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Spannungsbegrenzender Widerstand, insbesondere für einen
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Trennschalter einer Freiluft-Hochspannungsschaltanlage Die Erfindung
betrifft einen spannungsbegrenzenden Widerstand, insbesondere für einen Trennschalter
einer Freiluft-Hochspannungsschaltanlage, bestehend aus ein oder mehreren Widerstandskörpern
mit in Epoxydharz eingegossenen Widerstandsdrähten, die an den Stirnseiten elektrisch
mit metallischen Endarmaturen verbunden sind, über die der Widerstand in einen Schaltkreis
einschaltbar ist.
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Ein derartiger spannungsbegrenzender Widerstand ist aus der US-PS
38 69 691 bekannt. Der bekannte Widerstand weist einen Kern aus ausgehärtetem Epoxydharz
auf, der den gewendelten Widerstandsdraht, z. B. Chrom-Nickel-Draht, trägt, der
dann ebenfalls mit aushärtbarem Epoxydharz eingegossen und umgossen wird, so daß
ein Körper mit glatten Oberflächen entsteht, z. B. ein Zylinder oder ein Vieleck.
Die Enden des Widerstandsdrahtes sind stirnseitig zugänglich und dort mit metallischen
Endarmaturen elektrisch verbunden. Ein äußeres Gehäuse aus Porzellan umgibt den
Widerstandskörper und schützt ihn gegen Umwelteinflüsse. Das Gehäuse ist noch mit
gasförmigem (SF6), flüssigem (Öl) oder festem Isolierstoff (Epoxydharz) gefüllt.
Die bei Stromfluß über den Widerstand entstehende Wärmebelastung wird bei dem bekannten
Widerstand im wesentlichen über die metallischen Endarmaturen an die Umgebung abgegeben,
da der Wärmeübergang über das Porzellangehäuse an die umgebende Luft nur verhältnismäßig
langsam erfolgt.
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Weiterhin ist es aus den Allis-Chalmers Technical Data DS 1.1 d vom
März 1974, Seiten 401 - 404 bekannt, daß Trennschalter in Hochspannungsschaltanlagen
oft benutzt werden,
um die Magnetisierungsströme in Transformatoren, kleine Leitungs-
oder Kabelladeströme und parallele Ruheströme abzuschalten. Die erfolgreiche Unterbrechung
einer spannungsführenden Schaltanlage mit einem Trennschalter hängt davon ab, ob
eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit der Trennstrecke erreicht wird, die in
Abhängigkeit von der Amplitude des zu schaltenden Stromes und der Größe der wiederkehrenden
Spannung steht. Bevor nach dem Schalten eines Wechselstromes ein dielektrischer
Wiederaufbau der Trennstrecke erzielt wird, tritt eine augenblickliche Stromunterbrechung
jedesmal dann auf, wenn der Strom den Nullpunkt durchschreitet. Jede dieser Unterbrechungen
wird entweder von einer Wiederzündung oder von einem Wiederauftreten des Schaltlichtbogens
gefolgt, wenn die Wiederkehrspannung den dafür notwendigen Wert erreicht. Dies führt
zu transienten Überspannungen, die als Schaltüberspannungen bezeichnet werden, wegen
der abrupten Anderungen, die in den energiespeichernden Elementen der Schaltanlage
auftreten.
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Man sieht daher parallel zur Schaltstrecke des Trennschalters liegende
spannungsbegrenzende Widerstände vor, die Mittels eines Lichtbogens in den Schaltkreis
des Trennschalters eingeschaltet werden. In diesen Widerständen soll die in den
induktiven und kapazitiven Elementen gespeicherte Energie der Schaltanlage verbraucht
werden. Dies führt bei jedem Schaltvorgang zu einer intensiven Erhitzung des Widerstandes.
