DE2938073A1 - Gekapselter ueberspannungsleiter - Google Patents

Description

• Gekapselter Ueberspannungsableiter
• Die Erfindung betrifft einen in ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse eingeschlossenen Ueberspannungsableiter mit scheibenförmigen Ableiterelementen, welche mit ihren Stirnseiten zu mindestens einer Säule übereinandergestapelt und von ringförmigen, im Inneren des Gehäuses befindlichen Abschirmelementen umschlossen sind, wobei je zwei benachbarte Abschirmelemente über mindestens ein spannungssteuerndes Element (Steuerelement) verbunden sind, und wobei die Steuerelemente als parallel zum Ueberspannungsableiter liegende Kette geschaltet sind.
• Aus der CH-PS 551 703 ist bereits ein Ueberspannungsableiter der vorgenannten Art bekannt, bei dem die als Löschfunkenstrecke ausgebildeten Ableiterelemente in einem isoliermittelgefüllten ersten und die Abschirm- und Steuerelemente in einem vom ersten getrennten isoliermittelgefüllten zweiten Raum untergebracht sind. Als Steuerelemente müssen hierbei Kapazitäten verwendet werden, da die beim Ansprechen der Löschfunkenstrecken auftretende Verteilung des zu steuernden elektrischen Feldes frequenzabhängig ist. Durch diese kapazitive Steuerung wird eine homogene Verteilung des elektrischen Feldes des Ueberspannungsableiters beim Ansprechen erreicht.
• Es ist Aufgabe der Erfindung einen Ueberspannungsableiter der vorgenannten Art zu schaffen, bei dem die Verteilung des zu steuernden elektrischen Feldes nur bei normaler Betriebsspannung nötig ist, so dass der Ueberspannungsableiter mit konstruktiv einfachen Mitteln und somit äusserst preisgünstig herzustellen ist.
• Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als Ableiterelemente nichtlineare, löschfunkenstreckenfreie Festkörperwiderstände und als Steuerelemente ohmsche Widerstände vorgesehen sind, wobei die ohmschen Widerstände derart bemessen sind, dass die radiale und azimutale Komponente des innerhalb der Abschirmelemente unter normaler Betriebsspannung entstehenden elektrischen Feldes minimal sind.
• Der erfindungsgemässe Ueberspannungsableiter zeichnet sich vprallem dadurch aus, dass er konstruktiv insofern einfach gestaltet werden kann, als die Ableiter-, Abschirm- und Steuerelemente in einen einzigen isoliermittelgefüllten Raum untergebracht werden können. Darüberhinaus werden als Steuerelemente preisgünstige ohmsche Widerstände verwendet, was dadurch ermöglicht wird, dass Ueberspannungsableiter bei denen nichtlineare, löschfunkenstreckenfreie Festkörperwiderstände als Ableiterelemente vorgesehen sind, nur unter normalen Bedingungen, d.h. nur bei betriebsfrequenten Spannungen ohne Ueberspannungen, also nur bei einer Frequenz funktionsfähig sein müssen. Dieser Vorteil des erfindungsgemässen Ueberspannungsableiters ergibt sich aus dem Verlauf rwStrom-Spannungs-Chara,kteristik der als Ableiterelemente ndeten Festkörperwiderstände, Sobald nämlich eine kleine Ueberspannung am Ueberspannungsableiter auftritt, leiten die Festkörperwiderstände sofort einen derartig hohen Strom, dass der Strom durch das dem Hochspannungsanschluss am nächsten gelegene Ableiterelement sich kaum vom Strom durch das der Erde nächste Ableiterelement unterscheidet.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung. Hierbei beziehen sich in allen Figuren gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
• Es zeigt: Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Schnitt durch den Ueberspannungsableiter nach der Erfindung, und Fig. 2 ein Ersatzschaltbild der als Kette geschalteten Steuerelemente und der durch die Abschirmelemente dargestellter Kapazität zur Erde.
