Beschreibung
Gekapselter Überspannungsabieiter Die Erfindung betrifft einen durch ein fluiddichtes Gehäuse gekapselten Überspannungsabieiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Überspannungsabieiter sind Schutzsysteme beispielsweise für Schaltanlagen, die bei auftretenden Überspannungen durch
Blitzeinschlag oder Fehlfunktionen anderer Teilsysteme diese Überspannungen zur Masse hin ableiten und so andere Bauteile der Schaltanlage schützen. Ein derartiger Überspannungsabieiter umfasst ein oder mehreren Aktivteile, die eine aus einzelnen zylindrischen Varistorelementen aufgebaute Varistorsäule aufweisen.
Varistorelemente 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 Varistorelemente aus Metalloxiden wie Zinkoxid hergestellt. Das Ableitelement wird an beiden Enden von Endarmaturen begrenzt, die den elektrischen Kontakt zur Schaltanlage und zur Masse herstellen. Um einen guten elektrischen Kontakt auch unter mechanischer Belastung zu gewährleisten, muss die Varistorsäule unter Druck zusammengehalten werden. Dies kann erfolgen, indem Zugelemente beispielsweise ein Rohr, Seile oder Stäbe vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff in den Endarmaturen unter Zug eingespannt werden. Die Zugelemente umgeben dabei die Varistorsäule.
Für den Einsatz in gasisolierten Schaltanlagen weisen Über- spannungsableiter ein gekapseltes, fluiddichtes Gehäuse auf, das das Ableitelement umgibt. Das Gehäuse ist dabei zur Erhöhung der Durchschlagfestigkeit mit einem Fluid, meist Schwe- felhexafluorid, gefüllt. Das Gehäuse besteht aus einem leitfähigen Material beispielsweise aus einem Metall und ist
elektrisch geerdet. Eine Endarmatur der Ableitsäule ist über einen durch das Gehäuse geführten Kontakt geerdet . Die andere Endarmatur ist über eine Durchführung mit einem an der Außenseite des Gehäuses befindlichen Kontakt elektrisch verbunden, der dem Anschluss an die Schaltanlage dient.
Bekannt sind solche Überspannungsabieiter beispielsweise aus der DE 102011077394 AI. Dort ist ein einsäuliges Aktivteil in einem fluiddichten Gehäuse angeordnet. Für hohe Spannungen kann das Aktivteil allerdings, bis zu mehreren Metern lang werden .
Aus der US 4814936 AI ist ein Überspannungsabieiter mit einem aus vier Säulen bestehenden Aktivteil bekannt. Die Säulen sind rotationssymmetrisch um eine Gehäuseachse in einem Quadrat angeordnet. Diese Ausführung ist zwar in der Längsausdehnung kürzer, als die vorgenannte, erfordert dafür mehr
Bauraum in der Querausdehnung . Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Überspannungsabieiter anzugeben, der an die Platzverhältnisse einer Schaltanlage besser angepasst ist.
Die Aufgabe wird mit den Mitteln der Erfindung gemäß Patent- anspruch 1 gelöst.
Dabei weist der Überspannungsabieiter ein fluiddichtes Gehäuse mit einer Gehäusewand, die sich entlang einer Gehäuseachse zwischen einem unteren Deckel und einem oberen Deckel er- streckt auf. Außerdem weist der Überspannungsabieiter ein in dem Gehäuse angeordnetes Aktivteil zur Ableitung einer Überspannung auf, das in Stapeln angeordnete Ableitelemente um- fasst, wobei mehrere übereinander angeordnete und durch isolierende Zwischenstücke voneinander getrennte Stapel eine Säule bilden. Das Aktivteil weist mehrere Säulen auf, deren Längsachsen parallel zur Gehäuseachse angeordnet sind, wobei Stapel benachbarter Säulen derart elektrisch miteinander verbunden sind, dass der Strompfad mäanderförmig durch das Ak-
tivteil geführt ist. Die Verbindung kann beispielsweise über Kabel oder leitfähige Bänder erfolgen, die an den Mantelflächen der Ableitelemente angeordnet sind, erfolgt vorzugsweise aber durch ein Verbindungselement, das zwischen zwei Stapeln zweier benachbarter Säulen und den jeweils daran angrenzenden Zwischenstücken angeordnet ist und so zwei benachbarte Stapel miteinander elektrisch verbindet. Erfindungsgemäß sind die Säulen in einer Reihe nebeneinander angeordnet. Gegenüber einem Überspannungsabieiter mit einem einsäuligen Aktivteil ist der erfindungsgemäße Überspannungsabieiter deutlich kürzer.
