NO303252B1 - Elektrisk overspenningsavleder - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår elektriske apparater, hovedsakelig overspenningsavledere, men også transformatorer, brytere, isolatorer, kabelavslutninger og -skjøter.

Overspenningsavledere brukes i forbindelse med elektrisk kraftutstyr så som transformatorer, bryteranlegg og luftledninger for å gi en avledningsvei direkte til jordnivå dersom overspenninger av en viss størrelse skulle forekomme, hvorved tilsvarende overstrømmer i form av strømstøt hindres i å passere kraf tut styret e. l. og ødelegge dette. Overspenninger kan f.eks. skyldes lyn-nedslag. Overspenningsavledere eller -beskyttere omfatter typisk ett eller flere avledningselementer f.eks. slike som går under handelsbenevnelsen varistorer, av et metalloksid så som sinkoksid og/eller silisiumkarbidmateriale, og evt. i tillegg et gnistgap. Flere slike elementer kan koples i kaskade for høyere spennings-nivå, presset sammen i en stabel og med god innbyrdes elektrisk kontakt og med endekontakt til et par endeelektroder ved hjelp av en eller flere elektrisk ledende fjærer. Stabelen av avlederelementer kapsles gjerne inn i et ytre isolerende hus som også gir mekanisk styrke og beskytter elementene overfor ytre forhold. Det ytre hus kan være av porselen eller av et annet isolasjons-materiale som ikke så lett gir anledning til strømbaner, f.eks. et polymermateriale, og isolasjonsmaterialet kan være beleggbart, f. eks. ved at det anvendes varme. Avlederelementene kan være kapslet inn i en armert harpiks for å bedre de fysiske og elektriske egenskaper, før det ytre hus plasseres utenpå. Eksempler på slike overspenningsbeskyttere eller -avledere er vist i US-patentskriftene 4 262 318, 4 656 555, 4 495 381 og 4 335 417.

Når overspenningsavledere er aktiverte, dvs. når de ved stort energipåtrykk ved høy spenning slår om fra sin normalt isolerende tilstand til å bli elektrisk ledende, kommer den store strømstyrke som avledes til å gi tilsvarende store mekaniske krefter og dessuten stor varmeutvikling som følge av deres indre motstand, og disse forhold må kunne håndteres av den mekaniske beskyttelse som ligger utenpå avlederelementene. I enkelte tilfeller er imidlertid ikke strømpassasjen så stor at elementene ødelegges på slik måte at dette blir synlig fra utsiden, likevel kan ødeleggelse foregå i en utstrekning som vil hindre en påfølgende full utnyttelse av avlederen, med den risiko at det

utstyr som skal beskyttes ikke får full beskyttelse.

JP 1-136305 beskriver en overspenningsavleder hvor en enkelt optisk plastfiber er ført i en sløyfe til et metalldeksel eller en elektrode i den ene ende av en stabel avlederelementer i en viss radial avstand fra en utvendig porselensisolator. Varme kan overføres mellom fiberen og det avlederelementet i den ene ende av avlederen, idet dette element antas å være karakteristisk for samtlige elementer i stabelen. Lys som sendes inn i den optiske fiber sammenlignes med lyset ut fra den, og en eventuell forskjell registreres og tas som indikasjon på oppvarming av avlederelementene. Hvis en slik forskjell skulle overskride en forhåndsbestemt verdi vil man trekke den slutning at elektrisk sammenbrudd av avlederen kan ha funnet sted.

Oppfinnelsens mål er et elektrisk apparat, særlig i form av en forbedret overspenningsavleder, og hvis indre integritet kan overvåkes utenfra på hensiktsmessig måte og uten at avlederen behøver demonteres.

Målet nås med det apparat som er anført i patentkravene 1-7. Således omfatter apparatet flere avlederelementer i en stabel i et beskyttelseshus med en optisk fiber, slik at denne er i god termisk forbindelse med hovedsakelig samtlige av elementene i stabelen.

I kontrast til den konstruksjon som er vist i JP 1-135305 er det termisk kontakt mellom den optiske fiber og hovedsakelig samtlige av avlederelementene i stabelen, ikke bare ett eneste. Dette gjøres fordi de karakteristiske egenskapene av f .eks. metall-oksidvaristorer kan variere fra ett element til et annet. Blant annet kan en jordlekkasjestrøm i den normale isolerende tilstand av elementene gi årsak til ganske forskjellig oppvarming. Skulle det mest utsatte element svikte av denne eller en annen grunn kan hele overspenningsavlederen svikte. Den optiske fiberanordning anordnes følgelig slik at en vesentlig endring i form av en ødeleggelse av ett av elementene direkte vil føre til en detekterbar ødeleggelse av overføringen til det optiske system, f .eks. fysisk brudd i selve den optiske fiber.

