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EP0037364A1 - Überspannungsableiter mit einer Säule von Ableiterelementen und Abschirmkörpern - Google Patents

Überspannungsableiter mit einer Säule von Ableiterelementen und Abschirmkörpern Download PDF

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EP0037364A1
EP0037364A1 EP81730024A EP81730024A EP0037364A1 EP 0037364 A1 EP0037364 A1 EP 0037364A1 EP 81730024 A EP81730024 A EP 81730024A EP 81730024 A EP81730024 A EP 81730024A EP 0037364 A1 EP0037364 A1 EP 0037364A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
arrester
bodies
elements
shielding
surge
Prior art date
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Application number
EP81730024A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0037364B1 (de
Inventor
Michael Dr. Crucius
Mohamed Aziz Hassan
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
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Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Priority to AT81730024T priority Critical patent/ATE8549T1/de
Publication of EP0037364A1 publication Critical patent/EP0037364A1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/16—Overvoltage arresters using spark gaps having a plurality of gaps arranged in series
    • H01T4/20—Arrangements for improving potential distribution
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H01C7/123—Arrangements for improving potential distribution

Definitions

  • a surge arrester with these features has become known, for example, from DE-AS 20 37 921.
  • the shielding bodies have the task of ensuring a uniform distribution of the voltage over the arrester elements connected in series.
  • the desired operation of the surge arrester can be ensured in this way even if the surge arrester has a grounded metal housing, as is used in connection with pressurized gas-insulated, metal-enclosed switchgear.
  • the invention has for its object to provide a surge arrester for high and very high operating voltages that is equally suitable for installation in metal encapsulations or for outdoor use, which, with a low overall height, manages with simple means for controlling the voltage distribution and has a greater energy absorption capacity.
  • the basic idea of the invention is therefore to use a number of shielding bodies as carriers for arrester elements instead of using a column of arrester elements as carriers for shielding bodies.
  • the space utilization can be increased further by arranging several arrester elements in series and / or parallel connection in the space enclosed by each shielding body.
  • a mechanically stable arrangement can be achieved so that the shield have a circumferential recess on their inner circumference, in which clamping pieces can be anchored.
  • clamping pieces can be anchored.
  • sliding nuts can be used as clamping pieces, into which the arrester elements are screwed with a threaded bolt.
  • a parallel connection of arrester elements can also extend over several levels.
  • at least two adjacent shielding bodies can be conductively connected to one another and the arrester elements attached to them can thereby be connected in parallel.
  • surge arresters can be manufactured with the desired values for the leakage current and the quenching voltage with increased energy absorption capacity.
  • arrester elements can be accommodated in the space enclosed by a shielding body, in particular in a cruciform or star-shaped arrangement; it is advisable to provide a connecting body in the center of this arrangement, which can be connected to the connecting bodies of adjacent groups of arrester elements.
  • the connecting bodies can be conductive or insulating, depending on the way in which the leakage current is to flow through the overall arrangement.
  • a column formed of similar shielding bodies and arrester elements arranged in the interior thereof can be provided with shielding bodies of larger diameter at both ends. These improve the field pattern at the ends of the arrester arrangement and can at the same time be used for fastening within an enclosing housing or as a ground-side base or voltage connection for installation without a housing.
  • Fig. 1 shows a metal-encapsulated surge arrester in section.
  • the surge arrester 1 comprises a metal housing 2, which can be closed gas-tight and an insulating gas, for. B. SF 6 contains.
  • the active part of the arrester designated as a whole by 3, is connected by means of a bushing 4 to the live parts of the system to be protected.
  • An earth connection 5 is located at the opposite end of the cylindrical housing 2.
  • the active part 3 comprises a number of annular shielding bodies 6 which have a groove-like depression 7 on their inner circumference. It can also be a slot if the shielding bodies 6 are made of sheet metal as hollow bodies.
