DE3116573A1 - "ueberspannungsableiter" - Google Patents

Description

überspannungsableiter

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Überspannungsableiter, die Zinkoxyd-Varistoren' enthalten.

Zinkoxyd-Varistoren sind stark nich.tlineare Varistoren, die aus bis zu über 90 % Zinkoxyd und einigen anderen Metalloxyden bestehen. Die· Oxyde werden gemischt, geformt und bei hoher Temperatur zu zylindrischen Blöcken gesintert. Die Mantelfläche der zylindrischen Blöcke wird mit einem dünnen elektrisch isolierenden, vorzugsweise keramischen Belag versehen, und die kreisförmigen Endflächen der Blöcke werden mit Elektroden aus' _: einem geeigneten Metall versehen (siehe DE-OS 26 51 89P). Wegen ihrer stark nichtlinearen Strom-Spannungs-Charakteristik sind diese Varistoren besonders für überspannungsableiter geeignet, da bei ihrer Verwendung die in konventionellen mit Siliziumkarbid-Varistoren arbeitenden überspannungsableitern erforderlichen .Funkenstrecken entweder vollständig weggelassen

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werden können oder zumindest in ihrer Zahl erheblich reduziertwerden können, überspannungsableiter, die aus Zinkoxyd-Varistoren aufgebaut sind, bestehen gewöhnlich aus einer Vielzahl· von übereinander gestapelten Varistorblöcken (eventuell zusammen mit einer kleinen Anzahl von Funkenstrecken), wobei der Stapel in einem hermetisch verschlossenen Porzellangehäuse untergebracht ist, welches in.bekannter Weise mit einer Überdruckentlastungseinrichtung ausgerüstet ist. Der Stapel oder die Stapel aus Varistoren ist/sind gewöhnlich zentral im Porzellangehäuse angeordnet, wobei ein freier Spalt zwischen den Stapeln und der Gehäuseinnenwand vorhanden ist, so daß der bei einem Kurzschluß im Überspannungsableiter in diesem auftretende Überdruck durch die Überdruckentlastungseinrichtungen an den axialen Enden des Überspannungsabieiters entweichen kann.,- Bei überspannungsableiter¹!!, die mehrere Varistorblockstapel enthalten, die elektrisch und mechanisch parallel angeordnet sind, werden .zur Erzielung dieser Parallelanordnung metallische Führungsplatten verwendet,und die Stapel werden seitlich in gleichen Abständen voneinander angeordnet.

Im Vergleich mit Siliziumkarbid-Varistoren haben Zinkoxyd-Varistoren eine relativ flach verlaufende Strom-Spannungs-Kenn-· linie. Dies bedeutet, daß ein Stapel aus Zinkoxyd-Varistoren einer relativ hohen Spannungsbeanspruchung in Längsrichtung selbst bei relativ kleinen Strömen ausgesetzt ist. Bei einem Fehler in einem Varistorblock oder bei einem schlechten Kontakt zwischen zwei benachbarten Varistorblöcken können Glimm-

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entladungen auftreten, wodurch ein kleiner Teil der gesamten Überschlagsstrecke zwischen den Enden des Varistorblockstapels ionisiert werden kann. Es besteht dann eine gewisse Gefahr, daß ein vollständiger Überschlag in dem Porzellangehäuse eintritt, besonders bei länger andauernden (mehrere Millisekunden). Überspannungsbeanspruchungen, die besonders in Hochspannungsgleichstromübertragungsanlagen auf.treten und bei Wechselspannung in Verbindung mi-t Entladungen von langen Freileitungen oder Kabeln. ■

