DE1946777U - Ueberspannungsableiter. - Google Patents

Description

PArB 13732*-S,6.6fi

Electric; Corporation
t Pittsburgh

WE-Case 32 927

- 62/8015

Überspannungsableiter

Hir diese Anmeldung wird die Priorität aus der entspreoliende.xi amerikanischen Patentanmeldung Sei*.No. 113 878

vom 31.5.1961 beansprucht.

Die befaßt sieh mit überspannungsableitern, insbesondere mit einer verbesserten Ausbildung, um bei diesen Koronaerscheinuiigen zu unterdrücken.

Wenn ein. überspannungsableiter auf der Oberfläche seines äußeren Gehäuses verschmutzt wird, kann eine spürbare Verringerung der inneren Überschlagsspannung beobachtet werden. Diese Verringe-

WE-Case 32 927

"■■ · - " „'· -■■-■ -

rung der inneren Übersclilagsspannung ergibt sich aus einer Veränderung des Spannungsgradienten an inneren Teilen. Wenn die Oberfläche eines Uberspannungsableitergehäuses verunreinigt wird, bildet der Überspannungsableiter im wesentlichen einen großen Kondensator. Die eine Fläche dieses Kondensators wird von der verunreinigten Außenfläche und die andere von uen inneren.Teilen des Ableiters gebildet. Die Veränderungen des Spannungsgradienten an den inneren Teilen sind das Ergebnis kapazitiver Ströme, die durch die Porzellanwand zwischen der verunreinigten Oberfläche und den inneren Teilen fließen«

Der Betrag der Verringerung der Überschlagsspannung hängt von der Größe des kapazitiven Stromes ab. Unter normalen Verhält-. ■Hissen mit einer sauberen und trockenen Porzellanoberfläche ist der Widerstand sehr groß» Er nähert sich dem Wert unendlich. Wenn die Ableiteroberfläche verunreinigt wird, fällt der Widerstandswert ab„ Er kann bis auf einen Kurzschlußwert herunter- _; gehen« Der Widerstand der Porzellanoberfläche kann also irgendwo zwischen den Grenzen "unendlich" und "Hull" schwanken. Zu einer Veränderung des Spannungsgradienten trägt ferner bei, daB der Oberflächenwiderstand sich nicht nur gleichmäßig über die gesamte Oberfläche ändern kann, sondern ein Teil der Oberfläche· kann einen V/iderstandswert in der Mähe von Null aifiveisen, während andere Teile noch nahezu einen unendlichen Widerstand besitzen.. Die Spannung an beliebigen Punkten der Ableiteraberflache ändert s'ich also mit der Oberflächenverschmutzung. Daraus ergibt sich, daß infolge der Änderung de's Widerstandes auf der Oberfläche des Porzellangehäuses eine Potentialdifferenz zwischen

WB-Case 32 927

der verschmutzten äußeren Oberfläche und inneren Teilen in Längsrichtung des Ableiters zustande kommt.

Der Betrag: des kapazitiven Stromes, der durch die Porzellanwand fließt, hängt neben anderen Einflußgrößen von dem Abstand zwischen üen beiden als Kondensatorplatten wirkenden Teilen, · der Fläche der beiden Platten und der Potentialdifferenz zwischen den Platten ab. Auf Grund der fließenden kapazitiven Ströme entsteht rings an den inneren Ableiterteilen Korona. Der Umfang der KorOnaerscheinungen hängt direkt -von der Größe des Stromes. ab. Dabei hat die Korona die. Wirkung, die beiden Platten scheinbar einander näher zu bringen. Diese Verkürzung des Abstandes zwischen den beiden Platten führt wiederum zu einer .stärkeren Ausbildung der Koronaerscheinungen. Der Vorgang kann sich * wiederholen, bis an einigen der inneren Ableiterteile ein fiberschlag entsteht, der ein Ansprechen des Ableiters zur Folge hat. Wenn die Verschmutzung sehr stark ist, kann der Ableiter " unter Umständen nicht in der lage sein, den Ableitstrom zu . unterbrechen.. In diesem Fall ergibt sich ein Versagen des Ableiters .

