DE2334420B2

DE2334420B2 - Überspannungsableiter

Info

Publication number: DE2334420B2
Application number: DE19732334420
Authority: DE
Inventors: Guenther Dipl.-Ing. Luxa; Rudolf Dipl.- Ing. Praetsch; Klaus Dipl.-Ing. Reichelt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-07-03
Filing date: 1973-07-03
Publication date: 1978-08-03
Also published as: GB1480845A; FR2236253A1; DE2334420A1; JPS5076545A; JPS5650087U; NL7408984A; IT1015484B; CH570719A5; FR2236253B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsableiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiger Überspannungsableiter ist durch die DE-OS 16 40 822 bekannt. Die spannungsabhängigen Widerstände dieses bekannten Ableiters bestehen vorwiegend aus einem Eisenoxid (Ferrit). Die beim Fließen eines in Ableitstromes auftretende magnetische Wirkung der Ferritwiderstände soll zur Steigerung der Löschwirkung der in Reihe mit den Widerständen geschalteten Funkenstrecken ausgenutzt werden. Angaben über die sonstigen Eigenschaften der Ferritwiderstände, d. h. den Grad ihrer Spannungsabhängigkeit und Strombelastbarkeit, enthält die genannte Offenlegungsschrift nicht.

Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Überspannungsableitern ist es ferner bekannt, sogenannte strombegrenzende Funkenstrecken zu verwenden, in -ίο denen der Lichtbogen unter dem Einfluß eines magnetischen Blasfeldes stark verlängert wird. Funkenstrecken dieser Art weisen eine verhältnismäßig komplizierte Konstruktion auf.

Es sind ferner Überspannungsableiter bekannt (DE-OS 19 52 841), die nur aus spannungsabhängigen Widerständen bestehen und deshalb keine Funkenstrekken benötigen. Im Unterschied zu den Überspannungsableitern der zuerst beschriebenen Art bestehen diese spannungsabhängigen Widerstände nicht aus einem Ferrit oder dem ansonsten allgemein verwendeten Siliziumkarbid, sondern aus einem anderen halbleitenden Widerstandsmaterial auf der Basis von Zinkoxid, das mit weiteren Metalloxiden dotiert ist. Dieses Widerstandsmaterial weist eine stärkere Spannungsabhängigkeit als die übrigen bekannten Widerstandsmaterialien auf und besitzt daher eine ausgeprägtere Ventilwirkung.

Die Anwendung von Überspannungsableitern auf der Basis von Metalloxidwiderständen der genannten Art ist jedoch auf Anwendungsfälle beschränkt, bei denen ein hohes Verhältnis von Restspannung zu Löschspannung zulässig ist. Diese Bedingung liegt in Niederspannungsnetzen vor, wo beispielsweise der Scheitelwert der Löschspannung 400 V beträgt und eine Restspannung b^r> mit einem Scheitelwert von 2000 V vorhanden sein darf. Ein derart hohes Verhältnis von Restspannung zu Löschspannung ist jedoch bereits in Mittelspannungsnetzen nicht mehr zulässig. Für einen Scheitelwert der Löschspannung von 17 kV beträgt hier die maximal zulässige Restspannung 40 kV. An diese Verhältnisse lassen sich die bekannten Metalloxidwiderstände nicht anpassen; vielmehr fließt bei dem Scheitelwert der Löschspannung ein Reststrom, der den Widerstandskörper rasch zerstört

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen vereinfachten Überspannungsableiter mit verbesserter Ansprcchkennlinie und Leistungsfähigkeit zu schaffen, der sich insbesondere zum Einsatz in Mittel- und Hochspannungsnetzen eignet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als halbleitendes Widerstandsmaterial ein mit Metalloxiden dotiertes Zinkoxid dient, dessen Exponent ä der Spannungsabhängigkeit wenigstens 10 beträgt, und daß die Funkenstrecken ein weitgehend gleichförmiges elektrostatisches Feld besitzen.

Die angegebene Spannungsabhängigkeit ist erheblich größer als die der bekannten Widerstände aus Siliziumkarbid, die bisher in Verbindung mit Funkenstrecken in Überspannungsableitern verwendet werden. Infolgedessen bewirken die Widerstände eine wesentlich stärkere Strombegrenzung, wodurch die Funkenstrecken entlastet werden. Diese lassen sich daher einfacher und preiswerter als bisher ausbilden. Die hierzu vorgesehenen Funkenstrecken mit weitgehend gleichförmigem elektrostatischem Feld führen auch zu einer Verbesserung der Ansprechkennlinie des Überspannungsableiter, weil sie nur eine sehr geringe Abhängigkeit der Ansprechspannung von der Steilheit der Spannungsvorgänge besitzen. Deshalb sind die bisher gebräuchlichen Mittel zur Beeinflussung der Ansprechkennlinie entbehrlich.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei erwähnt, daß die Stromdichte j im Ableitwiderstand der Beziehung

J = Vo ( -^

und der Ableitstrom / der Beziehung

• ( ^υ Y-

folgt. Hierin sind E die am Ableitwiderstand je Längeneinheit abfallende Spannung, Ό die Spannung am Ableitwiderstand, jo und /b Einheitswerte der Stromdichte bzw. des Stromes und Eq und i/o Konstanten. Die Spannungsabhängigkeit wird durch den Exponent « gekennzeichnet. Wenn auch die Werte Oi von halbleitenden Widerstandsmaterialien auf Metalloxidbasis, wie sie für die Zwecke der Erfindung besonders in Betracht kommen, von der Größe des Ableitstromes abhängen können, so liegen sie jedoch insgesamt merklich höher als bei den bekannten Siliziumkarbidwiderständen. Als Durchschnittswert kann für Widerstände aus Siliziumkarbid ein Wert λ von etwa 5 angenommen werden, während Metalloxidwiderstände Werte zwischen 10 und 30 aufweisen.

