DE69635491T2

DE69635491T2 - Elektrische leistungsübertragungskabel mit schutzvorrichtungen gegen blitzüberspannungen

Info

Publication number: DE69635491T2
Application number: DE69635491T
Authority: DE
Inventors: Alexandr Dmitrievich Sivaev
Original assignee: Streamer Electric Co Inc
Current assignee: Streamer Electric Co Inc
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1996-09-05
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2016-09-06
Also published as: EP0871965B1; US6108187A; AU7101296A; BR9611603A; EP0871965A1; DE69635491D1; WO1997019456A1

Description

Fachgebiet der Technik
Die vorgeschlagene Erfindung bezieht sich auf das Fachgebiet der Hochspannungstechnik, und zwar – auf Kraftübertragungsleitungen mit den Vorrichtungen zum Schutz vor Gewitterüberspannungen, d.a. in Form der Blitzstoßableiter.
Stand der Technik
Die bereits bekannten Hochspannungfernleitungen enthalten in der Regel einen Kraftleiter, der an den Mastem mittels Isolatoren befestigt ist, sowie Gewitterschutzvorrichtungen, d.h. Vorrichtungen für die Begrenzung der Überspannungen, die an den durch den Blitz getroffenen Leitungen entstehen. Die Leitung kann mehrere Kraftleiter enthalten, wenn sie z.B. als Mehrphasenleitung ausgeführt ist. Die Maste werden i.R. geerdet ausgeführt; es kommen auch Kraftübertragungsleitungen mit ungeerdeten Masten vor. Der Kraftleiter ist i.R. mit dem Speisekabel per Kabelaufteilung verbunden.
In den meistverbreiteten Kraftübertragungsleitungen werden als Vorrichtungen zur Begrenzung der Überspannungen Stabableiter, die in Form zweier Metallstäbe, installiert in unmittelbarer Nähe von Isolatoren bzw. Isolatorenketten oder den anderen zu schützenden Leitungselementen, ausgeführt sind, verwendet. Diese Metallstäbe werden in einem bestimmten Abstand voneinander installiert, der als Funkenstrecke bezeichnet wird; und falls in der durch den Blitz getroffenen Krafzübertragungsleitung eine Überspannung entsteht, läuft die Entladung über die Funkenstrecke des Ableiters durch und der Isolator wird somit vor Zerstörung gesichert. Es ist auch Kraftübertragungs leitung bekannt, die als Vorrichtung zur Begrenzung der Überspannungen einen Ventilableiter enthält, welcher aus einem oder mehreren (je nach der Spannungsklasse) in Serie geschalteten Standardelement bzw. -elementen besteht. Jedes Element enthält nichtlineare Widerstandsscheiben mit dazwischen vorhandenen Funkenstrecken, wobei jeder Satz von Funkenstrecken und nichtlinearen Widerständen in einer hermetisch abgedichteten Porzelanhülle platziert ist. (Siehe: Hochspannungstechnik. Razewig D.V. als Schriftleiter Moskau, Energija, 1976, S.300.
Mit solchen Ableitern versehene Leitung besitzt zwar einen hohen Sicherheitsgrad, jedoch hängen Kompliziertheit und erhebliche Kosten der gehörigen Ventilableiter mit deren hohen Betriebskosten und den Baukosten der Gesamtleitung zusammen.
Es ist auch eine Kraftübertragungsleitung mit der Vorrichtung zur Begrenzung der Überspannungen in Form eines Rohrableiters, umfassend ein Vinidur-Rohr, das einerseits mit einem als eine der Endelektroden dienenden Metalldeckel verschlossen ist, bekannt. An diesem Deckel ist eine interne Stabelektrode befestigt. Am offenen Rohrende ist die andere Endelektrode untergebracht. Der Funkenüberschlag erfolgt im Bereich zwischen der Stabelektrode und der am offenen Rohrende befindlichen Stabelektrode, d.h. diese Elektroden sind Hauptelektroden. In solchen Leitungen ist das Rohr des Ableiters von dem Kraftleiter durch eine Aussenfunkenstrecke abgetrennt. (Siehe: Hochspannungstechnik. Razewig D.V. als Schriftleiter Moskau, Energija, 1976, S.289.
