ÜBERSPANNUNGSABLEITER

Abstract

 Die Erfindung betrifft Überspannungsableiter, wie sie zum Schutz vor Überspannungen in elektrischen Energieübertragungsnetzen eingesetzt werden. Ein solcher Überspannungsableiter (1) weist eine sich entlang einer Längsachse (40) erstreckenden Ableitsäule auf, die mittels mehrerer die Ableitsäule (2) radial umgebenden und in Endarmaturen (3) festgelegten Zugelemente (4) zwischen den Endarmaturen (3) eingespannt ist. Zumindest eine der Endarmaturen weist ein erstes Gewinde (7) zur Befestigung eines Anschlussbolzens (15) auf. Außerdem weist die Endarmatur (3) einen Armaturkörper (10) mit einem zweiten Gewinde (8) zur Aufnahme einer Druckschraube (14) zur Erzeugung einer axialen Kraft auf die Ableitsäule (2) auf. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich das erste und zweite Gewinde (7, 8) entlang eines axialen Abschnitts (9) überlappen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Überspannungsableiter, wie sie zum Schutz vor Überspannungen in elektrischen Energieübertragungsnetzen eingesetzt werden. Ein solcher Überspannungsableiter ist einerseits elektrisch mit einer Hoch- oder Mittelspannungsübertragungsleitung verbunden, andererseits mit Erdpotential. Im Normalbetrieb wirkt der Überspannungsableiter wie ein Isolator. Bei Auftreten einer Überspannung durch zum Beispiel Blitzeinschlag oder Schaltvorgänge wird er Überspannungsableiter leitend und leitet die Überspannung zur Erde hin ab. Ist die Überspannung abgeklungen, so wird der Überspannungsableiter wieder isolierend. Dazu weist der Überspannungsableiter eine Ableitsäule mit einem spannungsabhängigen elektrischen Widerstand, einem sogenannten Varistor, auf. Unterhalb einer Schwellenspannung, die eine Materialeigenschaft des Varistors ist, ist die Ableitsäule hochohmig und wirkt als Isolator. Bei Überschreiten Schwellenspannung verringert sich der Widerstand des Varistors, die Ableitsäule wird leitend und leitet die Überspannung zur Erde hin ab.

[0002] Für Anwendungen in elektrischen Übertragungsnetzen ist eine Ableitsäule eines Überspannungsableiters häufig als zylindrische Säule aus aufeinander gestapelten einzelnen Varistorblöcken aufgebaut. Die Varistorblöcke sind ihrerseits zylindrische, meist kreiszylindrische, Blöcke aus einem spannungsabhängigen Material wie beispielsweise Zinkoxid oder Siliziumkarbid. Diese sind mit ihren Stirnflächen aufeinander zur Ableitsäule gestapelt. Damit die Ableitsäule einerseits mechanisch stabil ist und andererseits die Varistorblöcke einen guten elektrischen Kontakt miteinander haben, muss die Ableitsäule unter Druck zusammengehalten werden. Grundsätzlich unterscheidet man zwei unterschiedliche Bauweisen.

[0003] Beim sogenannten Rohr-Design ist die Ableitsäule in einem mechanisch stabilen Gehäuse angeordnet und zwischen Flanschen des Gehäuses eingespannt.

[0004] Beim sogenannten Käfig-Design ist die Ableitsäule von einem Käfig aus Zugelementen, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff, umgeben, die in Endarmaturen verspannt sind und so die Ableitsäule zusammenhalten.

[0005] Es gibt auch Mischformen, bei dem eine durch Zugelemente eingespannte Ableitsäule in einem mechanisch stabilen Gehäuse angeordnet ist. Dies erhöht die mechanische Stabilität und erleichtert die Montage.

[0006] Für Freiluftanwendungen weist der Überspannungsableiter einen Außenmantel aus einem wetterfesten Material, wie beispielsweise Silikon, auf.

