DE3148482C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilableiter gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Ein solcher Ventilableiter ist beispielsweise bekannt aus der Zeitschrift "Brown-Boveri- Mitteilungen" Bd. 55, Seite 182-187. Vorzugsweise werden in dem Ventilableiter Zinkoxydvaristoren verwendet.

Im Gegensatz zu den Varistorblöcken in bekannten Ableitern mit SiC-Blöcken und in Reihe geschalteten Funkenstrecken liegt an den Varistorblöcken in einem ZnO-Ableiter (mit oder ohne Funkenstrecke) kontinuierlich eine gewisse Betriebs­ spannung, wenn der Ableiter an ein unter Spannung stehendes Netz angeschlossen ist. Die Ableiter müssen so dimensioniert werden, daß diese Spannungsbeanspruchung, der die ZnO-Blöcke kontinuierlich bei normalem Betrieb ausgesetzt sind, an kei­ ner Stelle im Ableiter einen bestimmten Wert überschreitet.

Die Spannungsverteilung längs eines bekannten ZnO-Ableiters wird im wesentlichen bestimmt von den Eigenkapazitäten der Varistorblöcke, den Streukapazitäten zwischen den Varistor­ blöcken und Erde und von einem normalerweise am oberen Teil des Ableiters angeordneten Steuerring. Die Hauptaufgabe die­ ses Steuerringes besteht darin, der durch die Streukapazitä­ ten hervorgerufenen ungleichmäßigen Spannungsverteilung längs des Ventilableiters entgegen zu wirken. Eine vollstän­ dige Linearisierung der Spannungsverteilung kann hierdurch nicht erreicht werden. Der Spannungsabfall und damit die Spannungsbeanspruchung ist im oberen Teil des Ableiters stets größer als im unteren Teil des Ableiters.

Die aktiven Teile eines Ventilableiters, der im Freien ver­ wendet werden soll, sind normalerweise in ein Porzellange­ häuse mit metallischen Endflanschen eingebaut. Aus fertigungs­ technischen Gründen kann ein solches Porzellangehäuse nicht allzu lang gemacht werden. Ableiter für Spannunge über ca. 150 kV sind daher in der Regel aus zwei oder mehreren auf­ einander montierten Ableiterteilen aufgebaut. Durch den Aufbau eines Ableiters mit mehreren kürzeren Porzellange­ häusen kann zugleich eine größere Kurzschlußfestigkeit er­ reicht werden, da an jeder Verbindungsstelle zwischen den Ableiterteilen eine Druckentlastung vorgesehen werden kann. Bei diesen sogenannten mehrteiligen Ableitern wird jedoch die ungleichmäßige Spannungsverteilung längs des Ableiters durch die Streukapazitäten zwischen den Verbindungsbefesti­ gungen und Erde verstärkt, was zur Folge hat, daß der obere Teil des Ventilableiters im Vergleich zu den übrigen Teilen relativ stark elektrisch beansprucht wird.

Aus der CH-PS 2 15 001 ist es bekannt, bei einem Ventil­ ableiter der vorgenannten Art die einzelnen Ableiterteile so auszubilden, daß die Reihenkapazitäten der einzelnen Ablei­ terteile unterschiedlich sind, wobei das Ableiterteil mit der größten Reihenkapazität auf der Leitungsseite und dasjenige mit der kleinsten Reihenkapazität auf der Erdseite liegt. Dies wird durch unterschiedliche geometrische Ausbildung der in den Ableiterteilen enthaltenen Funkenstrecken erreicht, insbesondere durch unterschiedlich dicke Abstandsringe zwischen den Funkenstrecken. Diese Maßnahme zwingt zur Bereitstellung unterschiedlicher Einzelelemente bei der Herstellung des Ableiters.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem ZnO-Ableiter, der aus mehreren in Reihe geschalteten Ableiterteilen besteht, bei einer lang anhaltenden Verschmutzung, z. B. Salzbelag, eine ungleichmäßig verteilte Temperatursteigerung auftritt. Dies hängt damit zusammen, daß ein bedeutender Kriechstrom auf der Isolatorfläche durch den Schmutzbelag fließt, der im feuchten Zustand elektrisch leitend ist, wobei oft große Potentialveränderungen an den Metallflanschen der Verbin­ dungsstellen auftreten. Durch Messungen ist festgestellt worden, daß die Schmutzschicht auf der Oberfläche der Iso­ latoren in den meisten vorkommenden Fällen einer starken äußeren Verschmutzung wie eine asymmetrische äußere Steuer­ kette wirkt, die eine niedrigere relative Beanspruchung an dem zuerst plazierten Ableiterteil bewirkt, also eine ähnliche Spannungsverteilung, wie die, die im unverschmutzten Zustand auftritt.