Ein Nachteil der bekannten Leitung ist ihr niedrigerer Sicherheitsgrad, denn die Funktion des Ableiters wird mit dem Auspuff eines stark ionisierten erzeugbaren Gases begleitet, was einen Überschlag der Luftisolation initialisieren kann, falls Nachbarphasenleiter oder geerdete Konstruktionen in den Auspuffbereich des Ableiters geraten sind. Der Ableiter bekannter Bauart weist einen begrenzten Breiech der abschaltbaren Ströme und eine kurze Lebensdauer auf, weil sich beim Durchgang des Entladungsstromes das Ausbrennen des Vinidur-Rohres ergibt.
Es ist ein Hochspannungsstützisolator bekannt, der aus einem Isolierkörper – u.a. einem gerippten Porzellankörper – und den Metallflanschen, installiert an dessen Enden für die Befestigung des Isolators am Kraftleiter und dessen Stützkonstruktion, besteht. (Siehe: Hochspannungstechnik. Razewig D.V. als Schriftleiter Moskau, Energija, 1976, S.78.
Es ist auch ein Porzellanstützisolator mit spiralförmigen Rippen bekannt, der einen Porzellanisolierkörper mit spiralförmigen Rippen und die an den Enden des Isolierkörpers installierten Metallflansche enthält. (Siehe: Hochspannungstechnik. Razewig D.V. als Schriftleiter Moskau, Energija, 1976, S.85.
Bei den bekannten Isolatoren findet bei einer Gewitterüberspannung der Überschlag der zwischen den Metallflanschen befindlichen Luftstrecke statt, und anschließend geht dieser Überschlag unter der Einwirkung der am Kraftleiter angelegten technischen Wechselspannung in einen Kraftlichtbogen über und verursacht somit eine Notabschaltung der Hochspannungsleitung, die den angegebenen Isolator enthält.
Bekannt ist die Armatur für die Befestigung des Isolators an der Stütze, die als Geradestab aus Glasfaserkunststoff ausgeführt ist, bei welchem ein Ende an der Stütze befestigt wird, während das andere Ende am Hochspannungsisolator installiert wird. (Siehe: Hochspannungstechnik. Razewig D.V. als Schriftleiter Moskau, Energija, 1976, S.88.
Solche Armatur erhöht die Hauptisolations-Entladungsspannungen der Kraftübertragungsleitung und trägt somit zur Steigerung deren Betriebssicherheit bei. Nichtsdestoweniger bedarf sie der zusätzlich zu installierenden Hilfsvorrichtungen zum Schutz der Hochspannungselemente vor Gewitterüberspannungen. Darüber hinaus ist solche Armatur recht kostenspielig. Bekannt ist auch die Armatur Form einer Traverse aus Elektroisolierbeton, worauf der Hochspannungsisolator aufgestellt wird. Es besteht auch eine Möglichkeit, den Leiter der Kraftübertragungsleitung unmittelbar an der Isoliertraverse ohne Isolator zu befestigen. Siehe: Hochspannungstechnik. Razewig D.V. als Schriftleiter Moskau, Energija, 1976, S.87.
Im ersten Fall wird ein hoher Betriebssicherheitsgrad der Leitung erzielt, doch ist diese Lösung sehr teuer. Im zweiten Fall ist die Lösung zwar nicht so aufwendig, doch ergibt sie eine erhebliche Reduzierung der Betriebssicherheit der Leitung bei Verschmutzung und Feuchtwerden.