  • the groove 7 creates the possibility of attaching conductor elements 1-0 at any point on the inner circumference of the shielding body 6 by means of suitable clamping pieces, slide nuts or similar parts.
  • four arrester elements 10 are provided in a cross-shaped arrangement in the space enclosed by each shielding body 6. These four arrester elements are electrically connected in parallel with a conductive connection to the shielding bodies 6 and to a common central connecting body 11.
  • Each individual arrester element 10 can be a voltage-dependent resistor, a spark gap, a series connection of such elements or an element used to control the voltage distribution. Which elements are selected or combined depends on which voltages and currents the surge arrester should be able to handle. With regard to a compact design of the Koch Voltage arresters for high and very high operating voltages, it is advisable to use those based on zinc oxide as voltage-dependent resistors. Of course, resistors based on silicon carbide or other non-linear materials can also be used.
  • an insulating support body 12 is arranged on one side and a conductive support body 13 on the other side.
  • the next group of arrester elements 10 with their associated shielding body 6 rests on these. If one selects conductive and insulating supporting bodies alternately from level to level, and in alternating succession, conductive connections are made between each two middle connecting bodies 11, one obtains one alternately from the outside current path running inwards and outwards through the entire surge arrester. As can easily be seen, a smaller or larger number of arrester elements than four can also be accommodated per level.
  • a further shielding body 14 with a larger diameter in order to homogenize the edge field is located at the upper end of the active part 3.
  • the entire active part, as shown in FIG. 1, is fastened and centered in the metal housing 2 by the bushing 4 and the insulating supports 15.
  • an insulating material housing can also be used if the arrester is intended for outdoor installation.
  • the housing or the Encapsulation should be provided with a crushing membrane which prevents the housing or the encapsulation from being subjected to excessive pressure when the active part of the surge arrester is overloaded.
  • the interior spaces of the shielding bodies if these are designed as hollow bodies, can be used as collecting or buffer spaces for the gases that occur in the event of an overload if the connection with the arrester elements is suitable. These then do not directly stress the housing or the encapsulation and can be derived from them at a desired location.
  • the surge arrester 20 according to FIG. 2 is designed without a housing. Its structure corresponds to the structure of the active part explained with reference to FIG. 1. A number of ring-shaped shielding bodies 21 are thus provided, to which a larger shielding body 23 is connected in the direction of the voltage connection 22 and also a larger shielding body 25 in the direction of the earth connection 24. Between the lower final shielding body 25 and the ground connection 24, a monitoring device 26, for. B. a response counter inserted.
  • each shielding body 21 has a similar arrangement as in FIG. 1, arrester elements 27.
  • conductive and insulating support bodies 30 and 31 and conductive and insulating connecting bodies 32 and 33 for a flow direction that changes from level to level Electricity is taken care of, as indicated by the arrows.
  • the surge arrester 35 according to FIG. 3 differs from the surge arrester 20 in 2 in that in each case two adjacent shielding bodies 36 are directly adjacent to one another and are therefore arranged in a conductive connection or are combined to form a shielding body. In this way, the arrester elements 37 enclosed by them are connected in parallel. With a total of six shielding bodies 36, this results in three groups of arrester elements connected in parallel, which are then connected in series in the same way as was explained above. This arrangement with partial parallel connection is advantageous if higher leakage currents or energy values are to be mastered.
  • the number of shielding bodies shown in the figures is selected only for the purpose of clear presentation. In their actual design, the surge arresters can therefore have a smaller or larger number of shielding bodies. Furthermore, the circular ring shape of the shielding body is chosen only as an expedient example. Therefore, if it turns out to be favorable for the accommodation of the arrester elements, other shapes, e.g. B. rectangular or square shielding body with rounded shape can be selected.

