DE2945623A1 - Spaltloser ueberspannungsableiter - Google Patents
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Description
B_e_s_c_h_r_e_i_b u_n_g
Die Erfindung bezieht sich auf überspannungsableiter, insbesondere
spaltlose überspannungsableiter.
Neuere Untersuchungen an überspannungsableitern haben gezeigt,
daß Zinkoxid die Eigenschaft hat, den Bau eines billigen spaltlosen Überspannungsabieiters zu ermöglichen, weil es in Verbindung
mit seiner Fähigkeit, bei hohen Strömen die Spannung festzulegen, im Dauerbetrieb einen verhältnismäßig geringen Leistungsverlust
hat. Versuche haben jedoch gezeigt, daß für ein bestimmtes Zinkoxid-Herstellungsverfahren die Wahl seines
Spannungsanstiegs im eingeschwungenen Zustand einen Kompromiß zwischen seinem thermischen Durchgang und dem Wunsch darstellt,
die Arbeitsspannung in die Nähe des Überschlages zu legen. Darüberhinaus ist festgestellt worden, daß eine verhältnismäßig
geringe Leistung in der Größenordnung von etwa 15 W ausreicht, bestimmte Zinkoxid-Überspannungsableiter thermisch
durchgehen zu lassen.
Spaltlose überspannungsableiter müssen daher unter Berücksichtigung
der Wärmeableitung ausgelegt werden, insbesondere wenn sie im Freien verwendet werden sollen und ein Schutzgehäuse
benötigen. Ein typischer spaltloser überspannungsableiter dieser
Art enthält ein äußeres Porzellangehäuse und einen Stapel aus Zinkoxidscheiben innerhalb des Gehäuses, durch die die
überströme hindurchfließen. Bei diesem typischen Überspannungsableiter
befindet sich zwischen den Zinkoxidscheiben und dem Porzellangehäuse eine Luft- oder Stickstoffschicht, über die
die in den Scheiben infolge des Überstrom-Durchganges erzeugte Wärme abgeleitet werden muß. Dies ist zwar ein praktisch angewandter
und wirtschaftlicher Weg der Wärmeableitung, der jedoch nicht sehr wirksam ist, so daß verhältnismäßig hohe Sicherheiten
zwischen Arbeitsspannung des Uberspannungsableiters und dem Überschlag zur Verhinderung eines thermischen Durchgehens
notwendig sind.
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Es ist auch möglich, die in den Zinkoxidscheiben erzeugte Wärme auf andere Weise als über Luft oder Stickstoff auf das
äußere Porzellangehäuse zu übertragen. Beispielsweise können öl oder Freon verwendet werden, die wirksamer sind als Luft
oder Stickstoff, öl und Freon haben jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich des inneren Druckes zur Folge; außerdem ist
Freon verhältnismäßig teuer.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen spaltlosen überspannungsableiter zu schaffen, bei dem die bei Uber·-
strömen erzeugte Wärme wirksam und wirtschaftlich abgeführt werden kann, damit der überspannungsableiter ohne Gefahr des
thermischen Durchgehens in der Nähe seines Uberschlagpunktes arbeiten kann. Dabei soll der Wärmeübergang sowohl praktisch
als auch wirtschaftlich und wirksam sein. Außerdem soll das Außengehäuse des spaltlosen Überspannungsabieiters infolge
überschüssiger innerer Fehlerenergie möglichst wenig beschädigt werden. Weiter soll ein Verfahren zur Wärmeableitung aus
dem Inneren des Überspannungsabieiters angegeben werden, bei dessen Anwendung die notwendige physikalische Bewegung seiner
inneren Bauteile nicht gestört wird.
