die Sprühelektrode 7 ist in Form eines Metalltors ausgebildet, welches in Richtung senkrecht zum Draht 5 gerichtet ist.
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Die elektrischen Kennwerte des Widerstands 1 sind durch die Stromspannungskennlinie der Säule von Varistoren mit entsprechenden Werten von Ukl (5 mA) und URest (10 kA) vorgegeben.
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Die Einrichtung stellt einen Blitzschutz für Hochspannungsfreileitungen wie folgt sicher:
Wenn es keine Gewitterangriffe gibt, ist die Betriebsspannung der Hochspannungsfreileitung an die Kette 6 und an einen Serienschutzkreis parallel angelegt. Der Serienschutzkreis besteht aus dem nichtlinearen Widerstand 1 und der Luft-Funkenstrecke 4. Die Kette 6 und der Schutzkreis müssen dabei die größte Sternbetriebsspannung sowie die quasistationären und Schalt-Überspannungen für diese Klasse von Hochspannungsfreileitungen ohne elektrischen Durchschlag und Überschlag aushalten.
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Wenn gewitterbedingte Überspannungen entstehen, z. B. wenn der Blitz in den Draht 5, das Blitzschutzseil oder auf den Mast der Hochspannungsfreileitungen einschlägt, spricht der Schutzkreis an. Das heißt, die Entladefunkenstrecke 4 wird überschlagen, wenn die Spannung kleiner als die Überschlagsspannung der Kette 6 ist. Die Überschlagsspannung der Kette 6 hängt von der für Hochspannungsfreileitungen maximalen Betriebsspannung UmB ab. Das Ansprechen des Schutzkreises ist dadurch gekennzeichnet, dass die Varistoren des Widerstands 1 auf den flachen Abschnitt der Stromspannungskennlinie mit kleinem Widerstand wechselt. Dadurch ist die Spannung in der Blitzschutzeinrichtung und an der Kette 6 bis zur Restspannung an dem nichtlinearen Widerstand 1 bei diesem Entladungsstrom begrenzt. Diese Spannung ist kleiner als die mindestmögliche Überschlagsspannung der Kette 6 von Stützisolatoren. Folglich ist ein Überschlag und eine Beschädigung der Kette 6 verhindert. Nach dem Durchgang des Entladestroms (Blitzstrom) bleibt in der Strecke 4 ein ionisierter Kanal. Durch diesen Kanal fließt ein Folgestrom, der durch die Betriebsspannung der Leitung verursacht ist. Dieser Strom beträgt nicht mehr als nur einige Amperebruchteile und bricht innerhalb einer Halbperiode der Industriefrequenz ab. Der Impulsüberschlag geht nicht in einen Kurzschlussbogen über.
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Die durchgeführten Berechnungen und Experimentaluntersuchungen haben Folgendes gezeigt:
Um einerseits einen Übergang von einem Überschlag in einen Kurzschlussbogen (d. h. Übergang von dem Arbeitspunkt des nichtlinearen Widerstands 1 auf den flachen Abschnitt der Stromspannungskennlinie nach dem Überschlag der Funkenstrecke) unter Wirkung der maximalen Betriebsspannung sicher auszuschließen, und andererseits den abgestimmten Überschlag der Funkenstrecke 4 (d. h. wenn die Spannung kleiner als die Überschlagsspannung der Kette 6 ist) zuverlässig sicherzustellen, müssen die elektrischen Kennwerte des Widerstands 1 und die Länge der Funkenstrecke 4 folgenden Bedingungen entsprechen: Ukl(5 mA) > 0,95 UmB; URest(10 kA) < 2,5 UmB und LFs = (0,5 0,7)UmB.
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Unter der Voraussetzung, dass die letzte Bedingung zutrifft, schließt die erste Bedingung den Übergang von einem Impulsüberschlag in einen Kurzschlussbogen (Übergang von Arbeitspunkt des nichtlinearen Widerstandes auf den flachen Abschnitt Stromspannungskennlinie nach dem Überschlag der Funkenstrecke) unter Wirkung der maximalen Betriebsspannung aus. Die zweite Bedingung stellt einen abgestimmten Überschlag der Funkenstrecke 4 sicher. Diese zwei Bedingungen begrenzen beidseitig die Anzahl der Varistoren in der Säule, welche den nichtlinearen Widerstand 1 ausbildet, und die Gesamtstromspannungskennlinie der Varistoren.
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Die zweiseitige Begrenzung der Länge der Strecke 4 durch die letzte Bedingung resultiert aus den folgenden Untersuchungsergebnissen. Um den Überschlag der Kette 6 sicher zu vermeiden, muss der LFs-Wert klein genug sein, um der Bedingung LFs < 0,7 UmB zu entsprechen. Jedoch ist bei einer Verkürzung der Strecke bis LFs < 0,5 UmB die Gefahr immer höher, dass die Funkenentladung in eine Bogenentladung übergeht, wodurch die Beschädigung des Widerstands 1 verursacht wird.
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Der LFs-Wert ist der kürzeste lineare Abstand zwischen der Elektrode 7 und dem Draht 5 (s. 1). Wenn der Wind den Draht 5 und die den Draht unterstützende Kette 6 abtreibt, so ändert sich dieser Abstand. Jedoch haben die durchgeführten Untersuchungen Folgendes ergeben: Wenn die Länge des Metalltors in Richtung senkrecht zum Draht der zu schützenden Luftleitung (0,3 ÷ 0,5)LSi beträgt, bleibt der LFs- Wert innerhalb des oben genannten Bereichs bis an die Windabtriebe der Kette 6 von der senkrechten Achse. Die Windabtriebe können ±40 erreichen.
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Die vorgeschlagene bauliche Ausführung ist verfahrenstechnisch bequemer und stellt keine strengen Anforderungen an die Geometrie und die gegenseitige Anordnung der Elemente des Blitzschutzes dar. Das vereinfacht die Fertigung und die Montage der Einrichtungen an den Zwischenmasten der Hochspannungsfreileitungen und sorgt letztendlich für einen zuverlässigeren Blitzschutz der Hochspannungsfreileitungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- RU 2400894 [0003]
- RU 2400895 [0003]
- RU 2400896 [0003]
- RU 85040 U1 [0004]
