DE2819528A1 - Schutzeinrichtung - Google Patents

Description

ME-354-GIJN
1Λ-2468

MITSUBISHI I)ENKI KABUSHIKI KATSIIA,
Tokyo, Japan

Schutzeinrichtung

Zusammenfassung

Iis wird eine Schutzeinrichtung zum Schutz vor
einer unnormalen Spannungsbeaufschlagung, insbesondere eine Blitzschutzeinrichtung geschaffen, welche ein geerdetes zylindrisches Metallgehäuse
umfasst sowie eine Elektrode oder ein leitfähiges Substrat, welche sich in Richtung der Achse des
Metallgehäuses erstreckt sowie eine gespreizte
Isolierrohreinrichtung zwischen dem Metallgehäuse und der Elektrode oder dem leitfähigen Substrat sowie eine \Melzahl von nicht-linearen Widerständen in dem Tsolierrohr wobei die nichtlinearen Widerstände jeweils derart miteinander verbunden sind, daß sich eine Ähnlichkeit in Bezug auf die Potential verteilung in dem Metallgehäuse ergibt.

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Die Erfindung betrifft einen Blitzschutz zum momentanen Schutz einer elektrischen Schaltung vor einer unnormalen Spannungsbeauflagung.

Es ist bekannt eine in Fig. 1 gezeigte Einrichtung als Schutzeinrichtung zu verwenden. (1) bezeichnet einen Erdungsbehälter mit einem inneren Teil, welcher mit einem Gas mit hoher Isolierfestigkeit wie SF gefüllt ist. C3) bezeichnet einen Widerstand mit ausgezeichneter nichtlinearer Charakteristik z.B. einen Widerstand aus übereinandergeschichteten gesinterten Substratkörpern mit Zinkoxyd als Hauptkomponente. (4) bezeichnet ein leitfähiges Substrat als Anschlußdraht auf der Hochspannungsseite. (5) bezeichnet isolierende Abstandselemente zur Halterung der Zuleitung (4).

Im Folgenden soll die Arbeitsweise dieser herkömmlichen Einrichtung erläutert werden.

Die Leitung (4) ist mit dem Hochspannungsanschluß der zu schützenden Einrichtung verbunden und ein durch einen Blitz oder dergleichen hervorgerufener Spannungsstoß wird durch die Widerstände (3) kurzgeschlossen. Fig. 2 zeigt ein Beispiel der Spannuns-Strom-Charakteristik des als Widerstand (3) verwendeten Zinkoxyd-Sinterelements. Der Anstieg der Klemmenspannung beim Stromstoß wird durch die in weitem Bereich vorliegende konstante Spannungscharakteristik gemildert. Die ausgezogene Linie in Fig. 2 zeigt die Charakteristik gegenüber Gleichstrom oder gegenüber einem großem Stromstoß. Die Spannungs-Strom-Charakteristika infolge der Beaufschlagung des Elements mit Wechselspannung, d.h. mit Spitzenwerten des Stroms und der Spannung,

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sind im Bereich geringer Stromstärken verschieden von den Spannungs-Strom-Charakteristika der Gleichspannung (gestrichelte Linie in Fig. 2), da das Element eine elektrostatische Kapazität hat. Diese Charakteristika sind typisch für Zinkoxyd-Sinterelemente und andere nichtlineare Widerstände. Die Strom-Spannungs-Charakteristik bei relativ hoher Wechselspannung ist ähnlich derjenigen bei einer Gleichspannung. Gemäß Fig. 2 sind die Charakteristiken bei Wechselspannung und bei Gleichspannung im Wesentlichen ähnlich, wenn die Spannung über dem Wert V liegt. Der Strom beträgt im Falle eines Zinkoxyd-Sinterelements bei V gewöhnlich mehr als 1 mA. Normalerweise liegt an dem nichtlinearen Widerstand im Wechselstromblitzschutz eine Wechselspannung an. Die normale Erdungsspannung sollte bei einem Wert unterhalb V , z.B. V gemäß Fig. 2 liegen und zwar unter dem Gesichtspunkt der Lebensdauer des beschri ebenen Elementes.