Der erfindungsgemäße spaltlose überspannungsableiter enthält
ein mit einem offenen Ende versehenes, elektrisch nicht leitendes, jedoch wärmeleitendes äußeres Gehäuse, vorzugsweise
aus Porzellan, dessen Innenwand eine durch das Gehäuse verlaufende öffnung umschließt. Der überspannungsableiter enthält
eine durch die öffnung verlaufende und von der Innenwand in einem Abstand angeordnete Einrichtung, vorzugsweise einen Stapel aus
Metalloxid-, vorzugsweise Zinkoxidscheiben, durch die die überströme abfließen. Statt eines Luftspaltes zwischen dem
Scheibenstapel und dem äußeren Gehäuse und anstelle von öl oder Freon ist erfindungsgemäß ein elektrisch nicht leitendes
Teilchenmaterial, vorzugsweise Siliziumdioxid (vorzugsweise Sand) vorgesehen. Dieses teilchenförmige Material ist wirksamer
und wirtschaftlicher bei der Wärmeübertragung über den
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Spalt als Luft und sogar Öl und Freon im wesentlichen ähnlich.Dabei
ist festgestellt worden, daß dieses Material, weil es in Glas und Schlacke umgewandet wird, Fehlerenergie aufnimmt, wodurch
der überspannungsableiter weniger stark beansprucht und die Möglichkeit der Zerstörung seines Gehäuses vermindert wird.
Weiter gestattet das Teilchenmaterial eine Dehnung und Kontraktion der Scheiben, da es in begrenztem Maße innerhalb des
Gehäuses beweglich ist.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines erfindungsgemäßen spaltlosen
Uberspannungsab]eiters,
Fig. 2 den Vertikalschnitt einer Anordnung zur Simulierung des Überspannungsabieiters der Fig. 1 zur Erläuterung
der Art der Wärmeabfuhr,
Fig. 3 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Temperaturänderungen
von der Eingangsleistung an verschiedenen Punkten eines bekannten Überspannungsabieiters und
Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende grafische Darstellung bei einem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter.
Fig. 1 zeigt einen spaltlosen überspannungsableiter 10, der in
mancherlei Hinsicht in bekannter Weise aufgebaut ist und daher nur hinsichtlich derjenigen Bestandteile genauer beschrieben
ist, die mit der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang stehen. Gemäß Fig. 1 enthält der Überspannungsableiter ein mit offenen
Enden versehenes Gehäuse 12, das elektrisch nicht leitend aber wärmeleitend ist und dessen Innenwand 14 einen sich in Längsrichtung
erstreckenden, im allgemeinen zylindrischen Kanal umschließt. Das Gehäuse 12 besteht vorzugsweise aus Porzellan.
Der Überspannungsableiter enthält ferner eine herkömmliche Einrichtung
zur Durchleitung des Überstromes durch den Kanal, vorzugsweise einen Stapel aus Zinkoxidscheiben 16. Jede Scheibe
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ist längs ihres gesamten Umfanges von der Innenwand 14 in einem
Abstand angeordnet, so daß zwischen dem Umfang der Scheiben und der inneren Oberfläche 14 des Gehäuses 12 längs der gesamten
Länge des Kanals ein Spalt besteht.
Erfindungsgemäß ist der gesamte, vorstehend beschriebene Spalt
mit elektrisch nicht leitendem Siliziumdioxid 18 gefüllt, das vorzugsweise aus verdichtetem Sand mit einer Dichte zwischen
1,4 und 2,2 g/cm, besteht. Wie erwähnt, hat die Verwendung von Siliziumdioxid/ insbesondere von Sand gegenüber Luft (oder
Stickstoff) im Spalt oder auch gegenüber Öl oder Freon zur Wärmeübertragung einige wesentliche Vorteile. Zunächst ist Sand
ein besserer Wärmeleiter als Luft bei den Arbeitstemperaturen des Überspannungsabieiters, die beispielsweise zwischen -4O0C
+ 2000C liegen, wie anhand der Fig. 3 und 4 erläutert wird; er
ist sogar wirksamer als manche öle. Darüberhinaus ist er beträchtlich billiger als Freon und wirkt ebenso effektiv, wobei
hinsichtlich des Innendruckes keinerlei Schwierigkeiten auftreten, wie dies bei öl oder Freon der Fall ist. Zusätzlich
kann der Sand Fehlerenergie aufnehmen, weil er infolge der auftretenden hohen Temperaturen in Glas und Schlacke umgewandelt
wird, wodurch der überspannungsableiter im Fehlerfall weniger stark beansprucht und die Gefahr verringert wird, daß
das Porzellangehäuse splittert oder in anderer Weise beschädigt wird. Darüberhinaus hindert das teilchenförmige Material
die Zinkoxidscheiben nicht an der Ausdehnung, Kontraktion oder sonstigen Bewegung während des normalen Betriebs.