Die fläche der Platte, die von der verunreinigten Oberfläche gebildet wird, hängt von der Größe der Verschmutzung ab. Die .Fläche der anderen Platte, die von den inneren Ableiterteilen. gebildet wird, kann mit dem Ausmaß der Koronaerscheinungen schwanken. Die Bildung von Koronaentladungen führt zu einer , ■ effektiven Vergrößerung der Platte und bringt mithin eine ■

— 3 -

WE-Case 32 927

größere fläche. Bei der weiteren Ausbildung der Koronaentladung wird auch der wirksame Abstand zwischen den beiden verkleinert. Diese beiden Wirkungen führen zu einem Anwachsendes kapazitiven Stromes. Der kapazitive Strom wiederum verursacht weitere Koronaentladungen. Falls diese Umstände während:- ._:. einer verhältnismäßig langen Zeitdauer bestehen bleiben, kann sich im Ableiter ein Mederspannungsüberschlag bilden und. zu . der Möglichkeit des Versagens des Ableiters beitragen. Je nach,; der Stärke der Verschmutzung kann die Koronaentladung so weit fortschreiten, daß ~die Ansprechspannung des Ableiters um 20 bis -JOfo verringert wird. Das schwierige Problem der Einwirkung von Verschmutzung der Überspannungsableiter läßt sich also dadurch lösen,, daß die Koronaerscheinungen im Innern des Ableiters unter Kontrolle gebracht werden. -..

Das hauptsächliche Ziel der E besteht darin, einen Ableiter zu schaffen, der elektronegatives Gas enthält, um KarOnaerseheinungen zu unterdrücken, die auf Oberflächenvers ehmut zung: zurü ekzuf uhr en s i nd.

Ein anderes Ziel der liegt in der Schaffung eines ^; . Üb,erspannungsableiters, bei dem die Wirkung der Qberflächenverschfflutzung dadurch verkleinert wird, daß die Ausbildung von KorOnaentladungen an inneren Teilen des Ableiters verkleinert wird. Zu diesem Zweck ist ein elektronegatives Gas als Mittel zum Unterdrücken der Entladungen vorgesehen.'

WE-Case 32 927

Weitere Ziele und Vorteile deff B- ergeben sich aus den folgenden ins einzelne gehenden Beschreibungen in Zusammenhang. mit den Zeichnungeno Dabei zeigt

Figur 1 einen Teilschnitt eines Ableiters nach der , Figur 2 eine schematisch vereinfachte Darstellung der .

Kurz gesagt umfaßt die - einen Überspannungsleiter der " Ventiltype mit einer Anzahl Elektroden, die eine Funkenstrecke bildeii. Die funkenstrecke ist in einer dichten Kapsel untergebracht» Ferner gehört zu dem Ableiter eine Anzahl Widerstandsblöcke mit nicht-linearer Kennlinie. Die Widerstandsblöcke sind in Form einer Säule zusammen mit der Funkenstreckenkapsel angeordnet. Unter Umständen können eine oder auch mehrere Säulen aus-'Widerstandsblöcken und Funkenstreckenkapseln nebeneinander angeordnet sein. Ferner kann jede Säule nur aus Widerstandsblöcken, nur Funkenstrecken oder aus einer Kombination der beiden bestehen. Die gesamte Säule der inneren Elemente ist in einem Isolzerstoffrohr untergebracht. Dieses ist seinerseits in einem. größeren Isolierstoffzylinder angeordnet, der aus Porzellan oder einem anderen wetterfesten Material bestehen kann. Die Funkenstreckenkapsein sind abgeschlossen, um das Eindringen von Feuchtigkeit oder Verschmutzungen zu verhindern, durch die die Kennlinien der Ansprechspannungen der Funkenstrecke verändert werden können. Das äußere Gehäuse ist ebenfalls dicht verschlossen«, um den Eintritt von Feuchtigkeit' oder anderen Verunreinigungen zu verhindern, die die Widerstandsblöcke schädigen könn- ^: ten. Der freie Raum in dem äußeren Porzellanzylinder, der nicht von den Ä.b'Xeit erteilen eingenommen ist, ist mit einem elektrone— · gativen .Gas mit einem außerordentlich schweren Molekül, z.B. ;:;_ν>%^ν^τ.ΐί'|_:;ί_:-^_: - 5 - -

WE-Case 32 927

Schwefelhexafluoridgas (SFg), gefüllt. Das elektronegative das zum unterdrücken von Koronaentladungen verwendet wird, wird von der funkenstrecke selbst dadurch ferngehalten, daß dies in einer gesondert abgeschlossenen Kapsel untergebracht ist.

