EP3057109A1

EP3057109A1 - Überspannungsableiter

Info

Publication number: EP3057109A1
Application number: EP15154862.5A
Authority: EP
Inventors: Daniel Flohe; Andre Fricke; Erhard Pippert; Dirk Sagasser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-02-12
Filing date: 2015-02-12
Publication date: 2016-08-17
Also published as: US20160240289A1; CN105895282A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter (1) mit einer sich zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss (2, 3) erstreckenden Säule (4) aus aufeinander gestapelten Widerstandselementen (20) mit jeweils einer ersten Kontaktfläche (7) und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Kontaktfläche (8), wobei die Widerstandselemente (20) derart gestapelt sind, dass die erste Kontaktfläche (7) eines Widerstandselements (20) an die zweite Kontaktfläche (8) eines zu diesem in der Säule (4) benachbarten Widerstandselements (20) angrenzt. Erfindungsgemäß weist die Säule eine erste Gruppe (5) Widerstandselemente (20), die jeweils mit ihrer ersten Kontaktfläche (7) mit dem ersten elektrischen Anschluss (2) und mit der zweiten Kontaktfläche (8) mit dem zweiten elektrischen Anschluss (3) direkt verbunden sind, und eine zweite Gruppe (6) Widerstandselemente (20), die jeweils mit ihrer ersten Kontaktfläche (7) mit dem zweiten elektrischen Anschluss (3) und der zweiten Kontaktfläche (8) mit dem ersten elektrischen Anschluss (2) direkt verbunden sind, auf. Durch diese Anordnung und Verschaltung der Widerstandselemente (20) lässt sich ein kompakter Überspannungsableiter (1) herstellen, bei dem alle Widerstandselemente (20) elektrisch parallel zueinander geschaltet sind. Ein solcher Überspannungsableiter (1) weist ein besonders hohes Energieaufnahmevermögen auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Überspannungsableiter sind Schutzsysteme, beispielsweise für Stromübertragungsnetze, die bei auftretenden Überspannungen durch Blitzeinschlag oder Fehlfunktionen anderer Teilsysteme diese Überspannungen zur Masse hin ableiten und so andere Bauteile des Stromübertragungsnetzes schützen.
Ein derartiger Überspannungsableiter umfasst ein oder mehrere zylindrische Ableitsäulen aus Widerstandselementen, die häufig aus einzelnen ebenfalls zylindrischen Varistorelementen aufgebaut sind. Varistoren zeichnen sich durch einen spannungsabhängigen Widerstand aus. Bei niedrigen Spannungen wirken diese als Isolatoren. Ab einer bestimmten Schwellenspannung, die materialabhängig ist, zeigen sie eine gute Leitfähigkeit. Häufig werden Varistoren aus Metalloxiden wie Zinkoxid hergestellt. Die Ableitsäule ist an beiden Enden mit Endarmaturen verbunden, die dem elektrischen Anschluss an die Stromleitung und zur Masse herstellen. Um einen guten elektrischen Kontakt auch unter mechanischer Belastung zu gewährleisten, muss die Ableitsäule unter Druck zusammengehalten werden. Dies kann erfolgen, indem Zugelemente, beispielsweise Seile oder Stäbe vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, in den Endarmaturen oder in an den Enden der Ableitsäule angeordneten Druckplatten unter Zug eingespannt werden. Die Zugelemente umgeben dabei die Ableitsäule und bilden so einen Käfig um diese. Ab einer gewissen Größe oder, wenn der Überspannungsableiter in einem erdbebengefährdeten Gebiet aufgestellt werden soll, ist die Ableitsäule in einem mechanisch stabilen rohrartigen Gehäuse aus einem Isoliermaterial, beispielsweise aus Porzellan oder glasfaserverstärktem Kunststoff, angeordnet. Die Endarmaturen können dann gleichzeitig als Verschlüsse für dieses Gehäuse dienen. Um die in einem Überlastfall entstehenden Gase aus diesem Gehäuse abzuführen, weisen solche Überspannungsableiter häufig eine Druckentlastungsvorrichtung auf.
In der EP 2 757 565 A1 ist in der Figur 1 ein solcher Überspannungsableiter dargestellt. Dort ist in einem rohrförmigen Gehäuse eine Säule aus Widerstandselementen angeordnet. Die Widerstandselemente bestehen aus einzelnen zylindrischen Varistorelementen, die zu der Säule gestapelt sind. Dadurch sind die einzelnen Widerstandselemente elektrisch in Reihe zueinander geschaltet.
In der WO 94/14171 A1 ist ebenfalls ein solcher Überspannungsableiter beschrieben. Hier sind mehrere Säulen aus Widerstandselementen in einem Gehäuse angeordnet. Die Widerstandselemente jeder Säule sind auch hier elektrisch in Reihe zueinander geschaltet. Die Säulen sind jedoch zueinander elektrisch parallel geschaltet. Hierdurch wird ein erhöhtes Energieaufnahmevermögen beziehungsweise eine Reduzierung der Restspannung erreicht.