Gegenüber einem Überspannungsabieiter mit im Viereck angeordneten Säulen des Aktivteils ist der erfindungsgemäße Über- spannungsableiter wegen der Reihenanordnung der Säulen weniger breit. Oft ist in Schaltanlagen nicht in allen Richtungen gleich viel Platz. Der erfindungsgemäße Überspannungsabieiter lässt sich in der Schaltanlage so ausrichten, dass seine schmalere Seite in die Richtung zeigt, in der weniger Platz vorhanden ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Gehäusewand in einem Abschnitt entlang der Gehäuseachse eine ellipsenförmige Querschnittskontur mit einer langen Achse und einer kurzen Achse auf, wobei die Reihe der Säulen entlang der langen Achse angeordnet ist. Ein ellipsenförmiges Gehäuse ist optimal an die Reihenanordnung der Säulen angepasst und besitzt dennoch eine hohe Druckfestigkeit.
Ferner wird bevorzugt, dass in benachbarten Säulen Zwischenstücke in gleicher Höhe der Säulen angeordnet sind und dass zwischen den Zwischenstücken und den an beiden Seiten des
Zwischenstücks angrenzenden Stapeln Verbindungselemente angeordnet sind, die jeweils einen Stapel einer Säule mit einem Stapel der benachbarten Säule elektrisch verbinden. Durch diese Anordnung können für ein Zwischenstück zwei elektrische Verbindungen zu Stapeln benachbarter Säulen hergestellt werden. Dadurch können Zwischenstücke eingespart und dadurch die Säulen kürzer werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind ein Zwischenstück einer Säule und ein auf gleicher Höhe angeordnetes Zwischenstück einer benachbarten Säule als Enden einer einteiligen Stützplatte ausgebildet. Hierdurch können die Zwi- schenstücke als zusätzliche mechanische Verbindungen zwischen zwei benachbarten Säulen dienen, was die mechanische Stabilität des Aktivteils verbessert.
Des Weiteren sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin- dung vor, dass die Verbindungselemente auf einer Ober- und
Unterseite der Stützplatte aufgebrachte Schichten sind. Hierdurch wird die Montage erleichtert, da nur mit einem Teil statt mit drei Teilen hantiert werden muss. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 einen erfindungsgemäßen Überspannungsabieiter in einem Längsschnitt,
Figur 2 den Überspannungsabieiter aus Figur 1 in einer
Aufsicht .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Bezugszeichen mit zusätzlichem Buchstaben bezeichnen ähnliche Elemente. Wird das Bezugszeichen ohne zusätzlichen Buchstaben verwendet, so sind alle entsprechenden Elemente gemeint. Die Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Überspannungsablei - ter 1 in einem Längsschnitt. Figur 2 denselben Überspannungsabieiter 1 in einer Aufsicht. Die Säulen 10a, 10b und 10c des Aktivteils 6 sind hier durch den Deckel 5 hindurch sichtbar dargestellt. Der Überspannungsabieiter 1 weist ein fluid- dichtes, meist aus einem leitenden Material bestehendes und elektrisch geerdetes Gehäuse 2 auf. Das Gehäuse 2 weist einen unteren Deckel 4 und einen oberen Deckel 5 auf. Zwischen den Deckeln 4, 5 erstreckt sich eine Gehäusewand 3 entlang einer
Gehäuseachse 30. Das Gehäuse ist im betriebsfertigen Zustand mit einem isolierenden Fluid wie Öl oder Schwefelhexafluorid gefüllt. In dem Gehäuse 2 ist ein Aktivteil 6 angeordnet, das zur Ableitung einer Überspannung dient. Das Aktivteil 6 ist an einem hochspannungsseitigen Ende 26 von einer oberen Endarmatur 20 begrenzt. Diese ist elektrisch mit einem Hochspannungskontakt 16 verbunden, welcher wiederum eine elektrische Verbindung über eine Hochspannungsdurchführung 25 durch den oberen Deckel 5 nach außen führt . Außerhalb des Gehäuses 2 kann mit dieser der Anschluss an eine hier nicht dargestellte Hochspannungsschaltanlage hergestellt werden. Auf einem erd- seitigen Ende 27 des Aktivteils 6 ist dieses von einer unteren Endarmatur 21 begrenzt, hier dreiteilig dargestellt. Eine einteilige Endarmatur 21 wäre allerdings auch möglich. Die untere Endarmatur 21 kann aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeführt sein, dann kann eine Erdverbindung vom Aktivteil 6 über die untere Endarmatur 21 und den unteren Deckel 4 nach außen geführt sein. Außerhalb des Gehäuses 2 kann diese Erdverbindung geerdet werden. Alternativ kann die unte- re Endarmatur 21 elektrisch isolierend ausgeführt sein. Dann kann das Aktivteil 6 über einen fluiddicht und elektrisch gegen den unteren Deckel 4 isolierten, hier nicht dargestellten Erdkontakt außerhalb des Gehäuses 2 mit der Erde verbunden werden. Häufig wird das Aktivteil 6 von hier nicht darge- stellten Zugelementen zusammengehalten. Diese sind entweder käfigartig um das Aktivteil angeordnet oder umgeben das Aktivteil als einzelnes rohrartiges Zugelement. Das Zugelement oder die Zugelemente sind auf einer Seite in der oberen Endarmatur 20, auf der anderen Seite entweder in der unteren Endarmatur 21 oder im unteren Deckel 4 verspannt und halten so das Aktivteil zusammen.