[0007] Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter im Käfig-Design unabhängig davon, ob dieser zusätzlich in einem mechanisch stabilen Gehäuse angeordnet ist.

[0008] Die WO 2006/125753 A1 zeigt einen solchen Überspannungsableiter. Die Endarmaturen, in denen die Zugelemente eingespannt sind, weisen eine durchgehende axiale Bohrung mit einem Gewinde auf. In dieses ist einerseits eine Druckschraube eingeschraubt, die einen axialen Druck auf die Ableitsäule ausübt. Andererseits ist in diese Bohrung ein von außen zugänglicher Anschlussbolzen eingeschraubt, der zum elektrischen Anschluss dient. Beide benötigen zur Übertragung der notwendigen Kräfte eine in dem Gewinde eingeschraubte Mindestlänge. Diese bestimmt im Wesentlichen die Dicke der Endarmatur. Bemühungen, die Endarmatur kompakter zu gestalten, um die Gesamtlänge des Überspannungsableiters zu verringern, werden durch die erforderliche Mindestlänge erschwert.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überspannungsableiter mit kompakten Endarmaturen anzugeben.

[0010] Dabei weist ein Überspannungsableiter eine sich entlang einer Längsachse erstreckende Ableitsäule auf, die aus mehreren aufeinandergestapelten Varistorblöcken gebildet ist. Die Ableitsäule ist mittels mehrerer diese radial umgebenden und in Endarmaturen festgelegten Zugelemente zwischen den Endarmaturen eingespannt. Zumindest eine der Endarmaturen weist ein erstes Gewinde zur Befestigung eines Anschlussbolzens auf. Der Anschlussbolzen dient zum Anschluss des Überspannungsableiters an eine Freileitung eines Energieübertragungsnetzes. Außerdem weist die Endarmatur einen Armaturkörper mit einem zweiten Gewinde zur Aufnahme einer Druckschraube zur Erzeugung einer axialen Kraft auf die Ableitsäule auf. Mittels der Druckschraube wird die Ableitsäule axial zusammengepresst um einen möglichst guten Kontakt zwischen den die Ableitsäule bildenden Varistorblöcken zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das erste Gewinde und das zweite Gewinde derart zueinander angeordnet sind, dass sie sich entlang eines axialen, also eines sich parallel zur Längsachse erstreckenden, Abschnitts überlappen. Das erste und zweite Gewinde sind also derart parallel zueinander und parallel zur Längsachse angeordnet, dass eine radiale, also senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Ebene, die innerhalb von diesem axialen Abschnitt liegt, sowohl das erste Gewinde, als auch das zweite Gewinde schneidet. Dadurch kann der Armaturkörper und damit die Endarmatur in der Höhe um die Länge des axialen Abschnitts verkürzt gebaut werden.

[0011] Vorzugsweise sind das erste und zweite Gewinde koaxial zueinander und zur Längsachse angeordnet. Dies erleichtert die Herstellung und Montage.

[0012] In einer bevorzugten ersten Ausführungsform ist auch das erste Gewinde ein im Armaturkörper angeordnetes Innengewinde. Erstes und zweites Gewinde sind koaxial zueinander und zur Längsachse angeordnet. Die Druckschraube ist topfartig ausgeführt und in das zweite Gewinde eingeschraubt. Die Druckschraube weist einen zur Ableitsäule weisenden Boden und eine sich von diesem und der Ableitsäule weg erstreckende Seitenwand auf. Boden und Seitenwand umschließen einen hohlen Innenraum. Der Armaturkörper weist eine ringartige axiale Vertiefung auf, die sich in axialer Richtung vom inneren, also zur Ableitsäule weisenden Ende des ersten Gewindes nach außen, also von der Ableitsäule weg erstreckt. Das zweite Gewinde erstreckt sich in die axiale Vertiefung hinein. Es kann dabei auf der Außen- oder Innenwand der Vertiefung angeordnet sein.

