DE2529536C3 - Hochspannungsableiter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochspannungsabieiter mit einer Reihenschaltung von Funkenstrecken, denen eine Steuerfunkenstrecke zugeordnet ist. Ein derartiger Hochspannungsabieiter ist aus der FR-PS 19 971 bekannt.

Bei dieser Ausführungsform eines Hochspannungsabieiters wird die Feldkonzentration an den Rändern der Plattenelektroden durch Abrundung ihrer Profile beseitigt. Diese Steuerfunkenstrecke ist mit einer Vorionisation versehen. Zu diesem Zweck wird der Raum zwischen den Elektroden mit einem gasförmigen ^-Strahler, beispielsweise mit einem Tritium-Gas gefüllt. Durch die radioaktive Strahlung dieses Gases werden Elektronen aus der Oberfläche der metallischen Elektroden der Funkenstrecke gelöst (FR-PS 20 19 971). F.ine Vorionisicrung erhält man auch dadurch, daß eine der Plattenelektroden mit mehreren Tropfen e>ner radioaktiven Lösung versehen wird (US-PS 24 31 226). Die Herstellung der Steuerfunkenstrecke mit radioakti ven Strahlern ist aber in der Fertigung mit zusätzlichen Kosten und Schwierigkeiten, besonders im Hinblick auf die Arbeitssicherheit, verbunden.

Das Ansprechverhalten eines Überspannungsableiters wird bekanntlich durch seine Ansprechkennlinie wiedergegeben. Diese besteht im allgemeinen nicht in einer einfachen Kurve, sondern stellt ein breites Band ϊ dar, das bei Zeiten unterhalb 1 us steil ansteigt und ebenso im Bereich der Schaltspar.nungen bei etwa 30 bis 100μ5 wieder etwas ansteigt Die obere Einhüllende dieses Streubandes, die sogenannte 100%-Ansprechspannung, legt das Ansprechniveau fest, das ;omit um so

ίο tiefer ist je schmaler das Streuband ist (»Überspannungsableiter für höchste Übertragungsspannungen« aus »Drehstrom-Höchstspannungs-Übertragung«, Siemens-Druckschrift 1966, Seiten 72 bis 76).
In einem Überspannungsleiter mit einer Reihenschal-

'5 tung von Funkenstrecken kann das Absinken der Ansprechspannung dadurch begrenzt werden, daß den Funkenstrecken eine besondere Steuerfunkenstrecke zugeordnet ist die einer der Funkenstrecken parallel geschaltet ist Diese Steuerfunkenstrecke enthält in einer bekannten Ausführungsform zwei bandförmige Elektroden, die nach Art einer Wellpappe gestaltet sind und die somit in einem über ihre Längsausdehnung unregelmäßigen Abstand einander gegenüberliegen. Der geringste Abstand bestimmt die Ansprechspannung der Funkenstrecke, die in einem gewissen Grade dadurch eingestellt werden kann, daß der Abstand mittels einer Schraube verändert wird (SU-PS 1 26 175).

Die Steuerfunkenstrecke kann auch mit teller- oder

napfförmigen Elektroden versehen sein, denen ein

jo metallischer Ring zugeordnet ist, welcher die Potentialverteilung an der Innenwand des Gehäuses der Funkenstrecke ändert. Er soll nämlich den Überschlag zwischen den Elektroden durch Feldkonzentration an seiner Oberfläche einleiten. Zu diesem Zweck ist er als

i> Hohlzylinder gestaltet und seine den Elektroden zugewandten Oberflächen bilden scharfe Kanten (DE-OS 21 20 214).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsabieiter so zu gestalten, daß das

to Streuband seiner Ansprechspannung schmal ist und einen möglichst horizontalen Verlauf hat, wobei das Verhältnis der 100%-Ansprechspannung zum Scheitelwert der Löschspannung wesentlich unter 1,8 vermindert werden soil. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Mit dieser Gestaltung erhält man eine Ansprechspannung mit sehr geringer Streuung. Der Ableiter spricht unabhängig von der Steilheit einer ankommenden Überspannungswelle innerhalb des engen Spannungsbereiches an, der nur wenig, aber einstellbar über dem Scheitelwert der Löschspannung liegt. Es wurde nämlich erkannt, daß durch den elektrisch leitenden Ring, der eine hochohmige Verbindung mit den Elektroden hat, die nur einen Ladungsausgleich ermöglicht, die elektrischen Feldlinien so zum Ring hin verbogen werden, daß freie Ladungsträger in den Randzonen der Elektroden vom Ring abgesaugt werden und somit am Elektrodenrand keinen Durchschlag einleiten können. Alle Überschläge finden deshalb innerhalb des ebenen Elektrodenteils statt und die Ansprechstoßspannung bleibt konstant.