Die thermische Auslegung des Widerstandes begrenzt daher die zulässige Einsatzmöglichkeit
und die Schalthäufigkeit des Trennschalters in der Schaltanlage.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen spannungsbegrenzenden
Widerstand derartig zu konstruieren, daß er in kürzeren Intervallen mehr Energie
aufnehmen kann und dessen struktureller Aufbau den dabei entstehenden Kräften sowie
den Einflüssen der Umwelt widersteht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem spannungsbegrenzenden Widerstand
der eingangs beschriebenen Art gemäß der Erfindung jeder Widerstandskörper hohl
und gehäuselos ausgebildet, und sein Innenraum steht über Öffnungen in den Endarmaturen
mit dem Außenraum in Verbindung. Dadurch kann die während der Schaltvorgänge entstehende
Wärme sowohl über die äußere Oberfläche, die direkt der Umgebung ausgesetzt ist,
als auch über die innere Oberfläche des Widerstandskörpers, die ebenfalls mit dem
Außenraum in Verbindung steht, abgegeben werden. Der Wärmeübergang erfolgt somit
nicht mehr im wesentlichen nur über die metallischen Endarmaturen, sondern auch
über die innere und äußere Oberfläche des Widerstandskörpers. Die bei Schaltvorgängen
entstehende Hitze wird dadurch schneller und wirkungsvoller abgeführt.
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Es ist besonders zweckmäßig, die Widerstandskörper vertikal anzuordnen,
da dann im Innenraum ein Kamineffekt entsteht, der den Wärmeübergang noch verbessert.
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Besteht der spannungsbegrenzende Widerstand aus zwei oder mehr Widerstandskörpern,
die längs einer gemeinsamen Längsachse angeordnet und elektrisch über ihre Endarmaturen
miteinander verbunden sind, so empfiehlt es sich, in diese Längsachse einen Zugbolzen
zu legen, der mit den stirnseitig außen liegenden Endarmaturen des gesamten Widerstandes
lösbar verbunden ist und alle Teile des Widerstandes zusammenhält. Dadurch wird
ein steifer Bauteil mit hoher mechanischer Festigkeit erhalten. Eine weitere Erhöhung
der mechanischen Festigkeit und eine Verbesserung der elektrischen Kontaktierung
wird erreicht, wenn man den Zugbolzen mechanisch vorspannt, so daß er über die Endarmaturen
die Widerstandskörper unter Druck setzt.
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Bei einem derartigen Widerstand können die stirnseitig außen liegenden
Endarmaturen kappenförmig ausgebildet sein,
während die jeweils
zwischen Widerstandskörpern liegenden Endarmaturen einfache Form aufweisen können.
Die Endarmaturen sind jeweils mit Mitteln versehen, welche die Einschaltung des
Widerstandes in einen Schaltkreis ermöglichen. Insbesondere ist es zweckmäßig, die
Mittel so zu gestalten, daß der Widerstand in einem Schaltkreis parallel zur Schaltstrecke
eines Trennschalters einer Freiluft-Hochspannungsschaltanlage über einen Lichtbogen
einschaltbar ist. In diesem Fall verbindet man in zweckmäßiger Weise die Endarmaturen
mit einer ringförmigen, auf Abstand liegenden Feldelektrode.
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Im folgenden sei die Erfindung noch anhand des in den Figuren 1 und
2 der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt, schematisch dargestellt, einen Teil der Schaltstrecke
eines Trennschalters, neben der ein spannungsbegrenzender Widerstand, der aus mehreren
Widerstandskörpern besteht, angeordnet ist.
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In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch spannungsbegrenzenden Widerstand
dargestellt, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist und aus zwei verbundenen Widerstandskörpern
besteht.
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In einer Freiluft-Hochspannungsschaltanlage ist ein Trennschalter
eingesetzt, der ein Schaltmesser 1 aufweist, an dessen Ende eine kugelförmige Feldelektrode
2 angeordnet ist. Bei geschlossener Schalterstellung rastet das Schaltmesser 1 in
einen stehenden Gegenkontakt ein, der nicht dargestellt ist. Die Figur 1 zeigt lediglich
das Schaltmesser 1 in verschiedenen Lagen während des Ausschaltvorganges, bei dem
sich das Schaltmesser 1 des Trennschalters in Richtung des gestrichelt angedeuteten
Pfeiles 3 bewegt.
