DE2907985C2

DE2907985C2 - Überspannungsableiter

Info

Publication number: DE2907985C2
Application number: DE2907985A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Hitachi Kawai; Yutaka Kitano; Siniti Katsuta Owada; Shingo Shirakawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-03-03
Filing date: 1979-03-01
Publication date: 1985-08-14
Also published as: SE7901911L; US4262318A; GB2021857B; JPS5919448B2; GB2021857A; BR7901298A; JPS54116655A; SE438056B; DE2907985A1

Description

5. Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Stange (22) aus einem Hohlzylinder (37) aus isolierendem Material besteht, in welchem unter Federdruck (40) aufeinandergestapelt gehaltene keramische Kondensatorelemente (38) angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solcher Überspannungsableiter ist aus der zum nichtvorveröffentlichten Stand der Technik gehörenden DE-OS 28 04 617 bekannt. Der Überspannungsableiter hat einen luftdicht abgeschlossenen Behälter, in dessen zylindrischen Inneriraum außermittig scheibenförmige Zinkoxidelemente übereinandergestapelt angeordnet sind, die auf beiden Stirnseiten senkrecht zur Stapelrich-•tung Elektroden aufweisen. Die Zinkoxidelemente sitzen im Innenraum einer Buchse, die auf einem Teil ihrer Außenwand mit der Behälterinnenwand in Kontakt steht.

Zwischen einem Teil der Behälterinnenwand und der Außenwand der elektrisch isolierenden Buchse ist wenigstens eine Aussparung vorgesehen, die mit einem Isoliermedium gefüllt werden kann.

Aufgrund der beim Sinterprozeß der scheibchenförmigen Zinkoxidelemente entstehenden ungleichförmigen Verteilung der Komponenten ist ihr Widerstand im Mittelabschnitt größer als in den äußeren Abschnitten, was beim Stromfluß einen ungleichförmiger Spannangsabfall über dem Querschnitt bedeutet, was zu thermischen Spannungen führt, die den Bruch der Elemente herbeiführen können. Außerdem ist aufgrund der asymmetrischen Anordnung von Behälter zu Zinkoxidelementen eine gleichförmige Wärmeableitung nicht gewährleistet

Zum Stand der Technik gehört weiterhin ein Überspannungsableiter (AT-PS 2 95 628), der einen luftdicht abgeschlossenen, ein Isoliermedium enthaltenden Behälter mit einem Ableiterelement aufweist, das aus einer Vielzahl von in einer Richtung des Behälters gestapelten Widerstandselementen besteht die auf ihren beiden Stirnseiten senkrecht zur Stapelrichtung jeweils eine Elektrode aufweisen. Die Widerstandselemente sind ringförmig gestaltet so daß sie einen zentralen Kanal

bilden. Auch die Elektroden haben Ringform, wobei ihr Innendurchmesser größer als der Lochdurchmesser ist Die Widerstandselernente werden dadurch in der Lage gehalten, daß sie mit an beiden Enden des Behälters vorgesehenen Deckeln zusammengespannt sind, an de-

nen die Stirnflächen des Stapels anliegen. Durch das Zusammenspanneri der Widerstandselemente durch die Behälterdeckel ist eine Ausdehnung des Stapels in Längsrichtung infolge thermischer Spannungen in den Widerstandselementen nicht möglich, so daß die Wider-Standselemente hohen Druck- bzw. Zugspannungen ausgesetzt sein können, was zu einem Bruch in den Widerstandselementen und am Behälter führen kann. Durch das Anliegen der Stirnflächen des Stapels von Widerstnndselementen an den Behälterdeckeln wird eine Zirkulation des Isoliermediums aus dem zentralen Kanal in den die Widerstandselemente umgebenden Ringraum und umgekehrt verhindert so daß ein Wärmetransport zwischen der Innenfläche und der Außenfläche der Widerstandselemente über das Isoliermedium nicht stattfinden kann.