Es ist bereits bekannt, Zinkoxyd-Varistorblöcke mit einer Schutzeinrichtung an der Mantelfläche zu versehen, beispielsweise mit Silicongummi (DE-OS 28 04 617). Unter anderem werden hierdurch die Blöcke gegen mechanische Beschädigung beim Transport und bei sonstigen Handhabungen geschützt. Ferner wird hierdurch das Wärmeabgabevermögen der Blöcke verbessert, indem der Gummi in Kontakt mit einem Teil der inneren Peripherie des Gehäuses gebracht wird. Diese bekannten Schutzeinrichtungen schützen jedoch wenig' gegen einen Überschlag, der durch Glimmentladungen verursacht wird als Folge eines schlechten Kontaktes·zwischen benachbarten'Blöcken oder eines Fehlers in einem einzelnen Block. ■ ·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen überspannungsableiter der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem eine lokale. Ionisation im Varistorblockstapel, die beispielsweise durch einen Fehler in einem Varistorblock oder durch einen schlechten Kontakt zwischen zwei benachbarten Blöcken

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hervorgerufen wird, sich nicht in den Raum außerhalb des Stapels ausbreiten kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein überspannungsableiter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten •Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Bei einem Überspannungsableiter gemäß der Erfindung werden die Blöcke durch die verwendete Mantelflächenschutzeinrichtung derart geschützt, daß eine Beschädigung der Kanten oder dergleichen vermieden wird, während gleichzeitig eine wirkungsvolle Dichtung des Varistorblockstapels erreicht wird, so daß eine lokal auftretende Ionisation sich nicht ausbreiten kann. Auf diese WeUse wird beispielsweise verhindert, daß ein kurzgeschlossener Block zu einem Zusammenbruch des Uberspannungsableiters führt.

Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

Figur 1 einen Axialschnitt durch einen Überspannungsableiter gemäß der Erfindung, Figur 2 im vergrößertem Maßstab einen Axialschnitt

durch zwei in Reihe geschaltete.Varistorblöcke ■des Uberspannungsableiters gemäß Figur 1, wo- /c

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bei die Varistorblöcke mit einer Schutzeinrichtung für die Mantelfläche gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung versehen sind, ' . Figur 3 in entsprechender Darstellung wie Figur 2 eine

andere Ausführungsform der Schutzeinrichtung für die Mantelfläche des Varistorblockstapels, Figur 4 einen axialen Schnitt durch einen Teil eines

Überspann.ungsableiters gemäß der Erfindung mit einer abgewandelten Ausführungsform für die seitliche Abstützung des Varistorblockstapels gegen die Gehäuseinnenwand.

Der in Figur 1 gezeigte Überspannungsableiter enthält eine Vielzahl von zylindrischen Varistorblöcken 1, die in koaxialer Lage zueinander einen Stapel 2 bilden. Der Varistorstapel ist ■ konzentrisch in einem langgestreckten Porzellangehäuse 3 angeordnet ,CVobei-ein'zylinderringförmiger Räum 4 zwischen dem Stapel .und der" Gehäuseinnenwand gebildet wird. Die Varistorblöcke bestehen im wesentlichen aus Zinkoxyd.· Ihre im Sinne der Zeichnung waagerechten Stirnflächen sind mit Elektroden versehen, welche in Form eines metallischen Belages ausgebildet sind. Auf diese Weise sind die Varistorblöcke des Stapels in Reihe geschaltet. An ihrer Mantelfläche sind die Varistorblöcke mit einer elektrisch isolierenden Schutzhülle versehen, welche aus an den Blöcken angebrachten Schutzringen 5 und Führungsringen 6 besteht. Zwei der Führungsringe sind mit je drei oder vier Vorsprüngen 7 versehen, die über den Umfang des

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Führungsringes, verteilt sind und die den Varistorblockstapel derart gegen das Gehäuse 3 abstützen, daß Gas frei von einem zum anderen axialen Ende des Überspannungsabieiters passieren kann. Das Porzellangehäuse ist mit Endgliedern 8 und -9 versehen, welche Mittel zur hermetischen Dichtung des Gehäusen enthalten, sowie Überdruckentlastungseinrichtungen und äußere Anschlußgl-ieder haben.

