DE2945623A1 - Spaltloser ueberspannungsableiter - Google Patents

Description

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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)

1. Patentansprüche

   paltloser 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.

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   3. 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.

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