Für besondere Anwendungsfälle, wie den Schutz von Kondensatoren, die in Hoch- oder Mittelspannungsnetzen zur Blindleistungskompensation oder als Filter eingesetzt werden, werden Überspannungsableiter mit noch deutlich höherem Energieaufnahmevermögen und gleichzeitig einer niedrigen Restspannung benötigt. Die in der vorgenannten Veröffentlichungsschrift beschriebene Technik mit parallel geschalteten Säulen aus Widerstandselementen gelangt hier an ihre Grenzen, da die benötigten Gehäuseabmessungen mit der Zahl der benötigten Säulen wächst.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen kompakten Überspannungsableiter mit einem hohen Energieaufnahmevermögen anzugeben.
Erfindungsgemäß ist dazu ein Überspannungsableiter vorgesehen, bei dem sich eine Säule aus aufeinander gestapelten Widerstandselementen zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss erstreckt. Die Widerstandselemente sind in der Regel zylindrische, oft kreiszylindrische, Blöcke aus einem Material mit einem spannungsabhängigen Widerstand, sogenannten Varistorelementen. Als Material kommt dabei häufig ein Metalloxid, beispielsweise Zinkoxid, zur Verwendung. Ein Widerstandselement weist zumindest ein Varistorelement auf und kann neben diesem noch weitere Elemente, wie beispielsweise Distanzelemente aus einem elektrisch gut leitenden Material wie Stahl oder Aluminium enthalten. Dabei kann nur eines, einige oder alle der Widerstandselemente der Säule solche Distanzelemente aufweisen. Die Widerstandselemente sind entlang einer Säulenlängsachse mit ihren Stirnseiten aufeinander zu der Säule gestapelt. Die Stirnseiten dienen dabei als einander gegenüberliegende erste und zweite Kontaktflächen des Widerstandselements. Die Widerstandselemente sind so in der Säule gestapelt, dass die erste Kontaktfläche jedes Widerstandselements zum ersten elektrischen Anschluss weist und die zweite Kontaktfläche zum zweiten elektrischen Anschluss. Dabei grenzt die erste Kontaktfläche eines Widerstandselements an die zweite Kontaktfläche eines zu diesem in der Säule benachbarten Widerstandselements. Dies kann heißen, dass die erste Kontaktfläche des einen Widerstandselements an der zweiten des benachbarten Widerstandselements anliegt, aber auch, dass zwischen den beiden Kontaktflächen ein Verbindungselement aus einem elektrisch gut leitenden Material angeordnet ist. In jedem Fall stehen die erste Kontaktfläche des einen Widerstandselements und die zweite Kontaktfläche des benachbarten Widerstandselements in direktem elektrischen Kontakt miteinander, sind also direkt miteinander oder allenfalls über einen guten elektrischen Leiter miteinander verbunden, nicht jedoch über aktive oder passive elektrische Bauteile wie Widerstände, Spulen, Halbleiterbauelemente oder Ähnliches. Jeweils eine Kontaktfläche der beiden in der Säule an den äußeren Enden liegenden Widerstandselemente bilden die äußeren Stirnflächen der Säule. Zwischen diesen beiden äußeren Stirnflächen der Säule besteht eine durch die Säule verlaufende elektrische Verbindung.
An den Enden der Säule können Endarmaturen angeordnet sein, die als elektrische Anschlüsse dienen. Außerdem können in den Endarmaturen Zugelemente verspannt sein, die die Säule zusammenhalten. Die Endarmaturen werden in der Regel aus einem elektrisch gut leitenden Material gefertigt. Die Zugelemente dagegen aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise glasfaserverstärktem Kunststoff.
Erfindungsgemäß weist die Säule zumindest zwei Gruppen von Widerstandselementen auf. Die Widerstandselemente der ersten Gruppe sind jeweils mit ihrer ersten Kontaktfläche mit dem ersten elektrischen Anschluss und mit ihrer zweiten Kontaktfläche mit dem zweiten elektrischen Anschluss direkt verbunden. Die Widerstandselemente der zweiten Gruppe sind jeweils mit ihrer ersten Kontaktfläche mit dem zweiten elektrischen Anschluss und mit ihrer zweiten Kontaktfläche mit dem ersten elektrischen Anschluss direkt verbunden. Direkt mit dem Anschluss verbunden bedeutet hier, dass die Verbindung über einen guten elektrischen Leiter, beispielsweise aus Kupfer, Stahl oder Aluminium, hergestellt wird, und in den Strompfad zwischen der jeweiligen Kontaktfläche und den betreffenden elektrischen Anschluss keine aktiven oder passiven elektrische Bauteile wie Widerstände, Spulen, Halbleiterbauelemente oder Ähnliches geschaltet sind. Die elektrische Verbindung kann beispielsweise mit Hilfe von Kabeln hergestellt werden. Die elektrische Verbindung kann entweder außerhalb der Säule erfolgen, indem mittels eines Verbindungselementes zwischen jeweils zwei Widerstandselementen der Kontakt zweier aneinandergrenzender Kontaktflächen aus der Säule heraus geführt wird. Außerhalb der Säule können die Verbindungselemente durch gängige Mittel wie Kabel verbunden werden. Die elektrische Verbindung kann auch innerhalb der Säule erfolgen. Dazu wäre eine durchgehende Bohrung, die durch jedes Widerstandselement geht, erforderlich. Innerhalb der Bohrung verlaufen dann die die jeweiligen Kontaktflächen miteinander verbindenden Leiter.