Der als bevorzugtes Medium zur Wärmeübertragung vom Stapel der Scheiben 16 auf das Porzellangehäuse 12 beschriebene Sand
ist billig, praktisch überall verfügbar und wirksam. Erfindungsgemäß kann jedoch auch anderes elektrisch nicht leitendes
teilchenförmiges Material verwendet werden, sofern seine Wärmeleitfähigkeit größer ist als die von Luft zur Wärmeableitung
in den Temperaturbereichen des Überspannungsabieiters
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und sonst im Zusammenhang mit der Erfindung kompatibel ist. Solches teilchenförmiges Material umfaßt allgemein Siliziumdioxid,
Sand und andere Siliziumdioxidformen sowie andere Materialien und Kombinationen derselben.
Im folgenden wird auf die Fig. 2, 3 und 4 Bezug genommen. Wie erwähnt, zeigen Fig. 3 und 4 Diagramme der Abhängigkeit der
Temperaturänderungen von der Eingangsleistung für einen bekannten und einen erfindungsgemäßen spaltlosen überspannungsableiter.
Im einzelnen zeigt Fig. 3 Versuchsergebnisse des Temperaturanstiegs (in 0C) in Abhängigkeit von der Eingangsleistung (in W), die an verschiedenen Punkten in einer Einrichtung
erzeugt wird, zur Simulation eines herkömmlichen spaltlosen Überspannungsabieiters. Diese simulierte Vorrichtung
ist identisch dem überspannungsableiter der Fig. 1, mit der Ausnahme, daß sich anstelle von Luft Sand im Luftspalt
zwischen den Zinkoxidscheiben 16 und im Gehäuse 12 befindet. Fig. 4 zeigt die gleichen Versuchsergebnisse, wobei jedoch
der Spalt mit wärmeleitfähigem Siliziumdioxid, insbesondere Sand mit einer Dichte von etwa 1,7 g/cm ,gefüllt ist.
In Fig. 2 ist die Ersatzvorrichtung insgesamt mit 20 bezeichnet. Sie ist mit gewissen Ausnahmen identisch dem überspannungsableiter
10. Zunächst enthält die Vorrichtung 20 statt des Zinkoxidscheibenstapels einen massiven Aluminiumzylinder 22, der
den Stapel darstellt, während eine elektrische Heizeinrichtung 24 die Wärmeverluste der Scheiben während des Dauerzustands und
der Stromableitung darstellt. Soll die Vorrichtung einen herkömmlichen spaltlosen überspannungsableiter simulieren, so ist
zwischen dem Aluminiumzylinder 22 und einem 30-kV-IVL-Porzellangehäuse
26 ein Luftspalt vorgesehen, wobei das Gehäuse 26 dem zuvor beschriebenen Porzellangehäuse 12 entspricht. Wenn die
Vorrichtung 20 zur Simulation des Überspannungsabieiters 10 gemäß Fig.1 dienen soll, befindet sich im Spalt zwischen Aluminiumzylinder
22 und äußerem Gehäuse 26 Sand 18. Bei tatsächlich ausgeführten Versuchen wurden selbstverständlich zwei ge-
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trennte Ersatzvorrichtungen verwendet, wobei die eine einen
Luftspalt und die andere einen mit Sand gefüllten Spalt aufwiesen, die Vorrichtungen ansonsten jedoch zueinander und zu
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 identisch waren.
