DE2912844C2

DE2912844C2 - Blitzschutzvorrichtung

Info

Publication number: DE2912844C2
Application number: DE2912844A
Authority: DE
Inventors: Mitsumasa Toyonaka Osaka Imataki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-04-12
Filing date: 1979-03-30
Publication date: 1984-07-05
Also published as: SE435665B; FR2421494B1; US4227229A; CA1113149A; DE2912844A1; CH645483A5; SE7902811L; FR2421494A1; JPS54134628A; JPS5830819B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Blitzschutzvorrichtung [Γ nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

■V Geschlossen bzw. gekapselte Blitzsehutzvorrichtun-

i| gen einer üblichen Bauart (vgl. z. B. DE-OS 23 34 420)

■ ■· umfassen ein geerdetes Gehäuse und einen darin be-

': findlichen Stapel aus übereinander angeordneten, nicht-

ί,/| linearen Widerständen, die im wesentlichen aus gesin-

ΰ} tertem Zinkoxid bestehen. Da die elektrostatische Ka-

pazität, die zwischen dem geerdeten Gehäuse und den

i; einzelnen nichtlinearen Widerständen entsteht, in bezug

i·'·'¹' auf jeden dieser Widerstände selbst nicht vernachlässigt

\<h werden kann, ergibt sich der Nachteil, daß die Widerstände bei der anliegenden üblichen Netzspannung und ;;/:; Netzfrequenz eine ungleichmäßige Potcntialverteilung

Ik. über sich einstellen, wobei die an der Eingangsseite be-

ί ' findlichen Widerstände den größeren Teil der Spannung

U aufnehmen müssen. Aus diesem Grund sind diese Wi-

¹':'.'i derstände durch die Netzspannung einer ungleichmäßi-

ί gen Erwärmung und damit einer ungleichmäßigen Vcr-

.'■ schlcchterung ihrer Eigenschaften unterworfen, wo

durch die Bctricbslcbcnsdaucr solcher Blit/.schuizvorrichtungen stark eingeschränkt wird.

/ur Ausschaltung dieses Nachteils isi es bereits bekannt (vgl. AT-PS 3 20 787). einen elektrischen I.eiler in Form eines Slabs oder einer Platte oder eines an einem Ende offenen Rohres von der Hochspanniiiigsseile des Widerstandsstapels innerhalb des geerdeten Gehäuses neben dem Stapel und im Abstand an diesem entlang /u führen. Auf diese Weise können die /wischen dem geerdeten Gehäuse und den Widerständen entstehenden elektrostatischen Kapazitäten wirksam kompensiert werden, wodurch eine gleichmäßige Potentialverteilung längs des Stapels der aufeinander angeordneten und mileinandei in Reihe geschalteten, nicht-linearen Widerstände erreicht wird.

Derartige Blitzschutzvorrichtungen werden im allgemeinen lotrecht angeordnet und beispielsweise mit der Sammelschiene einer Gasisolier-Unterstation durch eine von der Sammelschiene abgehende elektrische Leitung verbunden (vgl. »Taschenbuch für Schaltanlagen«, BBC, 4. Auflage, 1973, Seiten 302 bis 310). Infolgedessen muß dabei die Sammelschiene über der Vorrichtung und in einer höheren Lage als diese angeordnet sein. Zur Ticferlegung der Sammelschiene im Hinblick auf Erdbebensicherheit kann die Blitzschutzvorrichtung wahlweise für waagerechten Einbau ausgelegt werden. Hierdu^rch vergrößert sich aber die von solchen, für besonders hohe Spannungen ausgelegten Vorrichtungen ein-2» genommene Bodenfläche.