Xn einer bevorzugten Ausführungsform der -idu, die zum Zwecke der Erläuterung in den Zeichnungen dargestellt ist, umfaßt der Ableiter ein im allgemeinen zylindrisches Gehäuse TO. Das Gehäuse 10 besteht vorzugsweise aus Porzellan. Es kann aber auch aus anderen geeigneten wetterfesten Isolierstoffen hergestellt sein. Das Gehäuse 10 ist an jedem Ende mit einer metallischen Armatur 12 versehen. Die Armatur 12 ist auf das Gehäuse 10 bei 14 mit Zement aufgekittet oder in anderer geeigneter Weise befestigt. Eine Dichtung 16 zwischen jeder der beiden Armaturen 12 und dem Gehäuse 10 sorgt für einen dichten Abschluß des inneren Gehäuses 10. An der oberen Armatur 12 kann zum Anschluß des Ableiters an eine Leitung 13 oder ein anderes zu schützendes Gerät eine Anschlußklemme 18 vorgesehen sein. Din gleicher, nicht dargestellter unterer Anschluß ist für die Verbindung des Ableiters mit Erde vorgesehen.

Die tiberspannungsableiteranordnung, die von dem Gehäuse 10 aufgenommen wird', besteht aus einer oder mehreren Säulen 20 von Ableiterelementen. Bei mehreren Säulen sind die einzelnen Säulen in dem Gehäuse vorzugsweise in Heihe geschaltet, falls mehr als eine Säule 20 von Ableiterelementen vorhanden ist, sind die Säulen entweder übereinander oder nebeneinander in dem

• ' WE-Case 32 927

Porzellangehäuse untergebracht. Zu den Ableiterelementen zählen Funkenstreekenanordnungen 22 und Widerstandsblöcke 24 mit nichtlinearer Widerstandskennlinie. Die Widerstandsblöcke können von üblicher Art sein und beispielsweise aus Siliziumkarbid bestehen. Zu einer Säule kann jede beliebige Kombination von Funkenstreckenanordnungen: 22 und Widerstandsblöcken 24 vereinigt werden.

Die Funkenstreckenanordnung 22 kann z.B. so ausgebildet sein, wie in der amerikanischen Patentschrift 2 858 476 angegeben ist. Beim Ausführungsbeispiel besteht sie aus einer Anzahl Einzelfunkenstrecken 26, die in einem Porzellanrohr 28 als Säule angeordnet sind. Jede der Einzelfunkenstrecken 26 besteht aus einer flachen Elektrodenplatte 29 und einer verformten Elektrode 30 mit einer kreisförmigen Rippe, die mit der Elektrode 29 zusammen einen kreisringförmigen Funkenstreckenraum 31 bildet ο Die Elektroden 29 und 30 sind durch ein kreisringförtniges Abstandsstück 32 aus einem Material großen Widerstandes gegeneinander abgestützt. In dem Raum, der von den Rippen aneinander grenzender Elektroden 30 gebildet wird, kann ein Dauermagnet 34 angeordnet sein. Der Dauermagnet ruft ein magnetisches Feld im Funkenstreckenraum, hervor, das eine Bewegung des lichtbogen;» zur Folge hat, durch die dessen Löschung erleichtert wird* Je nach der gewünschten Spannung kann jede beliebige Zahl Funkenstrecken 26 in dem Rohr 28 mit leitenden Zwischenstücken zu einer Säule vereinigt werden. Die nicht dargestellten leitenden-Zwischenstücke sind, falls erforderlich, am oberen und unteren Ende der Säule einzufügen. Die Enden des Porzellanrohres 28 können mit metallischen Endkappen 36 verschlossen sein, die mit

WE-Case 32 927

dem Porzellan in geeigneter Weise, z.B. durch Auflöten auf einen metallischen Überzug auf dem Porzellan, verbunden sein, wie bis 38 angedeutet ist. Um die einzelnen Funkenstreckenanordnungen 26 in Kontakt miteinander und mit den Bndkappen 36 zu halten, sind besonders in der Figur nicht dargestelltes Mittel vorgesehen.