Die folgenden Störungen treten auf, da die beschriebenen Elemente bei niedrigen Wechselspannungen die Funktion eines einfachen Kondensators haben. Bei dem Aufbau gemäß Fig. 1 bildet sich eine schwimmende Kapazität zwischen dem nichtlinearen Element (3) und dem Behälter (1) aus. Daher erhält man für die SpannungsZuordnung des nichtlinearen Widerstandes das Äquivalentschaltbild gemäß Fig. 3 bei einer Beaufschlagung mit niedriger Wechselspannung als normaler Erdungsspannung. In Fig. 3 bezeichnet II die Sesamtltlnge des nichtlinearen Widerstandes ; X den Abstand vom Hochspannungsanschluß zu dem jeweils in Betracht gezogenen Punkt; d_x einen Different ialabstand für die nachfolgende Berechnung; K/d_x die elektrostatische Kapazi tat des Elementes im Bereich d„; Cd„ eine elektrostatische Kapazität zwischen den Bereich d„ und de« Behälter und Υ_χ das elektrische Potential des nichtlinearen Widerstandes in Punkt X bei der Spannung V. 809845/1003

Ks ergibt sich somit die folgende Beziehung

Wenn man C und K als konstant (unabhängig von X) annimmt, so ergibt sich die folgende Gleichung

d_x2 K

Bei der Lösung dieser Gleichung setzt man als Grenzwertbedingung V(o) = V an. Die Lösung lautet dann

sinh[jf Η]

Die Potentialverteilung Y(X) des nichtlinearen Widerstandes ergibt sich in Form der ausgezogenen Linie in Fig. 4(a), welche erheblich von der linearen Potentialverteilung gemäß der gestrichelten Linie abweicht. Man erkennt aus den obigen Gleichungen, daß die Abweichung von der linearen Potentialverteilung sich bei einer Erhöhung der Länge des nichtlinearen Widerstandes vergrößert. Somit ergibt sich gemäß der ausgezogenen Linie in Fig. 4(b) eine beträchtliche Ungleichförmigkeit des Feldes E(X) = IdV(X)/dXI im In neren des nichtlinearen Widerstandes. Die maximale Feldstärke befindet sich auf der Ilochspannungsseite (X=O) und die Feldstärke E an dieser Stelle des maxilalen Feldes ist beträchtlich höher als die druch- schnittliche Feldstärke E_ay. Unter diesen Bedingungen ergibt sich i« Bereich nahe der Hochspannungsseite des nichtlinearen Widerstandes gemäß Fig. 2 eine Ober-

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spannung im Vergleich zum Pegel der normalen Erdungsspannung Vp. Bei einer derartigen normalerweise auftretenden Überspannung wird das Element jedoch elektrisch beschädigt. Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Spannungs-Lebensdauer-Kurve des Zinkoxydelements. Die Lebensdauer nimmt drastisch ab, wenn die Spannung sich Vo nähert. Bei dem herkömmlichen Aufbau der Schutzeinrichtung weicht auf der Hochspannungsseite die Spannung jedoch stark von der normalen Erdungsspannung ab, so daß der nichtlineare Widerstand in diesem Bereich nachteiligerweise stark beeinträchtigt wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schutzeinrichtung zum Schutz gegen unnormale Spannungsbeaufschlagung zu schaffen, welche eine verbesserte Anordnung nichtlinearer Widerstände aufweist, so daß diese gleichförmig mit Spannung beaufschlagt werden und nicht beeinträchtigt werden, so daß man ein ausgezeichnetes Betriebsyerhalten während langer Betriebsdauer erhält.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzeinrichtung gelöst, welche ein geerdetes zylindrisches Metallgehäuse umfasst sowie eine in Richtung der Achse des Metallgehäuses angeordnete Elektrode oder ein leitfähiges Substrat sowie eine gespreizte Isolierrohranordnung zwischen dem Metallgehäuse und der Elektrode oder dem leitfähigen Substrat, wobei eine Vielzahl von nichtlinearen Widerständen in dem jeweiligen Metallrohr angeordnet sind, wobei die nichtlinearen Widerstände jeweils derart verbunden sind, daß man im Wesentlichen eine Ähnlichkeit zur Potentialverteilung in dem Metallgehäuse erhält.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine herkömmliche Schutzeinrichtung;