Da die inneren aktiven Teile des Ableiters in galvanischer Verbindung mit der Außenfläche des Isolatorgehäuses stehen, wird die Spannungsbeanspruchung der Varistorblöcke beein­ flußt. Die Spannungsbeanspruchung kann örtlich den Maximal­ wert übersteigen, für den der Ventilableiter bemessen ist. Aufgrund der starken Unlinearität der ZnO-Blöcke (ein klei­ ner Unterschied in der Spannung ergibt einen großen Unter­ schied im Strom) nimmt der durch die Blöcke fließende re­ sistive Steuerstrom in Teilen des Ableiters dabei temporär zu und verursacht einen unnormalen Temperaturanstieg in den Blöcken. Da der resistive Streustrom bei ZnO-Blöcken stark temperaturabhängig ist, hat der unnormale Temperaturanstieg eine weitere Erhöhung des Streustroms zur Folge. Dies kann allmählich zu einer Zerstörung der Varistorblöcke führen.

Zur Behebung der genannten Probleme sind verschiedene Lösun­ gen vorgeschlagen worden. Ein Vorschlag besteht darin, an den Verbindungsstellen zwischen den Ableiterscheiben isolie­ rende Verbindungsbefestigungen vorzusehen, um an diesen Stellen eine galvanische Verbindung zwischen den aktiven Teilen des Ableiters und der Außenfläche des Isolatorgehäu­ ses zu vermeiden. Eine solche Lösung läßt sich konstruktiv jedoch nur schwer verwirklichen. Ein anderer Vorschlag be­ steht darin, zu sämtlichen Ableiterblöcken eine separate Kette aus Steuerkondensatoren parallel zu schalten, um auf gleiche Weise wie in Ableitern mit Funkenstrecken und Sili­ ziumkarbidblöcken eine gleichmäßige Spannungsverteilung zu erzielen. Durch eine solche kapazitive Steuerung kann man zwar die Temperatursteigerung reduzieren, jedoch sind große Kapazitäten erforderlich, um auf akzeptable Temperaturwerte herunterzukommen. Diese Lösung ist daher sehr kostspielig.

In der Druckschrift "Brown-Boveri-Mitteilungen" Bd. 55, Seite 182-187 wird unter Hinweis auf einen Ventilableiter nach dem Oberbegriff des vorliegenden Hauptanspruches, wobei der Ventilableiter aus zwei Ableiterteilen besteht, auf das Phänomen der Beeinflussung der Spannungsverteilung längs des Ventilableiters durch die Oberflächenströme und die dadurch bedingte Überlastung der stark spannungsabhängigen Steuer­ widerstände hingewiesen. Es wird jedoch keine wirtschaftlich vertretbare Lösung dieses Problems in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, sondern die Verwendung eines einzigen Gehäuses zur Vermeidung von Zwischenflanschen emp­ fohlen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventilab­ leiter der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem mit verhältnismäßig geringen Kosten eine ungleichmäßige Spannungsbeanspruchung der Varistorblöcke längs des Ventil­ ableiters weitgehend vermieden wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Ventilableiter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungs­ gemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen genannt.