En "forespørsel til" den optiske fiber for å bestemme dens integritet eller en eventuell forskjell fra normaltilstanden brukes for indikasjon av integriteten eller eventuelle endringer også for de tilordnede overspenningselementer. Frembringelsen av varme innenfor avlederen på grunn av passeringen av en elektrisk lysbue kan være tilstrekkelig til å ødelegge i det minste en del av anordningen av den optiske fiber.

Fortrinnsvis er den optiske fiber forbundet direkte med overspenningsavlederelementene slik at det dannes en integrert konstruksjon, f.eks. ved at elementene er innkapslet med en harpiks, med et adhesiv eller en mastik som omslutter samtlige elementer. Fortrinnsvis omfatter anordningen av den optiske fiber et større antall, gjerne mer enn 50 og fortrinnsvis mer enn 100, aller helst mer enn omkring 200 optiske enkeltfibre. Disse innkapsles vanligvis i en enkelt ytre beskyttelseshylse eller -kapsling som kan være av polymermateriale. For best å kunne overvåke de enkelte avlederelementer foretrekkes at den ytre kapsling fjernes fra den del av bunten av optiske fibre inne i kapslingen hvor koblingen skal foregå, og at fibrene blir spredt ut til siden for å danne en sporbredde i størrelsesorden 1 cm. På denne måte kan fiberbunten vikles skruelinjeformet rundt stabelen av avlederblokker slik at et ganske stort omkretsareal blir dekket, gjerne mer enn halvparten, dette gjelder for samtlige eller hovedsakelig samtlige av blokkene.

Selv om det er foretrukket, av de grunner som er anført ovenfor, å overvåke samtlige avlederelementer ved direkte kontakt, kan man likevel tenke seg at det i avlederstabler med et stort antall blokker blir slik at et mindre antall ikke direkte kan overvåkes. I et slikt tilfelle må man imidlertid sørge for at samtlige av de elementer som ikke blir direkte overvåket har god termisk kontakt med minst ett element som blir overvåket.

Siden slike overspenningsavledere kan få svært høye temperaturer, også under forhold hvor avlederen ikke blir ødelagt, er det å foretrekke at de optiske fibre er av glass i stedet for av plastmateriale.

Når konstruksjonen av overspenningsavlederen er slik at en hul kanal strekker seg langs avlederelementene, f.eks. aksialt for en langstrakt avleder kan den optiske fiber anordnes inne i avlederen, fortrinnsvis i fysisk kontakt med elementene. Når man imidlertid benytter en komplett innkapslet konstruksjon kan den optiske fiber anordnes på siden, mellom de enkelte avlederelementer og den ytre beskyttelseskapsling, f.eks. ved utstrekning langs et ringrom mellom kapslingen og elementene. Fortrinnsvis vikles imidlertid de optiske fibre skruelinjeformet rundt stabelen av elementer, mellom avlederens to ender. I en alternativ utførelse kan elementene innesluttes i en isolerende folie, f .eks. av glassfiberforsterket harpiks, for å gi strukturell stivhet og med de optiske fibre anordnet rundt foliens ytterside.

Den ytre komponent av overspenningsavlederen er et isolerende hus, fortrinnsvis av polymermateriale og gjerne krympet ned fra en større diameter til tett omslutning av avlederens indre komponenter. Alternativt kan den ytre kapsling være av porselen.

Siden de to ender av overspenningsavlederen, når de er forbundet med det elektriske utstyr avlederen skal beskytte, vil ligge ved forskjellig elektrisk potensial, idet den ene ende er jordet, mens den andre ende ligger ved linjespenning på f.eks. 15 kV eller høyere, er fortrinnsvis den optiske fiber anordnet inne i det vanligvis langstrakte hus og i en avstand fra dettes ene ende, fortrinnsvis ved selve enden av huset, eller ved nær jordpotensial, nærmere den andre ende, slik at fiberen kan strekkes over hele lengden av avlederelementer og tilbake mot den første ende. På denne måte vil det være liten eller ingen potensialfor-skjell mellom den optiske fibers to ender. Den optiske fiber kan strekke seg ut ved hver av sine ender utenfor huset rundt av-lederne, ved den ene ende av denne, f.eks. frem til en overvåkingsenhet som kan være anordnet nær inntil avlederen eller lengre unna denne. Alternativt kan begge ender av den optiske fiber avsluttes hovedsakelig ved husets ene ende. I denne siste utførelse er det foretrukket at en overvåkingsenhet er forbundet med den optiske fiber lokalt, eller lenger unna ved hjelp av en passende koblingsenhet som kan være en annen optisk fiber.