Fig. 2 Kennliniendiagramme der Schutzeinrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine äquivalente Schaltung der Schutzeinrichtung gemäß Fig. 1 ;

Fig. 4 eine elektrische Potentialverteilung der Schutzeinrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 5 die Abhängigkeit der Lebensdauer eines nichtlinearen Widerstandes von der Spannung;

Fig. 6.eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung;

Fig. 7 einen Schnitt gemäß Linie A-A in Fig. 6;

Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht der Schutzeinrichtung gemäß Fig. 6;

Fig. 9 eine schematische Darstellung der Verbindung der nichtlinearen Widerstände und

Fig.10 eine weitere Ausführungforra der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung.

Fig. 6 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. (1) bezeichnet ein Erdungsgefäß mit einem Innenraum (2), welcher mit einem Gas hoher Isolierfestigkeit wie SF gefüllt ist. Ferner ist ein leitfähiges Substrat (4) vorgesehen, welches als Zuleitungsdraht auf der Hochspannungsseite wirkt. Das leitfähige Substrat (4) wird durch isolierende Abstandselemente (5) gehalten. (6) bezeichnet eine in achsialer Richtung des Erdungsgefäßes O) angeordnete Elektrode und (7) bezeichnet eine Vielzahl von Rohren aus isolierendem Material. Fig. 7 zeigt eine Draufsicht in

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Richtung der Linie A-A der Fig. 6.

Die isolierenden Rohre (7) erstrecken sich in Form einer Spinne von der Stelle der Elektrode (6) gemäß Fig. 7 schräg nach unten und nach außen und die anderen Enden der isolierenden Rohre sind durch nicht gezeigte Befestigungselemente am Lrdungsgefäß (1) hefestigt. Fig. 8 zeigt eine perspektivische Ansicht der Schutzeinrichtung zur Veranschaulichung der Anordnung der Innenteile gemäß Fig, 6. Im Inneren eines jeden isolierenden Rohres (7) sind eine Vielzahl von nichtlinearen Widerständen (gemäß Fig. 8 Gruppen von drei Elementen) angeordnet und in Reihe geschaltet. Die Widerstandselemente sind in einer Vielzahl von Stufen angeordnet und die einzelnen Gruppen sind durch isolierende Ahstandselemente (10) getrennt. Die gruppierten nichtlinearen Widerstände (9a), welche der Elektrode am nächsten liegen, sind durch einen Leitungsdraht (11a) mit der Elektrode (4) verbunden. Der Zuleitungsdraht (11a) ist mit dem höchstgelegenen Widerstandselement der Gruppe (9a) verhunden. Das unterste Widerstandselement der Gruppe (9a) ist üher eine Leitung (8a) mit der Gruppe (9h) nichtlinearer Widerstandselemente verbunden (und zwar wieder mit dem höchsten Element dieser Gruppe). Das unterste Element der Gruppe (9b) ist über eine weitere Leitung (8b) mit der nächsten Gruppe (9c) nichtlinearer Widerstandselemente verbunden usw. Auf diese Weise sind die Vielzahl gruppierter nichtlinearer Widerstandselemente (9x) in Reihe geschaltet und schließlich über eine Leitung (11d) geerdet. Fig. 9 veranschaulicht die spiralige Reihenschaltung der nichtlinearen Widerstandselemente. In Fig. 6 ist die elektrische Potentialverteilung zwischen der Elektrode (6) und dem Erdungstank (1) durch gestrichelte Linien (12) angedeutet. Erfindungsgemäß sind eine Vielzahl von Gruppen nichtlinearer Widerstandselemente (9a), (9b), (9c), ... (9x) gemäß Fig. 8 derart angeordnet,

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daß man eine Potentialverteilung erhält, welche im Wesentlichen ähnlich der Verteilung des elektrischen Potentials gemäß Fig. 6 ist. Demgemäß sind die Potentiale der nichtlinearen Widerstandselemente gleichförmig zugeteilt, ohne daß die elektrische Potentialverteilung gestört wird, so daß die Lehensdauer der nichtlinearen Widerstandselemente erhöht ist. Darüherhinaus hat die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung einen einfachen wirtschaftlichen Aufbau.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausfiihrungsform der Erfindung. Gemäß Fig. 10 wird anstelle der Elektrode (6) in Fig. 6 eine Leitung (12) ver\vendet. üarüberhinaus sind Tanks für die Gasisolations-Sammelschiene (13a), (1.3b) vorgesehen. Hrfindungsgemäß kann die Schutzeinrichtung zur Verhinderung einer .unnormalen Spannungsbeauflagung an der Sammelschiene eingesetzt werden, so daß man eine kompakte Schutzeinrichtung erhält.

