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Die Erfindung betrifft eine Überspannungsableiter-Anordnung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Die
Überspannungsableiter-Einheiten können beispielsweise aus ZnO-Blöcken
bestehen.
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Bei Anwendungen, die eine große Anzahl parallel zu
schaltender Stapel aus ZnO-Blöcken erfordern, zum Beispiel zum
Schutz von Reihenkondensatoren oder der neutralen Schiene in
Hochspannungsgleichstromstationen (HVDC-Station), trägt der
Gehäuseteil der Überspannungsableiter-Anordnung wesentlich
zu den Überspannungsableiterkosten bei, da an ihn sowohl
mechanische als auch elektrische Anforderungen gestellt
werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Überspannungsableiter-Anordnung der eingangs genannten Art zu
entwickeln, bei welcher die Kosten für das Gehäuse der
Überspannungsableiter-Einheiten wesentlich reduziert werden
können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Überspannungsableiter-
Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1
vorgeschlagen, welche die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1
genannten Merkmale hat.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
zusätzlichen Ansprüchen genannt.
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Die zur Erfindung gehörende spezielle Gestellkonstruktion
kann in kostensparender Weise eine große Anzahl von
parallelen Stapeln aus ZnO-Blöcken zusammenhalten und den
notwendigen Kontaktdruck für die Blöcke bereitstellen. Auf diese
Weise brauchen keine speziellen mechanischen Anforderungen
an die Gehäuse der Blockstapel gestellt zu werden, sondern
die Stapel benötigen nur eine Oberflächenschutzschicht,
vorzugsweise aus einem aufschrumpfbaren Polymer, um einer
Freiluftumgebung elektrisch standhalten zu können.
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Bei einer speziellen zweckmäßigen Weiterentwicklung der
Erfindung sind die Folgen eines möglichen Versagens eines oder
mehrerer der Stapel von ZnO-Blöcke minimal. Dies wird durch
eine solche Konstruktion des Gestells erreicht, daß
elektrisch parallel geschaltete Reihen aus Stapeln von
ZnO-Blöcken nur in einem Punkt parallel geschaltet sind, um zu
verhindern, daß ein Stromzufluß aus mehr als einer Richtung
stattfinde kann, sowie durch Anordnung der elektrischen
Anschlüsse an das Gestellt in der Weise, daß im Falle einer
Überlastung eines der Blockstapel, das heißt, wenn ein
Kurzschluß auftritt, antiparallele Strompfade auftreten und der
erzeugte Lichtbogen durch die Stromkräfte längs des Gestells
zum entgegengesetzten Ende geblasen wird, wo die
Endverbindungen mit Lichtbogenhörnern aus stromfestem Material, zum
Beispiel Stahl, versehen sind und wo der Lichtbogen in
kontrollierter Weise brennen kann, ohne eine Gefahr für die
Umgebung darzustellen.
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Ein Vorteil der Lichtbogenblasung besteht auch darin, daß
die Anschlüsse an den betreffenden Blockstapel nicht für die
volle Dauer des erwarteten Kurzschlußstromes dimensioniert
zu werden brauchen. Auch ist das Polymermaterial nicht
direkt dem Einfluß des Lichtbogens während der gesamten
Kurzschlußzeit ausgesetzt, wodurch die Folgen eines Fehlers
begrenzt werden.
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Da das Gestellt für die notwendige mechanische Festigkeit
sorgt, kann die Polymerschicht auf den Blockstapeln
minimalisiert werden und als Polymermaterial ein solches gewählt
werden, welches zum Beispiel bei hohen Temperaturen (120 bis
150ºC) eine Verschlechterung seiner mechanischen
Eigenschaften erfährt. Hierdurch wird die Kühlung der ZnO-Blöcke
wesentlich verbessert und die erforderliche Zeit zwischen
wiederholten Energiebelastungen verkürzt. Die Fähigkeit zur
Beherrschung hoher kurzzeitiger Überspannungen kann auf diese
Weise beträchtlich erhöht werden.
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Um alle Diskontinuitäten in der Verbindung zwischen den
Blockstapeln und den Klemmträgern zu vermeiden und folglich
das Blasen des Lichtbogens längs des Gestells zu
erleichtern, können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung spezielle metallische Schienen zwischen den
Endelektroden der Blockstapel vorgesehen werden.