Durch diese elektrischen Verbindungen sind die einzelnen Widerstandselemente zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Anschluss parallel geschaltet. Besteht die Säule aus n Widerstandselementen, so ist die Ersatzschaltung eine Parallelschaltung aus n Widerstandselementen. Der durch diese Schaltung fließende Strom beträgt damit, sofern Bauteiltoleranzen unberücksichtigt bleiben, das n-fache einer einzelnen Säule.
Vorzugsweise wechseln in der Säule Widerstandselemente der ersten Gruppe und Widerstandselemente der zweiten Gruppe einander ab. Dadurch grenzt innerhalb der Säule jede mit dem ersten elektrischen Anschluss verbundene Kontaktfläche der ersten und zweiten Gruppe von Widerstandselementen aneinander. Gleiches gilt für die mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbundenen Kontaktflächen. Greift man beispielsweise ein beliebiges Widerstandselement der ersten Gruppe innerhalb der Säule heraus, so liegt dieses bei der bevorzugten abwechselnden Anordnung zwischen zwei Widerstandselementen der zweiten Gruppe. Dabei grenzt jeweils die erste Kontaktfläche der Widerstandselemente der ersten Gruppe an eine zweite Kontaktfläche eines Widerstandselements der zweiten Gruppe. Hierdurch lassen sich auf besonders einfache Weise beide Kontaktflächen mit dem ersten elektrischen Anschluss verbinden. Beispielsweise indem ein zwischen den beiden Kontaktflächen angeordnetes Verbindungselement die elektrische Verbindung nach außerhalb der Säule führt und dort mit dem ersten elektrischen Anschluss verbunden wird.
Mit seiner zweiten Kontaktfläche grenzt dieses Widerstandselement der ersten Gruppe an eine erste Kontaktfläche eines Widerstandselements der zweiten Gruppe. Die Verbindung dieser beiden Kontaktflächen zum zweiten elektrischen Anschluss lässt sich äquivalent wie oben herstellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in der Säule zwischen benachbarten Widerstandselementen erste und zweite Kontaktscheiben angeordnet. Zwischen zwei aneinander grenzende Kontaktflächen zweier Widerstandselemente ist also jeweils eine Kontaktscheibe angeordnet, die entweder eine erste oder eine zweite Kontaktscheibe ist. So ist zwischen einer ersten Kontaktfläche eines Widerstandselements der ersten Gruppe und der zweiten Kontaktfläche eines Widerstandselements der zweiten Gruppe jeweils eine erste Kontaktscheibe und zwischen der zweiten Kontaktfläche eines Widerstandselements der ersten Gruppe und der ersten Kontaktfläche eines Widerstandselements der zweiten Gruppe jeweils eine zweite Kontaktscheibe angeordnet. Sowohl erste als auch zweite Kontaktscheiben liegen somit zwischen jeweils zwei Widerstandselementen und verbinden die beiden angrenzenden Kontaktflächen elektrisch miteinander. Die Kontaktscheiben sind gute elektrische Leiter und bevorzugt aus Aluminium oder Stahl hergestellt.
Somit existiert eine durch die Säule verlaufende elektrische Verbindung von der ersten Kontaktfläche des ersten Widerstandselements zur zweiten Kontaktfläche des letzten Widerstandselements der Säule.
Alle Kontaktscheiben weisen eine außerhalb der Säule liegende Kontaktfahne auf. Die Kontaktfahnen der ersten Kontaktscheiben sind dabei miteinander elektrisch verbunden, die Kontaktfahnen der zweiten Kontaktscheiben sind ebenfalls elektrisch miteinander verbunden. So lässt sich auf besonders einfache Weise die elektrische Verbindung zu zwei Kontaktflächen nach außerhalb der Säule führen und dort miteinander verbinden.
Besonders bevorzugt fluchten die Kontaktfahnen der ersten Kontaktscheiben und die Kontaktfahnen der zweiten Kontaktscheiben jeweils miteinander. Die Kontaktfahnen der ersten Kontaktscheiben liegen dadurch auf einer ersten Kontaktachse parallel zur Ableiterlängsachse des Überspannungsableiters. Die Kontaktfahnen der zweiten Kontaktscheiben liegen auf einer zweiten Kontaktachse ebenfalls parallel zur Ableiterlängsachse. Die erste und zweite Kontaktachse haben dabei einen Mindestabstand, sind also nicht deckungsgleich. Bevorzugt liegen erste und zweite Kontaktachse bezogen auf die Ableiterlängsachse einander gegenüber. Die Kontaktfahnen der ersten Gruppe sind dabei mittels eines Verbindungsleiters miteinander verbunden. Ebenso sind die Kontaktfahnen der zweiten Kontaktscheiben mittels eines weiteren Verbindungsleiters miteinander verbunden. Hierdurch lässt sich eine besonders einfache und platzsparende Verbindung der Widerstandselemente erreichen.
