EP1566869B1 - Störlichtbogengeschütztes elektrisches Bauteil - Google Patents
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- EP1566869B1 EP1566869B1 EP04405094A EP04405094A EP1566869B1 EP 1566869 B1 EP1566869 B1 EP 1566869B1 EP 04405094 A EP04405094 A EP 04405094A EP 04405094 A EP04405094 A EP 04405094A EP 1566869 B1 EP1566869 B1 EP 1566869B1
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- H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
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- H01B17/42—Means for obtaining improved distribution of voltage; Protection against arc discharges
- H01B17/46—Means for providing an external arc-discharge path
Definitions
- the invention is based on an arc protected electrical component according to the common preamble of claims 1 and 4.
- the invention also relates to a specific for this component arc electrode.
- the component has an insulator designed as a pillar, to the head of which a first current conductor system, which can be guided to high-voltage potential, is fastened.
- a second current conductor system which can be routed to ground potential, is fastened.
- the first and the second conductor system each have an arc electrode for receiving an arc occurring during a discharge between the first and second conductor system.
- At least one of both arc electrodes is designed in the manner of a cup. In the cup wall at least two arc edge forming the cup edge are formed. An arc formed during an unwanted discharge between the two conductor systems is commutated to the edge of the cup. Under the action of the magnetic field of the electric arc feeding the arc and guided in the cup rim to the arc of the predominantly axially aligned arc arc is set in rotation and deleted in the current zero crossing.
- the invention relates to a prior art of arc protected electrical components, as in EP 1 283 575 A1 is described.
- a disclosed in this prior art and designed as a surge arrester component contains two electrically isolated by a columnar outdoor insulator from each other and located at different electrical potentials conductor systems.
- each This conductor system has an arc electrode for receiving an arc occurring during a discharge between the two conductor systems.
- the two arc electrodes are cup-shaped.
- a plurality of arc fingers are formed, which form portions of the cup rim.
- the supply current of the arc flowing in these sections to the foot of the arc provides for a radially directed magnetic field at the base of the arc.
- the arc is therefore subjected to a tangentially directed electrodynamic force and rotated along the edge of the cup around the insulator until the arc extinguishes.
- the arc is now predominantly aligned axially and is based on the two circumferentially guided, annular arc electrodes. Due to electromagnetic forces of the arc flashes on the arc electrodes fussend as long as the insulator of the component until it is extinguished in the zero crossing of the arc fault current. The component is thus protected against the eroding and corrosive effect of the arc fault.
- the invention as defined in the claims solves the problem of providing an arc protected electrical component of the type mentioned, in which the effect of arcing arcs is particularly effectively suppressed by suitable design of an arc electrode.
- the arc fingers each have two successively in the circumferential direction of the cup wall finger portions, of which a cup edge distant portion of a first of the fingers and the axis are skewed and a cup edge forming portion of a second of the fingers at a distance in Axially to the cup edge remote portion is held in the cup wall. Because of this arrangement and design of the arc fingers, a strong, predominantly radially directed magnetic field builds up over the entire cup rim at the base of the arc fault. It acts on the cup edge held at the base of the arc always a large, tangentially directed, electrodynamic force, which causes a rotation of the arc root until the extinction of the arc in the current zero crossing.
- the continuity of the force is given by the fact that regardless of its current position on the edge of the cup, a radially directed strong magnetic field is constantly maintained in the arc root. Even with the transition from a finger to the following finger in the circumferential direction of this magnetic field is maintained, since at least one of the two superimposed finger portions predominantly in the tangential direction flowing current receives with the same sense of direction, which continues at the arc root as a predominantly axially guided arc current.
- a comparatively small number of arc fingers is required if the cup rim-forming section of the arc fingers is guided predominantly tangentially is.
- the predominantly tangential guide also includes curvatures of the cup edge forming portions in the axial direction.
- the arc fingers are arranged skewed to each other over their entire length and the axis.
- the arc fingers each have two predominantly tangentially guided portions, one of which is attached to the cup bottom and the other forms the cup rim, each arc finger has an at least in the axial direction guided middle portion of the bottom of the cup Section with the cup edge forming portion connects, and the cup edge forming portion of a first of the fingers is held at a distance in the axial direction to the bottom side portion of a second of the fingers in the cup wall.
- the central portion is guided not only in the axial direction, but at the same time in the tangential direction.
- the central portion and the axis are then skewed to each other.
- the bottom portion and the misaligned midsection then provide the transition from the central portion of the cup rim for a good current loop and thus for the desired strong radial magnetic field at the arc root.
- a sufficiently strong magnetic field at the transition point from one finger to the other can also be achieved if the middle section is guided predominantly axially and optionally radially.
- the cupola side portion should only be formed by a relative to the diameter of the section relatively narrow air gap from the cup edge forming Separate section, otherwise the radial component of the magnetic field at the location of the arc root may be too low.
- the arc electrode provided on the insulator head is formed by a current connection supplying the first electrical potential.
- This embodiment also has the advantage that an emigration of the arc arc is avoided by the otherwise provided on the insulator head and having direction of rotation electrode on the power connector due to the thermal effect of the arc fault.
- Opposing rotations of the arc root points are achieved if the arc electrode arranged on the insulator head has a different direction of rotation than the arc electrode arranged on the insulator base. These opposing movements lead to a particularly effective magnetic blowing of the arc fault.
- the insulator is made hollow and an active part guided axially through the insulator is provided. Therefore, particularly preferred components are outdoor bushings, surge arresters, in particular with an active part based on metal oxide, current transformers, voltage transformers or switches. If, on the other hand, the component has only supporting function, then the insulator can also be solid.