Bei einem anderen bekannten Überspannungsableiter (US-PS 26 23 192) sind in einem Behälter aus isolierendem Material ringförmige Widerstandselemente übereinandergestapelt die einen zentralen Kanal bilden, in dem eine Säule aus isolierendem Material angeordnet ist Am oberen Ende dt Stapels ist eine Platte aufgelegt die in der Mitte ein Loch aufweist durch das sich das obere Ende der isolierenden Säule hindurcherstreckt. Auf die Platte drückt eine Feder, die sich mit ihrem gegenüberliegenden Ende am oberen Deckel des Behälters abstützt. Durch die Feder wird ein Kontaktdruck auf die Widerstandselemente aufgebracht. Die Reaktionskraft der Feder wird dabei aufgrund ihrer Abstützung vollständig in den Behälter eingeleitet. Die in dem zentralen Kanal angeordnete Säule hat keine Hältefunktion für die Widerstandselemente sondern Ie diglich eine isolierende Wirkung. Die Festlegung der Widerstandselemente erfolgt einzig und allein durch den Anpreßdruck, der von der Feder ausgeübt und über die Platte in den Stapel eingeleitet wird.

Das Zusammenhalten eines Stapels von Widerstandselementen, die in einem Behälter eines Überspannungsabieiters angeordnet sind, durch Zugstangen, ist aus der

CH-FS 3 75 785 bekannt Die Zugstangen sind dabei im Ringraum zwischen der Außenfläche des Stapels von Widerstandselementen und der Innenfläche des Behälters angeordnet Ein zentraler Kanal, der sich durch die Widerstandselemente erstreckt, fehlt Um die Anordnung der Zugstangen zu ermöglichen, muß der Behälter einen großen Durchmesser haben, so daß der Oberspannungsleiter sehr viel Platz braucht

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, den Überspannungsableiter der eingangs genannten Art so auszubilden, daß der Temperatureinfluß auf die Zinkoxidelemente stark vermindert wird. Diese Aufgabe wird mit den in dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Oberspannungsableiters sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der eifindungsgemäße Überspannungsableiter hat den Vorteil, daß durch die federnde Abstützung der Zinkoxidelemente eine Wärmedehnung dieser Elemente bei thermischer Belastung möglich ist, und daß die beim Zusammendrücken der Feder auftretende Reaktionskraft von der Haltestange aufgenommen wird, so daß der Behälter weitgehend frei von inneren mechanischen Belastungen ist Da die Zinkoxidelemente ringförmig ausgebildet sind, sind die Verunreinigungen gleichförmig verteilt so daß auch eine gleichförmige Widerstandsverteilung vorliegt Die Außenflächen eines jeden Zinkoxidelements können deshalb mit hohem Wirkungsgrad als Ableiterelement eingesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter ist es möglich, eine im wesentlichen gerade Spannungs-Strom-Kenn'inie in einem breiten Strombereich auch nach mehrfachem Ableiten von Überspannungen zu erhalten.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch ein Zinkoxidelement

F i g. 2 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform eines Überspannungsableiter,

F i g. 3 in einer Teilansicht im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform eines Überspannungsabieiters,

F i g. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Überspannungsabieiters,

F i g. 5 im Längsschnitt ein zweites Beispiel für die Ausgestaltung des Hauptteils des Abaters von F i g. 4,

Fig 6 im Querschnitt ein drittes Beispiel für die Ausführung des Hauptteils des Ableiters von F i g. 4,

F i g. 7 im Längsschnitt eine vierte Ausführungsform eines Überspannungsableiter und

F i g. 8 den Schnitt XI-XI von F i g. 7.

Fig. 1 zogt ein Zinkoxiaelement 1, das auf folgende Weise hergestellt wird: Zunächst wird eine kleine Menge Bi₂Oj, CoO MnO, Sb₂O₃ und dergleichen der Hauptkomponente ZnO zugesetzt und damit vermischt Die Mischung wird in die Form eines Zylinders gepreßt und auf hohe Temperaturen erhitzt. Wie aus F i g. 1 zu ersehen ist hat das Zinkoxidelement 1 ein durchgehendes Loch 2, welches sich durch einen Mittelabschnitt des Zinkoxidelements i in Axialrichtung erstreckt. An den beiden Stirnseiten des Zinkoxidelements i in seiner Axialrichtung sind Elektroden in Form von Ringen 3 und 4 vorgesehen, die durch Aufdampfen von Metall oder auf andere Weise ausgebildet werden. Der Innendurchmesser der Ringe 3 und 4 ist um mehrere Millimeter größer als der Durchmesser des durchgehenden Lochs 2.