Das Aktivteil 6 weist hier drei Säulen 10a, 10b und 10c auf. Eine alternative Anordnung aus zwei, vier oder mehr Säulen 10 wäre ebenfalls möglich. Bevorzugt weist ein erfindungsgemäßer Überspannungsabieiter ein Aktivteil 6 aus drei oder mehr Säulen 10 auf. Die Säulen 10 erstrecken sich jeweils entlang einer zur Gehäuseachse 30 parallelen Längsachse 31 und sind in
einer Reihe nebeneinander angeordnet. Eine innere Säule 10b wird von zwei äußeren Säulen 10a, 10c flankiert. Die Säulen 10 bestehen jeweils aus mehreren Stapeln 7 von Ableitelementen 8. Die Stapel 7 sind durch isolierende Zwischenstücke 9 voneinander getrennt. Die Ableitelemente 8 sind hier nur beispielhaft mit Bezugszeichen versehen und bestehen in der Regel aus einem scheibenförmigen Varistorblock. Am Beispiel der Säule 10a soll der Aufbau näher erläutert werden. Die Säule 10a besteht aus insgesamt achtzehn Ableitelementen 8, die in vier Stapeln 7a, 7b, 7c und 7d übereinander angeordnet sind, wobei der Stapel 7a drei Ableitelemente 8 enthält, die Stapel 7b, 7c und 7d jeweils fünf Ableitelemente. Die vier Stapel 7a, 7b, 7c und 7d sind durch drei isolierende Zwischenstücke 9a, 9b und 9c voneinander getrennt und innerhalb einer Säule elektrisch gegeneinander isoliert. Das Zwischenstück 9b beispielsweise trennt die Stapel 7b und 7c voneinander und isoliert sie gegeneinander. Am erdseitigen Ende 27 des Aktivteils 6 grenzt an den Stapel 7d ein die Säule abschließendes Zwischenstück 9d, das den Stapel 7d gegen die Endarmatur 21 isoliert. Die Säulen 10b und 10c sind ähnlich aufgebaut, wenn auch mit unterschiedlichen Anzahlen von Stapeln 7, Ableitelementen 8 und Zwischenstücken 9. Vorzugsweise sind die äußeren Säulen 10a, 10c gleichartig aufgebaut, jedoch rotationssymmetrisch angeordnet. Die Stapel 7 der inneren Säule 10b, be- ziehungsweise der inneren Säulen 10 weisen in der hier gezeigten bevorzugten Ausführung alle die gleiche Anzahl von Ableitelementen 8, hier zwei, auf. In einer bevorzugten Variante dieser Ausführung weist die innere Säule 10b ausschließlich Stapel 7 mit n Ableitelementen auf und die äußeren Säu- len 10a, 10c Stapel 7 mit 2n+l Ableitelementen, wobei jeweils ein Stapel mit n+1 Ableitelementen 8 die äußeren Säulen 10a, 10c an einer Seite abschließt.
Zwischen einem Stapel 7 und dem angrenzenden Zwischenstück 9 ist jeweils ein Verbindungselement 9 angeordnet. Dieses Verbindungselement 9 verbindet zwei Stapel 7 benachbarter Säulen 10 elektrisch miteinander. So ist beispielsweise in der Säule 10a zwischen dem Stapel 7c und dem daran angrenzenden Zwi-
schenstück 9b ein Verbindungselement 14c angeordnet. Dieses Verbindungselement 14c ist aus der Säule 10a senkrecht zu deren Längsachse 31 bis in die benachbarte Säule 10b geführt, in der es zwischen dem Stapel 7i und dem daran angrenzenden Zwischenstück 9f angeordnet ist. Das Verbindungselement 14c verbindet also die Säulen 10a und 10b auf gleicher Höhe. Es stellt eine elektrische Verbindung zwischen den Stapeln 7c und 7i her. Die Stapel 7c und 7i sind damit in Reihe geschaltet. Ein Strompfad 11 durch die Säule 10a wird hier also durch das elektrisch isolierende Zwischenstück 9c unterbrochen und über die Säule 10b geführt. Ein Strompfad 11 durch das Aktivteil 6 beginnt an der oberen Endarmatur 20, wird in Richtung des erdseitigen Endes 27 weiter durch den Stapel 7a der Säule 10a geführt, über das Verbindungselement 14a in den Stapel 7e der Säule 10b, dort in Richtung des hochspannungs- seitigen Endes 26, weiter durch das Verbindungselement 14d in den Stapel 7g der Säule 10c, dort wieder Richtung erdseitigem Ende 27, schließlich über das Verbindungselement 14e zurück über den Stapel 7f, das Verbindungselement 14b in den Stapel 7c der Säule 10a geführt. In ähnlicher Weise wird so der
Strompfad 11 mäanderförmig durch die zueinander in Reihe geschalteten Stapel 7 durch das gesamte Aktivteil 6 bis
schließlich zum Stapel 7h der Säule 10c geführt. Dort wird er, wie bereits erwähnt, über die untere Endarmatur 21 oder einen Erdkontakt aus dem Gehäuse 2 heraus geführt. Der übersichtlicheren Darstellung wegen sind die horizontalen Verbindungslinien des Strompfades 11 neben den Verbindungselementen 14 dargestellt. Tatsächlich verläuft der Stromfluss des
Strompfades 11 natürlich über die Verbindungselemente 14.