- the surge arrester illustrated in FIG. 1 has an open-air insulator 1 designed in the manner of a column and formed, for example, by a polymer, for example based on epoxy or silicone, or a ceramic, such as a porcelain.
- the insulator is hollow and has an along an axis 2 (column axis) arranged, not apparent from the figure active part with at least one non-linear resistive element, preferably based on metal oxide, in particular zinc oxide.
- a first electrical conductor system which can be guided to a first electrical potential, for example a high-voltage potential.
- the first conductor system is electrically connected to the head end of the active part and has a connectable to a high voltage line Power connection 3 and formed in the manner of a cup arc electrode 4, which is open towards the bottom Isolatorfuss concentric with the axis 2 aligned.
- This electrode can be made, for example, by casting or material-lifting, such as by turning and milling.
- the arc electrode 4 is surrounded concentrically by an upwardly closed cover 5.
- the isolator foot is provided with a second electrical conductor system which can be guided to a second electrical potential, for example ground potential.
- the second current conductor system is electrically conductively connected to the foot end of the active part and has a connectable to a ground conductor 6 and a power connector designed like a cup Lichtelektode 7, which is open towards the insulator head concentrically aligned with the axis 2.
- the arc electrode 7 is concentrically surrounded by a downwardly closed cover 8.
- the two arc electrodes 4 and 7 are made of good electrically conductive material, in particular copper or a copper alloy, such as brass. In a particularly advantageous manner, this material may comprise graphite or another material particularly resistant to erosion.
- At least the downwardly facing edge 9 of the arc electrode 4 and the upward-facing edge 10 of the arc electrode 7 are made of erosion-resistant material, such as a refractory brass, a copper-tungsten or copper-chromium alloy.
- the two arc electrodes 4 and 7 are arranged mirror-symmetrically to each other.
- FIGS. 2 and 3 The construction of the arc electrode 4 can be seen in FIGS. 2 and 3. These figures can be seen that the arc electrode 7 has a cup bottom 11 and a subsequent to the cup bottom and extending in the direction of the axis 2 of the column cup wall 12, formed in the six the cup rim 9 forming identically formed and spaced by air gaps 13 arc fingers are. From Fig.2 only the four fingers 21, 22, 23 and 24 are visible. These fingers are each extending predominantly in the circumferential direction and each have three axially spaced-apart and circumferentially successive sections. The three sections can only be seen for the two fingers 22 and 23 from FIG. 2 and are designated in sequence with the reference signs a, b, c and a ', b', c 'respectively.
- a labeled with the reference a or a 'portion of the finger 22, 23 sets at the bottom 11 and is also tangentially guided as a cup edge forming section c or c '.
- the two sections a and c or a 'and c' are connected by a predominantly tangential, but obliquely to the axis 2, guided, cup side remote section b and b 'with each other.
- Section b or b 'and axis 2 are skewed to each other.
- cup-distal portion b 'of the finger 23 and cup-forming portion c of the finger 22 are the cup-distal portion b of the finger 22 and cup-forming portion c "of the finger 21 and cup-distal portion b" of the finger 24 and cup-forming portion, respectively c 'of the finger 23 are held one above the other at an axial distance in the cup wall 12.
- an opening 14 is provided in the cup base 11, through which a portion of the power connector 6 shown only in Fig.1 is guided.
- a tangentially directed, large electrodynamic force always acts on the base 15 of the arc (FIG. 2) held on the cup rim 9, which causes a rotation of the arc until its extinction in the current zero crossing.
- the continuity of the force is given by the fact that in the arc root 15 regardless of its positioning on the cup rim 9 consistently a radially inwardly directed strong magnetic field is maintained. This continuity results from the previously described design and arrangement of the arc fingers. If the arc is located on section c of finger 22, section c in FIG. 2 is indicated by an arrow Current I, which continues in the axially directed arc (shown as a jagged arrow in Fig. 2).
- the current therefore forms a well-formed current loop at the arc root point 15 and generates at the location of the base point 15 away from the observer, ie radially inwardly, directed strong magnetic field.
- a tangentially directed force acting counterclockwise on the arc which leads the base point 15 to the air gap 13 separating the two fingers 22 and 23. Regardless of whether the base point 15 has not yet partially or completely overcome the air gap, the radially inwardly directed magnetic field is maintained since at least one of the two sections b 'and c receives the current I.
- the arc electrode 4 embodied according to FIG. 4 has only two arc fingers 22 and 23.
- the cup edge and cup edge forming portions b, c 'and b', c of both fingers 22 and 23 are axially spaced apart from each other as in the above-described embodiment, so that this embodiment has the same advantageous effects.
- this electrode can be realized particularly easily, but at the expense of the mechanical stability of the arc fingers.
- the current loop caused by the transition from the section a 'to the section b' applied perpendicular thereto generates a magnetic field whose component in the radial direction is sufficient to continue the arc root point on the cup rim 9 at the transition from one arc finger 23 to the adjacent 22.
- the arc fingers, z. B. 22 to 23, need not necessarily have an exclusively tangentially guided cup edge forming finger portion c or c '. Loop formation and a sufficiently high radial field are still achieved even when the arc fingers and the axis 2 are skewed to each other (embodiment of the electrode 4 according to Figure 6) or if only the cup edge remote section b, b 'and the axis 2 skew each other are, however, the cup edge forming portion c, c 'tangentially (embodiment of the electrode 4 according to Figure 7) or curved out (embodiment of the electrode 4 according to Figure 7 with dashed trays edge forming portion c' of the arc finger 23 ').