Der Verbindungsleiter kann beispielsweise jeweils ein Kabel sein, das an die Kontaktfahnen mit handelsüblichen Kabelklemmen angeschlossen wird. Eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Verbindungsleiters ist jeweils eine Gewindestange aus Metall, die durch Löcher in den Kontaktfahnen hindurchgeführt und mittels Muttern mit den Kontaktfahnen verbunden wird. So würde eine Gewindestange alle Kontaktfahnen der ersten Kontaktscheiben miteinander verbinden, und eine zweite Gewindestange alle Kontaktfahnen der zweiten Kontaktscheiben.
Besonders bevorzugt sind die erste und die zweite Kontaktscheibe zueinander kongruent. Die ersten und zweiten Kontaktscheiben sind dann gegeneinander verdreht in der Säule angeordnet, so dass die Kontaktfahnen der ersten und zweiten Kontaktscheiben auf unterschiedlichen Achsen übereinander liegen. Hierdurch können für erste und zweite Kontaktscheiben gleiche Teile verwendet werden, was logistisch vorteilhaft ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstrecken sich zwischen dem ersten elektrischen Anschluss und dem zweiten elektrischen Anschluss zumindest zwei zueinander parallele Säulen. Zwischen jedem Widerstandselement ist dabei eine sich über alle Säulen erstreckende und diese elektrisch miteinander verbindende Kontaktscheibe angeordnet. Falls eine große Anzahl von Widerstandselementen benötigt wird, lassen diese sich hierdurch auf mehrere Säulen verteilt und damit besonders platzsparend anordnen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Säule, besonders bevorzugt aber mehrere Säulen, in einem rohrförmigen fluiddicht abgeschlossenen Gehäuse mit einem ersten und zweiten Armaturkörper angeordnet. Dabei ist der erste Armaturkörper mit dem ersten elektrischen Anschluss und der zweite Armaturkörper mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbunden. Durch das Gehäuse sind die Widerstandselemente vor Witterungseinflüssen geschützt. Das Gehäuse kann dabei einen rohrförmigen Mantel aus einem nichtleitenden Material wie Porzellan oder glasfaserverstärktem Kunststoff aufweisen. Die Armaturkörper aus Metall können dabei als Flansche dienen, die das Gehäuse verschließen und den elektrischen Anschluss an die Widerstandselemente einerseits und ein zu schützendes Bauteil andererseits, herstellen. Für den Einsatz in einer gasisolierten Schaltanlage kann das Gehäuse aber auch ein druckfestes Gehäuse aus Metall sein. Dabei wären die Armaturkörper Durchführungen, die eine elektrische Verbindung der Widerstandselemente elektrisch isoliert vom Gehäuse nach außen führen.
Bevorzugt weist dabei die Säule, beziehungsweise bei mehreren Säulen jede der Säulen, eine ungerade Anzahl von Widerstandselementen auf. Dies erlaubt einen besonders einfachen elektrischen Anschluss der Armaturkörper, da dann eine der ganz außen liegenden Kontaktflächen mit dem ersten elektrischen Anschluss, die andere mit dem zweiten elektrischen Anschluss verbunden ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figuren 1 bis 3: schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungen eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters,
Figur 4: eine Ersatzschaltung eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters,
Figur 5: ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters mit einer Säule,
Figur 6: eine Explosionsdarstellung des Überspannungsableiters aus Fig. 5,
Figur 7: ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters mit zwei Säulen,
Figur 8: eine Kontaktscheibe des Überspannungsableiters aus Fig. 7,
Figur 9: eine Schnittdarstellung eines Überspannungsableiters mit vier Säulen,
Figur 10: eine weitere Schnittdarstellung des Überspannungsableiters aus Fig. 9,