• In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen A zylindersymmetrische Zinkoxyd-Scheiben, welche säulenförmig übereinandergestapelt sind, wobei die unterste Scheibe mit Erde und die oberste Scheibe mit Hochspannung HV verbunden ist. Diese Scheiben bilden die Ableiterelemente des Aktivteils eines Ableiters und befinden sich im Inneren einer metallischen Kapselung K, welche mit einem Isoliermittel, etwa gasförmigem Schwefelhexafluorid (SF6), gefüllt ist.
• Zwischen den Ableiterelementen A und der Kapselung K befindet sich eine Kette von in der Zeichnung nicht dargestellten, isolierenden Substraten, auf denen ringförmige, elektrisch leitfähige Abschirmelemente B1, ..., B aufgem bracht sind. Zwischen je zwei Abschirmelementen B1, ..., B m und in elektrischem Kontakt damit stehen ohmsche Widerstände Roß R1 .., R , welche als parallel zum Aktivteil liegende Kette geschaltet sind, so dass der unterste Widerstand Rg auf Erdpotential und der oberste Widerstand Rn auf Hochspannung HV liegt. Diese ohmschen Widerstände wirken als Steuerelemente des in den Abschirmelementen B1, ..., Bm auftretenden Verschiebungsstromes und sind derart bemessen, dass die radiale und azimutale Komponente des innerhalb der Abschirmelemente B1, ..., B unter normaler Betriebs spannung m entstehenden elektrischen Feldes minimal ist. Die ohmschen Widerstände R, R1, ..., R können nichtlineares Siliziumm karbid enthaltende Widerstände sein. Diese Widerstände können zumindest teilweise auch aus einer metallischen Verbindung mit kleinem spezifischen Widerstand bestehen.
• Es empfiehlt sich, als Ableiterelemente A Substanzen, die mindestens 25 Gew.% Zinkoxyd enthalten zu verwenden. Gut bewährt haben sich beispielsweise Kompositkeramiken, welche mindestens 80 Gew.% Zinkoxyd aufweisen. Anstelle von Zinkoxyd kann auch ein anderer nichtlinearer, löschfunkenstreckenfreier Festkörperwiderstand als Ableiterelemente A eingesetzt werden. Auch ist es möglich, die Ableiterelemente A in parallel nebeneinander liegenden Stapeln anzuordnen.
• Die Abschirmelemente B1, ..., B können als leitfähige Schichm ten ausgebildet sein. Die Steuerelemente Rg, ..., Rm werden vorzugsweise derart bemessen, dass in den dem Hochspannungsanschluss HV nächsten Steuerelement R bei Betriebsspannung n' ein Strom<100 mA, vorzugsweise<10 mA, fliesst. Es ist vorteilhaft, die Abschirmelemente torusförmig zu gestalten, was etwa durch Auftragen einer leitfähigen Schicht auf torusförmige Kunststoffringe erfolgen kann. Die Schichtdicken der Abschirmelemente B1, ... B ist verglichen mit rn den Abmessungen des isolierten Substrates, etwa den Toren, gering.
• Es ist auch möglich, parallel zu einem geringen Teil der Ableiterelemente A, etwa jedem fünften, vorzugsweise aber zu weniger als jedem zehnten, Funkenstrecken zu schalten. Diese Funkenstrecken müssen dann aber im Gegensatz zu den Ableiterelementen in einem gegenüber dem im Inneren der Kapselung K befindlichen Isoliergas abgeschotteten Raum untergebracht werden.
• Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Ableiters wird nun anhand der Fig. 2 näher erläutert, Die der Fig. 2 zugrundeliegende Ersatzschaltung ergibt sich daraus, dass die Zinkoxyd-Ableiterelemente sich bei Anlegen der Betriebsspannung HV von beispielsweise 50 oder 6p Hz.an den Ableiter wie Kapazitäten verhalten. Bei Verwendung von Scheiben mit 110 mm Durchmesser und 20 mm Dicke beträgt die Grösse der Kapazität einer einzelnen Scheibe etwa 6 nF. Solange die Kapazitäten der Ableiterelemente gross gegenüber den Kapazitäten dieser Ableiterelemente gegenüber Erde sind, bewirkt der kapazitive Strom in den A eiterelementen eine sehr gute Spannungsverteilung längs @ds Ableiters. InKgekapselten Ableitern wird der Wert er Kapazität zwischen einem einzelnen Ableiter- element und der Kapselung K gegebenenfalls 1 pF erreichen, so dass eine ungleichmässige Spannungsverteilung längs des Ableiters bei normalen Betriebsspannungen HV auftreten kann.