Die Widerstandsblöcke 24 können von irgendwelchen geeigneten Widerständen mit nichtlinearer Kennlinie gebildete werden. Sie sind "vorzugsweise aus körnigem Siliziumkarbid hergestellt, das mit Hilfe von Hatriumsvilikat als Bindemittel in die gewünschte Größe und form gebracht und in bekannter Weise zu Widerstands— blöcken gebacken wird. Die Säule der Widerstandselemente, die in der Figur 1 dargestellt ist, besteht aus einer Funkenstreckenanordnung 22 und einer Anzahl Widerstandsblöcke 24. Die Elemente sind in leihe geschaltet und in einem Rohr 39 aus einem geeigneten mechanisch festen Isoliermaterial als Säule angeordnet. Das &ZYm Ende des Rohres ist durch eine Kappe 40 verschlossen.

Der freie Baum zwischen dem Isolierstoffgehäuse 10 und dem Isolierstoffrohr 39 ist mit einem Stoff gefüllt, der Koronaerscheinungen unterdrückt. Als ein solcher Stoff ist z.B. Schwefelhexafluoridgas geeignet. Es wird beim Ausführungsbeispiel verwendet. Daneben können aber auch Gaseoder Gasmischungen oder andere Stoffe Anwendung finden, deren Fähigkeit, Koronaerscheinungen zu unterdrücken, denen von Schwefelhexafluorid gleichwertig sind. Im wesentlichen sind alle elektronegativen Gase

WE-Case 32 927

oder Elektronen absorbierende Stoffe geeignet, die ein schweres Molekül aufw eisen.

Durch das Schwefelhexafluoridgas werden Koronaerscheinungen unterdrückt, die sich ausbilden, wenn die Außenfläche des Gehäuses TO verschmutzt wird. Dadurch wird eine Verringerung;" der -Überschlagsspannung in verschmutztem Zustand vermieden. Wesentlich, ist hierbei jedoch, daß das Schwefelhexafluoridgas oder ein ähnliches elektronegatives Gas aus dem Bereich der Punkenstreekenanordnung in dem Gehäuse 28 ausgeschlossen bleibt. Dies ist deshalb wichtig, weil Schwefelhexafluoridgas sowie andere elektronegative Gase zur Unterdrückung eines Lichtbogens führen und geeignet sind, elektrische Lichtbogen ebenso gut zu löschen oder unterbrechen, wie die Bildung von Lichtbogen ZU unterdrücken. Die Anwesenheit von Schwefelhexafluoridgas im Räum der Funkenstrecke würde daher die normale Ansprechspannung; und andere elektrische Eigenschaften der Funkenstrecke ändern. Bs ist jedoch erwünscht, daß die elektrischen Eigenschaften der Funkenstrecke durch das Mittel zur Unterdrückung der Korona nicht beeinflußt werden. Die Fähigkeit des SFg-Gases, Elektronen anzulagern., soll bei der Erfindung nur zur Unterdrückung oder beträchtliehen Verringerung von Koronaerscheinungen in dem Ableiter' verwendet werden. Dadurch sollen unerwünschte ?/irkungen der Verschmutzung unterbunden sein. Dieses Ziel soll ohne Änderung dex tlberschlagskennlinie erreicht werden. Bisher war es dagegen: so, daß eine drastische Verringerung der inneren ¥berschlagsfestigkeit zu beobachten war, wenn ein Ableiter verschmutzt wurde.