Am nächsten zur angemeldeten Armatur ist solche in Form eines geraden oder gekröpften Metallstabes, bei welchem ein Ende an der Stütze befestigt wird, während am anderen Ende der Hochspannungsisolator installiert wird. (Siehe Sinjawskij V. N. „Berechnung und Ausführung der elektrokeramischen Konstruktionen". Moskau, Energija, 1977, S.58
Die Armatur ist recht einfach, zuverlässig und billig, aber bei einer Gewitterüberspannung findet der Überschlag des Isolators statt, und der Entladungskanal schließt sich an der Armatur. Dabei ist die Weglänge des Blitzstoßüberschlages des Isolators nicht groß, und infolgedessen geht der Stoßüberschlag in einen Kraftlichtbogen technischer Wechselspannung über, woraus sich der Bedarf an einer Notabschaltung der Leitung ergibt.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine sichere und bau- und betriebskostengünstige Kraftübertragungsleitung dank der Erhöhung und Vereinfachung von Bauweise der Gewitterschutzvorrichtungen zu schaffen.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, Sicherheit und Vereinfachung der Bauweise des Blitzstoßableiters für Kraftübertragungsleitungen zu erhöhen, der an der Linie leicht installiert werden könnte, indem er einen hohen Zuverlässigkeitsgrad des Schutzes deren Elemente vor den in einen Kraftlichtbogen übergehenden Überspannungsüberschlägen gewährleisten und die Anzahl der gewitterbedingten Leitungsabschaltungen minimieren würde.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, solche Armatur zu schaffen, die eine einfache, zuverlässige und kostengünstige Befestigung der Isolatoren, Leiter und anderen Hochspannungselemente der Kraftübertragung am Leitungsmast ermöglicht und zudem einen störungsfreien Betrieb der Leitung unter den Gewitterüberspannungen gewährleistet.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen Isolator zu schaffen, der einen hohen Sicherheitsgrad in Bezug auf die Überspannungen besitzt, die in einer durch den Blitz getroffenen Kraftübertragungsleitung entstehen können, und der ebenso wie Ableiter der Entwicklung der in einen Kraftlichtbogen übergehenden Entladungsspannungen entgegenwirkt und die Anzahl der gewitterbedingten Leitungsabschaltungen reduziert.
Die gestellte Aufgabe ist an der Kraftübertragungsleitung und den elektrischen Komponenten gelöst, die in den beigelegten Patentansprüchen definiert werden.
Als Kraftübertragungsstützen, an welchen die Armatur befestigt wird, können Masten der Kraftübertragungsleitungen, Wände, Gehäuseteile und andere Stützelemente eingesetzt werden.
Weitere konkrete Ausführungsvarianten der Kraftübertragungsleitung, des Ableiters, des Isolators und der Armatur, die einen zusätzlichen Effekt ergeben, werden nachstehend in den entsprechenden Abschnitten der Beschreibung offenbart.
Der Gewitterüberspannungsschutz beruht bei allen oben aufgezählten Varianten der Kraftübertragungsleitung sowie beim Einsatz des beschriebenen Ableiters, Isolators und/oder der Armatur auf einem und demselben Prinzip.
Wird die Kraftübertragungsleitung durch einen Blitz getroffen, findet ein Stoßüberschlag des nächstliegenden Isolators oder der nächstliegenden Isolierstrecke statt. Bei einer Überspannung nach dem stattgefundenen Stoßüberschlag der Isolation ist entweder der Aufbau einer elektrischen Entladung mit dem anschließenden Übergang in einen Betriebsspannungsbogen, der einen Kurzschluss der Leitung bedeutet, oder die Wiederherstellung der Isolierfestigkeit nach dem Durchlauf des Blitzstromes über den Entladungskanal und die Stütze in die Erde hin und die Fortsetzung des abschaltfreien Normalbetriebs der Leitung möglich.
Die Wahrscheinlichkeit der Kraftlichtbogenbildung hängt hauptsächlich von der Nennspannung U_Nenn der Leitung U_HOM und von der Weglänge L des Überschlags ab. Bei der vorgegebenen Nennspannung U_Nenn ist die Wahrscheinlichkeit der Kraftlichtbogenbildung P_Bogen indirekt proportional zu der Weglänge des Überschlags L: PBogen ≡ 1/LEine Vergrößerung von L (z.B. um Faktor 2) ermöglicht es, die Wahrscheinlichkeit der Kraftlichtbogenbildung um den gleichen Faktor zu vermindern und die Anzahl der Leitungsabschaltungen entsprechend zu reduzieren. (Für dieses Beispiel auch um Faktor 2).
