DE2334420A1 - Ueberspannungsableiter mit funkenstrecken und spannungsabhaengigen widerstaenden - Google Patents

Description

Überspannungsableiter mit Funkenstrecken und spannungsabhängigen Widerständen

Es ist bekannt, zum Schutz elektrischer Betriebsmittel und von Anlagen für die elektrische Energieverteilung gegen Überspannungen eine Bauform von Überspannungsableitern einzuset-. ζen, deren wesentlicher Bestandteil eine Reihenschaltung von spannungsabhängigen Widerständen und Funkenstrecken iist. Die Wirkungsweise solcher Ableiter besteht darin, daß die Funkenstrecken bei einem bestimmten Spannungswert ansprechen und über die Reihenschaltung die in einer Überspannungswelle enthaltene Energie abgeleitet wird. Auf diese Weise können sich die Überspannungen nicht schädlich auf die Betriebsmittel oder Anlagen auswirken. Infolge der Spannungsabhängigkeit der Widerstandselemente wird der durch die Netzspannung verursachte Folgestrom derart vermindert, daß die Funkenstrecken ihn ■■■ unterbrechen können. Dadurch geht der Überspannungsableiter wieder in den nichtleitenden Zustand über.

Die Leistungsfähigkeit der Überspannungsableiter konnte in den letzten Jahren noch dadurch verbessert werden, daß strombegrenzende Funkenstrecken entwickelt wurden, die die Wirkung der spannungsabhängigen Widerstände unterstützen. Funkenstrekken dieser Art sind verhältnismäßig aufwendig, da sie im allgemeinen Blasspulen und komplizierte Löschkammern erfordern, die eine Verlängerung der zwischen den Elektroden gezündeten Lichtbögen bewirken.

Ferner sind Überspannungsableiter für niedrige Betriebsspannungen bekannt geworden, die nur aus spannungsabhängigen Widerständen bestehen und deshalb keine Funkenstrecken benöti-

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gen. Im Unterschied zu den Überspannungsableitern der zuerst beschriebenen Art bestehen diese spannungsabhängigen Widerstände nicht aus Siliziumkarbid, sondern aus einem anderen halbleitenden Widerstandsmaterial auf der Basis von Zinkoxid, das mit weiteren Metalloxiden dotiert ist. Dieses Widerstandsmaterial weist eine stärkere Spannungsabhängigkeit als Siliziumkarbid . . auf und besitzt daher eine ausgeprägtere Ventilwirkung.

Die Anwendung von Überspannungsableitern auf der Basis von Metalloxidwiderständen der genannten Art ist jedoch auf Anwendungsfälle beschränkt, bei denen ein hohes Verhältnis von Restspannung zu Löschspannung zulässig ist. Dieser Umstand ist in Niederspannungsnetzen gegeben, v/o beispielsweise der Scheitelwert der Löschspannung 400 V beträgt und eine Restspannung mit einem Scheitelwert von 2000 V vorhanden sein darf. Ein derart hohes Verhältnis von Restspannung zu Löschspannung ist j*edoch bereits in Mittel Spannungsnetzen nicht mehr zulässig. Für einen Scheitelwert der Löschspannung von 17 kV beträgt hier die maximal zulässige Restspannung 40 kV. An diese Verhältnisse lassen sich die bekannten Metalloxidwiderstände nicht anpassen. Bei dem Scheitelwert der Löschspannung fließt ein Reststrom, der den Widerstandskörper rasch zerstört. *··.

Die Erfindung befaßt sich mit einem überspannungsableiter, der eine Reihenschaltung von Funkenstrecken und spannungsabhängigen Widerständen aufweist. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen vereinfachten Überspannungsableiter mit verbesserter Ansprechkennlinie und Leistungsfähigkeit zu schaffen, der sich insbesondere zum Einsatz in Mittel- und Hochspannungsnetzen eignet.