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Abstract

Ein Überspannungsableiter (1) umfaßt einen aktiven Teil (3), der aus einer Anzahl von Abschirmkörpern (6) und daran befestigten Ableiterelementen (10) besteht. Die Abschirmkörper (6) besitzen an ihrem inneren Umfang eine Befestigungseinrichtung, z.B. eine umlaufende Vertiefung (7), zur elektrischen und mechanischen Verbindung mit den Ableiterelementen. Ferner sind die Abschirmkörper (6) untereinander durch isolierende Stützkörper bzw. leitende Stützkörper (13) verbunden. Bei stern- oder kreuzförmiger Anordnung der Ableiterelemente können außerdem leitende oder isolierende Verbindungskörper im Mittelpunkt vorgesehen sein. Die Anordnung eignet sich insbesondere für den Bau von Überspannungsableitern für druckgasisolierte, metallgekapselte Hochspannungs-Schaltanlagen in Verbindung mit spannungsabhängigen Widerständen auf der Basis von Zinkoxid. Darüber hinaus kann der aktive Teil ohne Gehäuse in Freiluft aufgestellt werden. Neben Zinkoxidwiderständen sind auch Widerstände auf der Basis anderer nichtlinearer Materialien verwendbar.

Description

  • Die Erfindung befaßt sich mit einem Überspannungsablei.- ter mit
    • a) einer in dem Gehäuse angeordneten, aus einer Vielzahl von Ableiterelementen gebildeten Säule und
    • b) mehreren die Säule umschließenden Abschirmkörpern.
  • Ein Überspannungsableiter mit diesen Merkmalen ist beispielsweise durch die DE-AS 20 37 921 bekannt geworden. Die Abschirmkörper haben dabei die Aufgabe, für eine gleichmäßige Verteilung der Spannung auf die in Reihe geschalteten Ableiterelemente zu sorgen. Das erwünschte Arbeiten des Überspannungsableiters läßt sich auf diese Weise auch dann sicherstellen, wenn der Überspannungsableiter ein geerdetes Metallgehäuse besitzt, wie man es in Verbindung mit druckgasisolierten, metallgekapselten Schaltanlagen verwendet.
  • Die erwähnte Anordnung der Ableiterelemente, zu denen insbesondere.spannungsabhängige Widerstände und Funkenstrecken gehören, in einer Säule ist bei überspannungsableitern seit langer Zeit bewährt, weil sie die erwünschte Reihenschaltung ohne zusätzliche Schalt- oder Verbindungselemente ermöglicht. Diese Anordnung führt jedoch zu einer außerordentlichen Höhe der Überspannungsableiter, wenn diese für sehr hohe Betriebsspannungen, z. B. 500 kV oder mehr, ausgeführt werden sollen. Zur Verringerung der Bauhöhe ist es bereits bekannt, die Ableiterelemente auf mehrere parallele Säulen zu verteilen und hierzu gerüst- oder etagenartige Konstruktionen anzuwenden (CH-PS 304 299 und 303 429-sowie US-PS 29 46 920). Diese Anordnungen eignen sich jedoch nicht für metallgekapselte Ableiter, weil der Aufwand für die Vergleichmäßigung der Spannungsverteilung zu groß wird und der Raumgewinn zum Teil durch die Mittel für die Spannungsverteilung aufgezehrt wird. Einfache Abschirmkörper wie bei der einsäuligen Anordnung sind jedenfalls nicht anwendbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gleichermaßen zum Einbau in Metallkapselungen oder für Freiluft geeigneten Überspannungsableiter für hohe und sehr hohe Betriebsspannungen zu schaffen, der bei geringer Bauhöhe mit einfachen Mitteln zur Steuerung der Span- _ nungsverteilung auskommt und ein größeres Energieaufnahmevermögen besitzt.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Überspannungsableiter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß
    • c) die Abschirmkörper untereinander durch Stützkörper verbunden sind und daß
    • d) die Abschirmkörper eine Einrichtung zur Befestigung von Ableiterelementen besitzen.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, eine Anzahl von Abschirmkörpern als Träger von Ableiterelementen einzusetzen, anstatt wie bisher eine Säule von Ableiterelementen als Träger von Abschirmkörpern.zu benutzen.