Bei einer bekannten Blitzschutzvorrichiung der dem Oberbegriff des Anspruchs I zugrundeliegenden Art (vgl. FR-PS 22 87 103) besteht der Blitzschutzkörper aus eine.· Funkenentladungsstrecke, an deren oberen Ende eine waagerecht geführte Sammelschiene angeschlossen ist. Die Funkenstrecke selbst ist von einem isolierenden Rohr umgeben. Wird die Funkenstrecke durch einen Widerstandsstapel ersetzt, tritt zwangsläufig die oben erwähnte ungleichmäßige Potentialverteilung auf. Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer Blitzschutzvorrichtung, die auf einfache Weise an eine Sammelschiene oder eine zu schützende elektrische Einrichtung anschließbar ist, welche sich in einer niedrigeren Höhenlage befindet.

Diese Aufgabe wird bei einer Blitzschutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Bei der Erfindung ist also die Abschirmung selbst als Leiter auf der Hochspannungsseite des Blitzschutzkörpers ausgebildet, um im Überlastfalle Strom zu führen. Dadurch läßt sich auf einfache Weise eine waagerecht verlaufende Sammelschiene oder ein zu schützendes Gerät beliebig in niedriger Höhenlage anordnen, die innerhalb der Höhe der Blitzschutzvorrichtung selbst liegt, wobei Wartung und Inspektion einfach durchführbar sind. Außerdem ist die Blitzschjtzvorrichtung einfach herstellbar sowie zusammensetzbar und eignet sich besonders vorteilhaft für die Verwendung in Gasisolier-Unterslaiionen, die sich ihrerseits aufgrund dieser Vorrichtung kleiner und wirtschaftlicher ausbilden lassen, als dies bisher möglich war.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4. Von Gehäuse kann auch ein rohrförmiger Stutzen praktisch senkrecht zur Gehäuselängsachse abgehen, und am einen Ende des Stutzens kann ein elektrisch isolierendes Absiandslück vorgesehen werden, welches den Stutzen luftdicht verschließt und den Anschlußleiter ho halten.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand tier Zeichnung naher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Tcillängsschniit durch eine geschlossene bzw. gekapselte Bliizschuizvorrichtung gemäß dem Stand der Technik,

F i g. 2 eine grapischc Darstellung der Potcniialverleihing über einem Stapel übercinandergesctzter. nicht-

linearer Widerstände nach F i g. 1,

Fig.3 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer anderen bisherigen Blitzschutzvorrichtung,

F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 3, F i g. 5 eine Fi g. 2 ähnelnde graphische Darstellung für die Vorrichtung nach F i g. 3 und 4,

F i g. 6A eine schematische Seitenansicht der an eine zugeordnete Sammelschiene angeschlossenen Vorrichtung nach F i g. 3 und 4 mit teilweise gestrichelt eingezeichneten Teilen,

Fig.6B eine Fig.6A ähnelnde Darstellung, die um 90° gegenüber F i g. 6A verdreht ist,

Fig.7 eine Fig.6A ähnelnde Darstellung einer Abwandlung der Blitzschutzvorrichtung nach F i g. 3 in ihrem an eine zugeordnete Sammelschiene angeschlossenen Zustand und