[0013] Vorzugsweise weist der Boden eine Werkzeugaufnahme zur Aufnahme eines Schraubwerkzeugs auf. Die Werkzeugaufnahme kann beispielsweise ein Sechskantloch zur Aufnahme eines Inbus-Schlüssels sein. Dadurch kann ein Werkzeug durch die Bohrung des ersten Gewindes eingeführt werden, um von außen die Druckschraube zu drehen und damit die Ableitsäule zu spannen.

[0014] In einer bevorzugten Ausgestaltung der ersten Ausführungsform weist die Druckschraube ein oder mehrere Einspritzöffnungen auf, die dem Einspritzen von Vergussmasse in den hohlen Innenraum dienen. Bevorzugt erstreckt sich jede Einspritzöffnung vom Boden bis in die Seitenwand der Druckschraube. So kann beim Herstellen der Außenumhüllung, die üblicherweise durch Spritzgießen hergestellt wird, gleichzeitig der Innenraum mit Vergussmasse gefüllt und so abgedichtet werden. Aufwändige Dichtmaßnahmen können damit entfallen.

[0015] Bevorzugt wird auch, dass das zweite Gewinde ein Innengewinde ist und die Druckschraube an ihrer Seitenwand ein entsprechendes Außengewinde aufweist. Die Druckschraube weist dabei eine zylindrische Außenmantelfläche mit einem zum zweiten Gewinde korrespondierenden Gewinde auf.

[0016] In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Armaturkörper ringartig mit einer zylindrischen Innenmantelfläche ausgeführt, wobei das zweite Gewinde auf der Innenmantelfläche angeordnet ist. Die Druckschraube weist dabei eine zylindrische Außenmantelfläche mit einem zum zweiten Gewinde korrespondierenden Gewinde auf. Zum Spannen der Ableitsäule wird der Armaturkörper festgehalten, während die Druckschraube mittels eines Werkzeugs gedreht wird. Alternativ kann die Druckschraube festgehalten werden und die beiden gegenüberliegenden Armaturkörper mitsamt der Ableitsäule und den Zugelementen gemeinsam gedreht werden. Vorzugsweise sind dabei bei einer der Endarmaturen das erste und zweite Gewinde als Linksgewinde und bei der gegenüberliegenden Endarmatur als Rechtsgewinde ausgeführt. So können in einem Arbeitsgang beide Endarmaturen gleichmäßig gespannt werden.

[0017] Vorteilhaft ist bei der zweiten Ausführungsform, wenn die Druckschraube den Armaturkörper vollständig durchdringt, wobei das erste Gewinde in der Druckschraube angeordnet ist. So lässt sich die Druckschraube besonders einfach gestalten und herstellen.

[0018] In einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Gewinde im Armaturkörper angeordnet, wobei in einem radialen Abstand um das erste Gewinde mehrere zweite Gewinde um das erste Gewinde herum verteilt angeordnet sind, Dabei ist in jedem zweiten Gewinde eine Druckschraube angeordnet. Die Spannung der Ableitsäule erfolgt so außerhalb der Längsachse an mehreren Stellen, womit sich eine bessere Druckverteilung auf die Ableitsäule erreichen lässt.

[0019] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1

eine Teilschnittdarstellung eines bekannten Überspannungsableiters,

Figur 2

eine herkömmliche Endarmatur,

Figur 3

eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters,

Figur 4

eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters,

Figur 5

eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters,

Figur 6

eine weitere Ansicht der dritten Ausführungsform.