Gemäß der Erfindung ist hierzu vorgesehen, daß die spannungsabhängigen Widerstände aus einem halbleitenden Material bestehen, dessen Exponent CV der Spannungsabhängigkeit wenigstens 10 beträgt. Diese Spannungsabhängigkeit ist erheblich

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größer als die der bekannten Widerstände aus Siliziumkarbid, die bisher in Verbindung mit Funkenstrecken in Überspannungs ableitern verwendet werden. Infolgedessen bewirken die Wider stände eine wesentlich stärkere Strombegrenzung, wodurch die Funkenstrecken entlastet werden. Deshalb lassen sich die Fun kenstrecken einfacher und preiswerter als bisher ausbilden.

Zum besseren Verständnis der Erfindung'sei erwähnt, daß die Stromdichte j im Ableitwiderstand der Beziehung

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und der Ableitstrom i der Beziehung

folgt. Hierin sind E die am Ableitwiderstand je Längeneinheit abfallende Spannung, U die Spannung am Ableitwiderstand, j «■ und i Einheitswerte der Stromdichte bzw. des Stromes und E und U Konstanten. Die Spannungsabhängigkeit wird durch " « den Exponent Oc gekennzeichnet. Wenn auch die Werte Qf von halbleitenden Widerstandsmaterialien auf Metalloxidbasis, wie sie für die Zwecke der Erfindung besonders in Betracht kommen, von der Größe des Ablegtstromes abhängen können, so liegen sie jedoch insgesamt merklich höher als bei den bekannten Siliziumkarbidwiderständen. Als Durchschnittswert kann für Widerstände aus Siliziumkarbid ein Wert OC von etwa 5 angenommen werden, während Metalloxidwiderstände Werte zwischen 10 und 30 aufweisen.

Wie bereits erwähnt, eignen sich besonders Widerstandsmaterialien auf der Basis von Metalloxiden· für die Zwecke der Erfindung. Insbesondere sind gute Ergebnisse erzielbar mit einem Widerstandsmaterial, das überwiegend aus Zinkoxid besteht und mit weiteren Metalloxiden dotiert ist. Materialien dieser Art sind beispielsweise in der DT-OS 1 952 841 beschrieben.

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Da die Funkenstrecken bei dem Überspannungsableiter gemäß der Erfindung weitgehend entlastet sind, können sie eine verhältnismäßig einfache Bauweise aufweisen; vorteilhaft sind Funkenstrecken mit einem weitgehend gleichförmigen elektrostatischen Feld, wie es durch Plattenelektroden erzielbar ist. Außer einer Verbilligung des Überspannungsabieiters wird dadurch auch eine erhebliche Verbesserung der Ansprechkennlinie erzielt, weil Funkenstrecken mit gleichförmigem elektrostatischem Feld nur eine sehr geringe Abhängigkeit der Ansprechspannung von der Steilheit der Spannungsvorgänge besitzen. Deshalb sind die bisher gebräuchlichen Mittel zur Beeinflussung der Ansprechkennlinie entbehrlich.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit dem zur Isolierung von metallgekapselten Hochspannungsanlagen bewährten Isoliergas Schwefelhexafluorid. Es ist zwar bereits bekannt, Funkenstrecken und spannungsabhängige Widerstände „ üblicher Bauart in einem mit Schwefelhexafluorid gefüllten Gehäuse unterzubringen (US-PS 2 757 261), jedoch haben sich in der Praxis - insbesondere bei erhöhtem Druck - Schwierigkeiten dadurch ergeben, daß infolge des höheren Isplierv.er- . mögens dieses Gases die Anzahl der Funkenstrecken bei gleicher Ansprechspannung verringert werden muß und hierbei eine Einbuße an Löschvermögen entsteht. Da bei dem Überspannungsableiter gemäß der Erfindung das Löschvermögen der Funkenstrekken von untergeordneter Bedeutung ist, kann der Ableiter den veränderten Bedingungen auf einfache Weise angepaßt werden. Dies bedeutet eine erhebliche Erleichterung beim Einbau von Überspannungsableitern in metallgekapselte Hochspannungsanlagen, wie z. B. Schaltanlagen oder Rohrleiter, die mit Schwefelhexafluorid gefüllt sind. Es kann nun ohne Nachteil für die Wirkungsweise der Ableiter das gleiche Isoliergas in der Anlage.und den Ableitern verwendet werden. Demgegenüber sind bei der Verwendung herkömmlicher Ableiter mit Stickstoffatmosphäre innerhalb von Hochspannungsanlagen mit SFg-Füllung besondere Maßnahmen erforderlich, um das Eindringen des