- the arc fingers engage the cup base 11 with the section b, b 'guided obliquely to the axis 2.
- the tangentially guided section a, a 'present in the embodiments according to FIGS. 2 to 5 can therefore be dispensed with in principle, since sections b, c and b', c 'of successive arc fingers 22, 23 provide a sufficiently high radial magnetic field during current flow can.
- an insulating material such as preferably a polymer based on silicone, epoxy, polycarbonate or polyamide
- the arc electrode 4, 7 from contact, for example by animals or by falling good, protected.
- the area is also in front of the Protected by the action of heated material, which is possibly thrown away from the component under the effect of the arc fault and represents a not inconsiderable fire risk.
- Such protected components can therefore be used without problems in arid areas with fire-threatening vegetation, such as dried grass or bushes.
- These embodiments of the electrode can be formed in a simple manner by stamping and cold forming a sheet, for example by punching a flat, the material recesses containing precursor body 25 of the electrode from the sheet and then bending a sheet metal flap located between each two material recesses 16 to form six contact fingers and the air gaps 13 arranged therebetween (for reasons of clarity, only four fingers 21 to 24 are designated in FIGS. 8 and 9).
- This can be achieved in manufacturing technology particularly simple manner executed in the manner of a polygon cup base 11, at the corners of each of the material recesses 16 is arranged (embodiment of FIG. 8 with a formed like a polygon cup rim).
- the cup wall 12 is inclined in all the illustrated embodiments predominantly at an angle of 90 ° relative to the cup base 11, but may also, without losing the advantageous effects described above, include a deviating angle of at most 150 ° and at least 30 °.
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Description
- Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem störlichtbogengeschützten elektrischen Bauteil nach dem gemeinsamen Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4. Die Erfindung betrifft auch eine für dieses Bauteil bestimmte Lichtbogenelektrode.
- Das Bauteil weist einen als Säule ausgeführten Isolator auf, an dessen Kopf ein auf Hochspannungspotential führbares erstes Stromleitersystem befestigt ist. Am Isolatorfuss ist ein auf Erdpotential führbares zweites Stromleitersystem befestigt. Erstes und das zweites Stromleitersystem weisen jeweils eine Lichtbogenelektrode auf zur Aufnahme eines bei einer Entladung zwischen erstem und zweitem Stromleitersystem auftretenden Störlichtbogens. Mindestens eine beider Lichtbogenelektroden ist nach Art eines Bechers ausgebildet. In die Becherwand sind mindestens zwei den Becherrand bildende Lichtbogenfinger eingeformt. Ein bei einer unerwünschten Entladung zwischen beiden Stromleitersystemen gebildeter Störlichtbogen wird auf den Becherrand kommutiert. Unter der Wirkung des Magnetfeldes des den Störlichtbogen speisenden und im Becherrand zum Lichtbogen geführten Stroms wird der überwiegend axial ausgerichtete Störlichtbogen in Rotation versetzt und im Stromnulldurchgang gelöscht.
- Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von störlichtbogengeschützten elektrischen Bauteilen Bezug, wie er in
EP 1 283 575 A1 beschrieben ist. Ein in diesem Stand der Technik offenbartes und als Überspannungsableiter ausgebildetes Bauteil enthält zwei durch einen säulenförmigen Freiluftisolator voneinander elektrisch isoliert gehaltene und auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen befindliche Stromleitersysteme. Jedes dieser Stromleitersysteme weist eine Lichtbogenelektrode auf zur Aufnahme eines bei einer Entladung zwischen den beiden Stromleitersystemen auftretenden Störlichtbogens. Die beiden Lichtbogenelektroden sind becherförmig ausgebildet. In die Wand jedes Bechers sind mehrere Lichtbogenfinger eingeformt, welche Abschnitte des Becherrands bilden. Der in diesen Abschnitten zum Fusspunkt des Störlichtbogens fliessende Speisestrom des Lichtbogens sorgt dafür, dass am Fusspunkt des Lichtbogens ein radial gerichtetes magnetisches Feld wirkt. Der Lichtbogen wird daher mit einer tangential gerichteten elektrodynamischen Kraft beaufschlagt und entlang dem Becherrand um den Isolator rotiert bis der Lichtbogen erlischt. - Auch bei einem aus
US 5,903,427 A vorbekannten störlichtbogengeschützten elektrischen Bauteil hält ein säulenförmiger Freiluftisolator zwei gegeneinander elektrisch isolierte und auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen befindliche Stromleitersysteme. Jedes dieser Systeme enthält jeweils einen als offene, ringförmige Schleife ausgeführten und im Bereich des Isolatorkopfes bzw. des Isolatorfusses mit Abstand um den Isolator geführten Leiterabschnitt. Tritt während des Betriebs des Bauteils in einer Hochspannungsanlage - etwa bedingt durch einen Blitzschlag oder durch einen Schaltvorgang - ein unerwünschter Störlichtbogen am Bauteil auf, so wird der Störlichtbogen in einen die Leiterabschnitte als Lichtbogenelektroden enthaltenden Stompfad geführt. Der Störlichtbogen ist nun überwiegend axial ausgerichtet und fusst auf den beiden in Umfangsrichtung geführten, ringförmigen Lichtbogenelektroden. Aufgrund von elektromagnetischen Kräften rotiert der Störlichtbogen auf den Lichtbogenelektroden fussend solange um den Isolator des Bauteils bis er im Nulldurchgang des Störlichtbogenstroms gelöscht ist. Das Bauteil ist so vor der erodierenden und korrodierenden Wirkung des Störlichtbogens geschützt. - Ein als Überspannungsableiter ausgeführtes weiteres störlichtbogengeschütztes elektrisches Bauteil ist in
US 6,018,453 A angegeben. Auch bei diesem Bauteil werden unerwünschte Störlichtbögen auf zwei in Richtung einer Achse des Bauteils voneinander beabstandete Lichtbogenelektroden kommutiert, zur Rotation um die Achse gezwungen und so im Stromnulldurchgang gelöscht. Im Unterschied zum vorgenannten Stand der Technik sind bei diesem Bauteil jedoch die beiden Lichtbogenelektroden jeweils als Platte ausgebildet und sind in die Platten jeweils eine Vielzahl von überwiegend radial geführten Schlitzen eingeformt. - Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen definiert ist, löst die Aufgabe, ein störlichtbogengeschütztes elektrisches Bauteil der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem durch geeignete Ausbildung einer Lichtbogenelektrode die Wirkung von Störlichtbögen besonders wirksam unterdrückt wird.
- Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Bauteils nach der Erfindung weisen die Lichtbogenfinger jeweils zwei in Umfangsrichtung der Becherwand aufeinanderfolgende Fingerabschnitte auf, von denen ein becherrandferner Abschnitt eines ersten der Finger und die Achse zueinander windschief angeordnet sind und ein becherrandbildender Abschnitt eines zweiten der Finger mit Abstand in axialer Richtung zum becherrandfernen Abschnitt in der Becherwand gehalten ist. Wegen dieser Anordnung und Ausbildung der Lichtbogenfinger baut sich über dem gesamten Becherrand am Fusspunkt des Störlichtbogens ein starkes, überwiegend radial gerichtetes Magnetfeld auf. Es wirkt so auf den am Becherrand gehaltenen Fusspunkt des Lichtbogens stets eine grosse, tangential gerichtete, elektrodynamische Kraft, welche eine Rotation des Lichtbogenfusspunktes bis zum Erlöschen des Lichtbogen im Stromnulldurchgang veranlasst. Die Stetigkeit der Kraft ist dadurch gegeben, dass im Lichtbogenfusspunkt unabhängig von dessen aktueller Position auf dem Becherrand beständig ein radial gerichtetes starkes Magnetfeld aufrecht erhalten bleibt. Selbst beim Übergang von einem Finger auf den im Umfangsrichtung folgenden Finger bleibt dieses Magnetfeld erhalten, da mindestens einer der beiden übereinanderliegenden Fingerabschnitte vorwiegend in tangentialer Richtung fliessenden Strom mit gleichem Richtungssinn aufnimmt, welcher sich am Lichtbogenfusspunkt als vorwiegend axial geführter Lichtbogenstrom fortsetzt.
- Eine vergleichsweise geringe Zahl an Lichtbogenfingern wird benötigt, wenn der becherrandbildende Abschnitt der Lichtbogenfinger vorwiegend tangential geführt ist. Die vorwiegend tangentiale Führung umfasst auch Krümmungen der becherrandbildenden Abschnitte in axialer Richtung.
- In einer fertigungstechnisch besonders einfachen Ausführungsform des Bauteils nach der Erfindung sind die Lichtbogenfinger auf ihrer gesamten Länge und die Achse zueinander windschief angeordnet.
- Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des Bauteils nach der Erfindung weisen die Lichtbogenfinger jeweils zwei vorwiegend tangential geführte Abschnitte auf, von denen einer am Becherboden angesetzt ist und der andere den Becherrand bildet, weist jeder Lichtbogenfinger einen zumindest in axialer Richtung geführten Mittelabschnitt auf, der den becherbodenseitigen Abschnitt mit dem becherrandbildenden Abschnitt verbindet, und ist der becherrandbildende Abschnitt eines ersten der Finger mit Abstand in axialer Richtung zum becherbodenseitigen Abschnitt eines zweiten der Finger in der Becherwand gehalten. Wegen dieser Anordnung und Ausbildung der Lichtbogenfinger baut sich über dem gesamten Becherrand am Fusspunkt des Störlichtbogens ein besonders starkes, überwiegend radial gerichtetes Magnetfeld auf. Es wird so dem den Störlichtbogen speisenden und sich im Störlichtbogen fortsetzenden Strom am Übergang von einem Finger zum anderen eine besonders gut ausgebildete Schleife aufgezwungen, die zu einem hohen radialen Magnetfeld führt und somit die Stromkommutation an der Übergangsstelle wesentlich erleichtert.
- Mit Vorteil ist der Mittelabschnitt nicht nur in axialer Richtung, sondern zugleich auch in tangentialer Richtung geführt. Der Mittelabschnitt und die Achse sind dann zueinander windschief angeordnet. Der becherbodenseitige Abschnitt und der schiefgestellte Mittelabschnitt sorgen dann beim Übergang vom Mittelabschnitt auf den Becherrand für eine gute Stromschleifenbildung und damit für das erwünscht starke radiale Magnetfeld am Lichtbogenfusspunkt.
- Ein ausreichend starkes Magnetfeld an der Übergangsstelle von einem Finger zum anderen kann auch dann erreicht werden, wenn der Mittelabschnitt überwiegend axial und gegebenenfalls radial geführt ist. Allerdings sollte dann der becherbodenseitige Abschnitt nur durch einen gegenüber dem Durchmesser des Abschnitts verhältnismässig schmalen Luftspalt vom becherrandbildenden Abschnitt getrennt sein, da sonst die radiale Komponente des Magnetfeldes am Ort des Lichtbogenfusspunktes zu gering werden kann.