WE-Case 32 927

Die folgende Tabelle zeigt die Wirkung der Verschmutzung auf einem 7berspannungsleiter. Wie zu sehen ist, ergibt sich eine beträchtliche Verringerung der 1 berschlagsspannung bei einem verschmutzten Ableiter»

Ableiter- öOHz-Ansprechwechsel- öOHz-Ansprech- Verringerung nennspannung spannung in sauberem wechselspannung der Ansprech- und trockenem Zustand in verschmutztem spannung in

Zustand io

37 KV	85 KV	63 KV	. 26 fo
60 KV	132 KV	99 KV	25 Φ
121 KV	282 KV	178 KV	29 fo
121 KV*	25a KV	227 KV	12 io
-1 sr kv	310 KV	200 KV	35 1°

*): 121 KV-Ableiter mit

Es ist festzuhalten, daß die Tabelle der obeingegebenen Meßwerte eine beträchtliche Verbesserung in der Aufreclrterhaltung der ^bersehlagskennlanienn. für den Ableiter zeigt, der mit SFg-Gras gefüllt ist» Dies ergibt sich aus den Angaben für den Ableiter mit 121 KV Nennspannung.

Der Vorgang, der sich bei der Verringerung der Überschlagsspannung eines verunreinigten Ableiters ergibt, kann am besten anhand der Figur 2 verstanden werden. Unter normalen Bedingungen (in oauiherem und trockenem Zustand) sind die Widerstände der Bor ζ eÜanÄer fläche, die in der Figur 2 mit R₁, R₂, R₅,'-iß| Und Hr bezeichnet sind, sehr groß. Ihr Wert ist annähernd unendlich. Bei einer Verschmutzung der Ableiterfläche sinkt der Widerstands-

- 10 -

WE-Case 32 927

wert. Er kann bis auf den Wert eines Kurzschlusses abnehmen. Mit anderen Worten, der Widerstand der Porzellanoberfläche kann irgendwo zwischen den Grenzen eines unendlichen Widerstandes und des Widerstandes Null liegen. Der Widerstand kann außerdem über die gesamte Oberfläche gesehen ungleichmäßig veränderlich sein. Dadurch wird der Vorgang weiter kompliziert. Eiii Teil der Oberfläche kann einen Wert in der Nähe von Null, · ein anderer dagegen in der Nähe von unendlich haben. Die Spannungan beliebigen Punkten des Ableiters ändert sich direkt mit dem Widerstand an der verschmutzten Oberfläche.

Der wirkliche Mechanismus der Verringerung der inneren Überschlags spannung ergibt sich aus einer Änderung des Spannungsgradienten an inneren Teilen. Die Änderung ist die Folge kapa- ■ zitiver Ströme, die durch die Porzellanwand zwischen der verunreinigten Oberfläche und den inneren Teilen fließen. In Figur 2 sind die Kapazitäten zwischen der verschmutzten Oberfläche und den inneren Teilen C., C₂, G₃, G. und G,- bezeichnet. Die Ströme über diese Kapazitäten sind mit i., ±2* ΐ-ζ* i-λ ^un^ ^s bezeichnet. Die Größe der kapazitiven Ströme hängt unter anderem von folgendem ab:

1. der Dielektrizitätskonstante des Stoffes,der die beiden Platten voneinander trennt,

2. der Potentialdifferenz zwischen den beiden Platten,

3. der Fläche der beiden Platten,

4. der Entfernung zwischen den beiden Platten.

Aus einer gesonderten Betrachtung der vier vorstehenden Faktoren

- 11 -

WE-Case 32 927 V

ergibt sich, daß einige festliegen und nicht beeinflußbar sind, andere können dagegen gesteuert werden. So ist z.B. die Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen den beiden Platten festgelegt, wenn der Ableiter einmal gebaut und verschlossen ist. Die Ibtentialdifferenz zwischen den beiden Platten hängt von der Größe der verschmutzten Pläche ab. Sie kann für jeden Augenblickswert der Zeit als fester Wert angesehen werden. Die Pläche' der einen Platte, die von der verschmutzten Oberfläche gebildet wird, hängt vom Grad der Verschmutzung ab. Sie kann ebenfalls als fest angesehen werden. Die Pläche der anderen Platte, die von den inneren Teilen gebildet wird, schwanJct dagegen mit der Größe der Koronaerscheinungen. Die Bildung von Korona vergrößert die Abmessungen der inneren leitenden Teile und stellt eine Vergrößerung der Pläche dar. Auch der Abstand zwischen den beiden Platten schwankt mit der Stärke eier Koronaentladungen.. Beim Aufbauen der Korona wird die Entfernung zwischen Platten verringert.