Figur 2 zeigt in größerem Maßstab zwei der in Reihe geschalteten Varistbrblöcke 1 a und 1 b des Überspannungsabieiters gemäß Figur 1. Figur 2 läßt den Aufbau der die Mantelflächen der Blöcke umgebenden Schutzhülle genauer erkennen. Die Schutzhülle besteht einerseits aus den Schutzringen 5 aus Isoliermaterial, die an die Varistorblöcke angegossen sind, und andererseits aus separaten isolierenden Hilfsringen, den sogenannten Führungsringen 6. Diese Führungsringe ermöglichen das Aufeinanderstapeln der Varistorblöcke bei gleichzeitiger seitlicher Führung. Gleichzeitig dichten sie den Varistorblockstapel ab, so daß . ionisiertes Gas nicht.nach außen dringen kann. Solches ionisiertes Gas kann durch Glimmentladungen zwischen benachbarten Varistorblöcken oder durch einen Fehler im Inneren'eines einzelnen Blockes entstehen, Die Schutzringe 5 haben im wesentlichen dieselbe axiale Länge wie die Varistorblöcke, und sie sind an ihrer Außenseite mit einem umlaufenden Bund oder individuellen Vorsprüngen 10 zur Positionierung der Führungsringe in axialer Richtung versehen.

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Figur 3 zeigt zwei in Reihe geschaltete Varistorblöcke 1 c und 1 d mit einer anderen Ausführungsform der die Mantelfläche umgebenden Schutzhülle. Auch diese Schutzhülle besteht aus Schutzringen 5 c und 5 d aus Isoliermaterial, die an die Varistorblöcke angegossen sind. In axialer Richtung bestehen die.Schutzringe aus einem Mittelabschnitt 11 und zwei Endab-■ schnitten 12 und 13, die eine kleinere Dicke als der Mittelabschnitt haben. Der eine Endabschnitt 13 erstreckt sich in axialer Richtung über die Stirnfläche des zugehörigen Varistorblockes hinaus, und der. Innendurchmesser dieses Endabschnittes ist derart auf den Außendurchmesser:-des anderen Endabschnittes 12 des Schutzringes des benachbarten Varistorblockes abgestimmt, daß der Endabschnitt 13 des Schutzringes 5 c mit Passung den Endabschnitt 12 des benachbarten Schutzringes 5 b umfaßt." Bei dieser Ausführungsform der Schutzhülle können die Varistorblöcke unmittelbar aufeinander gestapelt werden ohne die Notwendigkeit weiterer separater Glieder zur Führung der Blöcke^in radialer- Richtung.

Zur Abstützung des Varistorblockstapels 2 gegen das Porzellangehäuse 3 kann anstelle der in Figur .1 gezeigten Führungsringe mit den Vorsprüngen 7 die Ausführungsform gemäß Figur 4 verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform ist im Varistorstapel · eine Metallplatte 14 angeordnet,'die an beispielsweise 3 über den Umfang verteilten Stellen mittels Dämpfergliedern 15 sich gegen das Porzellangehäuse abstützt. Zwischen der Platte und der Innenwand des Porzellangehäuses ist ein Spalt vorhanden, der den Gasdurchtritt in Längsrichtung des überspannungsab-

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leiters ermöglicht. Die Platte 14 ist auf beiden Seiten mit Führungsgliedern 16 a und 16 b für den Varistorblockstapel versehen. Diese Führungsglieder können beispielsweise aus Metallringen oder dünnen Platten mit einem abgekanteten Rand beste-. hen, die an der Platte 14 beispielsweise durch Punktschwei ßung befestigt' sind. Die Fü.hrungsglieder können auch aus unmittelbar in die Platte 14 eingeprägten Wülsten bestehen. Die Dichtung des Stapels an der Platte 14 wird durch Schutzringe ^₁ erreicht, die'mit der Platte 14 in Verbindung stehen und von Stützringen 17 umgeben sind, welche den gleichen Aufbau wie die Führungsringe 6 haben, aber nur halb so hoch sind. Das gleiche Dichtungsprinzip kann an beiden Enden des Porzellangehäuses verwendet werden, wo Varistorblöcke an Metallplatten angrenzen.

Als Material für die Schutzringe kann beispielsweise vulkanisierbarer Silicongummi mit oder ohne Füllmittel, z.B.