Fig.8 eine Längsschnittansicht einer an eine zugeordnete Sammelschiene angeschlossenen Blitzschutzvorrichtung nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine gekapselte Blitzschutzvorrichtung 100 herkömmlicher Konstruktion aus einem geerdeten Gehäuse 10 mit einem Innenraum 12, der mit einem elektrisch isolierenden Gas, wie Schwefelhexafluorid (SFb), gefüllt ist, und einem innerhalb des geerdeten Gehäuses 10 auf dessen Längsachse angeordneten Blitzschutzkörper 14 gezeigt. Letzterer besteht aus einem Stapel nicht-linearer Widerstände aus, im wesentlichen gesintertem Zinkoxid, die aufeinandergesetzt und miteinander in Reihe geschaltet sind. Der Blitzschutzkörper 14 weist ein oberes Ende A und ein unteres Ende B auf, von denen letzteres elektrisch mit dem Boden o'es Gehäuses 10 verbunden ist. Die den Blitzschutzkörper 14 bildenden nicht-linearen Widerstände besitzen jeweils eine Streukapazitäten 16 zwischen sich und dem benachbarten Abschnitt der Innenmantelwand des geerdeten Gehäuses 10. Ein elektrischer Anschluöleiter 18 in Form eines Stabs ist koaxial zum Blitzschutzkörper 14 über diesem angeordnet, wobei er sich unter luftdichter Abdichtung durch ein elektrisch isolierendes Abstandsstück 20 erstreckt, welches das gemäß F i g. 1 obere Ende des Gehäuses 10 luftdicht verschließt. Der Anschlußleiter 18 ist mittels einer zwischengefügten Druckfeder 22 mit Andruckberührung mit dem oberen Ende A des Blitzschutzkörpers 14 elektrisch verbunden. Am oberen bzw. offenen Ende des Abstandsstücks 20 befindet sich ein weiteres geschlossenes Gehäuse 22 mit einem geschlossenen Innenraum, der mit einem elektrisch isolierenden Strömungsmittel, wie Schwefelhexafluorid (SF_b), gefüllt ist, wobei sich die Leitung 18 durch das Gehäuse 22 und aus diesem heraus erstreckt, um mit einem zu schützenden elektrischen Gerät oder einer Sammelschiene verbunden zu werden.

Wenn auf das mit der Leitung 18 verbundene, zu schützende elektrische Gerät ein übergroßer Stromstoß einwirkt, kann der Strom über die zwischen oberem und unterem Ende A bzw. B des Blitzschutzkörpers 14 in Reihe geschalteten nicht-linearen Widerstände zu Masse abfließen. Hierdurch wird ein Spannungsanstieg an dem zu schützenden Gerät verhindert.

Blitzschutzvorrichtungen liegen normalerweise an der Betriebs- bzw. Netzspannung. Aufgrund dieser Spannung entsteht ein Stromfluß durch die Widerstände, wobei die Größe dieses Stroms klein ist, so daß die Widerstände auch nach langer Betriebsdauer durch die erzeugte Shomwärme nicht beeinträchtigt werden.

Die Widerstände besitzen vor dem Auftreten starker Stromstöße niedrige Widerstandswerte. Die im wesentlichen aus Zinkoxid bestehenden Widerstände wirken jedoch für kleine Ströme, von denen sie normalerweise durchflossen werden, eher als elektrostatische Kapazitäten denn als Widerstände. Wenn die Vorrichtung an ein Wechselstromgerät angeschlossen ist. müssen daher diese elektrostatischen Kapazitäten berücksichtigt werden.

Bei gekapselten Blitzschulzvorrichtungen gemäß F i g. 1 sind zwischen den Widerständen 14 und dem geerdeten Gehäuse 10 Streukapazitäten vorhanden, die ίο wegen der elektrostatischen Kapazitäten der Widerstände nicht vernachlässigt werden können. Dabei ergibt sich der Nachteil, daß die normale Betriebsspannung von üblicher Netzfrequenz über den Stapel der Widerstände anliegt, so daß die näher am oberen Ende A des Stapels befindlichen Widerstände den größten Teil eier Spannung aufnehmen, wie dies in F i g. 2 veranschaulicht ist, in welcher das Potential an einem bestimmten Punkt des Blitzschutzkörpers 14 auf der Ordinate in Abhängigkeit von der Position dieses Punkts, vom oberen Ende A des Blitzschutzkörpers 14 aus gemessen, auf der Abszisse aufgetragen ist.

Bei dieser Potentialverteilung besitzen die Widerstände über die Länge des Blitzschutzkörpers 14 hinweg unterschiedliche Potentiale, wobei die normalerweise anliegende Spannung dazu führt, daß die Widerstände in ungleichem Ausmaß Wärme erzeugen und daher einer ungleichen Verschlechterung ihrer Eigenschaften unterworfen sind. Bei solchen bisherigen Blitzschutzvorrichtungen führt dieser Umstand zu einer beträchtlijo chen Verkürzung der Betriebslebensdauer.