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Gases der Hochspannungsanlage in den Überspannungsableiter oder umgekehrt zu vermeiden oder um die Auswirkungen eines solchen Gasübertrittes zu berücksichtigen.

Die Erfindung sei anschließend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Überspannungsableiter· für Mittelspannungen mit einem in üblicher Weise gestalteten Gehäuse 1 aus einem geeigneten Isolierstoff, z. B. Porzellan. Das Gehäuse ist durch Armaturen 2 und 3 abgeschlossen, die zugleich dem elektrischen Anschluß des Überspannungsabieiters dienen. Im Inneren des Gehäus&s 1 ist. eine Reihenschaltung_von Funkenstrecken 4 mit Plattenelektroden 5, Distanzstücken 6 aus Isoliermaterial und Widerstandskörpern 7 aus Zinkoxid, das mit weiteren Metalloxiden dotiert ist, angeordnet. Die Anzahl der Funkenstrecken 4 und der Widerstandskörper 7 sowie die Größe dieser Bauelemente richten sich nach den gewünschten Spannungswerten und dem geforderten Ableitstrom, den der Überspannungsableiter führen soll.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem in einem gasdicht verschlossenen Gehäuse 10 die aus Funkenstrecken 4 und Widerstandskörpern 7 bestehende Reihenschaltung in einer Atmosphäre von Schwefelhexafluoridgas untergebracht ist. Ein solcher Überspannungsableiter eignet sich besonders zum Einsatz in metallgekapselten elektrischen Hochspannungsanlagen, z. B. Schaltanlagen oder Rohrleitern, die mit Schwefelhexafluorid isoliert sind. Zwar empfiehlt es sich, den die aktiven Bestandteile des Überspannungsablei- -ters enthaltenden Raum durch eine Durchführung 11 gegenüber dem übrigen Gasraum der Anlage zu trennen; Jedoch bedeutet es eine Erleichterung für die Konstruktion der Anlage, wenn dasselbe Gas für die Isolierung der Anlage und zur Füllung des Überspannungsabieiters verwendet werden kann. Demgegenüber sind die bekannten Überspannungsableiter in der Regel

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mit einem anderen Isoliergas, vorzugsweise Stickstoff, gefüllt. Hierbei können Schwierigkeiten auftreten, wenn infolge von Undichtigkeiten die Gasräume .miteinander in Verbindung treten.

6 Ansprüche
2 Figuren . '

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Claims (6)

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   Patentansprüche

   ( 1.] Überspannungsableiter mit. einer Reihenschaltung von-Funkenstrecken und spannungsabhängigen Widerständen, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Widerstände (7) aus
   einem halbleitenden Material bestehen, dessen Exponent Oc
   der Spannungsabhängigkeit wenigstens 10 beträgt.
2. 2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsabhängigen Widerstände (7) aus einem
   aus Metalloxiden bestehenden Material hergestellt sind.
3. 3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial aus einem mit Metalloxiden
   dotierten Zinkoxid besteht.
4. 4. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiqhnet, daß die Funkenstrecken (4) ein weitgehend gleichförmiges elektrostatisches Feld besitzen.
5. 5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (4) Plattenelektroden (5) besitzen.
6. 6. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkenstrecken (4) und spannungsabhängigen Widerstände (7) in einem mit Schwefelhexafluoridgas gefüllten
   Gehäuse (10) angeordnet sind.

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