• Tritt nun eine kleine Ueberspannung am Ableiter auf, so leiten die Ableiterelemente A sofort einen so hohen Strom, dass der Strom durch die dem Hochspannungsleiter nächstgelegene Ableiterscheibe sich kaum vom Strom durch die der Erde nächstgelegenen Ableiterscheibe unterscheiden. Da der Ueberspannungsvorgang kurz ist, schadet dieser durch die Ueberspannung hervorgerufene hohe Strom den Scheiben nicht.
• Bei normaler Betriebsspannung hingegen ist die radiale und azimutale Komponente des innerhalb der Abschirmelemente des Ueberspannungsableiters entstehenden elektrischen Feldes so hoch, dass Ströme von mehr als 10 mA durch den Ableiter fliessen. Bei derartigen Strömen verhalten sich aber die Ableiterscheiben A als Widerstände, wodurch eine unerwünschte Erwärmung bewirkt wird. Durch die Abschirmringe B1, Bm und die Steuerelemente Rg, ..., R wird dieser Strom m aber herabgesetzt, da er gezwungen wird, durch die Steuerelemente Ro ..., Rm und nicht allein durch die Ableiterelemente A zu fliessen.
• Zum Beispiel werden an sich bekannte torusförmige Abschirmelemente B1, ..., Bm verwendet. Als Steuerelemente werden ohmsche lineare Widerstände R,, ..., R verwendet, deren m Werte so gewählt sind, dass die radiale und azimutale Komponente des elektrischen Feldes innerhalb des durch die Abschirmringe begrenzten Zylinders fast verschwinden.

Claims (6)

1. Patentansprüche 1. In ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse eingeschlossener Ueberspannungsableiter mit scheibenförmigen Ableiterelementen, welche mit ihren Stirnseiten zu mindestens einer Säule übereinander gestapelt und von ringformigen, im Inneren des Gehäuses befindlichen Abschirmelementen umschlossen sind, wobei je zwei benachbarte Abschirmelemente über mindestens ein spannungssteuerndes Element (Steuerelement) verbunden sind, und wobei die Steuerelemente als parallel zum Ueberspannungsableiter liegende Kette geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Ableiterelemente nichtlineare, löschfunkenstreckenfreie Festkörperwiderstände (A) und als Steuerelemente ohmsche Widerstände (Rg, ..., R ) vorgen sehen sind, wobei die ohmschen Widerstände (Rg, ..., R ) m derart bemessen sind, dass die radiale und azimutale Komponente des innerhalb der Abschirmelemente (B1, Bm) des Ueberspannungsableiters entstehenden elektrischen Feldes minimal ist.
2. 2. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableiterelemente (A) mindestens 25 Gew.% Zinkoxyd enthalten.
3. 3. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableiterelemente (A) mindestens 80 Gew.% Zinkoxyd enthalten.
4. 4. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuerelemente (R0, R ) nichtlineare, Siliziumkarbid (SiC) enthaltende Widerm stände vorgesehen sind.
5. 5. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ableiterelementen (A) und dem Gehäuse (K) isolierende Substrate vorgesehen sind, und dass auf jedem dieser Substrate die Abschirmelemente (B1, ..., B ) in Form leitfähiger Schichm ten aufgebracht sind, wobei die Schichtdicken der Abschirmelemente (B1, ..., B ) verglichen mit den Abmessunm gen der isolierenden Substrate gering sInd.
6. 6. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrate torusförmige Kunststoffringe vorgesehen sind.