Gekapselter Ueberspannungsableiter

Abstract

 Bei einem in ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse (1) eingeschlossenen Ueberspannungsableiter mit scheibenförmigen, zu mindestens einer Säule übereinandergestapelten Ableiterelementen (2) und mit Abschirm- und Steuerungskörpern zur Erzeugung einer linearen Potentialverteilung längs des Aktivteils (3) soll mit einfachen Mitteln auch bei in kleiner Serie gebauten Ueberspannungsableitern eine gute Verteilung des elektrischen Feldes erzielt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass als Abschirmund Steuerungskörper den Ableiteraktivteil (3) annähernd konzentrisch umgebende, voneinander elektrisch isolierte und in einen Isolierstoffkörper (5) gewickelte elektrisch leitende Beläge (6) vorgesehen sind. Diese Beläge (6) sind parallel zur Säulenachse des Aktivteils (3) angeordnet und sind auf ihren von der hochspannungsführenden Seite des Aktivteils (3) abgewandten Enden derart gegeneinander versetzt angeordnet, dass die Beläge (6) auf ihren inneren, dem Aktivteil (3) zugewandten Seiten eine Treppe bilden. Bei einem derartigen Ueberspannungsableiter lässt sich mit geringem Aufwand die Linearisierung des Spannungsabfalls längs des Aktivteils (3) erreichen, so dass der Ueberspannungsableiter nicht nur kostengünstig hergestellt werden kann, sondern sich darüber hinaus durch einen äusserst geringen Platzbedarf auszeichnet. Hierbei ist es ferner von Vorteil, dass bei der Herstellung solcher Ueberspannungsableiter teilweise auf Technologien zurückgegriffen werden kann, die beim Bau von Kondensator-Durchführungen eingesetzt werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen in ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse eingeschlossenen Ueberspannungsableiter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Ableiter ist etwa aus dem Artikel "Reliability and Application of Metal Oxide Surge Arrestors for Power Systems" von S. Tominaga et al, IEEE Transactions on Power Apparaturs and Systems, Vol. PAS-98, No. 3 (1979), insbesondere S. 809, bekannt. Bei diesem Ableiter werden eine lineare Potentialverteilung längs des Ableiteraktivteils und eine gute Spannungsfestigkeit durch ein elektrisch leitendes, mit einem hochspannungsführenden Teil verbundenes und sich längs der Ableiterelemente erstreckendes Schild sowie durch Abschirmringe erreicht. Der konstruktive Aufwand ist bei derartigen Ableitern erheblich. Darüber hinaus können Form und Abmessungen der Abschirm- und Steuerungskörper nur durch verhältnismässig komplizierte Mess- und Rechenverfahren ermittelt werden. Insbesondere bei in kleiner Serie gebauten Ableitern ist daher mit hohen Herstellungskosten zu rechnen.

[0002] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ableiter der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine lineare Verteilung des Potentiales längs des Ableiteraktivteils und eine optimale Spannungsfestigkeit mit einfachen Mitteln erreicht werden, und welcher sich darüber hinaus auch in kleiner Serie in rationeller Weise herstellen lässt.

[0003] Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Beim erfindungsgemässen Ableiter lassen sich die als Steuerungs- und Abschirmkörper wirkenden Beläge mit geringem Aufwand sehr genau berechnen. Durch die einstufige Anordnung der Beläge wird in einfacher Weise ein hoher Grad an Linearisierung der Potentialverteilung längs des Ableiteraktivteils erreicht. Das bedeutet, dass die Abmessungen des Ableiters minimalisiert werden können. Elektrische Feldbilder zur Ermittlung der Potentialverteilung sind nicht notwendig.

[0004] Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So wird mit den Massnahmen gemäss Anspruch 2 bereits ein für die meisten Ableiter ausreichender Grad an Linearisierung erreicht, wohingegen sich der Ableiter gemäss Anspruch 3 durch einen nahezu linearen Potentialabbau auszeichnet. Die Ausgestaltung des erfindungsgemässen Ueberspannungsableiters gemäss Anspruch 4 weist besonders geringe Streukapazitäten im kritischen Hochspannungsbereich auf. Die erfindungsgemässen Ableiter gemäss den Ansprüchen 5, 6 und 7 lassen sich aufgrund der geeignet angeordneten Beläge besonders einfach und exakt berechnen, wobei sich der Ableiter gemäss Anspruch 7 wegen der Verwendung gleich breiter Beläge darüber hinaus besonders leicht herstellen lässt. Die Ausführungsform nach Unteranspruch 8 ist sehr empfehlenswert, da beim Wickeln des Isolierstoffkörpers die bei der Herstellung von Kondensator-Durchführungen bekannte Wickeltechnik angewandt werden kann. Darüber hinaus kann der gewickelte Isolierstoffkörper gegebenenfalls als Zugelement zur Verspannung der Ableiterelemente des Aktivteils benutzt werden. Bei der Ausführungsform gemäss Anspruch 9 wird in besonders zweckmässiger Weise die gegebenenfalls am Ableiteraktivteil auftretende Wärme abgeführt.