  • Die Raumausnutzung kann noch dadurch gesteigert werden, daß in dem von jedem Abschirmkörper umschlossenen Raum mehrere Ableiterelemente in Reihen- und/oder Parallelschaltung angeordnet sind. Eine mechanisch stabile Anordnung läßt sich dabei so erreichen, daß die Abschirmkörper an ihrem inneren Umfang eine umlaufende Vertiefung besitzen, in der Klemmstücke verankerbar sind. Als Klemmstücke sind beispielsweise Gleitmuttern verwendbar, in die die Ableiterelemente mit einem Gewindebolzen eingeschraubt werden.
  • Eine Parallelschaltung von Ableiterelementen kann sich auch über mehrere Ebenen erstrecken. Insbesondere können wenigstens zwei benachbarte Abschirmkörper untereinander leitend verbunden und dadurch die an ihnen angebrachten Ableiterelemente parallelgeschaltet sein. Somit lassen sich unter Verwendung einheitlicher Teile Überspannungsableiter mit den jeweils gewünschten Werten des Ableitstromes und der Löschspannung bei erhöhtem Energieaufnahmevermögen herstellen.
  • Mehrere Ableiterelemente können in dem von einem Abschirmkörper umschlossenen Raum insbesondere in kreuz-oder sternförmiger Anordnung untergebracht werden; dabei empfiehlt es sich, im Mittelpunkt dieser Anordnung einen Verbindungskörper vorzusehen, der mit den Verbindungskörpern benachbarter Gruppen von Ableiterelementen verbindbar ist. Die Verbindungskörper können leitend oder isolierend sein, je nachdem, auf welchem Weg der Ableitstrom die Gesamtanordnung durchfließen soll.
  • Eine aus gleichartigen, von Abschirmkörpern und in deren Innenraum angeordneten Ableiterelementen gebildete Säule kann an beiden Enden mit Abschirmkörpern größeren Durchmessers versehen sein. Diese verbessern das Feldbild an den Enden der Ableiteranordnung und können zugleich zur Befestigung innerhalb eines umschließenden Gehäuses oder als erdseitige Basis bzw. Spannungsanschluß bei einer Aufstellung ohne Gehäuse benutzt werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt einen metallgekapselten Überspannungsableiter im Schnitt.
  • In den Fig. 2 und 3 sind zwei Ausführungsformen von Überspannungsableitern für Freiluftaufstellung ohne Gehäuse in Ansicht dargestellt.
  • Der Überspannungsableiter 1 umfaßt ein Metallgehäuse 2, das gasdicht verschließbar ist und ein Isoliergas, z. B. SF6, enthält. Der als Ganzes mit 3 bezeichnete aktive Teil des Ableiters ist mittels einer Durchführung 4 mit den spannungführenden Teilen der zu schützenden Anlage verbunden. Am gegenüberliegenden Ende des zylindrischen Gehäuses 2 befindet sich ein Erdanschluß 5.
  • Der aktive Teil 3 umfaßt eine Anzahl kreisringförmiger Abschirmkörper 6, die an ihrem inneren Umfang eine nutartige Vertiefung 7 aufweisen. Es kann sich auch um einen Schlitz handeln, wenn die Abschirmkörper 6 als Hohlkörper aus Blech hergestellt sind. Die Nut 7 schafft die Möglichkeit, an jeder beliebigen Stelle des inneren Umfanges der Abschirmkörper 6 mittels geeigneter Klemmstücke, Gleitmuttern oder ähnlicher Teile Ableiterelemente 1-0 zu befestigen. In dem gezeigten Beispiel sind in dem von jedem Abschirmkörper 6 umschlossenen Raum vier Ableiterelemente 10 in kreuzförmiger Anordnung vorgesehen. Diese vier Ableiterelemente sind bei leitender Verbindung mit den Abschirmkörpern 6 und mit einem gemeinsamen zentralen Verbindungskörper 11 elektrisch parallelgeschaltet. Jedes einzelne Ableiterelement 10 kann dabei ein spannungsabhängiger Widerstand, eine Funkenstrecke, eine Reihenschaltung solcher Elemente oder ein der Steuerung der Spannungsverteilung dienendes Element sein. Welche Elemente gewählt bzw. miteinander kombiniert werden, hängt davon ab, welche Spannungen und Ströme der Uberspannungsableiter beherrschen soll. Im Hinblick auf eine möglichst kompakte Bauform des Überspannungsableiters für hohe und sehr hohe Betriebsspannungen empfiehlt es sich, als spannungsabhängige Widerstände solche auf der Basis von Zinkoxid zu verwenden. Natürlich sind auch Widerstände auf der Basis von Siliziumkarbid oder anderen nichtlinearen Materialien verwendbar.