- Bei einer wirtschaftlich besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Bauteils ist die am Isolatorkopf vorgesehene Lichtbogenelektrode von einem das erste elektrische Potential zuführenden Stromanschluss gebildet. Diese Ausführungsform weist zugleich den Vorteil auf, dass ein Auswandern des Störlichtbogens von der sonst am Isolatorkopf vorgesehenen und Drehsinn aufweisenden Elektrode auf den Stromanschluss infolge der thermischen Wirkung des Störlichtbogens vermieden wird.
- Gegenläufige Rotationen der Lichtbogenfusspunkte werden erreicht, wenn die am Isolatorkopf angeordnete Lichtbogenelektrode einen anderen Drehsinn aufweist als die am Isolatorfuss angeordnete Lichtbogenelektrode. Diese gegenläufigen Bewegungen führen zu einer besonders wirkungsvolle magnetischen Beblasung des Störlichtbogens.
- Im allgemeinen ist beim erfindungsgemässen Bauteil der Isolator hohl ausgeführt und ist ein axial durch den Isolator geführtes Aktivteil vorgesehen. Daher sind besonders bevorzugte Bauteile sind Freiluftdurchführungen, Überspannungsableiter, insbesondere mit einem Aktivteil auf der Basis Metalloxid, Stromwandler, Spannungwandler oder Schalter. Hat das Bauteil hingegen nur stützende Funktion, so kann der Isolator aber auch massiv ausgebildet sein.
- Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des Bauteils nach der Erfindung sind nachfolgend beschrieben.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
- Fig. 1
- eine Seitenansicht eines als Überspannungsableiter ausgeführten Bauteils nach der Erfindung mit zwei Lichtbogenelektroden 4, 7, welche jeweils sechs Lichtbogenfinger enthalten,
- Fig. 2
- eine Seitenansicht der Lichtbogenelektrode 4 des Überspannungsableiters gemäss Fig.1, und
- Fig.3
- eine Aufsicht auf die Lichtbogenelektrode 4,
- Fig.4
- eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Lichtbogenelektrode 4, welche anstelle von sechs lediglich zwei Lichtbogenfinger enthält,
- Fig.5
- in perspektivischer Ansicht eine weitere Ausführungsform der Lichtbogenelektrode 4 mit sechs Lichtbogenfingern, jedoch mit gegenüber der Ausführungsform nach den Figuren 2 und 3 abgeänderten Lichtbogenfingern, und
- Figuren 6 bis 9
- weitere Ausführungsformen der Lichtbogenelektrode 4.
- In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der in Fig.1 dargestellte Überspannungsableiter weist einen nach Art einer Säule ausgeführten und beispielsweise von einem Polymer, etwa auf der Basis Epoxy oder Silikon, oder einer Keramik, etwa einem Porzellan, gebildeten Freiluftisolator 1 auf. Der Isolator ist hohl ausgebildet und weist ein längs einer Achse 2 (Säulenachse) angeordnetes, aus der Figur nicht ersichtliches Aktivteil auf mit mindestens einem nichtlinearen Widerstandselement, vorzugsweise auf der Basis von Metalloxid, wie insbesondere Zinkoxid.
- Am Isolatorkopf ist ein auf ein erstes elektrisches Potential, beispielsweise Hochspannungspotential, führbares erstes Stromleitersystem vorgesehen. Das erste Stromleitersystem ist elektrisch leitend mit dem Kopfende des Aktivteils verbunden und weist einen mit einer Hochspannungsleitung verbindbaren Stromanschluss 3 und eine nach Art eines Bechers ausgebildete Lichtbogenelektrode 4 auf, welche nach unten zum Isolatorfuss hin geöffnet konzentrisch zur Achse 2 ausgerichtet ist. Diese Elektrode kann beispielsweise durch Giessen oder materialabhebend, etwa durch Drehen und Fräsen, gefertigt werden. Die Lichtbogenelektrode 4 ist konzentrisch umgeben von einer nach oben abgeschlossenen Abdeckhaube 5. Am Isolatorfuss ist ein auf ein zweites elektrisches Potential, beispielsweise Erdpotential, führbares zweites Stromleitersystem vorgesehen. Das zweite Stromleitersystem ist elektrisch leitend mit dem Fussende des Aktivteils verbunden und weist einen mit einem Erdleiter verbindbaren Stromanschluss 6 und eine nach Art eines Bechers ausgebildete Lichtbogenelektode 7 auf, welche nach oben zum Isolatorkopf hin geöffnet konzentrisch zur Achse 2 ausgerichtet ist. Die Lichtbogenelektrode 7 ist konzentrisch umgeben von einer nach unten abgeschlossenen Abdeckhaube 8. Die beiden Lichtbogenelektroden 4 und 7 bestehen aus elektrisch gutleitendem Material, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, etwa Messing. In besonders vorteilhafter Weise kann dieses Material Graphit oder ein anderes besonders abbrandfestes Material umfassen. Zumindest der nach unten weisende Rand 9 der Lichtbogenelektrode 4 bzw. der nach oben weisende Rand 10 der Lichtbogenelektrode 7 sind aus abbrandfestem Material gefertigt, beispielsweise einem hochschmelzenden Messing, einer Kupfer-Wolfram- oder Kupfer-Chrom-Legierung. Die beiden Lichtbogenelektroden 4 und 7 sind zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet.