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Unmittelbar benachbart zur Schaltstrecke des Schaltmessers 1 des Trennschalters
ist ein spannungsbegrenzender Widerstand 4 so angeordnet, daß sich seine Widerstandskörper
5
in Richtung der vertikalen Achse 6 erstrecken. Bei dem gezeigten
spannungsbegrenzenden Widerstand 4 sind vier Widerstandskörper 5 vorgesehen, die
übereinander liegen und untereinander über ihre Endarmaturen 7 verbunden sind. Unterhalb
der Widerstandskörper 5 befindet sich eine Montagearmatur 8, die den gesamten Aufbau
trägt. Außerdem sind an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Widerstandskörpern
5 bzw. am oberen stirnseitigen Ende 9 des spannungsbegrenzenden Widerstandes 4 ringförmige
Feldelektroden 10, 11, 12, 13 angeordnet, welche die jeweiligen Endarmaturen 7 mit
Abstand umgeben und mit ihnen elektrisch verbunden sind.
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Jeder Widerstandskörper 5 weist einen Widerstandswert von 500 Ohm
auf. Wird nun der Trennschalter geöffnet, so bewegt sich sein Schaltmesser 1 in
Richtung des Pfeiles 3, wobei die kugelförmige Feldelektrode 2 zunächst in engen,
danach in größer werdenden Abstand an den ringförmigen Feldelektroden 10, 11, 12,
13 des spannungsbegrenzenden Widerstandes 4 entlang bewegt wird. Wenn sich die Feldelektrode
2, wie in Fig. 1 ausgezogen dargestellt, in der Nähe der untersten ringförmigen
Feldelektrode 10 befindet, so tritt der Lichtbogen von der kugeligen Feldelektrode
2 des Schaltmessers 1 auf die ringförmige Feldelektrode 10 des untersten Widerstandskörpers
5 über und schaltet diesen somit parallel zur Schaltstrecke in den Schaltkreis des
Trennschalters ein. Mithin liegen jetzt in dem Schaltkreis des Trennschalters 500
Ohm. Wenn der Trennschalter seine Öffnungsbewegung fortsetzt, überträgt sich der
Lichtbogen nacheinander auf die zweite, dritte oder vierte ringförmige Feldelektrode
11, 12, 13. Dadurch wird jeweils zusätzlich ein neuer Widerstandskörper mit 500
Ohm in den Schaltkreis eingeschaltet, bis schließlich der vollständige Widerstandswert
2000 Ohm erreicht ist. Dies führt zu einer wirkungsvollen Begrenzung der beim Schaltvorgang
auftretenden Überspannungen.
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Fig. 2 zeigt den konstruktiven Aufbau eines spannungsbegrenzenden
Widerstandes 4, der aus zwei Widerstandskörpern 5 zusammengesetzt ist. Beide Widerstandskörper
5 haben eine gemeinsame Längsachse 14. Jeder Widerstandskörper 5 besteht aus einem
Hohlzylinder 15 aus thermisch hoch leitfähigem Epoxydharz, mit einer inneren Oberfläche
16 und einer äußeren Oberfläche 17. In dem Hohlzylinder 15 sind die Widerstandsdrähte
18, z. B. aus Chrom-Nickel, eingebettet. Dadurch wird die bei Stromdurchfluß durch
die Widerstandsdrähte in diesen entstehende Hitze sofort von dem Widerstandsdraht
auf das umgebende Epoxidharz übertragen.
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Die Enden der Widerstandsdrähte 18 sind jeweils mit Kontaktteilen
19 verbunden, die an den Stirnseiten der Widerstandskörper 5 angeordnet sind und
die elektrische Verbindung zu den metallischen Endarmaturen 7 herstellen. Die Endarmaturen
7 sind ihrerseits mit nicht dargestellten Mitteln versehen, über die der spannungsbegrenzende
Widerstand 4 in einen Schaltkreis einschaltbar ist.
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Die metallischen Endarmaturen 7 eines spannungsbegrenzenden Widerstandes
4 sind unterschiedlich gestaltet. So sind die an den äußeren Stirnflächen 20 des
Widerstandes 4 liegenden Endarmaturen als Kappen 21 ausgebildet, während die mittlere
die beiden Widerstandskörper 5 miteinander verbindende Endarmatur 7 die Form eines
ringförmigen Flansches 22 hat.
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Die innere Öffnung 23 des ringförmigen Flansches 22 hat den gleichen
Durchmesser wie der Innenraum 24 des Hohlzylinders 15 der Widerstandskörper 5. Dieser
Innenraum 24 ist außerdem über mehrere Öffnungen 25, 26 in den Kappen 21 mit dem
den Widerstand 4 umgebenden Außenraum 27 verbunden. Infolgedessen wird auch der
Innenraum 24 von der im Außenraum 27 vorhandenen Luft durchströmt.