F i g. 2 zeigt einen Überspannungsableiter mit Zinkoxidelementen i von Fig. 1, Die breiten Enden eines Behälters 5 aus Isoliermaterial sind mit einer stirnseitigen Abdeckung 7 und einem Boden 6 so abgedichtet daß ein luftdicht verschlossener Behälter 5 erhalten wird. Die stirnseitige Abdeckung 7 ist mit der zu schützenden Schaltung verbunden und bildet einen Hochspannungsleiter, an den eine Hochspannung angelegt wird. Der Boden 5 liegt auf Erdpotential. Der Innenteil des luftdicht abgeschlossenen Behälters 5 ist mit einem Isoliermedium, beispielsweise mit gasförmigem N2, SFe oder einem Isolieröl gefüllt Die stirnseitige Abdeckung 7 ist von einer Abschirmungsschürze 8 umgeben. In einer Öffnung in der stirnseitigen Abdeckung 7 sitzt abdichtend eine Druckfreigabeplatte 9, die bei hohem Druck im Behälter 5 platzt v/obei das freiwerdende Isoliermedium von der Abschirmungsschürze 8 abgelenkt und der Behälter 5 geschützt wird. An der stirnseitigen Abdeckung 6 ist eine untere Endplatte 10 mit einem radialen Kanal 10a festgelegt An dem oberen Ende der gestapelten Zinkoxidelemente 1 sind nacheinander eine obere findplatte 18, eine Druckfeder 17 und eine Stirnplatte 11 angeordnet. An der Stiftplatte 11 ist eine Vielzahl von Querstreben 13, beispielsweise aus Hartpappe, befestigt Sie stehen in Kontakt mit der Innenwand des Behälters 5, um eine Lageabweichung der Stirnplatte 11 zu verhindern. An der Innenfläche der Stirnseiten Abdeckung 7 ist ein ringförmiger Leiter 14 zum Befestigen der Druckfreigabeplatte 9 festgelegt. Zwischen dem Leiter 14 und der Stirnplatte 11 ist eine Druckfeder 15 angeordnet

Auf einer Basis 25, die an der stirnseitigen Abdeckung 6 festgelegt ist, sind die untere Endplatte 10, eine Vielzahl von Zinkoxidelementen 1 und die obere Endplatte 18 aufeinandergesetzt Die Zinkoxidelemente 1 werden durch eine isolierende Stange 22 gehalten, deren unteres Ende an der Basis 25 festgelegt ist und deren oberes Ende aus der oberen Endplatte 18 vorsteht Ihr vorstehender Abschnitt ist mit Verbindungspaßstücken 23 durch Klebstoff oder eine Schraubverbindung gekoppelt. Die Querstreben 13 sind an der Stirnplatte 11 befestigt die ihrerseits mit den Verbindungspaßstücken 23 übe- eine Mutter 24 gekoppelt ist. Die Querstreben 13 stehen weiterhin in Kontakt mit der Innenwand des Behälters 5, um eine Abweichung des oberen Endes der isolierenden Stange 22 zu verhindern. Zwischen der Stirnplatte 11 und der oberen Endplatte 18 ist die Druckfeder 17 angeordnet, die einen Kontaktdruck auf die benachbarten Zinkoxidelemente 1 ausübt. Die Stirnplatte 11 und die obere Endplatte )8 sind elektrisch mittels einer elastischen Verbindung 19 verbunden, beispiielsweise durch eine Blattfeder. Die Druckfeder 15 ist zwischen der Stirnpldtte 11 und dem Leiter 14 angeordnet Sie kann die Zugspannung reduzieren, die auf die isolierende Stange 22 durch die Druckfeder 17 ausgeübt wird. Wenn die Druckfeder 15 ebenfalls einen Kontakt· druck zwischen benachbarten Zinkoxidelem?nten 1 ausüben soll, muß die Stirnplatte 11 der Stange 22 so angepaßt werden, daß sie frei längs der Stange 22 gleiten kann, so daß sich die Stirnplatte 11 zu der unteren F.ndplatte 10 hin bewegen kann. Die Stirnplatte 11 und der Leiter 14 sird ebenfalls elektrisch durch eine elastische Verbindung 16 verbunden. Zwischen der Wandfläche der !zentralen Löcher 2 der Zinkoxidelerneme 1 und ds; isolierenden Stange 22 ist ein axial durchgehender freier Ringraum von etwa 1 mm vorhanden, der über die zen-

trale Öffnung in der endplatte 18 und den radialen Kanal iOa mit Isoliermedium gefüllt ist.