[0005] Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben.

[0006] Es zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Ableiters, bei dem die Beläge gleiche axiale Länge (e) und Treppenstufen gleicher Breite (s) aufweisen, jedoch benachbarte Beläge von innen nach aussen in zunehmendem Masse voneinander entfernt sind, und

Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Ableiters, bei dem die Beläge gleichen Abstand (d) voneinander und Treppenstufen gleicher Breite (s) aufweisen, jedoch benachbarte Beläge von innen nach aussen in zunehmendem Masse eine geringere Axialerstreckung (e ) aufweisen.

[0007] In gleichen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen auch gleiche Elemente bezeichnet. Mit 2 sind zylindersymmetrisehe, zinkoxidhaltige Widerstandsscheiben bezeichnet, welche säulenförmig übereinander gestapelt sind, wobei die unterste Scheibe mit Erde und die oberste Scheibe mit Hochspannung 7 verbunden ist. Diese Scheiben bilden die Elemente des Aktivteils 3 eines Ueberspannungsableiters und befinden sich im Inneren einer metallischen Kapselung 1, welche mit einem Isoliermittel, etwa gasförmigem Schwefelhexafluorid. (SF₆) oder Stickstoff, gefüllt ist. Zwischen den Scheiben 2 und der Kapselung 1 befindet sich ein rotationssymmetrischer Isolierkörper 5, in welchem den Ableiteraktivteil 3 konzentrisch umgebende, voneinander elektrisch isolierte und parallel zur Säulenachse 4 des Ableiteraktivteils 3 angeordnete, elektrisch leitende Beläge 6 vorgesehen sind. Zwischen Aktivteil 3 und Isolierkörper 5 sind längs des Aktivteils sich erstreckende Kanäle 8 vorgesehen, durch die das Isoliermittel zirkulieren und gegebenenfalls am Aktivteil 3 auftretende Wärme abführen kann. Eine auf Hochspannungspotential liegende Schirmelektrode 9 homogenisiert das elektrische Feld der im Bereich des Hochspannungspotentials 7 angeordneten innersten Beläge 6.

[0008] Die kapazitiv wirkenden Beläge 6 sind derart im Isolierkörper 5 angeordnet, dass die Spannung zwischen Hochspannungspotential 7 und Erde linear über den Aktivteil 3 abgebaut wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Beläge 6 auf ihren von der hochspannungsführenden Seite des Aktivteils 3 abgewandten Enden auf der Innenseite mit geeigneter Stufenbreite s gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die Elementarkapazitäten zwischen benachbarten Belägen 6 durch die richtige Wahl des Abstandes d, der Länge e und des Radius r dieser Beläge unter Berücksichtigung der Streukapazitäten geeignet bestimmt werden. Die Beläge 6 bilden auf ihren inneren, dem Aktivteil 3 zugewandten Seiten eine Treppe, deren Stufen im Bereich der hochspannungsführenden Seite des Aktivteils 3 vom Aktivteil 3 den geringsten Abstand aufweisen. Der mit geringstem Abstand vom Aktivteil 3 angeordnete Belag im Bereich der hochspannungsführenden Seite des Aktivteils 3 ist mit Hochspannungspotential 7 verbunden, während der den grössten Abstand vom Aktivteil 3 aufweisende Belag im Bereich des geerdeten Teils des Aktivteils 3 angebracht und mit Erde verbunden ist. Leicht zu realisierende lineare Potentialverteilungen längs des Aktivteils 3 ergeben sich dann, wenn die Breite s der Treppenstufen und - wie in Fig. 1 - die Länge ℓ der Beläge 6 jeweils in axialer Richtung konstant sind und die in radialer Richtung durch den Abstand zweier benachbarter Beläge 6 bestimmte Stufenhöhe von innen nach aussen zunimmt oder - wie in Fig. 2 - die Stufenhöhe d konstant ist und die Länge e benachbarter Beläge von innen nach aussen abnimmt.