Den Erfindern ist es gelungen, eine technische Möglichkeit für die Herstellung einer genügenden Weglänge des Funkenüberschlags durch die Ausnutzung des Effektes der Oberflächenentladung über die Oberfläche des Dielektrikums zu finden. Dieser technischer Griff – eine Wegverlängerung des Funkenüberschlags dank der Herstellung einer längeren Oberflächenentladung über die Oberfläche eines dielektrischen Körpers – kann in einer Kraftübertragungsleitung mit Blitzstoßfunkenableiter nutzbar gemacht werden. Zu diesem Zweck muss der Ableiter als Ableiter mit Oberflächenentladung ausgeführt werden und entsprechende Parameterverhältnisse haben. Auf diesem Prinzip beruhen technische Lösungen gemäß den Patentansprüchen 1–15 und 22–28. Den Erfindern ist es auch gelungen, festzustellen, dass die beim Funkenüberschlag entstehende Stoßentladung sich im Falle einer durch den Blitz getroffenen Kraftübertragungsleitung aktiv über die Oberfäche der dielektrischen Isolation des Kraftleiters bis hin in die Entfernung aufbauen kann, welche die Länge eines Standardisolators überschreitet. Folglich lässt sich ein wesentlich längerer Weg des Funkenüberschlags erzielen und somit die Wahrscheinlichkeit der Kraftlichtbogens vermindern, sofern die Stoßentladung eine Möglichkeit bekommt, sich auf solche Weise über die Oberfläche der Kraftleiterisolation aufzubauen. Auf diesem Prinzip beruhen technische Lösungen gemäß den Patentansprüchen 16–21.
Die Bauweise der Armatur für die Befestigung des elektotechnischen Hochspannungselementes an der Stütze der Kraftübertragung gemäß den Patentansprüchen. 29, 30 gewährleistet die Realisierung desselben Ziels – Verlängerung des Funkenüberschlagweges durch den Aufbau der Entladung über die Oberfläche der dielektrischen Isolation am Armaturenstab.
Die Bauweise des Hochspannungsisolators gemäß den Patentansprüchen 31–33 ermöglicht auch eine Verlängerung des Funkenüberschlagweges dadurch, dass die Entladung sich über die Oberfläche des dielektrischen Isolierkörpers mit einer spiralförmigen Bewegungsbahn zwischen den spiralförmigen Rippen aufbaut.
Die Weglänge des Funkenüberschlags über die Oberfläche der Blitzstoßableiters oder über die Oberfläche der Kabelaufteilungsisolation muss die Weglänge des Funkenüberschlags des zu schützenden Leitungselementes überschreiten. In den Ausführungsvarianten gemäß den Patentansprüchen 16–19 ist die Weglänge des Funkenüberschlags über die Oberfläche des Kraftleitersisolation plus Länge des zu schützenden Elementes größer als die Weglänge des Funkenüberschlags des zu schützenden Elementes. Analog ist auch für die Armatur gemäß den Patentansprüchen 30, 31 die Weglänge des Funkenüberschlags über die Oberfläche des Armaturenstabs plus Länge des zu schützenden Elementes größer als die Weglänge des Funkenüberschlags des zu schützenden Elementes.
Die Mindestlänge des Überschlagsweges L_min, die eine genügende Erhöhung der Schutzsicherheit gewährleistet, kann nach der folgenden Formel berechnet werden: Lmin = 0,06U0.75, mmit: U – Nennspannung der Leitung, kV.
In der Tabelle 1 sind die bereits in der Literatur veröffentlichten maximalen Isolationslängen l_Isol. aufgeführt, die zur Zeit verwendet werden.
Tabelle 1
Wie ersichtlich aus der Tabelle 1, ist die nach der oben angegebenen Formel berechnete Weglänge des Funkenüberschlags mindestens um 20–70% größer als maximale Längen der gewöhnlichen Isolationen.