Der Ring kann vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Aluminium bestehen. Er wird /weckmäßig über einen Isolierstoifkörper, beispielsweise das Gehäuse der

*" Steuerfunkenstrecke, mit den Elektroden verbunden. Diese Aiislührungsforni hat den Vorteil, daß elektrische Ladungen auf der Oberfläche des Ringes sich über den Isolicrsioffkörpcr ausgleichen können. Der Isolierstoff-

körper hat nämlich an seinen Oberflächen genügend Leitfähigkeit, um die Ladungen an die Elektroden abfließen zu lassen. Zweckmäßig wird der Ring in eine entsprechende Nut des Isolierstoffgehäuses eingebaut

Die Elektroden bestehen aus einem Material mit =, nichtoxidierender Oberfläche, nämlich aus Graphit Dieses Material hat den Vorteil, daß sich die Ansprechspannung auch über einen längeren Zeitraum nicht ändert Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des hochspannungsableiters besteht darin, daß m man den Rand der beiden Elektrodenplatten dem Verlauf einer Äquipotentialfläche annähen, die durch Rotation einer Äquipotentiallinie um die Elektrodenachse entsteht, wenn das Potential φ dieser Potentiallinie höchstens die Hälfte des Potentials φ, an der ii Elektrodenplatte beträgt, von der die Äquipotentiallinie abgeleitet ist Dieses Profil der Plattenelektroden ist von Rogowski für Meßfunkenstrecken entwickelt worden und wird deshalb allgemein als Rogowski-Profil bezeichnet Mit dieser Gestaltung der Elektrodenober- :o fläche erhält man ein von der Elektrodenachse zum Rand der Elektroden abnehmendes Feld an der Elektrodonoberfläche. Die Feldstärke ist deshalb am Rande kleiner als in der Mitte der Elektrode«.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die 2-5 Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Hochspannungsableiters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Ein Überspannungsableiter, der vorzugsweise für Hochspannung von beispielsweise 110 kV oder Höchstspannung von beispielsweise 500 kV geeignet sein soll, enthält mehrere Stapel mit jeweils einer Reihenschaltung von Funkenstrecken, von denen in der Figur der Einfachheit halber nur zwei dargestellt und mit 2 bzw. 12 bezeichnet sind. Diesen Reihenschaltungen ist jeweils ü ein Steuerwiderstand 3 bzw. 13 zugeordnet, der vorzugsweise ein nicht-linearer Widerstand sein kann. Die Reihenschaltung 2 enthält einzelne Funkenstrecken 4 bis 8, die jeweils einzeln in einer Lichtbogenlöschkammer angpordnet sein sollen. An den Enden des Stapels ist jeweils eine Blasspule 9 bzw. 10 vorgesehen. In gleicher Weise besteht die Reihenschaltung 12 aus Funkenstrecken 14 bis 18 und Blasspulen 19 und 20. Diese Blasspulen 9 und 10 sowie 19 und 20 sind vom Strom der Funkenstrecken durchflossen und so « gestaltet, daß ih- magnetisches Fold wenigstens etwa in Richtung der Achse des Stapels verläuft. Beim Ansprechen des Überspannungsabieiters wird zwischen den in der Figur nicht näher dargestellten Funkenstrekken jeweils ein Lichtbogen gezündet und unier der Wirkung des magnetischen Feldes der Blasspulen 9 und 10 bzw 19 und 20 in fieren Lichtbogenlöschkammern getrieben. Während seiner Bewegung wird der Lichtbogen verlängert und nimmt eine entsprechend erhöhte Spannung auf. Sobald die Summe dieser Lichtbogenspannungen die treibende Spannung übersteigt, erlischt der Strom im Überspannungsableiter. Der Reihenschaltung 2 ist eine Steuerfunkenstrecke 30 parallelgeschaltet, die als Plattenfunkenstrecke ausgebildet ist und zwei Elektroden 32 und 33 enthält, die aus Grafit bestehen. Sie sind in einem Gehäuse 35 angeordnet, von dem wenigstens der die Elektroden 32 und 33 einschließende innere Teil aus Isolierstoff besteht. Die Elektroden 32 und 33 sind jeweils mit einem elektrischen Anschlußleiter 36 bzw. 37 versehen, die durch das Gehäuse 35 hi hindurchgeführt sind. Der AnschluDleitet 37 kann vorteilhaft zur Zuführung eines sauerstoffreien Gases, insbesondere Stickstoff, vorgesehen und zu diesem Zweck als Hohlleiter gestaltet sein. Am Ende des Anschlußleiters 37 ist dann ein geeignetes Ventil 39 vorgesehen, das in der Figur nicht näher dargestellt ist. Das Gehäuse 35 ist mit einer Ringnut versehen, in welcher ein Ring 40 angeordnet ist, der vorzugsweise aus Metall, insbesondere Aluminium bestehen kann und dessen innerer Durchmesser D größer als der Durchmesser d des ebenen Oberflächenteils der Elektroden 32 bzw. 33 ist und der in der Mittelebene zwischen diesen Elektroden und konzentrisch zur Symmetrieachse 42 der Elektroden angeordnet ist. Um Feldkonzentrationen an der Oberfläche des Ringes 40 zu vermeiden, können wenigstens die den Elektroden 32 und 33 zugewandten Kanten des Ringes 40 abgerundet sein. Der Ring 40 besteht aus einem elektrisch leitenden Material, vorzugsweise Metall, insbesondere Aluminium. Durch diesen Ring 40 werden die zwischen den Elektroden 32 und 33 verlaufenden Feldlinien so zum Ring 40 hin verbogen, daß freie Ladungsträger in den Randzunen der Elektroden 32 und 33 dort keinen Durchschlag einleiten können, .'ie werden vom Ring praktisch abgesaugt