  • Wie die Fig. 1 zeigt, ist an jeder Verbindungsstell eines Ableiterelementes 10 mit einem Abschirmkörper 6 auf der einen Seite ein isolierender Stützkörper 12 und auf der anderen Seite ein leitender Stützkörper 13 angeordnet. Auf diesen ruht jeweils die nächste Gruppe von Ableiterelementen 10 mit ihrem zugehörigen Abschirmkörper 6. Wählt man abwechselnd von Ebene zu Ebene leitende und isolierende Stützkörper und stellt in entsprechend abwechselnder Folge leitende Verbindungen zwischen je zwei mittleren Verbindungskörpern 11 her, so erhält man einen abwechselnd von außen nach innen und von innen nach außen verlaufenden Strompfad durch den gesamten Überspannungsableiter. Wie ohne weiteres erkennbar ist, kann je Ebene auch eine kleinere oder größere Anzahl von Ableiterelementen als vier untergebracht werden.
  • Am unteren Ende der gezeigten Anordnung befindet sich ein weiterer Abschirmkörper 14 mit größerem Durchmesser zur Vergleichmäßigung des Randfeldes. Ein gleicher größerer Abschirmkörper 14 befindet sich am oberen Ende des aktiven Teiles 3. Der gesamte aktive Teil ist, wie in der Fig. 1 dargestellt, in dem Metallgehäuse 2 durch die Durchführung 4 und die Isolierstützer 15 befestigt und zentriert. Anstelle eines Metallgehäuses kann auch ein Isolierstoffgehäuse verwendet werden, wenn der Ableiter für Freiluftaufstellung vorgesehen ist.
  • Wie dies bei Überspannungsableitern in gekapselter Ausführung an sich bekannt ist, kann das Gehäuse bzw. die Kapselung mit einer Brechmembran versehen sein, die bei einer Überlastung des aktiven Teiles des Überspannungsableiters eine zu starke Druckbeanspruchung des Gehäuses bzw. der Kapselung verhindert. Hierbei können die Innenräume der Abschirmkörper, wenn diese als Hohlkörper ausgeführt sind, bei geeigneter Verbindung mit den Ableiterelementen als Auffang- oder Pufferräume für die bei einer Überlastung auftretenden Gase benutzt werden. Diese beanspruchen dann nicht unmittelbar das Gehäuse oder die Kapselung und können daraus an einer gewünschten Stelle abgeleitet werden.
  • Der Überspannungsableiter 20 gemäß der Fig. 2 ist ohne Gehäuse ausgeführt. Sein Aufbau entspricht dem anhand der Fig. 1 erläuterten Aufbau des aktiven Teiles. Es sind somit eine Anzahl von ringförmigen Abschirmkörpern 21 vorgesehen, an die sich in Richtung des Spannungsanschlusses 22 ein größerer Abschirmkörper 23 und in Richtung des Erdanschlusses 24 ebenfalls ein größerer Abschirmkörper 25 anschließen. Zwischen dem unteren abschließenden Abschirmkörper 25 und dem Erdanschluß 24 ist dabei ein Überwachungsgerät 26, z. B. ein Ansprechzähler, eingefügt.