[0020] Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0021] Die Figur 1 zeigt einen herkömmlichen Überspannungsableiter 1 im sogenannten Käfig-Design mit einer aus mehreren Varistorelementen bestehenden Ableitsäule 2. Außer den Varistorelementen kann die Ableitsäule 2 noch weitere Elemente wie beispielsweise Metallblöcke (nicht dargestellt) zum Längenausgleich enthalten. Die Ableitsäule 2 wird an beiden Enden durch Endarmaturen 30 gehalten. Durch einen aus der Endarmatur 30 herausragenden Anschlussbolzen 15 kann der Überspannungsableiter 1 in das Stromversorgungssystem eingebunden werden. Um die erforderliche mechanische Festigkeit beispielsweise gegen Biegebeanspruchung zu erreichen, werden in den Endarmaturen 30 außen um die Ableitsäule herum und parallel zur Längsachse 40 des Überspannungsableiters liegende Zugelemente 4 eingespannt, die die Ableitsäule 2 unter Zug zusammenhalten. Diese Zugelemente 4 sind als Stäbe aus glasfaserverstärktem Kunststoff ausgeführt. Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse ist der Überspannungsableiter oft mit einer äußeren Umhüllung 31 aus Silikon versehen. An der Außenseite der Umhüllung 31 sind Schirme 32 vorgesehen, um den Kriechweg des Stromes zu vergrößern.

[0022] Die Figur 2 zeigt eine Endarmatur 30, wie sie in einem in der Figur 1 gezeigten Überspannungsableiter eingesetzt wird. Die am entgegengesetzten Ende des Überspannungsableiters angeordnete Endarmatur (kein Bezugszeichen da nicht sichtbar!) ist gleichartig zu dieser aufgebaut. In den Endarmaturen 30 sind Zugelemente 4 eingespannt. Diese können in der Endarmatur 30 verschraubt, verkeilt oder vercrimpt sein. Die Endarmaturen 30 weisen eine durchgehende Bohrung 6 auf. Diese weist im Unterschied zur WO 2006/125753 A1 hier Abschnitte 12 und 13 mit unterschiedlicher Weite auf. Der erste Abschnitt 12 weist ein erstes Gewinde 7 auf, der zweite Abschnitt 13 ein zweites Gewinde 8. Als Gewinde werden im Sinne der Erfindung Schraubengewinde verstanden, die als Innengewinde auf einer Innenmantelfläche einer kreiszylindrischen Bohrung oder als Außengewinde auf einer kreiszylindrischen Außenmantelfläche angeordnet sind. Der erste Abschnitt 12 mit dem ersten Gewinde 7 und der zweite Abschnitt 13 mit dem zweiten Gewinde 8 sind koaxial hintereinander angeordnet. Auf der Außenseite der Endarmatur 30 ist im ersten Abschnitt 12 ist ein Anschlussbolzen 15 in das erste Gewinde 7 eingeschraubt. Im zweiten Abschnitt 13 ist eine Druckschraube 14 in das zweite Gewinde 8 eingeschraubt. Die Druckschraube 14 wird von der Innenseite der Endarmatur 30 eingeschraubt und nach Montage der aus den Varistorblöcken 5 bestehenden Ableitsäule 2 und der Zugelemente 4 durch die zentrale Bohrung 6 mittels eines Werkzeugs in axialer Richtung zur Ableitsäule 2 hin eingeschraubt. Hierdurch wird eine Kraft auf die Ableitsäule 2 ausgeübt, die von den Zugelementen 4 aufgenommen wird. Zur besseren Druckverteilung kann zwischen der Druckschraube 14 und dem äußersten Varistorblock 5 der Ableitsäule 2 eine Druckscheibe 11 angeordnet sein. Nach dem Spannen der Ableitsäule 2 kann der Anschlussbolzen 15 in das erste Gewinde 7 der zentralen Bohrung 6 eingeschraubt werden.

[0023] Sowohl das erste Gewinde 7, als auch das zweite Gewinde 8 benötigen eine gewisse Mindestlänge L1 bzw. L2, da Anschlussbolzen 15 und Druckschraube 14 jeweils eine bestimmte Einschraubtiefe benötigen, um die auftretenden Kräfte auf den Flansch abtragen zu können. Insbesondere das zweite Gewinde 8 muss außerdem genügend Spielraum aufweisen, damit die Druckschraube 14 genügend weit aus dem zweiten Gewinde 8 heraus gedreht werden kann, um die notwendige Druckkraft auf die Ableitsäule 2 zu übertragen. Die notwendige Mindestlänge L1, L2 der Gewinde 7, 8 bestimmt die Mindestbauhöhe der Endarmatur 30 und beschränkt Bemühungen, diese kompakter zu gestalten.