Eine besonders vorteilhafte Gestaltungsform des Hochspannungsableiters erhält man dadurch, daß die Platten ein Rogowski-Profil erhalten. Mit dieser Gestaltung wird der Ansprechbereich der Steuerfunkenstrecke 30 weiter eingeengt

Zum Einlegen des Ringes 40 in die Ringnut des Gehäuses 35 kann dieses zweckmäßig geteilt sein, wie es in der Figur angedeutet ist Die Verbindungsfläche der beiden Teile wird dann nach dem Einlegen des Ringes 40 zweckmäßig besonders abgedichtet, beispielsweise mittels einer Gießharzabdichtung 44. Oberflächenladungen des Ringes 40 können sich im Innenraum 46 des Gehäuses 35 über die inneren Oberflächen 47 und 48 der beiden Gehäuseteil zu den Anschlußleitern 36 bzw. 37 der Elektroden ausgleichen.

Im Ausführungsbeispiel ist der Ring 40 in einer Nut des Gehäuses 35 angeordnet und somit über einen Oberflächenwiderstand von etwa 10^I0Ohm mit den Elektroden 32 bzw. 33 verbunden. Unter Umständen kann es ausreichen, wenn der Ring 40 über entsprechend große Widerstände mit den Elektroden 32 und 33 elektrisch leitend verbunden ist.

Das Gehäuse 35 kann zweckmäßig mit einem sauerstoffreien Gas, beispielsweise Stickstoff, gefüllt sein, das vorzugsweise unter erhöhtem Druck gehalten wird. Mit der Höhe des Druckes kann die Ansprechspannung der Steuerfunkenstrecke eingestellt werden. Der Druck kann vorzugsweise zwischen 1 und 10 bar einstellbar sein und insbesondere etwa 1 bis 5 bar betragen.

In einem Hochspannungsabieiter mit einer Löschspannung von beispielsweise 132 kV sollen beispielsweise die in der Figur dargestellten Reihenschaltungen 2 und 12 von Funkenstrecken jeweils für 24 kV Löschspannung ausgelegt sein. Für die Steuerfunkenstrecke 30 soll beispielsweise eine Ansprechspannung von 47 kV gewählt werden. Diese Ansprechspannung erhält man mit einem Elektrodenabstand 3 = 5 mm und einem Durchmesser des ebenen Teils der Elektrödenöberflächen an der Entladungsseite von d -= 25 mm und einem Innendurchmesser des Ringes 40 von D = 52 mm sowie einem Druck von 1,15 bar im Gehäuse 35 der Steuerfunkenstr.rke 3Ό mit Stickstoffüllung. Das Verhältnis der Ansprechspannung zum Scheitelwert der Löschspannung beträgt damit 1,4. In einem Hochspannungsableiter mit einer Steuerfunkenstrecke nach der

Erfindung kann dieses Verhältnis somit wesentlich verringert werden.

Mit einem Druck von 23 bar könnte diese Steuerfunkenstrecke beispielsweise einer Reihenschaltung 2 für eine Löschspannung von 48 kV zugeordnet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Hochspannungsabieiter mit einer Reihenschaltung von Funkenstrecken, denen eine Steuerfunkenstrecke zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerfunkenstrecke (30) Plattenelektroden (32,33) aus Grafit enthält und daß in der Mittelebene zwischen den Plattenelektroden (32, 33) und konzentrisch zur Elektrodenachse (42) ein geschlossener Ring (40) aus elektrisch wenigstens halbleitendem Material vorgesehen ist, dessen Innendurchmesser größer ist als der Durchmesser des ebenen Teils der Elektrodenoberfläche an der Entladungsseite und dessen den Plattenelektroden (32, 33) zugewandten Kanten abgerundet sind und der über einen hohen elektrischen Widerstand mit den Plattenelektroden (32, 33) elektrisch leitend verbunden ist

2. Hcchspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (40) aus Metall besteht

3. Hochspannungsabieiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (40) aus Aluminium besteht

4. Hochspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstand ein Isolierstoffkörper vorgesehen ist

5. Hochspannungsabieiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß als Isolierstoffkörper das GehäMse (35) des Ableiters vorgesehen ist.

6. Hochspannungsabieiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, xiaß das Gehäuse (35) in der Mittelebene zwischen den Flattenelektroden (32, 33) mit einer Ringnut verse, .en ist, in welcher der Ring (40) angeordnet ist.

7. Hochspannungsabieiter nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet daß Plattenelektroden (32, 33) vorgesehen sind, deren Rand so ausgebildet ist, daß die Feldstärke am Rand kleiner ist als in der Elektrodenmitte.