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren 1 bis 3 sind unterschiedliche Ausführungen eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1 schematisch dargestellt. Diese Figuren sollen hauptsächlich die elektrische Verschaltung der einzelnen Elemente erläutern. Die körperliche Anordnung der einzelnen Elemente ist nur schematisch dargestellt. Die Figur 1 zeigt einen Überspannungsableiter 1. Zwischen einem ersten elektrischen Anschluss 2 und einem zweiten elektrischen Anschluss 3 erstreckt sich eine Säule 4 aus sieben Widerstandselementen 20. Die Zahl sieben ist dabei willkürlich gewählt. Die Erfindung bezieht sich auf Überspannungsableiter 1 mit zumindest zwei Widerstandselementen 20. Eine bevorzugte Ausführung ist dabei eine Säule mit einer ungeraden Anzahl an Widerstandselementen, die Erfindung ist jedoch nicht beschränkt auf diese. Die Widerstandselemente 20 sind zylindrisch, bevorzugt kreiszylindrisch. Die Stirnseiten eines Widerstandselements 20 bilden eine erste und zweite Kontaktfläche 7, 8. Die Widerstandselemente 20 sind so in der Säule angeordnet, dass die ersten Kontaktflächen 7 aller Widerstandselemente 20 zum ersten elektrischen Anschluss 2 weisen und die zweiten Kontaktflächen 8 aller Widerstandselemente 20 zum zweiten elektrischen Anschluss 3. An jeder Stelle, an der zwei Widerstandselemente aneinander grenzen, grenzt so eine erste Kontaktfläche 7 eines Widerstandselements 20 an eine zweite Kontaktfläche 8 eines benachbarten Widerstandselements 20. Der erste und zweite elektrische Anschluss 2, 3 können beispielsweise Endarmaturen sein, die die Säule 4 an beiden Seiten begrenzen. Innerhalb der Säule 4 sind die Widerstandselemente 20 in zwei Gruppen angeordnet, einer ersten Gruppe 5 und einer zweiten Gruppe 6. Die mit I bezeichneten Widerstandselemente 20 gehören zur ersten Gruppe 5, die mit II bezeichneten zur zweiten Gruppe 6. Auch in den folgenden Figuren ist dies so, auch wenn die Bezugszeichen 5 und 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurden. Die Widerstandselemente 20 der ersten Gruppe 5 sind alle mit ihren ersten Kontaktflächen 7 mit dem ersten elektrischen Anschluss 2 und mit ihren zweiten Kontaktflächen 8 mit dem zweiten elektrischen Anschluss 3 direkt verbunden. Die direkte Verbindung ist eine elektrische Verbindung, die aus einem guten elektrischen Leiter wie Kupfer, Stahl, Aluminium oder anderen elektrisch leitenden Metallen oder auch aus Kohlenstofffasern besteht.
Die Figur 2 zeigt einen Überspannungsableiter 1, bei dem zwei Säulen 4 mit jeweils sieben Widerstandselementen 20 zwischen dem ersten und zweiten elektrischen Anschluss 2, 3 angeordnet sind. An jeder Stelle, an der zwei Widerstandselemente 20 aneinander grenzen, sind die Säulen 4 untereinander verbunden.
Die Figur 3 zeigt einen Überspannungsableiter 1 mit vier Säulen 4 mit jeweils sieben Widerstandselementen 20. Hier sind alle Säulen 4 an jeder Stelle, an der zwei Widerstandselemente 20 aneinander grenzen, miteinander verbunden.
Die Figur 4 zeigt ein allgemeines Ersatzschaltbild mit n Widerstandselementen 20, die alle parallel zueinander zwischen dem ersten elektrischen Anschluss 2 und dem zweiten elektrischen Anschluss 3 geschaltet sind. Für die Schaltung gemäß Figur 1 gilt n=7, für die aus Figur 2 gilt n=2•7=14 und schließlich gilt für Figur 4 n=4•7=28. Allen Ausführungen gemeinsam ist, dass alle Widerstandselemente 20 des jeweiligen Überspannungsableiters 1 parallel zueinander zwischen dem ersten elektrischen Anschluss 2 und dem zweiten elektrischen Anschluss 3 geschaltet sind. Da somit jedes der n Widerstandselemente 20 einen eigenen von den anderen unabhängigen Strompfad bietet, ist der durchleitbare Strom bei n parallel geschalteten Widerstandselementen ein Vielfaches, vernachlässigt man Bauteiltoleranzen, dann genau das n-fache, des durch eine Säule aus n in Reihe miteinander verschalteten Widerstandselementen, damit steigt auch das Energieaufnahmevermögen entsprechend.
Die Figur 5 zeigt einen Überspannungsableiter 1 mit sieben Widerstandselementen, die zwischen dem ersten elektrischen Anschluss 2 und dem zweiten elektrischen Anschluss 3 in einer Säule 4 angeordnet sind. Die Widerstandselemente 20 sind so ausgerichtet, dass alle ersten Kontaktflächen 7 zum ersten elektrischen Anschluss 2 weisen und alle zweiten Kontaktflächen zum zweiten elektrischen Anschluss 3.