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Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen
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Figur 1 in Seitenansicht ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Überspannungsableiter-Anordnung gemäß der
Erfindung,
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Figuren 2, 3 und 4 die Anordnung gemäß Figur 1 in Ansicht
von oben (Figur 2), von links (Figur 3) und von
rechts (Figur 4),
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Figur 5 ein Verbindungsglied zur Befestigung einer
Überspannungsableiter-Einheit an das zur Anordnung gemäß
Figur 1 gehörende zusammenhaltende Gestell,
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Figuren 6, 7 und 8 Verbindungsteile für das Gestell der
Anordnung,
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Figuren 9, 10 und 11 ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Überspannungsableiter-Anordnung gemäß der Erfindung
in Ansicht von der Seite (Figur 9), von oben (Figur
10) und von links (Figur 11).
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Figuren 12, 13 und 14 in gleicher Darstellung wie in den
Figuren 9 bis 11 ein drittes Ausführungsbeispiel einer
Überspannungsableiter-Anordnung gemäß der Erfindung,
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Figuren 15, 16 und 17 in gleicher Darstellung wie in den
Figuren 9 bis 11 ein viertes Ausführungsbeispiel einer
Überspannungsableiter-Anordnung gemäß der Erfindung.
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Die in den Figuren 1 bis 4 gezeigte Überspannungsableiter-
Anordnung enthält zehn elektrisch parallel geschaltete
Überspannungsableiter-Einheiten 1. Jede dieser Einheiten enthält
einen Stapel von Überspannungsableiter-Elementen,
vorzugsweise in Gestalt kreiszylindrischer ZnO-Blöcke. Jeder
Blockstapel ist mit Endelektroden 2 aus Metall versehen und mit
einem isolierenden Gehäuse 3 aus schrumpfbaren
Polymermaterial umgeben. Dieses Gehäuse ist direkt auf den Blockstapel
aufgeschrumpft, wodurch man einen festen Kontakt zwischen
Gehäuse und Überspannungsableiter-Elementen erhält.
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Die zehn Überspannungsableiter-Einheiten sind in einem
Gestell untergebracht, in welchem sie, elektrisch parallel
geschaltet, in zwei parallelen Reihen mit je fünf
Überspannungsableiter-Einheiten pro Reihe nebeneinander angeordnet
sind. Die zu einer dieser Reihen gehörenden
Überspannungsableiter-Einheiten sind zwischen zwei parallelen Klemmträgern
4a, 4b aus Metall zusammengepreßt, durch welche auch die
elektrische Parallelschaltung der
Überspannungsableiter-Einheiten hergestellt wird. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel bestehen diese Klemmträger aus Aluminium und haben
einen quadratischen Querschnitt. Die Klemmträger 4a, 4b
werden von zwei Stützisolatoren 6 aus Porzellan oder
Polymermaterial zusammengehalten.
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Die elektrische Verbindung der Endelektroden 2 der
Überspannungsableiter-Einheiten mit den Klemmträgern 4a, 4b wird mit
Hilfe spezieller Preßglieder 7 hergestellt, die gleichzeitig
eine ausreichende Klemmkraft erzeugen. Figur 5 zeigt den
Aufbau eines Preßgliedes. Es besteht aus einem Stiftbolzen
8, der mit Hilfe einer Mutter 9 an der Endelektrode 2 der
Überspannungsableiter-Einheit befestigt ist. Das freie Ende
des Stiftbolzens gleitet in einem gebohrten Loch in dem
Klemmträger 4b und trägt eine Mutter 10, die eine
ringförmige Ausnehmung hat, in der zwei entgegengesetzt angeordnete
Scheibenfedern 11 vorhanden sind. Während des Zusammenbaues
wird die Mutter 10 angezogen bis die Scheibenfedern
miteinander in Kontakt kommen, wodurch unabhängig von einer
Alterung der Klemmträger und Temperaturänderungen und so weiter
ein ausreichender Anpreßdruck auf die Blockstapel ausgeübt
wird.
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Die unteren Klemmträger 4a, 5a der beiden Reihen sind fest
auf zwei querlaufenden Fußträgern 12a, 12b befestigt, die
von Stützisolatoren 13 getragen werden, die auf einem
Montagefundament angeordnet sind.