- Der Aufbau der Lichtbogenelektrode 4 ist aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich. Diesen Figuren kann entnommen werden, dass die Lichtbogenelektrode 7 einen Becherboden 11 aufweist sowie eine sich an den Becherboden anschliessende und in Richtung der Achse 2 der Säule erstreckte Becherwand 12, in die sechs den Becherrand 9 bildende gleichartig ausgebildete und durch Luftspalte 13 voneinander beabstandete Lichtbogenfinger eingeformt sind. Aus der Fig.2 sind nur die vier Finger 21, 22, 23 und 24 ersichtlich. Diese Finger sind jeweils überwiegend in Umfangsrichtung erstreckt und weisen jeweils drei in axialer Richtung voneinander beabstandete und in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Abschnitte auf. Die drei Abschnitte sind nur für die beiden Finger 22 und 23 aus Fig.2 ersichtlich und sind der Reihe nach mit den Bezugszeichen a, b, c bzw. a', b', c' bezeichnet. Ein mit dem Bezugszeichen a bzw. a' markierter Abschnitt der Finger 22, 23 setzt am Boden 11 an und ist ebenso tangential geführt wie ein becherrandbildender Abschnitt c bzw. c'. Die beiden Abschnitte a und c bzw. a' und c' sind durch einen vorwiegend tangential, jedoch schief zur Achse 2, geführten, becherrandfernen Abschnitt b bzw. b' miteinander verbunden. Abschnitt b bzw. b' und Achse 2 sind zueinander windschief angeordnet. Der becherrandferne Abschnitt b' des Fingers 23 und der becherrandbildende Abschnitt c des Fingers 22 sind ebenso wie der becherrandferne Abschnitt b des Fingers 22 und ein becherrandbildender Abschnitt c" des Fingers 21 bzw. wie ein becherrandferner Abschnitt b" des Fingers 24 und der becherrandbildender Abschnitt c' des Fingers 23 übereinander mit axialem Abstand in der Becherwand 12 gehalten. Zentrisch zur Achse 2 ist im Becherboden 11 eine Öffnung 14 vorgesehen, durch die ein Abschnitt des lediglich in Fig.1 dargestellten Stromanschlusses 6 geführt ist.
- Tritt bei Betrieb des Überspannungsableiters in einer Hochspannungsanlage zwischen den Stromanschlüssen 3 und 6 am Aktivteil und/oder am Isolator 1 ein unerwünschter Störlichtbogen auf, so werden dessen Fusspunkte unter der Wirkung seines eigenen magnetischen Feldes jeweils an die Becherränder 9, 10 geführt. Der Lichtbogenstrom fliesst dann vom Stromanschluss 3 , den Becherboden 11, die Lichtbogenfinger, beispielsweise 21, 22, 23 oder 24, den Becherrand 9, den Lichtbogen, den Becherrand 10 und die Lichtbogenelektrode 7 zum Stromanschluss 6. Da die Becherränder 9, 10 gegenüber den Becherböden 11 voneinander einen vergleichsweise geringen Abstand aufweisen, wird durch die Becherränder eine geringe Schlagweite bestimmt und ist so ein sicheres Fussen des Lichtbogens und damit ein guter thermischer Schutz gewährleistet. Zudem wirkt auf den am Becherrand 9 gehaltenen Fusspunkt 15 des Lichtbogens (Fig.2) stets eine tangential gerichtete, grosse elektrodynamische Kraft, welche eine Rotation des Lichtbogens bis zu dessen Erlöschen im Stromnulldurchgang veranlasst. Die Stetigkeit der Kraft ist dadurch gegeben, dass im Lichtbogenfusspunkt 15 unabhängig von seiner Positionierung auf dem Becherrand 9 beständig ein radial nach innen gerichtetes starkes Magnetfeld aufrecht erhalten wird. Diese Stetigkeit ergibt sich aus der zuvor beschriebenen Ausbildung und Anordnung der Lichtbogenfinger. Fusst der Lichtbogen auf dem Abschnitt c des Fingers 22, so fliesst im Abschnitt c ein in Fig. 2 durch einen Pfeil bezeichneter Strom I, welcher sich im axial gerichteten Lichtbogen (als gezackter Pfeil in Fig. 2 dargestellt) fortsetzt. Der Strom bildet daher am Lichtbogenfusspunkt 15 eine gut ausgebildete Stromschleife und erzeugt am Ort des Fusspunktes 15 ein vom Betrachter weg, d.h. radial nach innen, gerichtetetes starkes Magnetfeld. Auf den Lichtbogen wirkt im Gegenuhrzeigersinn eine tangential gerichtete Kraft, welche den Fusspunkt 15 an den die beiden Finger 22 und 23 trennenden Luftspalt 13 führt. Unabhängig davon, ob der Fusspunkt 15 den Luftspalt noch nicht, teilweise oder bereits vollständig überwunden hat, bleibt das radial nach innen gerichtete Magnetfeld erhalten, da mindestens einer der beiden Abschnitte b' und c den Strom I aufnimmt. An dem dem Abschnitt c zugewandten Ende des Abschnitts c' bildet sich nach dem Kommutieren des Stroms I zwar keine so ausgeprägte Stromschleife aus wie an dem dem Abschnitt c' zugewandten Ende des Abschnitts c, da der Strom I im Abschnitt b' ja schräg zur Achse 2 geführt ist. Diese Stromschleife reicht aber aus, um ein das Weiterlaufen des Lichtbogenfusspunktes 15 bewirkendes, ausreichend grosses radiales Magnetfeld zu erzeugen.
- Im Unterschied zur Ausführungsform der Lichtbogenelektrode gemäss den Figuren 2 und 3 weist die gemäss Fig.4 ausgeführte Lichtbogenelektrode 4 lediglich zwei Lichtbogenfinger 22 und 23 auf. Bei dieser Elektrode sind die becherrandfernen und becherrandbildenden Abschnitte b, c' und b', c beider Finger 22 und 23 wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform mit axialem Abstand zueinander angeordnet, so dass diese Ausführungsform die gleichen vorteilhaften Wirkungen aufweist. Fertigungstechnisch lässt sich diese Elektrode - allerdings auf Kosten der mechanischen Stabilität der Lichtbogenfinger - besonders einfach realisieren.