Den optiske fiber kan omfatte en eller flere enkeltledere, og i dette tilfelle kan enkeltlederne være gruppert i en eller flere fiberbunter som kan følge samme bane eller forskjellig bane gjennom overspenningsavlederen. En bunt med optiske fibre kan være spredt ut for å passe bedre til avlederelementene og/eller det beskyttende hus. Typisk vil man anordne de optiske fibre for overføring av elektromagnetisk stråling i den synlige del av spekteret, men det er også tenkelig at f .eks. mikrobølgef rekvenser kan benyttes, idet man benytter en passende utførelse av optiske fibre egnet for dette formål. For hensiktsmessighets skyld vil uttrykket "lys" generelt brukes for all slik overført stråling

ved hjelp av optiske fibre.

Overspenningsavlederen omfatter fortrinnsvis også en overvåkingsenhet som er anordnet for å videreføre lys til den ene ende av den optiske fiber og detektere lys som, som følge av lyspåtrykket, stråler ut fra fiberens andre ende. Overvåkingsenheten kan være anordnet permanent for overvåking av den optiske fiber, enten lokalt eller fjerntliggende, eller anordnet for å utføre slik overvåking avbrutt i en forhåndsbestemt rekkefølge eller ved behov. Flere optiske fibre eller flere overspenningsavledere kan ha respektive overvåkingsenheter tilordnet eller de kan være anordnet for multipleksoverføring via en enkelt overvåkingsenhet. Lyskilden for overvåkingsenheten kan omfatte en hvilken som helst kilde, så som en lysemitterende diode eller en laser. Det lys som frembringes av overvåkingsenheten kan være kontinuerlig, men fortrinnsvis er det pulsert, siden bedre diskriminering kan foretas i forhold til eventuelt konstant bakgrunnslys som vil kunne komme inn i den optiske fiber eller overvåkingsenheten. F.eks. kan det tenkes at beskyttelseshuset for overspenningsavlederen kan være sprukket eller fullstendig ødelagt av en strømpuls som har passert avlederelementene, hvilket fører til at den optiske fiber blir oppdelt. Sollys vil da kunne komme inn i returdelen av fiberen og føre til en falsk integritets-oppgave ved overvåkingen. Pulserende innkommende lys vil derfor kunne bedre påliteligheten av overvåkingen.

Overspenningsavlederen kan ha avlederelementer og et beskyttelseshus med vilkårlig form og kan f.eks. være slik som de beskrevne kjente avledertyper.

I henhold til et annet aspekt av oppfinnelsen kan en fremgangsmåte for overvåking av integriteten av en overspenningsavleder ved hjelp av en optisk fiber bygge på bruk av apparater og teknikk som allerede er beskrevet ovenfor.

Selv om oppfinnelsen blir beskrevet hovedsakelig i form av en overspenningsavleder vil det være klart at den også vil dekke andre elektriske apparater så som spennings- og strømtransforma-torer, brytere, isolatorer og kabelavslutninger og kabelskjøter, hvor en optisk fiber eller en optisk fiber innretning kan anordnes slik som beskrevet foran for å indikere skade på apparatet. Særlig kan elektriske apparater, innbefattet de som er nevnt ovenfor, med et omsluttende hus og som vil kunne skades slik at det ikke så lett synes utenfra, passende utstyres med en optisk fiberbunt for å overvåke apparatets integritet.

Apparatets elektriske elementer kan f.eks. omfatte elektriske kontakter på en transformator eller bryter, eller lederen eller isolasjonen i en kabel. Det er klart at en rekke aspekter ved den optiske fiberinnretning vil kunne arte seg forskjellig, både når det gjelder montering og overvåkingen slik som beskrevet her spesielt i forbindelse med en overspenningsavleder, idet aspektene også vil gjelde andre elektriske apparater, enten direkte eller med slike modifikasjoner som er naturlige for fagpersonell.

En overspenningsavleder og en måte å benytte en slik for overvåking, begge aspekter i henhold til oppfinnelsen, skal nå beskrives ved hjelp av eksempler og med henvisning til den tilhørende tegning som skjematisk viser overspenningsavlederen i oppriss og delvis gjennomskåret.