Zur Vermeidung der vorstehend geschilderten Nachteile dieser bisherigen Blitzschutzvorrichtungen wurde bereits angeregt, einen elektrischen Leiter in Form eines Stabs oder einer Platte vom Hochspannungsende J5 der Widerstände gemäß F i g. 3 längs des Stapels in dessen Nahezu führen.

Die in F i g. 3 dargestellte Blit/.schutzvorrichtung 200 unterscheidet sich von derjenigen gemäß F i g. 1 nur dadurch, daß der Stapel der Widerstände 14 mehr oder weniger gegenüber der Längsachse des geerdeten Gehäuses 10 seitlich versetzt ist und sich ein elektrischer Leiter 24 in Form eines Stabs oder einer Platte vom oberen bzw. Hochspannungsende A des Stapels an der am weitesten von der lnnenwandfläche des Gehäuses 10 entfernten Seite radial auswärts und abwärts erstreckt, um in einem vorbestimmten Abstand vom Boden des Gehäuses 10 zu enden. Der Leiter 24 bildet dabei zwischen sich und den Widerständen elektrostatische Kapazitäten 24. Wie am besten aus F i g. 4 hervorgeht, besitzt der elektrische Leiter 24 einen kreisbogenförmigen Querschnitt zum Kompensieren der zwischen den Widerständen und dem geerdeten Gehäuse 10 entstehenden Streukapazitäten 16.

Es sei angenommen, daß mit H die Gesamtlänge des Stapels der Widerstände sowie mit Ci und Ci die elektrostatischen Kapazitäten 16 bzw. 26 bezeichnet sind, die zwischen einem Widerstand in einem Abstand Ai von der inneren Bodenfläche des Gehäuses 10 und dem geerdeten Gehäuse 10 einerseits :;owie zwischen diesem bo Widerstand und dem plattenförmigen Leiter 26 andererseits entstehen. Unter dieser Voraussetzung gilt die Gleichung

b^r, C₁ + C₂ ff

wobei über dun Stapel hinweg eine Potentialverteilung besteht, welche sich der idealen Potcntialverteilung ge-

maß F i g. 3 annähen, in welcher Ordinate und Abszisse den betreffenden Achsen von F i g. 2 entsprechen.

Durch den Leiter 24 können die Streukapazitäten zwischen dem Gehäuse 10 und den Widerständen so kompensiert werden, daß die Potentialverteilung gleichmäßig und stabil wird. Hieraus ergibt sich eine Blitzschutzvorrichtung hoher Zuverlässigkeit.

Die Vorrichtung gemäß Fig. J kann auf die in den F i g. 6A und 6B oder in F i g. 7 gezeigte Weise mit einer Sammelschiene verbunden werden. Die Blitzschutzvorrichtung 200 ist lotrecht stehend am Boden angeordnet und über die Leitung 18 mit einer Sammelschiene 28 verbunden, die waagerecht über der Vorrichtung 200 verläuft. Wenn dabei mit L die Höhe der Blitzschutzvorrichuing 200 und mit Λ der Abstand zwischen der Oberseite der Vorrichtung 200 und der Längsachse der Sammelschiene 28 bezeichnet werden, muß letztere in einer Höhe entsprechend (L + I₁) über dem Boden angeordnet werden.

Zur Tieferlegung der Sammelschiene 28 kann die Blitzschutzvorrichtung 200 gemäß Fig. 7 so abgewandelt werden, daß sich die Leitung 18 senkrecht zur Längsachse der Reihenschaltung aus den Widerständen 14 aus dem Gehäuse 10 heraus erstreckt. Dabei kann die Sammelschiene 28 in waagerechter Lage mit der Leitung 18 in einer Höhe entsprechend (L + />) über dem Boden verbunden werden, wobei A> eine Strecke zwischen einem Punkt, der praktisch als oberes Ende der Vorrichtung 200 betrachtet werden kann, und der Längsachse der Sammelschiene 18 bezeichnet und kleiner als I₁ ist.