Die Figur 6 zeigt denselben Überspannungsableiter 1, wobei hier die Säule 4 zwischen zwei Widerstandselementen 20 auseinandergezogen dargestellt ist. In beiden Fällen sind sieben Widerstandselemente 20 zu einer Säule gestapelt. Die Widerstandselemente 20 der ersten Gruppe 5 sind hier wieder mit I bezeichnet, die der zweiten Gruppe mit II. In der dargestellten Ausführung wechseln sich Widerstandselemente 20 der ersten Gruppe 5 und solche der zweiten Gruppe 6 ab. Da hier die Säule 4 aus einer ungeraden Anzahl an Widerstandselementen 20 aufgebaut ist, wird die Säule 4 an beiden Enden von Widerstandselementen 20 der ersten Gruppe 5 begrenzt. An beiden Enden der Säule 4 sind Endarmaturen 26 angeordnet, die gleichzeitig als elektrische Anschlüsse 2, 3 dienen. Die Endarmaturen können hier nicht dargestellte Anschlusselemente aufweisen, mittels derer sie mit einer elektrischen Anlage verbunden werden können. Beispielsweise kann die in den Figuren 5 und 6 obere Endarmatur 26 mit einem Hochspannungsanschluss und die untere Endarmatur 26 mit dem Erdanschluss einer elektrischen Anlage verbunden werden. Der erste elektrische Anschluss 2 ist dann mit Hochspannung verbunden, der zweite elektrische Anschluss 3 mit der Erde. Die Endarmaturen 26 sind aus einem gut elektrisch leitenden Material wie einem Metall und stellen die elektrische Verbindung zwischen der Säule 4 und der elektrischen Anlage her.
In der Säule 4 sind zwischen jeweils zwei Widerstandselementen 20 erste und zweite Kontaktscheiben 9, 10 im Wechsel angeordnet. In der Figur 6 ist eine Kontaktscheibe 9 sichtbar dargestellt. Die Kontaktscheiben 10 sehen gleichartig aus, sind aber um 180° um die Säulenlängsachse 30 der Säule 4 gedreht angeordnet. Die Kontaktscheiben 9, 10 sind hier kreisförmige Scheiben. Die Form entspricht im Wesentlichen dem Querschnitt der Widerstandselemente 20. An der Kante jeder Kontaktscheibe 9, 10 ist eine Kontaktfahne 11, 12 angeordnet. Diese ragt aus der Mantelfläche der Säule 4 heraus. Jede Kontaktscheibe 9, 10 ist zwischen einer ersten und einer zweiten Kontaktfläche 7, 8, zweier Widerstandselemente 20 angeordnet und stellt den elektrischen Kontakt zwischen diesen beiden Kontaktflächen 7, 8 her. Die ersten Kontaktscheiben 9 sind so angeordnet, dass ihre Kontaktfahnen 11 miteinander fluchten, also auf einer ersten Fluchtachse 31 parallel zur Säulenlängsachse 30 liegen. Die zweiten Kontaktscheiben 10 sind so angeordnet, dass ihre Kontaktfahnen 12 auf einer zweiten Fluchtachse 32 miteinander fluchten. Die erste und zweite Fluchtachse 31, 32 liegen im vorliegenden Beispiel auf gegenüberliegenden Seiten, bezogen auf die Säulenlängsachse 30. Dies ist nicht zwingend erforderlich. Stattdessen können die Fluchtachsen 31, 32 auch nebeneinander liegen, sofern der notwendige Isolationsabstand eingehalten ist. Die jeweils miteinander fluchtenden Kontaktfahnen 11, 12 sind außerhalb der Säule 4 elektrisch miteinander verbunden. Alle Kontaktfahnen 11 der ersten Kontaktscheiben 9 sind so miteinander und mit dem ersten elektrischen Anschluss 2 verbunden. Alle Kontaktfahnen 12 der zweiten Kontaktscheiben 10 sind miteinander und mit dem zweiten elektrischen Anschluss 3 verbunden. Die Verbindung der Kontaktfahnen 11, 12 untereinander und mit dem jeweiligen elektrischen Anschluss 2, 3 kann beispielsweise mittels Kabeln erfolgen. Diese Verbindungen sind hier nur schematisch dargestellt. Der in den Figuren 5 und 6 dargestellte Überspannungsableiter 1 kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das hier nicht dargestellt ist.
Die Figur 7 zeigt einen Überspannungsableiter 1 mit zwei parallelen Säulen 4 mit jeweils sieben Widerstandselementen 20. Die Säulenlängsachsen 30 sind parallel zueinander und zur Ableiterlängsachse 33. Jede Säule 4 ist zwischen zwei Endarmaturen 26 angeordnet. Die beiden am oberen Ende der Säulen 4 liegenden Endarmaturen bilden zusammen den ersten elektrischen Anschluss 2, die beiden am unteren Ende der Säulen 4 liegenden Endarmaturen 26 den zweiten elektrischen Anschluss 3. Die Anordnung und Ausrichtung der Widerstandselemente 20 beider Säulen 4 ist wie in den Figuren 5 und 6. Zwischen jeweils zwei Widerstandselementen 20 sind auch hier erste und zweite Kontaktscheiben 9, 10 angeordnet. Diese erstrecken sich jeweils über beide Säulen 4 und verbinden diese elektrisch miteinander. Im Unterschied zu den Figuren 5 und 6 sind hier auch zwischen den die Säule 4 begrenzenden Widerstandselementen 20 und der anschließenden Endarmatur 26 Kontaktscheiben 9, 10 angeordnet. Dies kann die elektrische Verbindung der beiden zueinander parallelen Endarmaturen 26 erleichtern. Die elektrische Verbindung könnte aber auch alternativ auf der Außenseite der beiden Endarmaturen 26 erfolgen.