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Die Befestigung der Fußträger an den unteren Klemmträgern
4a, 5a erfolgt durch ein isolierendes Verbindungsglied 14 an
einem Ende der Fußträger und ein nichtisolierendes
Verbindungsglied 18 an dem anderen Ende der Fußträger. Figur 6
zeigt den Aufbau des isolierenden Verbindungs gliedes. Es
besteht aus einem Stiftbolzen 15, der in den unteren Endanker
des Stützisolators 6 eingeschraubt ist und der sich durch
eine Bohrung erstreckt, die durch den Klemmträger 4a und den
Fußträger 12b geht. Die elektrische Isolierung zwischen den
Trägern 4a und 12b wird durch eine Isolierhülse 16 erreicht,
die um den Bolzen herum angeordnet ist und die ihrerseits
von zwei hohlzylindrischen Isolierelementen 17 umgeben ist,
von denen jedes an einer entsprechenden Seite des Fußträgers
angeordnet ist. In dem nichtisolierten Verbindungsglied 18,
welches in Figur 7 gezeigt wird, sind die isolierenden
Elemente 17 durch Abstandsglieder 19 aus Aluminium ersetzt.
Alternativ können die Fußträger 12a und 12b aus
Isoliermaterial bestehen, in welchem Falle die Isolierelemente 16, 17
und die Abstandsglieder 19 weggelassen werden können.
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An einem Ende der beiden Reihen von Überspannungsableiter-
Einheiten sind eine untere und eine obere Verbindungsschiene
21 und 22 angeordnet. Die obere Verbindungsschiene 22
verbindet sowohl elektrisch als auch mechanisch die beiden
oberen Gestellträger 4b, 5b, während die untere
Verbindungsschiene 21 in gleicher Weise die beiden unteren
Gestellträger 4a, 5a verbindet. In der Mitte der Verbindungsschienen
21, 22 sind Verbindungsglieder 23, 24 vorhanden zur
Verbindung der Überspannungsableiter-Anordnung mit dem zu
schützenden Objekt.
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Am anderen Ende der beiden Reihen von Überspannungsableiter-
Einheiten sind die oberen Gestellträger 4b, 5b durch eine
Verbindungsschiene 30 miteinander verbunden, was detailliert
in Figur 8 dargestellt ist. Die Verbindungsschiene 30 ist an
einem Ende durch einen Befestigungsbolzen 31 und ein
metallisches Abstandsglied 32 mit einem der Gestellträger 5b
verbunden. An ihrem anderen Ende ist die Verbindungsschiene 30
in isolierender Weise mit Hilfe eines Bolzens 33, der von
einem isolierenden Rohr 34 und zwei zylilndrischen
Isolierelementen 35 umgeben ist, mit dem Klemmträger 4b verbunden.
Die Schiene 30 kann alternativ aus Isoliermaterial bestehen,
wobei in diesem Falle die Isolierelemente 34, 35 und das
Abstandsglied 32 weggelassen werden können.
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Wenn im Innern einer Überspannungsableiter-Einheit ein
Fehler mit einem damit verbundenen Kurzschluß-Lichtbogen
auftreten sollte, so wird das Polymergehäuse der
Überspannungsableiter-Einheit
zerbersten und der Lichtbogen zur
Außenseite der Überspannungsableiter-Einheit kommutieren. Da die
Fußträger 12a, 12b und die Verbindungsschiene 30 mit den
Klemmträgern nur in einem der beiden parallelen Reihen von
Überspannungsableiter-Einheiten elektrischen Kontakt haben,
findet die Stromversorgung des Kurzschluß-Lichtbogens nur
aus einer Richtung statt. Da die Ströme in den Klemmträgern
der fehlerhaften Reihe dabei antiparallel fließen, bewegt
sich der Lichtbogen unter der Wirkung elektromagnetischer
Kräfte schnell längs der Klemmträger zu Lichtbogenhörnern 38
am Ende der Klemmträger.
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Um Diskontinuitäten in dem Lichtbogenpfad zu überbrücken und
dabei die Wanderung des Lichtbogens zu erleichtern, können
metallische Schienen zwischen den Endelektroden der
Überspannungsableiter-Einheiten angeordnet werden. Figur 1 zeigt
Beispiele zweier solcher metallischer Schienen 37, die durch
gestrichelte Linien angedeutet sind.
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Das zweite Ausführungsbeispiel einer Überspannungsableiter-
Anordnung gemäß der Erfindung zeigen die Figuren 9 bis 11.