  • Zwei der Abschirmkörper 21 sind in der Fig. 2 teilweise geschnitten dargestellt, um die Ableiterelemente sichtbar zu machen. Wie man erkennt, enthält jeder Abschirmkörper 21 in ähnlicher Anordnung wie in der Fig. 1 Ableiterelemente 27. Ebenso ist durch abwechselnde Einfügung von leitenden und isolierenden Stützkörpern 30 und 31 sowie leitenden und isolierenden Verbindungskörpern 32 und 33 für eine von Ebene zu Ebene wechselnde Fließrichtung des Stromes gesorgt, wie durch die eingetragenen Pfeile angedeutet ist.
  • Der Überspannungsableiter 35 gemäß der Fig. 3 unterscheidet sich gegenüber dem Überspannungsableiter 20 in der Fig. 2 dadurch, daß jeweils zwei benachbarte Abschirmkörper 36 unmittelbar aneinanderliegend und daher in leitender Verbindung angeordnet bzw. zu einem Abschirmkörper vereinigt sind. Auf diese Weise sind die von ihnen umschlossenen Ableiterelemente 37 parallelgeschaltet. Bei insgesamt sechs Abschirmkörpern 36 entstehen hierdurch drei Gruppen in sich parallelgeschalteter Ableiterelemente, die dann in der gleichen Weise, wie dies zuvor erläutert wurde, in Reihe geschaltet sind. Diese Anordnung mit teilweiser Parallelschaltung ist dann von Vorteil, wenn höhere Ableitströme bzw. Energiewerte zu beherrschen sind.
  • Die Anzahl der in den Figuren gezeigten Abschirmkörper ist nur zum Zweck einer übersichtlichen Darstellung gewählt. In ihrer tatsächlichen Ausführung können die Überspannungsableiter daher eine geringere oder größere Anzahl von Abschirmkörpern aufweisen. Ferner ist die Kreisringform der Abschirmkörper lediglich als zweckmäßiges Beispiel gewählt. Daher können, wenn es sich für die Unterbringung der Ableiterelemente als günstig erweist, auch andere Formen, z. B. rechteckige oder quadratische Abschirmkörper mit allseitig verrundeter Form, gewählt werden.

Claims (6)

1. Überspannungsableiter mit
a) einer in dem Gehäuse angeordneten, aus einer Vielzahl von Ableiterelementen gebildeten Säule und
b) mehreren die Säule umschließenden Abschirmkörpern, dadurch gekennzeichnet , daß
c) die Abschirmkörper (6) untereinander durch Stützkörper (12, 13) verbunden sind und daß
d) die Abschirmkörper (6) eine Einrichtung (7) zur Befestigung von Ableiterelementen (10) besitzen.
2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem von jedem Abschirmkörper (6) umschlossenen Raum mehrere Ableiterelemente (10) in Reihen- und/oder Parallelschaltung angeordnet sind.
3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß wenigstens zwei benachbarte Abschirmringe (36) miteinander leitend verbunden und dadurch die an ihnen angebrachten Ableiterelemente parallelgeschaltet sind.
4. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmkörper an ihrem inneren Umfang eine umlaufende Vertiefung (7) besitzen, in der Klemmstücke o. dgl. verankerbar sind.
5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei kreuz- oder sternförmiger Anordnung einer Gruppe von Ableiterelementen (10) im Mittelpunkt ein Verbindungskörper (11) angeordnet ist, der mit den Verbindungskörpern (11) benachbarter Gruppen von Ableiterelementen (10) verbindbar ist.
6. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine aus gleichartigen, von Abschirmkörpern (6) und in deren Innenraum angeordneten Ableiterelementen (10) gebildete Säule an beiden Enden mit Abschirmkörpern (14) größeren Durchmessers versehen ist.
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