Wie bereits erwähnt, eignen sich besonders Widerstandsmaterialien auf der Basis von Metalloxiden für die Zwecke der Erfindung. Insbesondere sind gute Ergebnisse erzielbar mit einem Widerstandsmaterial, das überwiegend aus Zinkoxid besteht und mit weiteren

Metalloxiden dotiert ist. Materialien dieser Art sind beispielsweise in der DE-OS 19 52 841 beschrieben.

Für die Zwecke der Erfindung ist es vorteilhaft, Funkenstrecken mit Plattenelektroden (DE-OS 19 46 416) zu verwenden. Solche Elektroden sind ■> einfach herstellbar und ergeben das gewünschte weitgehend gleichförmige Feld.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit dem zur Isolierung von metallgekapseiten Hochspannungsanlagen bewährten Isoliergas Schwefelhexa- κι fluorid. Es ist zwar bereits bekannt, Funkenstrecken und spannungsabhängige Widerstände üblicher Bauart in einem mit Schwefelhexafluorid gefüllten Gehäuse unterzubringen (US-PS 27 57 261), jedoch haben sich in der Praxis — insbesondere bei erhöhtem Druck — |-, Schwierigkeiten dadurch ergeben, daß infolge des höheren Isoliervermögens dieses Gases die Anzahl der Funkenstrecken bei gleicher Ansprechspannung verringert werden muß und hierbei eine Einbuße an Löschvermögen entsteht. Da bei dem Überspannungsableiter gemäß der Erfindung das Löschvermögen der Funkenstrecken von untergeordneter Bedeutung ist, kann der Ableiter den veränderten Bedingungen auf einfache Weise angepaßt werden. Dies bedeutet eine erhebliche Erleichterung beim Einbau von Überspannungsableitem in metallgekapselte Hochspannungsanlagen, wie z. B. Schaltanlagen oder Rohrleiter, die mit Schwefelhexafluorid gefüllt sind. Es kann nun ohne Nachteil für die Wirkungsweise der Ableiter das gleiche Isoliergas in der Anlage und den Ableitern verwendet jo werden. Demgegenüber sind bei der Verwendung herkömmlicher Ableiter mit Stickstoffatmosphäre innerhalb von Hochspannungsanlagen mit SFö-FüIlung besondere Maßnahmen erforderlich, um das Eindringen des SFö-Gases der Hochspannungsanlage in den 3-, Überspannungsableiter oder umgekehrt zu vermeiden oder um die Auswirkungen eines solchen Gasübertrittes zu berücksichtigen.

Die Erfindung sei anhand von Atisführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Überspannungsableiter für Mittelspannungen mit einem in üblicher Weise gestalteten Gehäuse 1 aus einem geeigneten Isolierstoff, z. B. Porzellan. Das Gehäuse 1 ist durch Armaturen 2 und 3 abgeschlossen, die zugleich dem elektrischen Anschluß des Überspannungsabieiters dienen. Im Inneren des Gehäuses 1 ist eine Reihenschaltung von Funkenstrekken 4 mit Plattenelektroden 5, Distanzstücken 6 aus Isoliermaterial und Widerstandskörpern 7 aus Zinkoxid, das mit weiteren Metalloxiden dotiert ist, angeordnet. Die Anzahl der Funkenstrecken 4 und der Widerstandskörper 7 sowie die Größe dieser Bauelemente richten sich nach den gewünschten Spannungswerten und dem geforderten Ableitslrom, den der Überspannungsableiter führen soll.

In F i g. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem in einem gasdicht verschlossenen Gehäuse 10 die aus Funkenstrecken 4 und Widerstandskörpern 7 bestehende Reihenschaltung in einer Atmosphäre von Schwefelhexafluoridgas untergebracht ist. Ein solcher Überspannungsableiter eignet sich besonders zum Einsatz in metallgekapselten elektrischen Hochspannungsanlagen, ζ. Β. Schaltanlagen oder Rohrleitern, die mit Schwefelhexafluorid isoliert sind. Zwar empfiehlt es sich, den die aktiven Bestandteile des Überspannungsabieiters enthaltenden Raum durch eine Durchführung 11 gegenüber dem übrigen Gasraum der Anlage zu trennen; jedoch bedeutet es eine Erleichterung für die Konstruktion der Anlage, wenn dasselbe Gas für die Isolierung der Anlage und zur Füllung des Überspannungsabieiters verwendet werden kann. In der Regel sind diese Überspannungsableiter mit einem anderen Isoliergas, vorzugsweise Stickstoff, gefüllt. Hierbei können Schwierigkeiten auftreten, wenn infolge von Undichtigkeiten die Gasräume miteinander in Verbindung treten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Überspannungsableiter mit einer Reihenschaltung von Funkenstrecken und spannungsabhängigen Widerständen aus halbleitendem Widerstandsmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß als halbleitendes Widerstandsmaterial ein mit Metalloxiden dotiertes Zinkoxid dient, dessen Exponent χ der Spannungsabhängigkeit wenigstens 10 beträgt, und daß die Funkenstrecken (4) ein weitgehend gleichförmiges elektrostatisches Feld besitzen.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (4) Plattenelektroden (5) besitzen. 1 ^ri

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (4) und spannungsabhängigen Widerstände (Widerstandskörper 7) in einem mit Schwefelhexafluoridgas gefüllten Gehäuse (10) angeordnet sind.