In der Figur 8 ist eine solche Kontaktscheibe 9 dargestellt. Die Kontaktscheibe 10 ist kongruent zu dieser. Die Kontaktscheiben 9, 10 bestehen aus zwei kreisförmigen Scheiben, die durch einen Verbindungssteg 28 miteinander verbunden sind. An der Kante jeder Kontaktscheibe 9, 10 ist eine Kontaktfahne 11, 12 angeordnet, die aus der Mantelfläche der Säule 4 heraussteht. In der Figur 8 sind mehrere mögliche Positionen und Formen von Kontaktfahnen 11, 12 dargestellt. Eine besonders platzsparende Variante, ist eine Kontaktfahne 11 in der Nähe des Verbindungsstegs 28, also im Zwickel zwischen den beiden Säulen 4. Die Kontaktfahnen 11, 12 können Bohrungen 29 oder Langlöcher 27 aufweisen, in die ein Verbindungsleiter 13 ,14 zur Herstellung der elektrischen Verbindung eingeführt ist. Dieser Verbindungsleiter 13, 14 kann beispielsweise ein Kabel oder eine Stange aus Metall sein.
Die Figur 9 zeigt eine Schnittdarstellung eines Überspannungsableiters 1, bei dem vier Säulen 4 mit jeweils sieben Widerstandselementen zwischen dem ersten elektrischen Anschluss 2 und dem zweiten elektrischen Anschluss 3 angeordnet sind. Die Säulen 4 sind in einem Gehäuse 19 angeordnet. Das Gehäuse 19 kann wie hier dargestellt aus einem Gehäuserohr 21 aus einem elektrisch isolierenden Material wie glasfaserverstärktem Kunststoff oder Porzellan sein und zum Schutz vor Witterungsbedingungen auf der Außenseite eine Außenhülle beispielsweise Silikon aufweisen. Häufig weist die Außenhülle Schirme 22 zur Kriechwegverlängerung auf. Das Gehäuse 19 ist mittels eines ersten und zweiten Armaturkörpers 15, 16 an seinen Enden fluiddicht verschlossen. Die Armaturkörper 15, 16 sind aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Metall und bieten einerseits innerhalb des Gehäuses 19 einen Anschluss an die Säulen 4 und andererseits außerhalb des Gehäuses 19 einen Anschluss an eine elektrische Anlage.
Die Säulen 4 sind zwischen einer Zugplatte 24 und einer Endarmatur 26, die gleichzeitig als zweiter elektrischer Anschluss 3 dient, angeordnet. Zwischen der Zugplatte 24 und der Endarmatur 26 verspannte Zugelemente 23 halten die Säulen 4 zusammen. Die Zugplatte 24 kann aus einem elektrisch isolierenden Material wie glasfaserverstärktem Kunststoff oder aus einem elektrisch leitfähigen Material wie Metall hergestellt sein. Im ersten Fall weist die Zugplatte Löcher auf, durch die die elektrische Verbindung zu den Säulen 4 hergestellt wird.
Jede Säule 4 weist sieben Widerstandselemente 20 auf, die hier jeweils aus einem Varistorelement 35 und einem Distanzelement 36 zusammengesetzt sind. Die Distanzelemente 36 sind elektrisch gut leitende Körper aus Metall und dienen einerseits der leichteren Montage der Verbindungsleiter 13, 14 und andererseits der Anpassung der Säulenlänge an die Gehäusegröße. Außerdem vergrößern die Distanzelemente 36 die Oberfläche der Widerstandselemente 20, wodurch diese besser gekühlt werden. Jedes Widerstandselement 20 weist zumindest ein Varistorelement 35 auf, einige oder alle der Widerstandselemente 20 können Distanzelemente 36 aufweisen. An den Säulenenden sind jeweils noch Füllstücke 17 angeordnet, die dem Längenausgleich dienen. Sie sind ebenfalls aus Metall und verbinden die Widerstandselemente mit dem ersten und zweiten elektrischen Anschluss 2, 3. Als erster elektrischer Anschluss 2 dienen hier Metallzylinder, die zwischen dem ersten Armaturkörper 15 und den Säulen 4 angeordnet sind und die elektrische Verbindung zwischen diesen, gegebenenfalls durch die Zugplatte 24 hindurch, herstellen. Der zweite elektrische Anschluss 3 wird durch die Endarmatur 26 bereitgestellt, die als kreuzförmige Platte aus Metall mit dem zweiten Armaturkörper 16 elektrisch verbunden und an diesem befestigt ist.