Da der Innendurchmesser der die Elektroden bildenden Ringe 3 und 4, wie dies in F i g. 1 gezeigt ist, größer

als der Durchmesser des durchgehenden Loches 2 ist, führt die eingesetzte Stange 22 nicht zu Schwierigkeiten bezüglich der Isolation. Da die Stange 22 in das durchgehende Loch 2 zur Kühlung eingesetzt ist, können die Leiter in dem Behälter 5, wenn eine Hochspannung angelegt ist, im Durchmesser klein gemacht werden. Beispielsweise kann der Durchmesser der Stirnplatte 11 etwa gleich dem Außendurchmesser der Zinkoxidelemente 1 sein. Der Abstand zwischen dem Umfang der Zinkoxidelemente 1 und der Stirnplatte 11 und der Innenwand des Behälters 5 kann ebenfalls dadurch groß gemacht werden, daß der Außendurchmesser der Zinkoxidelemente 1 und der Stirnplatte 11 verringert werden. Mit einem derartig großen Abstand können die Zinkoxidelemente 1 nicht leicht durch eine Änderung .der Oberflächenpotentialverteilung des Behälters 5 zu einem Zeitpunkt beeinflußt werden, wenn der Behälter 5 verunreinigt wird.

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Ende der Stange 22 von den Querstreben 13 getragen. Das obere Ende der Stange 22 kann jedoch auch so gehalten werden, wie dies in F i g. 3 gezeigt ist. Dabei haben die verbindenden Paßstücke 23 einen stangenförmigen Kopf 28, der nach oben von der Stirnplatte 11 vorsteht. Der Kopf 28 paßt in eine Ausnehmung 29a eines Aufnahmepaßstücks 29, das an der Abdeckung 7 befestigt ist Das obere Ende der Stange 22 wird durch das Paßstück zwischen dem stangenförmigen Kopf 28 und der Ausnehmung 29a gehalten und kann somit nicht schwingen. Bei diesem Aufbau können Querstreben 13 entfallen.

F i g. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines geerdeten tankförmigen Überspannungsabieiters mit einem Behälter 31. Der Behälter 31 hat einen mit einer Haupt schaltung verbundenen Hochspannungsleiter 30 und ist über ein isolierendes Distanzstück 32 mit einem Metallbehälter 33 verbunden. An dem Hochspannungsleiter 30 ist auf der Seite des Metallbehälter 33 bezogen auf das isolierende Distanzstück 32 ein Halteleiter 34 mit einer Ausnehmung 34a zum Einpassen festgelegt. Die Zinkoxideiemente 1 werden von einer isolierenden Stange •22 gehalten, die in dem durchgehenden Loch 2 der Zinkoxidelemente 1 wie bei der Ausführungsform von F i g. 3 angeordnet ist Das obere Ende der Stange 22 ist mit den Verbindungspaßstücken 23 über eine Schraubkupplung verbunden, wenn die Druckfeder 17 und die Stirnplatte 11 auf der oberen Endplatte 18 angeordnet sind. Die Druckfeder 17 ist durch die Schraubkupplung zwischen der Stange 22 und den Verbindungspaßstücken 23 zusammengedrückt, wodurch ein Kontaktdruck zwi-.sehen benachbarten Zinkoxidelementen 1 ausgeübt wird. Ein vorstehender Stab 28 der Verbindungspaßstücke 23 paßt in die Ausnehmung 34a des Halteleiters 34 und trägt das obere Ende der Stange 22. Der Verbindungsleiter 34 ist mit einem Kontakt 35 ve: sehen, durch welchen der Verbindungsleiter 34 und die Verbindungspaßstücke 23 elektrisch gekoppelt sind. Der Kontakt 35 wird von einem Abschirmungszylinder 36 umgeben, um eine Störung durch das elektrische Feld zu unterdrükken.

Bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 5 ist anstelle der isolierenden Stange 22 (Fig.2) ein isolierender Hohlzylinder 37 vorgesehen, in dem eine Vielzahl von keramischen Kondensatorelementen 38 gestapelt sind. Jedes keramische Kondensatorelement 38 hat Stirnplatten 39, die mit den beiden Oberflächen eines Keramikblocks verbunden sind. Durch die Wirkung einer Feder 40 wird zwischen benachbarten Kondensatorelementen 38 ein Kontaktdruck ausgeübt. Da bei dem tankartigen Überspannungsableiter der Metallbehälter 33 geerdet ist, wird die Potentialverteilung in dem Metallbehälter gestört, so daß eine angelegte Hochspannung nicht immer gleichförmig jedem Zinkoxidelement 1 zugeführt wird. Wenn jedoch als Stange die spannungsverteilende Kondensatoreinrichtung von Fig.5 verwendet wird, wird die Störung der Potentialverteilung durch die Kondensalorelemente 38 beseitigt, so daß die angelegte Hochspannung gleichförmig auf jedes Zinkoxidelement aufgeteilt wira

Bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 6 sind in dem von di:n Zinkoxidelementen 1 gebildeten durchgehenden Lach 2 drei isolierende Stangen 22a, 226 und 22c vorgesehen. Dadurch kann in dem durchgehenden Loch 2 eine größere Menge an Isoliermedium aufgenommen werden, was die Kühlwirkung weiter verbessert.

Bei der in F i g. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform

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stapelten Zinkoxidelementen nach Fig.4 in dem Metallbehälter 33 angeordnet. Jede Gruppe wird von einer isolierenden Stange 22 gehalten. Es wird jedoch eine gemeinsame Stirnplatte 11 für die drei Gruppen verwendet. An der gemeinsamen Stirnplatte 11 ist ein gemeinsamer Leiter 41 festgelegt und elektrisch über den Kontal!« 35 mit dem Hochspannungsleiter 30 verbunden. Efie oberen Enden der drei Stangen 22 sind bei dieser A teführungsform fest abgestützt, so daß der Überspannungsableiter auch horizontal angeordnet werden kann. Die drei Gruppen von Zinkoxidelementen 1 könnien zwischen der Basis 25 u^d der gemeinsamen Stirnplatte 11 parallel oder in Reilis geschaltet sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

I. Überspannungsableiter mit einem durch eine Abdeckung und einen Boden luftdicht abgeschlossenen Behälter aus elektrisch isolierendem Material, mit einem wärmeleitfähigen Isoliermedium in dem Behälter, mit in dem Behälter aufeinandergestapelten, scheibenförmigen, stirnseitig mit Elektroden versehenen Zinkoxidelementen, mit einer elektrisch isolierenden Halteeinrichtung zum Festlegen der Zinkoxidelemente in ihrer Lage aufeinander und bezüglich des Behälters und mit Aussparungen in den aufeinandergestapelten Zinkoxidelementen, die einen in Stapelrichtung durchgehenden, Einlaß und Auslaß für das Isoliermedium aufweisenden Kanal bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinkoxidelemente (1) zentrale Löcher (2) mit Kreisquerschnitt aufweisen, daß die Elektroden (3,4} Ringe sind, deren Innendurchmesser größer als der der Löcher (2) ist, daß die Halteeinrichtung aus wenigstens einer sich durch die zentralen Löcher (2) erstreckenden Stange (22) besteht, deren eines Ende fest mit dem Boden (6) des Behälters (5,33) verbunden ist und an deren anderen Ende eine in Stapelrichtung positionierbare und festlegbare Stirnplatte (11) aus elektrisch leitendem Material angeordnet ist, und daß zwischen dieser Stirnplatte (11) und dem Stapel eine Druckfeder (17) angeordnet ist

Z Überspannungsableiter nach Ansprach 1, gekennzeichnet durch eine zur Längserstreckung der Druckfeder (7) parallele, elastische, elektrisch leitende Verbindung (19) iwische;. dem Stapel und der Stirnplatte(ll).

3. Überspannungsableiter na^ λ Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß auf der von der Druckfeder (17) abgewandten Seite der Stirnplatte (11) das eine Ende einer weiteren Druckfeder (15) aufliegt deren anderes Ende gegen einen ringförmigen Leiter (14} an der Abdeckung (7) drückt.

4. Überspannungsableiter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine zur Längserstreckung der weiteren Druckfeder (15) parallele elektrisch leiten de Verbindung (16) zwischen der Stirnplatte (11) und dem ringförmigen Leiter (14).