Zur überwachung der Temperatur jeder der vorstehend beschriebenen
Ersatzvorrichtungen wurden vier Thermoelemente A, B, C und D verwendet. Gemäß Fig. 2 befindet sich das Thermoelement
A an der Grenzfläche zwischen Spalt und Aluminiumzylinder 22. Das Thermoelement B befindet sich direkt gegenüber dem Thermoelement
A auf der anderen Seite des Spaltes, d.h. auf der Grenzfläche zwischen Spalt und äußerem Gehäuse 26. Das Thermoelement
C ist auf der Außenfläche des Gehäuses 26 zwischen zwei vorstehenden Rippen angeordnet, die einen Teil des äußeren Gehäuses
26 bilden; das Thermoelement D schließlich ist auf der äußersten Stelle einer benachbarten vorstehenden Rippe angeordnet.
In den Diagrammen der Fig. 3 und 4 sind von besonderem Interesse die Temperaturunterschiede am Spalt, d.h. zwischen den
Punkten A und B. Wie in Fig. 3 gezeigt, beträgt bei 100 W der Temperaturunterschied 25,2°C (65,5°C - 40,30C), wenn der
Spalt lediglich mit Luft gefüllt ist. Ist der Spalt mit Sand gefüllt, so beträgt die Temperaturdifferenz zwischen den
Punkten A und B nur 3,8°C (400C - 36,2°C), was die Wirksamkeit
des Sandes als Wärmeleiter zeigt. Wesentlich bei diesem Versuch ist, daß für vergleichbare Leistungsverluste der
Stapel aus Zinkoxidscheiben verglichen mit 65,5°C mit 400C
(Punkt A) mit wesentlich geringerem Temperaturanstieg arbeitet, was die Gefahr eines thermischen Durchgehens auf ein
Minimum absenkt.
Ähnliche Untersuchungen wurden mit Transformatoröl (öl
WEMCO-C) und Freon als Wärmeübertragungsmedium durchgeführt. Es wurde festgestellt, daß Sand um etwa 6°C wirksamer ist
als Transformatorenöl, d.h., es ergibt sich am Punkt A eine
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um 60C geringere Temperatur als bei Transformatorenöl und
eine gegenüber dem wesentlich teueren Freon um nur 2,80C
höhere Temperatur.
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Claims (1)
- Patentansprüchepaltloser Überspannungsableiter mit einem elektrisch nichtleitenden, wärmeleitfahigen äußeren Gehäuse mit offenen Enden, dessen Innenwand eine durch das Gehäuse verlaufende öffnung begrenzt, und mit einer durch die Öffnung verlaufenden und von der Innenwand in einem Abstand angeordneten Einrichtung zur Führung von überströmen, gekennzeichnet durch elektrisch nicht leitfähiges teilchenförmiges Material (18) innerhalb der öffnung, das den Zwischenraum zwischen der Innenwand (14) und der Uberstrom-Leiteinrichtung (16) ausfüllt, und dessen Wärmeleitfähigkeit bei Temperaturen von etwa -400C bis +2000C größer ist als die von Luft.überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß das teilchenförmige Material (18) Siliziumdioxid enthält.030021 /08423. überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch g ekennzeich.net, daß das teilchenförmige Material aus Sand-Siliziumdioxid besteht und das Siliziumdioxid Sand ist.4. überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) aus Porzellan besteht.5. überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß die überStrom-Leiteinrichtung einen Stapel aus innerhalb der Gehäuseöffnung angeordneten Metalloxidscheiben (16) enthält.6. überspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch g ekennzeichnet, daß die Metalloxidscheiben aus Zinkoxidscheiben (16) bestehen.030021/0H4
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