[0024] Die Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Endarmatur 3, die eine kompaktere Bauweise ermöglicht. Dabei ist gegenüber der Endarmatur 30 der Figur 2 die zentrale Bohrung 6 des Armaturkörpers 10 im Bereich des zweiten Abschnitts 13 im Durchmesser stark vergrößert. Statt einer massiven Druckschraube 14 ist diese hier topfartig ausgestaltet, mit einer hohlkreiszylindrischen Seitenwand 20 und einem kreisförmigen Boden 21, der die Seitenwand 20 stirnseitig abschließt. Der Boden 21 liegt an der Ableitsäule 2 an, die Seitenwand 20 erstreckt sich vom Boden 21 von der Ableitsäule 2 weg. Im Bereich der Seitenwand 20 weist der Armaturkörper 10 eine von der Ableitsäule 2 weg gerichtete ringartige axiale Vertiefung 23 auf, in die die Seitenwand 20 der Druckschraube 14 eintaucht. Das zweite Gewinde 8 erstreckt sich bis in diese Vertiefung 23 hinein. Der erste Abschnitt 12 mit dem ersten Gewinde 7 und der zweite Abschnitt 13 mit dem zweiten Gewinde 8 überlappen so in einem axialen Abschnitt 9. Das erste und zweite Gewinde 7,8 sind also derart parallel zueinander und parallel zur Längsachse 40 angeordnet, dass eine radiale, also senkrecht zur Längsachse ausgerichtete Ebene, die innerhalb von diesem axialen Abschnitt 9 liegt, sowohl das erste Gewinde 7, als auch das zweite Gewinde 8 schneidet. Dadurch kann der Armaturkörper 10 und damit die Endarmatur 3 in der Höhe um die Länge des Abschnitts 9 verkürzt gebaut werden.

[0025] Im Bereich des Bodens 21 weist die Druckschraube 14 eine Werkzeugaufnahme 16 hier in Form eines Innensechskant auf. In diese kann durch die zentrale Bohrung 6 von außen ein Werkzeug eingesetzt werden, um die Druckschraube 14 zu drehen und gegen die Ableitsäule 2 zu pressen, um die notwendige Druckkraft zu erzeugen. Statt eines Innensechskantes könnte der Boden 21 auch auf seiner der Ableitsäule 2 entgegengesetzten Seite eine Aufnahme für einen Steckschlüssel aufweisen.

[0026] Der Boden 21 kann außerdem eine oder mehrere Einspritzöffnungen 17 aufweisen, die sich bis in die Seitenwand 20 hinein erstrecken. Durch diese Einspritzöffnungen 17 kann beim Guss der äußeren Umhüllung 31 Vergussmasse, beispielsweise Silikon, in den Innenraum 22 der Druckschraube 14 eintreten und so die zentrale Bohrung 6 abdichten. Ein bisher übliches Abdichten von der Außenseite der Endarmatur 3 kann damit entfallen.

[0027] In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Armaturkörper 10 ringartig ausgeführt. Er weist eine zylindrische Innenmantelfläche auf, auf der das zweite Gewinde 8 angeordnet ist. Die Druckschraube 14 weist eine zylindrische Außenmantelfläche mit einem dazu korrespondierenden Gewinde auf. In der hier dargestellten bevorzugten Ausführung durchdringt die Druckschraube 14 den Armaturkörper 10 vollständig. Das erste Gewinde 7 ist in der Druckschraube 14 angeordnet, vorzugsweise wie hier dargestellt, koaxial mit dem zweiten Gewinde 8. Das erste Gewinde erstreckt sich über einen ersten Abschnitt 12, das zweite über einen zweiten Abschnitt 13. Die beiden Abschnitte 12, 13 überlappen sich im axialen Abschnitt 9.