- Durch den am Becherrand 11 ansetzenden, tangential geführten Abschnitt a' wird bei den Ausführungsformen nach den Figuren 2 bis 4 die Schleifenbildung verbessert und damit das radiale Magnetfeld erhöht. Weist der Luftspalt 13 zwischen zwei Lichtbogenfingern, beispielsweise 22, 23, nur eine verhältnismässig geringe Breite auf, so reicht das radiale Magnetfeld selbst dann aus, wenn der becherrandferne Abschnitt b' und Achse 2 nicht mehr windschief zueinander angeordnet sind, sondern der Abschnitt b' ohne tangentiale Komponente überwiegend axial (je nach Wandneigung auch mit radialer Komponente) geführt ist. Eine solche Ausführungsform der Elektrode 4 ist aus Fig.5 ersichtlich. Die durch den Übergang vom Abschnitt a' auf den senkrecht daran ansetzenden Abschnitt b' bedingte Stromschleife erzeugt ein Magnetfeld, dessen Komponente in radialer Richtung ausreicht, um den Lichtbogenfusspunkt auf dem Becherrand 9 am Übergang von einem Lichtbogenfinger 23 zum benachbarten 22 weiterzuführen.
- Die Lichtbogenfinger, z. B. 22 bis 23, müssen nicht notwendigerweise einen ausschliesslich tangential geführten becherrandbildenden Fingerabschnitt c bzw. c' aufweisen. Schleifenbildung und ein ausreichend hohes Radialfeld werden auch dann noch erreicht, wenn die Lichtbogenfinger und die Achse 2 zueinander windschief angeordnet sind (Ausführungsform der Elektrode 4 gemäss Fig.6) oder wenn nur der becherrandferne Abschnitt b, b' und die Achse 2 windschief zueinander angeordnet sind, der becherrandbildende Abschnitt c, c' jedoch tangential (Ausführungsform der Elektrode 4 gemäss Fig.7) oder gekrümmt geführt ist (Ausführungsform der Elektrode 4 gemäss Fig.7 mit gestrichelt gezeichnetem becherrandbildendem Abschnitt c' des Lichtbogenfingers 23'). Wichtig ist jedoch, dass becherrandbildender c und becherrandferner Abschnitt b' aufeinanderfolgender Lichtbogenfinger 22, 23 übereinander mit axialem Abstand in der Becherwand 12 gehalten sind.
- Bei den in den Figuren 6 und 7 dargestellten Ausführungsformen der Elektrode 4 setzen die Lichtbogenfinger mit dem schief zur Achse 2 geführten Abschnitt b, b' am Becherboden 11 an. Der bei den Ausführungsformen gemäss den Figuren 2 bis 5 vorhandene tangential geführte Abschnitt a, a' kann daher grundsätzlich entfallen, da im allgemeinen die Abschnitte b, c und b', c' aufeinanderfolgender Lichtbogenfinger 22, 23 bei Stromfluss ein ausreichend hohes radiales Magnetfeld bereitstellen können.
- Durch die beiden aus einem isolierenden Material, wie vorzugsweise einem Polymer auf der Basis Silikon, Epoxy, Polycarbonat oder Polyamid, dem mit Vorteil Füllstoffe, wie insbesondere flammhemmende Magerstoffe, zugesetzt sind, werden die Lichtbogenelektrode 4, 7 vor Berührung, beispielsweise durch Tiere oder durch herabfallendes Gut, geschützt. Zugleich wird auch die Umgebung vor der Einwirkung von aufgeheiztem Material geschützt, welches unter der Wirkung des Störlichtbogens gegebenenfalls vom Bauteil weggeschleudert wird und ein nicht unerhebliches Brandrisiko darstellt. Derart geschützte Bauteile können daher problemlos in Trockengebieten mit brandgefährdeter Vegetation, wie vertrocknetes Gras oder Buschwerk, eingesetzt werden.
- Bei den Ausführungsformen der Elektrode 4 gemäss den Figuren 8 und 9 sind in den Becherboden 11 sechs Materialausnehmungen 16 eingeformt, welche jeweils in einen der Luftspalte 13 münden. Diese Ausführungsformen der Elektrode können in einfacher Weise durch Stanzen und Kaltverformen eines Blechs, gebildet werden, beispielsweise durch Stanzen eines flachen, die Materialausnehmungen enthaltenden Vorläuferkörpers 25 der Elektrode aus dem Blech und anschliessendes Verbiegen eines zwischen je zwei Materialausnehmungen 16 befindlichen Blechlappens unter Bildung von sechs Kontaktfingern und der dazwischen angeordneten Luftspalte 13 (aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Figuren 8 und 9 nur vier Finger 21 bis 24 bezeichnet). Hierbei kann in fertigungstechnisch besonders einfacher Weise ein nach Art eines Polygons ausgeführter Becherboden 11 erreicht werden, an dessen Ecken jeweils eine der Materialausnehmungen 16 angeordnet ist (Ausführungsform nach Fig. 8 mit einem nach Art eines Polygons ausgebildeten Becherrand). Es kann aber auch eine Ausführungsform der Elektrode 4 erreicht werden mit einer entsprechend der Ausführungsform gemäss den Figuren 2 bis 5 kreisrunden Ausbildung des Becherrandes 9.
