DE2361204C3

DE2361204C3 - Elektrische Hochspannungseinrichtung mit Isolierkörpern

Info

Publication number: DE2361204C3
Application number: DE19732361204
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr.-Ing. 1000 Berlin Foitzik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-12-06
Filing date: 1973-12-06
Publication date: 1978-11-23
Also published as: DE2361204B2; JPS5094496A; DE2361204A1

Description

Die Isolation von Hochspannungseinrichtungen, worunter im vorliegenden Zusammenhang sowohl elektrische Energieübertragungseinrichtungen als auch Verteilungs- bzw. Schaltanlagen zu verstehen sind, wird nach der zu beherrschenden Betriebsspannung bemessen. Um eine Zerstörung der Isolation durch Überspannungen, wie sie durch Blitzeinschläge auf Freileitungen oder durch Schaltvorgänge hervorgerufen werden können, zu verhindern, rüstet man die Hochspannungseinrichtungen an besonders gefährdeten Stellen mit Überspannungsableitern aus, welche die Überspannun- so gen auf eine über der Betriebsspannung liegende, jedoch für die Anlagenteile noch erträgliche Restspannung begrenzen.

Überspannungsableiter der heute üblichen Bauweise bestehen im Prinzip aus einer Reihenschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes und einer Löschfunkenstrecke sowie einem diese Bauelemente umgebenden Gehäuse aus einem geeigneten Isolierstoff. Die Bauelemente sind so bemesstn, daß die Funkenstrecke anspricht, wenn die Spannung eine gewisse Höhe übersteigt, so daß über die bei hoher Spannung einen geringen Widerstand aufweisenden Widerstandskörper ein Weg geringen Widerstandes nach Erde geschaffen wird, über den die in der Überspannungswelle enthaltene Energie abfließen kann. Infolge der Span- e>5 nungsabhängigkeit der Widerstandselemente wird der Strom bei sinkender Spannung derart begrenzt, daß ihn die Funkenstrecken unterbrechen können. Zusätzlich können die Funkenstrecken so ausgebildet sein, daß sie eine Strombegrenzung bewirken.

Überspannungsableiter dieser Bauweise sind insbesondere in der Ausführung für Höchstspannungsnetze verhältnismäßig aufwendige und große Geräte, für deren Unterbringung bei dem Entwurf von Hochspannungseinrichtungen ein zusätzlicher Platzbedarf berücksichtigt werden muß. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Überspannungsschutz elektrischer Hochspannungseinrichtungen hinsichtlich des Raumbedarfs und der Schutzwirkung zu verbessern.

Gemäß der Erfindung ist hierzu vorgesehen, daß ein Teil der Isolierkörper die Eigenschaften üblicher Isolatoren aufweist und daß ein weiterer Teil der Isolierkörper bei im wesentlichen gleichen Abmessungen und mechanischer Festigkeit die Eigenschaften von Überspannungsableitern aufweist Der Überspannungsschutz der Hochspannungseinrichtung wird dadurch wesentlich verbessert, daß die Schutzeinrichtungen freizügig im Verlauf einer Leitung oder Sammelschiene angeordnet werden können, wobei eine besondere Rücksichtnahme wegen der mit den Isolatoren weitgehend übereinstimmenden mechanischen Eigenschaften nicht erforderlich ist

Die als Überspannungsableiter wirkenden Isolierkörper nach der Erfindung, die auch als überschlagfreie Isolatoren bezeichnet werden können, können einen spezifischen Widerstand von 10H-IO¹⁰OlIm je Zentimeter und einen Exponenten der Spannungsabhängigkeit von wenigstens 10 sowie ein Überspannungsableitern entsprechendes Energieaufnahmevermögen besitzen. Aufgrund dieser Eigenschaften benötigen die als Ableiter wirkenden Isolierkörper keine Funkenstrecken im Unterschied zu üblichen Überspannungsableitern. Dadurch ist die Möglichkeit geschaffen, praktisch einstückige Isolierkörper mit Ableitereigenschaften herzustellen.

Es ist bereits bekannt, halbleitende und spannungsabhängige Substanzen zur Beschichtung von elektrischen Isolatoren zu verwenden (z. B. CH-PS 2 46 094 und DE-AS 11 72 368). Hiermit soll eine gleichmäßige Aufteilung der Spannungsbeanspruchung auf die Isolatoren erzielt werden. Dagegen kann aber nicht die Wirkung eines Überspannungsabieiters herbeigeführt werden, weil die halbleitenden Schichten weder eine ausreichende Spannungsabhängigkeit des Widerstandes noch ein ausreichendes Energieaufnahmevermögen besitzen.