[0009] Es ist nicht notwendig, dass die den Aktivteil 3 umgebenden Beläge 6 galvanisch ringförmig geschlossen sind. So hat es sich als besonders zweckmässig herausgestellt, die Beläge in einen folienförmigen Isolierstoff wie Hart- oder Weichpapier von ca. 0,1 mm Dicke oder irgendeinen isolierenden Kunststoff sukzessive einzuwickeln. Die Beläge werden hierbei als dünne Metallfolie eingelegt oder als einige pm dicke Leitschicht aufgedruckt. Der gewickelte Isolierstoffkörper 5 ist im allgemeinen zylindersymmetrisch. Um die Erdkapazitäten klein zu halten, ist es jedoch vorteilhaft, Teile des Körpers 5 zwischen Belag 6 und Gehäuse 1 zu entfernen, so dass der Körper 5 - wie den Figuren zu entnehmen ist - auf der Aussenseite zumindest teilweise als

[0010] Kegelstumpf ausgebildet ist. Aufgrund der Wickeltechnik weisen die Beläge 6 keine strenge Rotationssymmetrie um die Säulenachse 4 auf, sondern erweitern sich entsprechend der Foliendicke spiralförmig, doch ist diese Abweichung von der Zylindersymmetrie vernachlässigbar, da der Abstand Belag 6 Aktivteil 3 verglichen mit der Schichtdicke der Folie um Grössenordnungen höher liegt. Durch die Wickeltechnik lassen sich nicht nur in einfacher Weise die Beläge 6 im Isolierstjoffkörper 5 fixieren, sondern lässt sich durch mehrfaches Wickeln der Folien in einfacher Weise die Stufenhöhe d verändern.

[0011] Für den erfindungsgemässen Ueberspannungsableiter sind funkenstreckenfreie Ableiterelemente wie etwa zinkoxidhaltige Widerstände besonders geeignet, doch ist es möglich, auch funkenstreckenhaltige Aktivteile einzusetzen.

Bezeichnungsliste

[0012] 

1 Gehäuse

2 Ableiterelemente

3 Ableiteraktivteil

4 Säulenachse

5 Isolierkörper

6 Beläge

7 Hochspannungspotential

8 Kanäle

9 Schirmelektrode

d Abstand benachbarter Beläge Länge eines Belags

r Radius eines Belags

s Versetzung benachbarter Beläge

Ansprüche

1. In ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse eingeschlossener Ueberspannungsableiter mit scheibenförmigen, zu mindestens einer Säule übereinander gestapelten aktiven Ableiterelementen und mit Abschirm- und Steuerungskörpern zur Erzeugung einer linearen Potentialverteilung längs des säulenförmigen Ableiteraktivteils, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschirm- und Steuerungskörper den Ableiteraktivteil (3) annähernd konzentrisch umgebende, voneinander elektrisch isolierte und in einen Isolierkörper (5) parallel zur Säulenachse des Ableiteraktivteils (3) angeordnete, elektrisch leitende Beläge (6) vorgesehen sind, deren von der hochspannungsführenden Seite des Ableiteraktivteils (3) abgewandten Enden derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass die Beläge (6) auf den inneren, dem Ableiteraktivteil (3) zugewandten Seiten eine feinstufige Treppe bilden.

2. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treppe mindestens 10. stufenförmig angeordnete Beläge (6) aufweist.

3. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 50-150 Beläge (6) vorgesehen sind.

4. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet,dass der mit geringstem Abstand vom Ableiteraktivteil (3) angeordnete Belag (6) im Bereich der hochspannungsführenden Seite des Ableiteraktivteils (3) angebracht ist.

5. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (s) der Treppenstufen in axialer Richtung konstant ist.

6. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung durch den Abstand zweier benachbarter Beläge (6) bestimmte Stufenhöhe (d) konstant ist, und dass die Länge (e) benachbarter Beläge in axialer Richtung von innen nach aussen abnimmt.

7. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (e) der Beläge (6) in axialer Richtung konstant ist, und dass die in radialer Richtung durch den Abstand zweier benachbarter Beläge (6) bestimmte Stufenhöhe (d) von innen nach aussen zunimmt.

8. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beläge (6) in einen folienförmigen Isolierstoff wie Hart- oder Weichpapier gewickelt sind.

9. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Isolierkörper (5) und Ableiteraktivteil (3) sich längs des Ableiteraktivteils (3) erstreckende Kanäle (8) vorgesehen sind.

10. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffkörper (5) zumindest teilweise Kegelstumpfform aufweist.

Zeichnung