Bei der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung sind eine Vielzahl von Isolierrohre (7) in dem geerdeten Gefäß (1) angeordnet. Es können z.B. drei oder vier isolierende Rohre oder aber auch zwei oder eine größere Anzahl von isolierenden Rohren angeordnet sein. Vorzugsweise erfolgt die Anordnung symmetrisch zur Mittelachse. Die isolierenden Rohre kennen geradlinig oder gekrümmt sein. Insbesondere können dia isolierenden Rohre sich von der Mitte (der Stelle des Anschlusses an die Elektrode (4)) schräg (mit einer Radialkonjpfnente) nach außen erstrecken. Die einzelnen Gruppen von nichtlinearen Widerstandselementen umfassen bei dem angegebenen Beispiel drei Widerstandselemente. Es können jedoch auch eine größere Anzahl von Widerstandselementen oder eine kleinere Anzahl (z.B. zwei) Widerstandselemente in jeder Gruppe vorgesehen sein. Die isolierenden Rohre können rund ^lim ein leitfähiges Substrat (6) oder (12¹) angeordnet sein. Bei

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der Aus Führungsform gemäß Fig. '6 ist das eine finde des Substrats (6) mit der Hochspannungszuleitung (6) verbunden während das andere linde (3) im geerdeten Gefäß endet und zwar in einer bestimmten Höhe über dessen Boden. Andererseits kann das leitfähige Substrat im Falle der Fig. 10 sich auch durch den Roden des geerdeten Gefäßes hindurch erstrecken und Teil einer Sammelschiene sein, welche sich durch ein Gehäuse erstreckt, das mit einem isolierenden Gas gefüllt ist.

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-ASL-

Leerseite

Claims (1)

1. Λ T E K T A K S P R fl C ff E

   Τ« / Schutzeinrichtung zwirn Schutz gegen «unnormale Spannungsbeauffla<g;u<ng mit einem geerdeten zylindrischen M!etalIgehäuse und einer bzw. einem sich in Richtung der Achse des ifetallgehäuses erstreckenden Elektrode oder leitfähigen Substrat und mit einer Vielzahl von nichtlinearen Widerstandselementen C9) * welche die Elektrode ('4*3.· bzw·«, das ieitfähige Substrat (ft)* (12*) mit dem geerdeten GeflüE (t} verbinden,., gekennzeichnet dtarch eine gespreizte Isolierrohreinrichtung; (7'} zwischen dem *fetallgehaciise f1l} ttnd der Elektrode f4}· to zw. dem leit- £ä:higen Substrat (,&} _t. (IZ'),. wobei die nichtlänearen Widersitandselemente ζ9} jeweils in einem! Isolierrehr angeordnet sind und derart miteinander verbinden sind, daß die Fotentialzuteilung zu den iiFiderstandseiememte im· wesentlichen ähnlich der Potentialv?erteilung im Mteist«

   Z_K Schtttzeinrichtung nach Anspruch 1_r dadurch gekennze:iehnet_fc da&. eine Vielzahl von gruppierten nichtlinearen Woidexstattdselementen (9J in Reihe geschaltet sind.

   3U Schuitzeinrichtungen.nach einem dje.r Ansprache 1 ©eier 1_Yj dadurch gekennzeichnet _r daß eine Vielzahl van Isallerrohren £7) in gespreizter Form oder in Spinnemfarm! aasind«,

   SchuitEeinrichtung nach einem der Ansprlcfce 1 feis 5, gekennzeichnet» daß; sie mit einem Task Ear eiiase -SSGcllieirte SanHselscMene verfoiifflJem ist.

   5. Schutzeinrichtung nach einein der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von isolierenden Rohren (7) rund um ein leitfjfhiges Substrat (6), (12^f) angeordnet sind.

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