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Aluminiumoxydpulver, verwendet werden. In überspannungsablei-■terkonstruktionen, in welchen die höchsten vorübergehend auftretenen Temperaturen in den Blöcken nicht zu hoch sind, können bestimmte Thermoplaste verwendet werden, wie beispielsweise ein Sulfonpolymer, wie zum Beispiel Polyäthersulfon oder Polyphenylsulfid. Das Material der Führungsringe 6 braucht nicht so hohen Temperaturen zu widerstehen wie die inneren Schutzringe 5. Das Material der Führungsringe 6 kann daher aus verschiedenen Kunststoffen bestehen, wobei dieses Material zweckmäßigerweise etwas steifer gewählt wird als das Material der Schutzringe 5. Die Materialdicke der Schutzringe 5

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kann beispielsweise etwa 3 mm in den dünneren Endabschnitten betragen und etwa 5 mm in dem dickeren Mittelabschnitt, wogegen die Dicke der Führungsringe 6 beispielsweise etwa 2-4 mm .betragen kann. Die zweckmäßigste Dicke der Ringe ist jedoch unter anderem abhängig von der Steifheit des Materials und kann daher von Fall zu Fall variieren. Anstatt die Varistorblöcke direkt mit angegossenen Schutzringen zu versehen, können die Schutzringe auch separat hergestellt werden und an den Varistorblöcken, beispielsweise durch Aufschrumpfen oder überziehen befestigt werden.

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. überspannungsableiter mit einem Gehäuse (3) aus Isoliermaterial, welches eine Vielzahl zylindrischer Varistorblöcke enthält, die in einem koaxialen Stapel (2) angeordnet sind, und die an ihren Endflächen Elektroden zur. Reihenschaltung aller Varistorblöcke des Stapels haben, wobei die Mantelflächen von ringförmigen Schutzgliedern (5, 6) aus Isoliermaterial dicht umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzglieder (5, 6) derart ausgebildet sind, daß sich die Schutzglieder (5, 6) benachbarter Varistorblöcke (i) einander- überlappen.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Schutzgliedern ein Schutzring (5) gehört,- der ai. der Mantelfläche des zugehörigen Varistorblockes befestigt ist und der eine größere axiale Länge als der Varistorblock (1) hat (Figur 3).

3. überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Endabschnitt (13) des Schutzringes (5c) in axialer Richtung über die Endfläche des zugehörigen Varistorblocks (Ic) hinausragt und so bemessen ist, daß er den anderen Endabschnitt (12) des Schutzringes (5d) des unmittelbar benach-

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barten Varistorblockes (1d) mit Passung umgibt.

4. überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Schutzgliedern ein Schutzring (5) gehört, der an der Mantelfläche des zugehörigen Varistorblockes befestigt ist und im wesentlichen die gleiche axiale Länge wie der Varistorblock hat, und daß ferner ein Führungsring (6) aus Isoliermaterial vorhanden ist, welcher den Endabschnitt des Schutzringes (5) des benachbarten Varistorblokkes umgibt, und daß jeder Schutzring (5) einen äußeren umlaufenden Bund (Wulst) oder mehrere individuelle Vorsp-rünge (10) zur Fixierung der axialen Lage der Führungsringe (6)" hat (Figur 2) . ·

5. überspannungsableiter -nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Verbindung mit dem Varistorblockstapel (2) me-, tallische Führungsplatten (14) vorhanden sind, die konzentrisch zur Längsachse des Stapels orientiert sind, daß die Führungsplatten (14) mit Führungsgliedern (16a, 16b) zur Fixierung des Stapels in radialer Richtung versehen sind und daß die mit den Führungsplatten (14) in Kontakt stehenden Varistorblöcke (1) mit dicht umfassenden Schutzringen (5) versehen .sind, welche sich bis zu der entsprechenden Führungsplatte (14) erstrecken und von Stützringen (17) umgeben sind;

6. Überspannungsableiter nach einem der'vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Varistorblöcke (1) im wesent-

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lichen aus Zinkoxyd bestehen.

7. überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzringe (5) aus Silicon gummi mit Quarzfüllstoff bestehen.

8. überspannungsableiter nach einem der Ansprüche A bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Führungsringe (6) aus einem härteren Material als die inneren Schutzringe (5) bestehen.

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