[0028] Die Figuren 5 und 6 zeigen eine dritte Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Perspektiven. Hier ist das erste Gewinde 7 im Armaturkörper 10 angeordnet. Um den Mittelpunkt des ersten Gewindes 7 sind kreisförmig verteilt in einem radialen Abstand mehrere zweite Gewinde 8 im Armaturkörper 10 angeordnet. In jedem der zweiten Gewinde 8 ist eine Druckschraube 14 angeordnet, die in gespanntem Zustand gegen die Ableitsäule 2 beziehungsweise gegen die Druckscheibe 11 gepresst ist. Wie in den vorher beschriebenen Ausführungen erstreckt sich das erste Gewinde 7 über den ersten Abschnitt 12 und das zweite Gewinde 8 über den axialen Abschnitt 13. Im axialen Abschnitt 9 überlappen der erste Abschnitt 12 und der zweite Abschnitt 13. Die Druckschrauben 14 sind vorzugsweise als Gewindestifte, auch Madenschrauben genannt, ausgeführt.

Ansprüche

1. Überspannungsableiter (1) mit einer sich entlang einer Längsachse (40) erstreckenden Ableitsäule, die mittels mehrerer die Ableitsäule (2) radial umgebenden und in Endarmaturen (3) festgelegten Zugelemente (4) zwischen den Endarmaturen (3) eingespannt ist, wobei zumindest eine der Endarmaturen (3) ein erstes Gewinde (7) zur Befestigung eines Anschlussbolzens (15) und einen Armaturkörper (10) mit einem zweiten Gewinde (8) zur Aufnahme einer Druckschraube (14) zur Erzeugung einer axialen Kraft auf die Ableitsäule (2) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich das erste und zweite Gewinde (7, 8) entlang eines axialen Abschnitts (9) überlappen.

2. Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste und zweite Gewinde (7, 8) koaxial zueinander und zur Längsachse (40) angeordnet sind.

3. Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Gewinde (7) im Armaturkörper (10) angeordnet ist, wobei die Druckschraube (14) topfartig ausgeführt ist, mit einem zur Ableitsäule (2) weisenden Boden (21) und einer sich von diesem weg erstreckenden Seitenwand (20), die einen hohlen Innenraum (22) umschließen, wobei sich das zweite Gewinde (8) in eine axiale Vertiefung (23) des Armaturkörpers (10) hinein ausdehnt.

4. Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Boden (21) eine Werkzeugaufnahme (16) zur Aufnahme eines Schraubwerkzeugs aufweist.

5. Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckschraube (14) Einspritzöffnungen (17) zum Einspritzen von Vergussmasse in den Innenraum (22) aufweist.

6. Überspannungsableiter (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zweite Gewinde (8) ein Innengewinde ist und die Druckschraube an ihrer Seitenwand (20) ein entsprechendes Außengewinde aufweist.

7. Überspannungsableiter (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Armaturkörper (10) ringartig mit einer zylindrischen Innenmantelfläche ausgeführt ist, wobei das zweite Gewinde (8) auf der Innenmantelfläche angeordnet ist und wobei die Druckschraube (14) eine zylindrische Außenmantelfläche mit einem zum zweiten Gewinde (8) korrespondierenden Gewinde aufweist.

8. Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Druckschraube (14) den Armaturkörper (10) vollständig durchdringt, wobei das erste Gewinde (7) in der Druckschraube angeordnet ist.

9. Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Gewinde (7) im Armaturkörper (10) angeordnet ist, wobei in einem radialen Abstand um das erste Gewinde (7) mehrere zweite Gewinde (8) um das erste Gewinde (7) herum verteilt angeordnet sind, wobei in jedem zweiten Gewinde (8) eine Druckschraube (14) angeordnet ist.

Zeichnung