Die Erzielung des erwünschten Ergebnisses in puncto Erhöhung des Kurzschluss-Schutzsicherheit der Kraftübertragung kann auf folgende Weise erklärt werden.
Im Blitzstoßfunkenableiter gemäß der Erfindung initiiert die Stabelektrode, die über die ganze Länge des länglichen dielektrischen Körpers untergebracht ist, den Durchlauf der Entladung über die ganze Oberfläche des Isolierkörpers des Ableiters, und die elektrische Stoßfestigkeit dieser Funkenstrecke erweist sich als Größe, die geringer ist als solche des zu schützenden Elementes der Kraftübertragungsleitung, insbesondere des Isolators oder der Isolationsstrecke. Dabei wird dank einer genügend großen Länge der Ableitersfunkenstrecke und somit dem Durchgangsweg der Gleitentladung die Kraftlichtbogenbildung nach dem Durchlauf des Blitzstoßstromes verhindert. Je größer ist die Weglänge des Funkenüberschlags des Ableiters, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit der Kraftlichtbogenbildung und desto geringer ist die Anzahl der Leitungsabschaltungen.
In einer anderen Ausführungsvariante des Blitzstoßfunkenableiters initiieren die innerhalb und/oder auf der Oberfläche dispers verteilten halbleitenden oder ferroelektrischen Metallteilchen bei der infolge des Blitzeinschlages entstandenen Überspannung den Durchlauf der Entladung über die ganze Oberfläche des Ableiters, und seine elektrische Festigkeit erweist sich als Größe, die geringer ist als solche des zu schützenden Kraftübertragungselementes, insbesondere des Isolators oder der Isolierstrecke, und es wird zugleich dank einer genügend großen Weglänge des Ableitersfunkenüberschlages die Kraftlichtbogenbildung nach dem Durchlauf des Blitzfunkenstromes verhindert. Je größer ist dabei die Weglänge des Ableitersfunkenüberschlages, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit der Kraftlichtbogenbildung, und desto geringer ist die Anzahl der Leitungsabschaltungen.
In der Armatur für die Befestigung des elektrotechnischen Hochspannungselementes am Kraftübertragungsmast gemäß der Erfindung beginnt der Enladungskanal sich vom Kraftleiter ab aufzubauen, dann umrennt er den Isolator und nähert sich der auf dem Armaturenstab aufgetragenen Isolation. Dann ist der Entladungskanal gezwungen, der Isolation entlang zu gleiten, bis er das isolationsfreie Ende des Metallstabes erreicht. Danach läuft der Gewitterüberspannungsstrom vom Kraftleiter ab, über den Entladungskanal bis hin an den Mast und geht in die Erde hinein. Dabei wird dank einer genügend großen Weglänge des Ableitersüberschlags die Kraftlichtbogenbildung nach dem Durchlauf des Blitzstoßstromes verhindert.
Im Hochspannungsisolator gemäß der Erfindung wird bei einer Überspannung der Gleitentladungsaufbau über die Oberfläche des Isolators im Zwischenrippenraum durch das Vorhandensein der innerhalb des Isolierkörpers installierten Führungslektrode gewährleistet, wobei die Gleitentladung eine spiralförmige Bewegungsbahn hat, deren Länge wesentlich größer ist, als solche des Isolators selbst. Infolgedessen wird keine Kraftlichtbogenbildung durch technische Wechselspannung nach dem Durchlauf des Gewitterüberspannungsstoßstroms initiiert, und die Kraftübertragungsleitung, die einen solchen Isolator enthält, kann störungs- und abschaltungsfrei weiter funktionieren.