Dieses Ausführungsbeispiel enthält zwanzig
parallel-geschaltete Überspannungsableiter-Einheiten 1, die paarweise in
Gruppen angeordnet sind, bei denen die beiden Einheiten
jeder Gruppe übereinander angeordnet sind und zwischen den
beiden Klemmträger 4a, 4b zusammengepreßt werden, die durch
Stützisolatoren 6 zusammengehalten werden. Die Anordnung
enthält zwei parallele Reihen aus Gruppen von
Überspannungsableiter-Einheiten mit fünf Gruppen in jeder Reihe. An einem
Ende der Reihen, das im folgenden als Verbindungsende
bezeichnet wird, sind alle vier Klemmträger 4a, 4b, 5a, 5b
durch eine äußere Verbindung 40 miteinander verbunden,
welche Verbindung 40 einen der Anschlußpole der
Parallelschaltung darstellt. Der andere Anschlußpol wird von einem
separaten Leiter 41 gebildet, welcher die Verbindungspunkte
zwischen
den beiden Überspannungsableiter-Einheiten der
verschiedenen Gruppen verbindet. Der Fußträger 12b und die
Verbindungsschiene 30, von denen je eine separat die beiden
unteren Klemmträger 4a, 5b beziehungsweise die beiden oberen
Klemmträger 4b, 5b mechanisch an demjenigen Ende der Reihen
verbindet, welches von dem Verbindungsende am weitesten
entfernt liegt, sind mit nur einer der Reihen elektrisch
verbunden. Auf diese Weise wird ein Stromzufluß aus zwei
Richtungen zu einem möglichen Kurzschluß-Lichtbogen vermieden.
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Am gleichen Ende der Reihen sind alle Gestellträger 4a, 4b,
5a, 5b und die Enden des getrennten Leiters 41 mit
Lichtbogenhörnern 38 versehen.
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Die in den Figuren 12 bis 14 gezeigte Überspannungsableiter-
Anordnung enthält 28 parallel geschaltete
Überspannungsableiter-Einheiten 1, die paarweise in Gruppen von je zwei in
der gleichen Weise wie bei der Anordnung nach den Figuren 9
bis 11 angeordnet sind. In der Anordnung nach den Figuren 12
bis 14 werden keine Stützisolatoren zum Zusammenhalten der
Struktur benötigt, sondern die Klemmträger 4a, 4b, 5a, 5b
werden mit Hilfe eines metallischen Rahmens 42a, 42b an den
Enden des Gestells zusammengehalten. Der metallische Rahmen
42b und der Fußträger 12b an dem Ende des Gestells, welches
am weitesten von dem Verbindungsende entfernt ist, stehen in
elektrischem Kontakt mit nur einem der Klemmträger in einer
der Reihen, um eine Stromversorgung aus zwei Richtungen zu
vermeiden.
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Die in den Figuren 15 bis 17 gezeigte Überspannungsableiter-
Anordnung enthält 16 parallel geschaltete
Überspannungsableiter-Einheiten 1, die paarweise in Gruppen von je zwei in
der gleichen Weise angeordnet sind, wie in der Anordnung
nach den Figuren 9 und 10. In der Ausführungsform nach den
Figuren 15 bis 17 werden die Klemmträger 4a, 4b, 5a, 5b mit
Hilfe metallischer vertikaler Verbindungsträger 43a, 43b an
den Enden der Klemmträger zusammengehalten. Der Fußträger
12b, die Verbindungsschiene 30 und die Verbindungsträger 43b
stehen aus dem gleichen Grunde wie oben angegeben mit nur
einem Klemmträger in einer der Reihen in elektrischem
Kontakt.
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Im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach den Figuren 1 bis
4 und den Figuren 9 bis 11 benötigen die Ausführungsformen
nach den Figuren 12 bis 14 und den Figuren 15 bis 17 keine
Stützisolatoren zum Zusammenhalten der entsprechenden
Struktur. Um einen ausreichenden Isolationsabstand zwischen den
metallischen Rahmen an einem Ende des Gestells einerseits
und der Verbindung des Verbindungsleiters 41 und der
Lichtbogenhörner andererseits zu erhalten, muß bei den beiden
letztgenannten alternativen Ausführungsformen die Breite und
Länge der gesamten Struktur jedoch vergrößert werden.