Bei der Erfindung werden die Varistorblöcke also derart im Ableiter verteilt, daß ihre Anzahl pro Längeneinheit im un­ teren Teil kleiner als in den übrigen Teilen ist. Dadurch, daß die Verteilung der Blöcke dann besser der Spannungsver­ teilung längs des Ableiters in rein kapazitivem Zustand ent­ spricht, erreicht man zum einen eine gleichmäßigere Spannungs­ beanspruchung der Blöcke bei normalen Betriebsverhältnissen. Dies ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Blöcke, was zu einem billigeren Ableiter führt, und gleichzeitig kann die maximale Spannungsbeanspruchung vermindert werden, die bei normalem Betrieb bei unverschmutzten Porzellanisolatoren oder bei Isolatoren auftritt, die eine trockene (nicht leitende) Schmutzschicht tragen. Dadurch wird die Gefahr der Alterung der Varistorblöcke geringer, die normalerweise bei einer zu großen Spannungsbeanspruchung eintritt. Zum anderen er­ reicht man eine größere Unempfindlichkeit des Ableiters ge­ gen Verschmutzung. Dies hängt unter anderem damit zusammen, daß die erfindungsgemäße Verteilung der Blöcke auf die ein­ zelnen Ableiterteile besser mit der im wesentlichen rein re­ sistiven Spannungsverteilung übereinstimmt, welche durch Ver­ schmutzung veranlaßt wird.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert wer­ den. Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen bekannten aus Zinkoxydvaristoren aufgebauten Ventilableiter,

Fig. 2 in entsprechender Darstellung wie in Fig. 1, ein Ausführungsbeispiel eines Ventilableiters ge­ mäß der Erfindung,

Fig. 3 die Spannungsverteilung in Längsrichtung für ver­ schiedene Ventilableiterausführungen.

Der in Fig. 1 gezeigte Ventilableiter besteht aus zwei elek­ trisch in Reihe geschalteten Ableiterteilen 1 und 2. Jedes Ableiterteil enthält mehrere zylindrische Zinkoxydvaristor­ blöcke 3, die in einem Stapel angeordnet sind. Der Varistor­ stapel ist konzentrisch in einem länglichen Porzellangehäuse 4 mit metallischen Endflanschen 5 und 6 angeordnet. Die bei­ den Ableiterteile sind koaxial zusammengesetzt und ihre Längs­ achse verläuft in vertikaler Richtung. Der Ableiter hat einen oberen Anschluß 7 zum Anschluß an eine spannungsführende Lei­ tung und einen unteren Anschluß 8 zum Anschluß an Erde. Am oberen Ende des Ableiters ist ein Steuerring 9 aufgehängt. Die Metallflansche an der Verbindungsstelle 10 zwischen den Ableiterteilen 1 und 2 stellen eine galvanische Verbindung zwischen den Varistorstapeln und den Außenflächen der Porzel­ langehäuse her.

Das Ersatzschaltbild eines ZnO-Blocks besteht aus einer Kapa­ zität 11, zu der ein stark spannungsabhängiger Widerstand 12 parallel geschaltet ist. Bei normaler Betriebsspannung über­ wiegt der kapazitive Anteil des Ableiterstroms, und die äquivalenten Kapazitäten 11 würden, wenn sie allein vorhan­ den wären, eine lineare Spannungsverteilung längs des Ablei­ ters gemäß der Geraden A in Fig. 3 bewirken, in der U die Spannung in Prozent der Gesamtspannung am Ableiter und h den Abstand vom Bodenflansch in Prozent der Ableiterlänge be­ zeichnet. Längs des Ableiters sind jedoch Streukapazitäten zur Erde vorhanden, die eine Abweichung von der linearen Spannungsverteilung hervorrufen, und zwar derart, daß der Spannungsfall im oberen Teil des Ableiters größer ist. Durch den Steuerring 9 wird eine gewisse Verbesserung dieses Zu­ standes erreicht. Die resultierende Spannungsverteilung für den Ableiter nach Fig. 1 geht aus der Kurve B in Fig. 3 hervor. Die Kurven A und B gelten für einen Ableiter, bei dem die Varistorblöcke gleichmäßig auf die beiden Ableiter­ teile verteilt sind.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für einen Ventilableiter gemäß der Erfindung. Hier ist die Verteilung der Varistorblöcke auf die beiden Ableiterteile asymmetrisch, wobei das obere Ableiterteil 1 60% und das untere Ableiterteil 2 40% der Varistorblöcke enthält. Da die Länge des unteren Porzellanisolators hier aufgrund der geringeren Anzahl von Varistorblöcken nicht voll ausgenutzt wird, sind im Varistor­ stapel als axiale Ausfüllung elektrisch leitende Distanzele­ mente 13, beispielsweise in Form von hohlzylindrischen Kör­ pern aus Aluminium oder dergleichen, angebracht. Diese Distanzelemente sind vorzugsweise gleichmäßig im Stapel ver­ teilt, so wie es Fig. 2 zeigt, doch kann diese Ausfüllung auch an einem Ende oder an beiden Enden des Varistorstapels konzentriert werden. Mit einem Ableiter nach Fig. 2 würde man bei Vernachlässigung der Strahlenkapazitäten eine Spannungs­ verteilung gemäß der Kurve C in Fig. 3 erhalten, welche direkt der Verteilung der Varistorblöcke auf die beiden Ab­ leiterteile entspricht. Die Kurve D zeigt die sich bei Be­ rücksichtigung der Streukapazitäten tatsächlich ergebende Spannungsverteilung. Wie man sieht, wird der Unterschied zwischen Verteilung der Varistorblöcke und der wirklichen Spannungsverteilung bei dem Ableiter nach Fig. 2 (Kurven C und D) kleiner als bei dem Ableiter nach Fig. 1 (Kurven A und B). Bezogen auf eine ideale Verteilung, beträgt die Über­ spannung im Oberteil entsprechend den Kurven A und B ca. 12% pro Varistorelement, während die Überspannung entsprechend den Kurven C und D nur ca. 5% beträgt.