Beschreibung der Zeichnungen
Die angemeldete Erfindung wird durch die Zeichnungen illustriert, die Folgendes darstellen:
1 – Schema der einphasigen Kraftübertragungsleitung mit einem Blitzstoßfunkenableiter gemäß der Erfindung;
2 – eine andere Ausführungsform des Schemas für die Kraftübertragungsleitung mit einem Ableiter gemäß der Erfindung;
3 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit einem Ableiter gemäß der Erfindung, bei welchem ein Ende an der Stütze befestigt ist;
4 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit einem Ableiter gemäß der Erfindung, der am Blitzschutzseil befestigt ist;
5 – Schema der Zwillingsleitung mit einem Ableiter gemäß der Erfindung;
6 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit einem schlingenförmigen Ableiter gemäß der Erfindung;
7 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit einem Zwillingsableiter gemäß der Erfindung;
8 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit einem Ableiter gemäß der Erfindung, der in der Trennstrecke des Kraftleiters installiert ist;
9 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit Überspannungsschutzmitteln in Form einer dielektrischen Hülle, die am Kraftleiter installiert ist;
10 – eine andere Ausführungsform des Schemas der Kraftübertragungsleitung, die in der 9 dargestellt ist;
11 – eine andere Ausführungsvariante der Kraftübertragungsleitung mit den Überspannungsschutzmitteln in Form einer dielektrischen Hülle;
12 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit den Überspannungsschutzmitteln in Form der Kabelanschluss-Aufteilung gemäß der Erfindung;
13 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit Hochspannungsanschluss der Unterstation;
14 – Schema der Kraftübertragungsstation mit isoliertem Kraftleiter;
15 – Schematische Darstellung des Ableiters mit dispers verteilten Teilchen gemäß Erfindung;
16 – eine andere Ausführungsform des in der 15 dargestellten Ableiters;
17 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit Armatur gemäß der Erfindung, woran ein Isolator befestigt ist;
18 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit Armatur gemäß der Erfindung, die mit einer zusätzlichen Isolierrippe versehen ist;
19 – Schema der Kraftübertragungsleitung mit Direktbefestigung des Leiters an der isolierten Armatur gemäß der Erfindung;
20 – Schematische Darstellung des Hochspannungsisolators gemäß der Erfindung, Querschnitt;
21–23 – andere Ausführungsformen des Hochspannungsisolators gemäß der Erfindung, Querschnitt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung
In der 1 ist eine Kraftübertragungsleitung mit dem Blitzstoßfunkenableiter 1 dargestellt, der an den Kraftleiter 2 elektrisch parallel mit dem zu schützenden Element – hier mit dem Isolator 3 – angeschaltet ist. Dabei sind die Endelektroden 4¹ und 4² des Ableiters an den Kraftleiter 2 der Leitung angeschlossen, d.h. sie stehen mit ihm in einem unmittelbaren elektrischen Kontakt, während die zweite Hauptelektrode 5 an die in der Leitung installierte geerdete Elektrode 11 über die Luftfunkenstrecke angeschlossen ist, d.h. der elektrische Kontakt zwischen Elektroden 5 und 11 entsteht nur im Durchschlagsfall der Luftisolation im jeweiligen Elektrodenzwischenraum.
Der Blitzstoßableiter 1 enthält den länglichen, aus einem harten Dielektrikum ausgeführten Körper 1¹ , an dessen Enden Endelektroden, bezeichnet als 4¹ und 4² , angebracht sind. Innerhalb dieses Körpers 1¹ erstreckt sich von einem Ende bis hin an das andere Ende die Stabelektrode 6, die elektrisch mit den Endelektroden 4¹
4² gekoppelt ist und gemeinsam mit diesen die erste Hauptelektrode bildet. Im mittleren Teil des länglichen Körpers 1¹ ist auf dessen Oberfläche die zweite Hauptelektrode 5 angebracht.
Möglich ist auch die Ausführungsvariante der Kraftübertragungsleitung, bei welcher der Ableiter 1 mit seinen Endelektroden 4¹ und 4² an den Kraftleiter 2 angeschlossen ist, während seine zweite Hauptelektrode 5 an den geerdeten Mast 7 der Kraftübertragungsleitung angeschlossen ist.