Es ist auch schon bekannt (US-PS 37 10 058), zwischen den Kontaktfedern von Schwachstromrelaisals Isolierkörper Metalloxid-Varistoren zu verwenden, die bei der Betriebsspannung des Relais ein Isolator, bei Überspannungen dagegen Leiter sind. Auf diese Weise soll die Funkenbildung an den Kontakten vermindert werden. Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit dem Überspannungsschutz räumlich ausgedehnter elektrischer Hochspannungseinrichtungen, d. h. dem Schutz von Isolatoren gegen eine übermäßige dielektrische Beanspruchung.

Als Überspannungsableiter wirkende Isolierkörper nach der Erfindung können ganz oder teilweise aus einem mit Metalloxiden dotierten Zinkoxid hergestellt werden. Besteht der Isolierkörper nur teilweise aus dotiertem Zinkoxid, so kann man einen Kern oder einen Mantel aus einem üblichen Isolierstoff vorsehen. Infolge seiner weitgehend keramischen Eigenschaften hat das dotierte Zinkoxid insbesondere bei Verarbeitung durch Sinter- oder Brennvorgänge hochwertige mechanische

Eigenschaften. Widerstände aus dotiertem Zinkoxid sind an sich bekannt Zusammensetzung und Herstellung können z.B. der DE-OS 18 02 452 entnommen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert

Die Fi g. 1 zeigt einen für Freiluft- und Innenraumanwendungen geeigneten Isolierkörper nach der Erfindung, der zugleich als Überspannungsableiter wirkt

Die Fig.2 und 3 zeigen Isolierkörper, die einen Mantel bzw. einen Kern aus dotiertem Zinkoxid besitzen.

In F i g. 4 ist schematisch eine Hochspannungsleitung dargestellt, deren Leiter mit den gemäß der Erfindung vorgesehenen beiden Arten von Isolierkörpern abgestützt sind.

Der Isolierkörper 1 nach der F i g. 1 hat die Gestalt eines üblichen Vollkernisolators, dessen Strunk 2 entweder, wie in der linken Hälfte der F i g. 1 gezeigt, für Anwendungen im Innenraum oder in metallgekapselten Anlagen glatt ausgeführt sein kann oder der zur Anwendung in Freiluftanlagen mit Rippen 3 versehen sein kann, wie dies der rechte Teil der F i g. 1 zeigt Der Strunk 2 ist an seinen Enden in üblicher Weise mit Armaturen 4 und 5 versehen, die nach den bekannten Verfahren an dem Strunk z. B. durch eine Kittung befestigt sein können. Der, Strunk 2 besteht aus Zinkoxid, das mit weiteren Metalloxiden dotiert ist Als Dotierungsstoffe eignen sich beispielsweise Antimonoxid und Wismutoxid, deren Anteil etwa 2 — 5 Mol-% betragen kann. Aus diesen Stoffen kann nach den für keramische Waren bekannten Verarbeitungsverfahren ein Körper mit hohen Festigkeitswerten hergestellt werden, wie sie auch andere Isolierkörper für Hochspannungseinrichtungen besitzen. Im Gegensatz zu solchen üblichen Isolierstoffen, deren spezifischer Widerstand 1O¹²- 10^M Ohm je Zentimeter beträgt und die keine Spannungsabhängigkeit des Widerstandes aufweisen, liegt der spezifische Widerstand des aus dotiertem Zinkoxid hergestellten Isolierkörpers bei der Betriebsspannung der Anlage bei etwa 10⁸— 10¹⁰Ohm je Zentimeter, wobei der Exponent der Spannungsabhängigkeit wenigstens 10 beträgt. Es sind auch stärkere Spannungsabhängigkeiten je nach Art und Menge der Dotierungsstoffe erzielbar. Daher wirkt der Isolierkörper als Ventilwiderstand, d.h. der Widerstand des Isolierkörpers sinkt außerordentlich stark, wenn die anliegende Spannung einen bestimmten Wert überschreitet. Die Ventilwirkung ist um so ausgeprägter, je höher der Exponent der Spannungsabhängigkeit ist. Zugleich besitzt das verwendete Material ein so hohes Energieaufnahmevermögen, daß beim Ableitvorgang keine Gefahr einer Überhitzung und damit einer elektrischen und/oder mechanischen Gefährdung besteht

s Während in F i g. 1 ein Isolierkörper mit einheitlichem Strunk dargestellt ist, zeigt die Fig.2 eine andere Ausführungsform eines Isolierkörpers 6, dessen Kern 7 aus einem üblichen Isolierstoff, z. B. Porzellan, Steatit oder Gießharz, besteht und der mit einem verhältnismä-