- Die Becherwand 12 ist in allen dargestellten Ausführungsbeispielen überwiegend um einen Winkel von 90° gegenüber dem Becherboden11 geneigt, kann aber auch, ohne die zuvor beschriebenen vorteilhaften Wirkungen zu verlieren, einen davon abweichenden Winkel von höchstens 150° und mindestens 30° einschliessen.
-
- 1
- Isolator
- 2
- Achse
- 3, 6
- Stromanschlüsse
- 4, 7
- Lichtbogenelektroden
- 5,8
- Abdeckhauben
- 9, 10
- Becherränder
- 11
- Becherboden
- 12
- Becherwand
- 13
- Luftspalte
- 14
- Öffnung
- 15
- Lichtbogenfusspunkt
- 16
- Materialausnehmungen
- 21, 22, 23, 24
- Lichtbogenfinger
- 25
- Vorläuferkörper
- a, a', a", b, b', c, c', c"
- Abschnitte der Lichtbogenfinger
- I
- Speisestrom des Lichtbogens
Claims (12)
- Störlichtbogengeschütztes elektrisches Bauteil mit- einem nach Art einer Säule ausgebildeten Isolator (1),- einem am lsolatorkopf vorgesehenen und auf ein ersten elektrisches Potential führbaren ersten Stromleitersystem, und mit- einem am Isolatorfuss vorgesehenen und auf ein zweites elektrisches Potential führbaren zweiten Stromleitersystem,bei dem das erste und das zweite Stromleitersystem jeweils eine Lichtbogenelektrode (4, 7) aufweisen zur Aufnahme eines bei einer Entladung zwischen erstem und zweitem Stromleitersystem auftretenden Störlichtbogens, und bei dem mindestens eine der beiden Lichtbogenelektroden (4, 7) nach Art eines Bechers ausgebildet ist und mindestens zwei in die Becherwand (12) eingeformte und den Becherrand (9) bildende Lichtbogenfinger (21, 22, 23, 24) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtbogenfinger (21, 22, 23, 24) jeweils zwei in Umfangsrichtung der Becherwand (12) aufeinanderfolgende Fingerabschnitte (b, c; b',c'; b", c") aufweisen, von denen ein becherrandferner Abschnitt (b') eines ersten der Finger (23) und die Achse (2) zueinander windschief angeordnet sind und ein becherrandbildender Abschnitt (c) eines zweiten der Finger (22) mit Abstand in axialer Richtung zum becherrandfernen Abschnitt (b') in der Becherwand (12) gehalten ist. - Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der becherrandbildende Abschnitt (c, c', c") der Lichtbogenfinger (21, 22, 23, 24) vorwiegend tangential geführt ist.
- Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenfinger (22, 23) und die Achse (2) zueinander windschief angeordnet sind.
- Störlichtbogengeschütztes elektrisches Bauteil mit- einem nach Art einer Säule ausgebildeten Isolator (1),- einem am Isolatorkopf vorgesehenen und auf ein ersten elektrisches Potential führbaren ersten Stromleitersystem, und mit- einem am Isolatorfuss vorgesehenen und auf ein zweites elektrisches Potential führbaren zweiten Stromleitersystem, bei dem das erste und das zweite Stromleitersystem jeweils eine Lichtbogenelektrode (4, 7) aufweisen zur Aufnahme eines bei einer Entladung zwischen erstem und zweitem Stromleitersystem auftretenden Störlichtbogens, und bei dem mindestens eine der beiden Lichtbogenelektroden (4, 7) nach Art eines Bechers ausgebildet ist und mindestens zwei in die Becherwand (12) eingeformte und den Becherrand (9) bildende Lichtbogenfinger (21, 22, 23, 24) aufweist,dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtbogenfinger (21, 22, 23, 24) jeweils zwei vorwiegend tangential geführte Abschnitte (a, c; a', c'; a", c") aufweisen, von denen einer (a, a', a") am Becherboden (11) angesetzt ist und der andere (c, c', c") den Becherrand (9) bildet,
dass jeder Lichtbogenfinger (21, 22, 23, 24) einen zumindest in axialer Richtung geführten Mittelabschnitt (b, b', b") aufweist, der den becherbodenseitigen Abschnitt (a, a', a") mit dem becherrandbildenden Abschnitt (c, c', c") verbindet, und
dass der becherrandbildende Abschnitt (c) eines ersten der Finger (22) mit Abstand in axialer Richtung zum becherbodenseitigen Abschnitt (a') eines zweiten der Finger (23) in der Becherwand (12) gehalten ist. - Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (b, b', b") zusätzlich auch tangential geführt ist.
- Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelabschnitt (b, b', b") überwiegend axial und gegebenenfalls radial geführt ist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Becherboden (11) mindestens zwei Materialausnehmungen (16) eingeformt sind, welche jeweils in einen zwischen dem ersten (23) und dem zweiten (22) oder dem dritten Kontaktfinger (24) vorgesehenen Luftspalt (13) münden.
- Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Becherrand (11) Kreis- oder Polygonform aufweist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Becherboden (11) nach Art eines Polygons ausgeführt ist, an dessen Ecken jeweils eine der Materialausnehmungen (16) angeordnet ist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Becherwand (12) um einen Winkel zwischen 30° und 150° gegenüber dem Becherboden (11) geneigt angeordnet ist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die am Isolatorkopf vorgesehene Lichtbogenelektrode (4) von einem das erste elektrische Potential zuführenden Stromanschluss (3) gebildet ist.
- Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die am lsolatorkopf angeordnete Lichtbogenelektrode (4) einen anderen Drehsinn aufweist als die am Isolatorfuss angeordnete Lichtbogenelektrode (7).
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