In beiden Fällen muß also die Sammelschiene 28 in waagerechter Lage in einer Höhe über der Vorrichtung 200 angeordnet werden.

Die Sammelschiene ist erdbebensicherer, wenn sie in einer niedrigen Höhenlage verläuft. In diesem Fall könnte die Blitzschutzvorrichtung so ausgelegt werden, daß die Sammelschiene waagerecht auf dem Erdboden angeordnet werden kann. Wenn eine solche bisherige Blitzschutzvorrichtung mit besonders hoher Spannung betrieben werden soll, wird aufgrund der grüßen Abmessungen eine große Bodenfläche belegt.

In Fig.8 ist eine Ausführungsform der Blitzschutzvorrichtung 300 nach der Erfindung dargestellt. Diese Blitzschutzvorrichtung 300 umfaßt ein Gehäuse 10 in Form eines Hohlzylinders mit einem Boden, einem dem Boden gegenüberliegenden offenen, durch eine Deckelplatte 30 fest verschlossenen Ende und einem kurzen, rohrförmigen Stutzen 32, der zwischen dem geschlossenen Ende und dem Boden des Gehäuses 10 praktisch senkrecht zu seiner Längsachse seülich abgeht.

Das Gehäuse 10 ist mit seiner Unterseile lotrecht auf z. B. den Erdboden aufgesetzt und mit Masse verbunden.

Innerhalb des Gehäuses 10 sind der Stapel aus den nichtlinearen Widerständen 14 und dem plattenförmigen elektrischen Leiter 24 auf dieselbe Weise, wie vorher in Verbindung mit Fig.3 beschrieben, angeordnet wobei der plattenförmige Leiter 24 dem kurzen Stutzen 32 zugewandt ist.

Die I-eitung 18 ist unter Abdichtung durch das elektrisch isolierende Abstandsstück 20 hindurchgeführt. welches den Stutzen 32 luftdicht verschließt, so daß die Leitung 18 in waagerechter Lage auf der Längsachse des Stutzens 32 vom Abstandsstück 20 getragen wird. Weiterhin ist die Leitung 18 am einen Ende mit dem plattenförmigen Leiter 24 über einen Anschlußsit/. 34 verbunden, der seinerseits beispielsweise durch Schweißen am Leiter 24 befestigt und mit der Leitung 18 über Schrauben 38 verbunden ist, von denen in F i g. 8 nur eine sichtbar ist.

Der Stutzen 32 ist seinerseits über das Abstandsstück 20 luftdicht mit einer Abzweigung verbunden, die ihrerseits an eine geschlossene Umhüllung einer waagerecht angeordneten Sammelschiene 28 angeschlossen ist. Die das Abstandsstück 20 unter Abdichtung durchsetzende Leitung 18 verläuft durch die Abzweigung und ist an ι« ihrem anderen Ende mit einem zentralen Leiter 35 verbunden, der koaxial in der geschlossenen Umhüllung der Sammelschiene 28 angeordnet ist.

Das Gehäuse, die Abzweigung und die Sammelschie-

nenumhüllung sind dabei jeweils mit einem elektrisch

ι ^ri isolierenden Gas, wie Schwefelhexafluorid (SFb), gefüllt.

Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 8 ist die Leitung 18

somit über den plattenförmigen Leiter 24 elektrisch mit dem Stapel der nicht-linearen Widerslände verbunden, wobei sie praktisch senkrecht zur Längsachse dieses Stapels verläuft.