JO ßig dicken Mantel 8 aus dotiertem Zinkoxid umgeben ist Dieser Mantel trägt zur mechanischen Belastbarkeit des Isolierkörpers in erheblichem Umfang bei und hat zusätzlich die Funktion des Überspannungsabieiters. Auch hier besteht die Möglichkeit, den Strunk entweder glatt auszuführen oder ihn mit Schirmen zu versehen, die ztjr Verbesserung der Witterungsbeständigkeit glasiert sein können.

Bei im Prinzip gleicher Wirkungsweise ist der Isolierkörper 10 nach Fig.3 mit einem hohlzylindri-

M sehen Gehäuse 11 aus einem keramischen Werkstoff oder aus Gießharz versehen, das eine Füllung 12 aus dotiertem Zinkoxid enthält

Die in Fig.4 schematisch dargestellte Hochspannungsfreileitung umfaßt Masten 15 mit Auslegern 16, an

denen Leiterseile 17 durch Isolierkörper 20 und 21 gehalten sind. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit sind die Masten als nur einseitig mit Seilen 17 versehen dargestellt Während die Isolierkörper 20 aus üblichen Werkstoffen bestehen, z.B. Porzellan, Glas oder Gießharz, ist der Isolierkörper 21 bei im wesentlichen gleichen Abmessungen und mechanischen Eigenschaften beispielsweise nach F i g. 1 gestaltet Er wirkt daher als Überspannungsableiter und behebt die Gefährdung der Isolierkörper 20 bei Überspannungen, wie sie durch

Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge hervorgerufen werden können. In der Praxis wird es ausreichend sein, etwa jeden 10. bis 20. Isolierkörper durch einen als Überspannungsableiter wirkenden Isolierkörper zu ersetzen. Der Vorteil dieser Anordnung liegt insbeson-

dere darin, daß die Schutzeinrichtungen gegen Überspannungen im Zuge der Leitung untergebracht sind und daher zugleich mit einer Verbesserung der Schutzfunktion auch eine Platzersparnis erzielt wird, weil die sonst benötigten Einrichtungen zum Einbau der Überspannungsableiter entfallen. In prinzipiell gleicher Weise können auch die Sammelschienen einer Schaltanlage für Freiluft oder Innenraum oder in metallgekapselten Anlagen abwechselnd durch übliche und durch als Ableiter wirkende überschlagfreie Isolierkörper abgestützt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Hochspannungseinrichtung mit Leitern und diese gegen Erde abstützenden Isolierkörpern, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (20) der Isolierkörper die Eigenschaften üblicher Isolatoren aufweist und daß ein weiterer Teil (21) der Isolierkörper bei im wesentlichen gleichen Abmessungen und mechanischer Festigkeit die Eigenschaften von Überspannungsableitern aufweist

2. Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Überspannungsableiter wirkenden Isolierkörper bei der Betriebspannung der Hochspannungseinrichtung einen spezifischen Widerstand von 10⁸ -10¹⁰ Ohm je Zentimeter und einen Exponenten der Spannungsabhängigkeit von wenigstens 10 sowie ein Ülterspanruingsableitem entsprechendes Energieaufnahmevermögen besitzt.

3. Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Teil der Isolierkörper (21) zumindest teilweise aus einem mit Metalloxiden dotierten Zinkoxid besteht

4. Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierkörper (6) einen Kern (7) aus einem üblichen Isolierstoff und einen Mantel (8) aus dotiertem Zinkoxid besitzen.

5. Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler Isolierkörper (11) aus üblichem Isolierstoff einen Kern (12) aus dotiertem Zinkoxid enthält

6. Hochspannungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zinkoxid als Dotierungsstoffe Wismutoxid und/oder Antimonoxid in einer Menge von 2 — 5 Mol-% zugesetzt ist JS