Die Figur 10 zeigt eine weitere Darstellung des Überspannungsableiters 1 aus Figur 9. Hier ist durch einen zusätzlichen Schnitt der Innenaufbau der Säulen 4 dargestellt. Zwischen jedem Widerstandselement 20 ist eine erste oder zweite Kontaktscheibe 9, 10 angeordnet. Jede der Kontaktscheiben 9, 10 besteht aus vier, für jede Säule 4 eine, kreisförmigen Scheiben, die mit Verbindungsstegen 28 in einem Quadrat miteinander verbunden sind. Die Kontaktscheiben 9, 10 verbinden so die Säulen 4 elektrisch miteinander. Die Kontaktscheiben 9, 10 weisen Kontaktfahnen 11, 12 in Form von Zungen auf. Eine zusätzliche Kontaktscheibe 9, 10, ist zwischen dem jeweils äußersten Widerstandselement 20 und einem Füllstück 17 angeordnet. Alle Kontaktfahnen 11 der ersten Kontaktscheiben 9 fluchten miteinander und sind mittels eines Verbindungsleiters 13, der hier in Form einer Gewindestange dargestellt ist, miteinander verbunden. Ebenso fluchten alle Kontaktfahnen 12 der zweiten Kontaktscheiben 10 miteinander und sind mittels eines Verbindungsleiters 14, ebenfalls in Form einer Gewindestange, miteinander verbunden. Über die Füllstücke 17 wird die elektrische Verbindung zum ersten beziehungsweise zweiten elektrischen Anschluss 2, 3 hergestellt. Die Verbindungsleiter 13, 14 sind durch Bohrungen 29 der Kontaktfahnen 11, 12 geführt und mittels Muttern 25 an diesen befestigt.

Claims

Überspannungsableiter (1) mit einer sich zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen Anschluss (2, 3) erstreckenden Säule (4) aus aufeinander gestapelten Widerstandselementen (20) mit jeweils einer ersten Kontaktfläche (7) und einer dieser gegenüberliegenden zweiten Kontaktfläche (8), wobei die Widerstandselemente (20) derart gestapelt sind, dass die erste Kontaktfläche (7) eines Widerstandselements (20) an die zweite Kontaktfläche (8) eines zu diesem in der Säule (4) benachbarten Widerstandselements (20) angrenzt,
dadurch gekennzeichnet, dass
dass die Säule eine erste Gruppe (5) Widerstandselemente (20), die jeweils mit ihrer ersten Kontaktfläche (7) mit dem ersten elektrischen Anschluss (2) und mit der zweiten Kontaktfläche (8) mit dem zweiten elektrischen Anschluss (3) direkt verbunden sind,
und eine zweite Gruppe (6) Widerstandselemente (20), die jeweils mit ihrer ersten Kontaktfläche (7) mit dem zweiten elektrischen Anschluss (3) und der zweiten Kontaktfläche (8) mit dem ersten elektrischen Anschluss (2) direkt verbunden sind, aufweist.
Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich in der Säule (4) Widerstandselemente (20) der ersten Gruppe (5) und Widerstandselemente (20) der zweiten Gruppe (6) einander abwechseln.
Überspannungsableiter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Säule (4) zwischen benachbarten Widerstandselementen (20) erste und zweite Kontaktscheiben (9, 10) angeordnet sind, wobei jede Kontaktscheibe (9, 10) eine außerhalb der Säule (4) liegende Kontaktfahne (11, 12) aufweist, wobei die Kontaktfahnen (11) der zwischen der ersten Kontaktfläche (7) der ersten Gruppe (5) und der zweiten Kontaktfläche (8) der zweiten Gruppe (6) von Widerstandselementen (20) angeordneten ersten Kontaktscheiben (9) und die Kontaktfahnen (12) der zwischen der zweiten Kontaktfläche (8) der ersten Gruppe (5) und der ersten Kontaktfläche (7) der zweiten Gruppe (6) von Widerstandselementen (20) angeordneten zweiten Kontaktscheiben (10) jeweils miteinander verbunden sind.
Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und zweite Kontaktscheibe (9, 10) kongruent zueinander sind.
Überspannungsableiter (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kontaktfahnen (11) der ersten Kontaktscheiben (9) und die Kontaktfahnen (12) der zweiten Kontaktscheiben (10) jeweils miteinander fluchten und durch einen Verbindungsleiter (13, 14) aus elektrisch leitfähigem Material miteinander verbunden sind.
Überspannungsableiter (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich zwischen dem ersten elektrischen Anschluss (2) und dem zweiten elektrischen Anschluss (3) zumindest zwei zueinander parallele Säulen (4) erstrecken, wobei zwischen jedem Widerstandselement (20) eine sich über alle Säulen (4) erstreckende und diese elektrisch miteinander verbindende Kontaktscheibe (9, 10) angeordnet ist.
Überspannungsableiter (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Säule (4) in einem rohrförmigen fluiddicht abgeschlossenen Gehäuse (19) mit einem ersten und zweiten Armaturkörper (15, 16) angeordnet ist, wobei der erste Armaturkörper (15) mit dem ersten elektrischen Anschluss (2) und der zweite Armaturkörper (16) mit dem zweiten elektrischen Anschluss (3) verbunden ist.