Aus.den vorstehenden Betrachtungen wird ersichtlich, daß die beiden am besten für eine Beeinflussung geeigneten Punkte in der Pläche der inneren Platte, und in der Entfernung der beiden Platten bestehen, weil beide Werte von der Größe der Korona abhängen. £er größte Anteil der Verringerung der tfoerschlags-Bpannung ergibt si&h aus dem Aufbau von Korona an den inneren

:-sf⁹

Teilen. Sie Stärke der Korona hängt direkt von der Größe der Ladeström/e ab und die Größe der Ströme ist direkt eine Punktion der Koronaentwicklung. Beim Entstehen von Koronaerscheinungen

- 12 -

fE-Case 52 927

an den Inneren Teilen wird die wirksame Fläche des Kondensators vergrößert und der wirksame Abstand zwischen den zwei Platten" verringert. Beide Wirkungen führen zu einem verstärkten ladestroBi-= Dieser wieder verursacht weitere Koronaentladungen.

In Abhängigkeit von der Stärke der Yerschmutzung kann die Koronawirkung soweit fortschreiten, daß eine Verringerung der Ablelteransprechspannung von 20 bis 30% eintritt. Falls dieser Zustand für eine verhältnismäßig lange Zeitdauer anhält, kann. der Ableiter bei niedriger Spannung ansprechen. Dies trägt zu der Möglichkeit eines Versagens des Ableiters bei. Ausgehend: von dieser Theorie werden elektronegative Gase, z.B. Schwefei·^ hexafluoridgas, in das Ableitergehäuse eingefügt. SchwefelhexaflUOridgas ist wegen seiner isolierenden und lichtb'ogenlöscheMen Fähigkeiten seit langem bekannt. Daneben besitzt Schwefelhexafluoridgas auch die Fähigkeit, Koronaerscheinungen zu unterdrücken. Eigenschaften, die bei der Unterdrückung von ■ Korona eine Rolle spielen, sind das sehr große schwere SFglolektll und seine Fähigkeit, Elektronen anzulagern«

Der Aufbau von Korona an den inneren Teilen des Ableiters wird durch die Verwendung von SFg als Mittel zur Unterdrückung der Korona beeinflußt- Gleichzeitig werden jedoch die tiberschlagseigenschafteh der funkenstrecken des Ableiters nicht geändert.

Zur Erläuterung der wurde ein spezielles Ausführungsbeispiel dargestellt und beschrieben. Im Rahmen der Erfindung sind aber auch verschiedene andere Ausführungsformen möglich.

- 13 -

WE-Case 32 927

So kann die !it nebeneinander angeordneten Säulen von Ableiterelementen z.B. auch in einem Ableiter ebenso wie in einem Ableiter mit einem mehrteiligen äußeren Porzellangehäuse verwendet werden. In beiden Fällen ist der Einfluß der Verschmutzung in gleicher Weise bedenklich und eine Beeinflussung dieser Wirkung erreichbar. Ferner können auch zwei oder mehr der beschriebenen Ableiter in einem einzigen Gehäuse in Reihe geschaltet oder zwei Anordnu-ngen können aneinander befestigt sein.

2 Figuren

3 Ansprüche

- 14 -

Claims (2)

1. Überspannungsableiter für Hochspannung mit einem geschlossenen Gehäuse, das einen spannungsabhängigen Widerstand und eine in Reihe mit diesem geschaltete Funkenstrecke enthält und mit einem elektronegativen Gas, vorzugsweise Schwefelhexafluorid (SF>), gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecke für sich gasdicht gekapselt ist, um das elektronegative Gas fernzuhalten.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Funkenstrecke in einem,, insbesondere aus ■ Porzellan bestehenden Isolierstoffrohr angeordnet sind, dessen Stirnseiten durch Metallkappen gasdicht verschlossen sind.

3ο Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekapselte Funkenstrecke mit dem spannungsabhängigen Widerstand zu einer Säule im Ableitergehäuse übereinander gestapelt ist»

- 15 -