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Im Innenraum 24 des spannungsbegrenzenden Widerstandes 4 ist außerdem
längs der gemeinsamen Längsachse 14 ein Zugbolzen 28
aus glasfaserverstärktem
Epoxydharz angeordnet, der in Endarmaturen 29 eingebettet ist. Die Endarmaturen
29 sind über Bolzen 30 mit den metallischen Kappen 21 verschraubt, wobei der Zugbolzen
28 gestreckt wird, so daß er unter mechanischer Vorspannung steht. Diese mechanische
Vorspannung wird mit Hilfe von Federscheiben 31 innerhalb eines gewissen Temperaturbereiches,
der den sich ändernden Betriebsbedingungen entspricht, konstant aufrechterhalten.
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Durch diese Verspannung mit Hilfe des Zugbolzens 28 werden die metallischen
Endarmaturen 7 und die Widerstandskörper 5 zusammengedrückt. Dadurch werden die
Elemente des Widerstandes 4 zu einem mechanisch steifen Bauteil zusammengepreßt,
was auch die elektrische Kontaktierung zwischen den einzelnen Elementen verbessert.
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Ein derartig aufgebauter spannungsbegrenzender Widerstand 4 verhält
sich im Betrieb folgendermaßen: Wenn der spannungsbegrenzende Widerstand 4 über
die in Fig. 2 nicht dargestellten Mittel an den Endarmaturen 7 in einen Schaltkreis
eingeschaltet wird, in dem ein Strom fließt, so wird der Widerstandsdraht 18 heiß.
Diese Hitze tritt auf das thermisch hochleitfähige Epoxydharz, in dem die Widerstandsdrähte
18 eingebettet sind, über und wird zu der inneren Oberfläche 16 und der äußeren
Oberfläche 17 des Hohlzylinders 15 geleitet, ebenso wie zu den metallischen Endarmaturen
7. Dort wird die Hitze direkt an die Luft des Außenraums 27 abgegeben, die auch
den Innenraum 24 durchströmt.
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Durch die vertikale Anordnung des Widerstandes 4 entsteht im Innenraum
24 ein Kamineffekt, durch den der Wärmeübergang von der inneren Oberfläche 16 auf
die den Innenraum 24 durchströmenden Luft verbessert wird. Infolge dieser mehrfachen
Hitzeübertragung über die gesamte äußere Oberfläche 17 und innere Oberfläche 16,
sowie über die metallischen
Endarmaturen 7 wird der spannungshegrenzende
Widerstand 4 wirkungsvoll gekühlt, so daß der Widerstand 4 auch bei häufigen Schaltvorgängen
eine vorgegebene Temperatur nicht überschreitet.
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Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des spannungsbegrenzenden Widerstandes
4 ergibt sich ein insbesondere vorteilhaft im Zusammenhang mit Trennschaltern einsetzbarer
spannungsbegrenzender Widerstand, der ein Bauteil mit mechanisch großer Festigkeit
bildet und eine verbesserte Kühlung aufweist. Die verbesserte Kühlung wird erreicht,
indem der aus ausgehärtetem Epoxydharz bestehende Hohlzylinder 15 sowohl mit seiner
inneren Oberfläche 16 als auch mit seiner äußeren Oberfläche 17 in Verbindung mit
der den Außenraum 27 ausfüllenden Luft steht. Die innere Oberfläche 16 ist mit dem
Außenraum 27 über die Öffnungen 25, 26 verbunden. Die somit auch durch den Innenraum
24 streichende Luft unterliegt bei vertikaler Anordnung des Widerstandes 4 einem
Kamineffekt, der die durchströmende Luftmenge erhöht, so daß eine besonders gute
Kühlung erreicht wird. Die kombinierte Wirkung dieser Verbesserung der Kühlung durch
Vergrößerung der kühlenden Oberflächen und durch den Kamineffekt ergibt, daß der
spannungsbegrenzende Widerstand 4 eine hohe thermische Leistung aufweist und häufigen
Schaltvorgängen ausgesetzt sein kann, ohne daß eine gewisse vorgegebene Temperatur
überschritten wird. Dies war mit den zuvor bekannten Widerständen nicht möglich.
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2 Figuren 8 Ansprüche