An zwei Stellen sind die Zwischenstücke als Enden einteiliger Stützplatten 15a, 15b ausgebildet. Die Zwischenstücke zweier benachbarter Säulen sind so zu einer einteiligen Stützplatte 15a, 15b zusammengefasst . So sind die Zwischenstücke zwischen den Stapeln 7c und 7d der Säule 10a mit dem Zwischenstück zwischen den Stapeln 7j und 7k der Säule 10b zu einer Stützplatte 15a zusammengefasst . Die Stützplatte 15a verbindet die Säulen 10a und 10b auf jeweils gleicher Höhe und dient der
Erhöhung der mechanischen Stabilität des Aktivteils 6. Zwischenstücke 9 und Stützplatten 15 können aus Materialien wie beispielsweise Epoxydharz, Gießharz, oder anderen elektrisch isolierenden Feststoffen gefertigt sein. Das im Folgenden für Zwischenstücke 9 beschriebene gilt auch für Stützplatten 15, auch, wenn die Stützplatten 15 nicht ausdrücklich erwähnt sind .
Bis auf die Zwischenstücke 9, die sich am Ende eines Stapels 10 befinden, ist bei allen Zwischenstücken 9 auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils ein Verbindungselement 14 zwischen dem Zwischenstück 9 und den beidseitig daran angrenzenden Stapeln 7 angeordnet. Für jedes dieser Zwischenstücke 9 werden also zwei elektrische Verbindungen zu benachbarten Säulen 10 her- gestellt. Die Zwischenstücke 9 und die Verbindungselemente 14 sind in ihrer Dicke so bemessen, dass die Säulen 10 die gleiche Höhe aufweisen, auch wenn sie unterschiedliche Anzahlen von Zwischenstücken 9, und Stapeln 7 enthalten. Im Inneren der Säulen 10, wo zwischen zwei Stapeln 7 einer Säule 10 je- weils ein Zwischenstück 9 und zwei Verbindungselemente 14 angeordnet sind, entspricht die gesamte Dicke von einem Zwischenstück 9 und zwei Verbindungselementen 14 der Dicke von einem Ableitelement 8. An den Enden der Säulen 10 entspricht die gesamte Dicke von einem Zwischenstück 9 und einem Verbin- dungselement 14 der Dicke von einem Ableitelement. Die Verbindungselemente 14 können dünne Metallplatten sein, oder aber im Falle der Stützplatten 15 auf die Ober- und Unterseite der Stützplatten 15 aufgebrachte metallische Schichten. Die Gehäusewand 3 weist eine ellipsenförmige
Querschnittskontur über einen Abschnitt 17 entlang der Gehäuseachse 30 auf, wobei ellipsenförmig sowohl die Form einer Ellipse, als auch ovale oder eiförmige Formen einschließt. Das Gehäuse 2 weist dabei eine lange Achse 12 und eine kurze Achse 13 auf, wobei die lange Achse 12 länger als die kurze Achse 13 ist. Die Reihe der Säulen 10 ist entlang der langen Achse 12 angeordnet.
Das Gehäuse 2 kann außerdem noch einen Stutzen 22 aufweisen, der mit einem Mannlochdeckel 23 verschließbar ist. In dem Mannlochdeckel kann eine mit einer Membran verschlossene Aus- blasöffnung angeordnet sein, die im Falle eines fehlerbeding- ten Druckanstiegs im Gehäuse 2 reißt und den Druck nach außen ablässt. Eine Ausblasschute 24 kann dabei den dabei entstehenden Fluidstrom in eine Richtung umlenken, in der keine anderen Anlagenteile durch den Fluidstrom beeinträchtigt werden können .