Versuche haben ergeben, daß die Kurve D auch gut mit der äußeren Spannungsverteilung bei lang anhaltender und schwe­ rer Verschmutzung zusammenfällt. Wie aus Fig. 3 hervor­ geht, würde das Oberteil bei einer Blockverteilung von 50/50 auf die beiden Ableiterteile einer bedeutend höheren Über­ spannung ausgesetzt sein, als wenn die Varistorblöcke gemäß der vorliegenden Erfindung asymmetrisch auf die beiden Ab­ leiterteile verteilt sind.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbei­ spiel eines zweiteiligen Ableiters beschränkt. Sie kann auch auf Ableiter mit mehr als zwei Ableiterteilen angewendet wer­ den. Bei einem solchen Ableiter kann die Anzahl von Varistor­ blöcken pro Längeneinheit eventuell mit der Höhe im Ableiter sukzessiv zunehmen. Zur Erfindung gehören jedoch auch solche mehrteiligen Ableiter, bei denen die Anzahl von Varistor­ blöcken pro Längeneinheit für alle Teile gleich ist mit Aus­ nahme des untersten Teils, welches weniger Varistorblöcke enthält.

Claims (4)

1. Ventilableiter mit mindestens zwei zwischen einem oberen und einem unteren Anschluß (7 bzw. 8) elektrisch in Reihe geschalteten Ableiterteilen (1, 2), von denen jedes ein mit Metallflanschen (5, 6) versehens isolierendes Gehäu­ se (4) hat, welches mehrere in einem vertikalen Stapel angeordnete elektrisch in Reihe geschaltete Metalloxyd­ varistorblöcke (3) enthält, wobei die Metallflansche in der Verbindungsstelle zwischen den Ableiterteilen (1, 2) eine galvanische Verbindung zwischen den Varistorstapeln und der Außenfläche des Gehäuses (4) herstellen, da­ durch gekennzeichnet, daß die Varistor­ blöcke (3) derart im Ableiter verteilt sind, daß die An­ zahl Varistorblöcke pro Längeneinheit in dem Ableiterteil (2), das unmittelbar am unteren Anschluß (8) liegt, klei­ ner als in dem Ableiterteil (1) ist, das unmittelbar am oberen Anschluß (7) liegt.

2. Ventilableiter nach Anspruch 1 mit mindestens drei in Reihe geschalteten Ableiterteilen, die eine Anzahl untereinander gleicher Varistorblöcke (3) enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der in Reihe geschalteten Varistorblöcke pro Längeneinheit in dem unmittelbar am unteren Anschluß (8) liegenden Ableiterteil (2) kleiner ist als in den übrigen Ableiterteilen.

3. Ventilableiter nach Anspruch 1, bestehend aus zwei rei­ hengeschalteten Ableiterteilen (1, 2), dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der in Rei­ he geschalteten Varistorblöcke pro Längeneinheit im un­ teren Ableiterteil (2) mindestens 10% kleiner ist als im oberen Ableiterteil (1).

4. Ventilableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Ausfüllung des isolierenden Gehäuses aufgrund der geringeren Anzahl von Varistorblöcken elektrisch leitende Distanzele­ mente (13) in den Varistorstapel oder am Ende des Varistorstapels in dem/den untersten (2) der Ableiterteile angeordnet sind.