Tegningen viser overspenningsavlederen 2 med åtte generelt sylindriske sinkoksidvaristorelementer 4 anordnet i en stabel og med ende mot ende, i god elektrisk kontakt med og mellom et par metallendeelektroder 6, 8. Varistorene 4 er fullstendig omsluttet av et glassfiberforsterket herdet harpiksmateriale 10, og dette er innesluttet i et mastiklag 12. Et elektrisk isolerende og krypebaneresistent rørformet polymerhus 14 er elektrisk tett omsluttende elementene 4, harpiksmaterialet 10 og mastiklaget 12. En optisk fiberkabel 16 med diameter omkring 2 mm er ført inn i huset 14 via en endeelektrode 6 som i bruk er holdt ved jord-potensiale, strekker seg generelt skruelinjeformet rundt og langsetter stabelen av varistorelementer 4 mot den andre endeelektrode 8 som under bruk er holdt ved en høyspenning på 36 kV, og deretter bakover til den jordede første elektrode 6 hvor fiberkabelen 16 er ført ut av huset 14. Kabelen 16 er innesluttet i harpiksmaterialet 10 og har god termisk kontakt med hvert av varistorelementene 4 over hele lengden inne i huset 14.

Den optiske fiberkabel 16 omfatter en ytre polymerkappe og omkring 200 optiske glassf ibre i en bunt. Kabelkappen er fjernet fra den del som er ført inn i huset 14 slik at de enkelte fibre kan føres ut slik at det dannes et flatt bånd på omkring 1 cm bredde i en bane langs og rundt overspenningsavlederen, i kontakt med de enkelte varistorelementer 4 som danner blokker.

Overspenningsavlederen 2 kan være montert på en bæremast (ikke vist) for en høyspent luftlinje, med den nedre elektrode 6 forbundet med masten ved jordpotensial, mens den øvre elektrode

8 er forbundet med høyspenningsledningen.

En overvåkingsenhet 18 som kan være anordnet lokalt og nær den nederste del av masten eller alternativt være montert direkte på den jordede avlederelektrode 6 eller et stykke unna avlederen 2, er anordnet for å sende pulsert synlig lys langs den optiske fiberkabel 16 inne i avlederen 2 og detektere lyset ut fra denne. Hvis udempet utgående lys detekteres antas at integriteten av overspenningsavlederen 2 ikke er forstyrret, dvs. at avlederen er intakt. Hvis ikke noe lys kommer ut eller hvis lyset er dempet mer enn en foreskrevet verdi ved registreringen i overvåkingsenheten 18 antas at overspenningsavlederen 2 eller i det minste et av dens avlederelementer 4 i form av varistorer er ødelagt, f.eks. ved at en stor strøm har passert, slik at en hensiktsmessig utbedring kan settes i verk. Man forstår naturligvis at skaden vil kunne oppstå som følge av andre kilder enn lyn, f .eks. vandalisme, og slike skader vil også bli registrert av den aktuelle overvåkingsenhet.

Claims (7)

1. Elektrisk apparat (2) som omfatter: a) flere elektriske elementer (4) anordnet i et beskyttelseshus (14), og b) en optisk fiberinnretning (16) likeledes anordnet i beskyttelseshuset, KARAKTERISERT VED: c) at den optiske fiberinnretning (16) omfatter flere optiske fibre som er spredt ut i forhold til hverandre og viklet i skruelinjeform rundt i alt vesentlig samtlige elektriske elementer (4) og i god termisk kontakt med dem, for derved å gi indikasjon ved forespørsel på skade av fiberinnretningene og således på de elektriske elementer (4).

2. Apparat ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at fiberinnretningen (16) er forbundet med de elektriske elementer (4).

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at fiberinnretningen er slik anordnet inne i beskyttelseshuset (14) at en vilkårlig skade av betydning på minst ett av elementene (4) fører til brudd i fiberinnretningen (16).

4. Apparat ifølge ett av de foregående krav og med generelt langstrakt form, KARAKTERISERT VED at fiberinnretningen (16) inne i beskyttelseshuset (14) strekker seg fra dettes ene ende (6) og mot dets andre ende (8) og tilbake mot den ene, første ende (6).

5. Apparat ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED at fiber innretningen (16) er i god termisk kontakt med samtlige elektriske elementer (4).

6. Apparat ifølge ett av de foregående krav, KARAKTERISERT VED en overvåkingsenhet (18) for å overvåke fiberinnretningen (16) ved å lede lys inn i den og registrere eventuelt utstrålt lys fra den som følge av innstrålingen.

7. Apparat ifølge ett av de foregående krav og omfattende en overspenningsavleder (2), KARAKTERISERT VED at de elektriske elementer omfatter overspenningsavledende elementer (4).