Da der plattenförmige Leiter 24 am einen Ende mit dem oberen Ende des Stapels verbunden ist und sich zum unteren Ende dieses Stapels hin erstreckt, kann die Leitung 18 an einer beliebigen Stelle des plattenförmi-2¹) gen Leiters 24 mit diesem verbunden werden, so daß die Höhenlage des Stutzens 32 beliebig gewählt werden kann.

Die Sammelschiene 28 kann mit ihrer Längsachse waagerecht auf einer Höhe /j liegen, die erheblich kleiner ist als die Gesamthöhe L der Blitzschutzvorrichtung 300. Die Sammelschiene 28 befindet sich daher ein ausreichendes Stück unterhalb des oberen Endes der Vorrichtung 300.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet verschiedene Vorteile. Beispielsweise kann eine mit der Blitzschutzvorrichtung verbundene Sammelschiene in einer niedrigen Höhenlage angeordnet sein, in welcher sich Montage, Wartung und Inspektion der Vorrichtung einfach und gefahrlos durchführen lassen. Da die Sammelschiene in dieser niedrigen Höhenlage angeordnet ist, ist sie wieder weniger empfindlich für Schwingungen, so daß die Erdbebensicherheit der gesamten Anordnung erheblich verbessert ist. Außerdem können dabei Sammelschienen in niedriger Höhenlage und in kompakter 4^r> Anordnung vorgesehen werden, so daß sich auf wirtschaftliche Weise klein gebaute Unterstationen herstellen lassen. Die vorstehend genannten Vorteile werden auch mit anderen elektrischen Geräten und Anordnungen als einer Sammelschiene erreicht, die an die Blitz- V) schutzvorrichtung angeschlossen werden soll.

Da die Höhenlage der Sammelschiene oder eines anderen elektrischen Geräts innerhalb des Erstreckungsbercichs des plattenförmigen Leiters 24 beliebig gewählt werden kann, ist die Erfindung auf beliebige Miniatur-Unterstationen mit einer Vielfalt elektrischer Geräte anwendbar, wobei die gesamte Konstruktion der Unterstation durch die Außenabmessungen der Blitzschutzvorrichtung keinerlei Einschränkungen bezüglich ihrer Abmessungen unterworfen ist Die erfin-μ dungsgemäße Vorrichtung eignet sich daher sehr vorteilhaft für Gasisolier-MiniaUirunterslationen und füi Blitzschuizkörper mit Rcihcnluftspallcn üblicher Kon sirukiion.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Blitzschutzvorrichtung, bestehend aus einem mit einem elektrisch isolierenden Gas gefülltem Gehäuse (10), in dem ein axial im Gehäuse (10) verlaufender Blitzschutzkörper (14) angeordnet ist, und aus einem sich durch das Gehäuse (10) erstreckenden Anschlußleiter (18), der mit dem an höherer Spannung liegenden Ende des Blitzschutzkörpers (14) verbunden ist und senkrecht zur Längsachse des Blitzschutzkörpers (14) verläuft, gekennzeichnet durch einen als Abschirmung dienenden,die Streukapazitäten zwischen dem Gehäuse (10) und dem Blitzschutzkörper (14) kompensierenden elektrischen Leiter (24), der von dem an höherer Spannung liegenden Ende des Bliti.schutzkörpei s (14) aus in Längsrichtung desselben verläuft und mit Abstand neben diesem liegt, wobei der AnschluBleiter (18) mit dem neben dem Blitzschutzkörper (14) liegenden Abschnitt der Abschirmung verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung derart angeordnet ist, daß ihr radialer Abstand zum Blitzschutzkörper (14) in dessen Längsrichtung größer wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blitzschutzkörper (14) eine Anzahl nicht-linearer Widerstände aus gesintertem Zinkoxid umfaßt, die übereinanderliegend in Reihe geschaltet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußleitcr (18) mit der Abschirmung über einen Artichlußsitz (34) verbunden ist, der an der Abschirmung angeschweißt und mit dem elektrischen Anschlußleiter(18) verschraubt ist.