In der Kraftübertragungsleitung, welche die in der 1 dargestellte Bauweise hat, entsteht bei der Bildung einer Gewitterüberspannung an der Leitung im Bereich zwischen der geerdeten Elektrode 11 und der zweiten Hauptelektrode 5 des Ableiters, die zu diesem Zeitpunkt unterm Potential des Leiters 2 steht, ein durch den Entladungskanal 8 bedingter Überschlag der Luftfunkenstrecke, wonach sich dieser Kanal über die Oberfläche des Ableiters zwischen der Elektrode 5 und den Endelektroden 4¹ und 4² weiter aufbaut, was durch das Vorhandensein der Stabelektrode 6 innerhalb des Isolierkörpers des Ableiters gefördert wird, die den Einsatz der Gleitentladung über dessen Oberfläche verursacht. Gleichzeitig wird die Überspannung zwischen dem Leiter 2 und dem Mast 7 begrenzt, und der durch die Blitzeinwirkung bedingte Stoßstrom läuft über den Entladungskanal 8, wonach die Kraftübertragungsleitung ihren Normalbetrieb wiederaufnimmt.
Die Weglänge des Ableitersfunkenüberschlages, d.h. der Abstand l zwischen jeder der Endelektroden 4¹ bzw. 4² und der zweiten Hauptelektrode 5, überschreitet die Weglänge h des zu schützenden Isolators 3. Dabei ist die Auslösespannung des Ableiters 1 geringer als die Entladungsspannung des Ableiters 3. Insbesondere beläuft sich z.B. die Länge des Ableiters 1 für die Kraftüberspannungsleitung mit einer Nennspannung von 35 kV auf 4 Meter, dabei ist die Länge des Funkenüberschlags ungefähr der halben Ableiterslänge gleich, d.h. 2 Meter. Die Auslösespannung eines solchen Ableiters beträgt 200 kV. Die für solche Kraftübertragungsleitungen einsetzbaren Isolatoren weisen eine Länge von 0,4 m und eine Entladungsspannung von 300 kV auf. Bei einem solchen Parameterverhältnis wird der Funkenüberschlag bei der durch den Blitz getroffenen Kraftübertragungsleitung nicht über den Isolator 3, sondern über die Oberfläche des Ableiters 1 zwischen den Endelektroden 4¹ bzw. 4² und der zweiten Hauptelektrode 5 erfolgen, die elektrisch mit der Erde gekoppelt ist. Dank der Tatsache, dass die Länge des Funkenüberschlags über die Oberfläche des Ableiters 1 genügend groß ist, geht die Entladung in den Kraftlichtbogen nicht, und es findet kein Kurzschluss der Leitung statt. Näher wurden physikalische Grundlagen dieses Prozesses oben beschrieben.
Solche Ausführung ist zweckmäßig in den Regionen mit den geringfügigen durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten, die den Abstand zwischen der zweiten Hauptelektrode 5 des Ableiters 1 und der geerdeten Elektrode 11 unwesentlich verändern.
In der Kraftübertragungsleitung, die in der 2 dargestellt ist, ist der Ableiter 1 mit dem geerdeten Mast 7 über die Luftfunkenstrecke gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform ist an der zu schützenden Isolatorenkette 3 der Stabisolator 9 befestigt, deren freies Ende sich in der Entfernung vom Mast 7 befindet, die bei einer Überspannung einen Funkenanschluss des Mastes an den Ableiter 1 gewährleistet, dessen zweite Hauptelektrode 5 mit dem oben genannten Ende des Stabisolators 9 über die leitende Senkung 10 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsvariante führt das durch den Wind bedingte Ausschwingen des Leiters nicht zur Veränderung der Luftfunkenstrecke zwischen dem Isolatorenende 9 und dem Mast 7, während der Ableiter 1 – unabhängig vom Schwingen des Leiters – stabil auslöst.
In der 3 ist die Kraftübertragungsleitung mit dem Ableiter 1 dargestellt, der mit einer Endelektrode am Stahlbetonmast 7 befestigt ist.
Der Ableiter besteht aus der mit harter Isolation 1¹ beschichteten Stabelektrode 6, den Endelektroden 4¹ , 4² , wobei eine dieser Elektroden 4¹ an den Mast 7 angeschlossen ist, und einem oberhalb der Isolation 1¹ installierten Metallrohr 5, welche die Rolle der zweiten Hauptelektrode spielt.
Der Ableiter ist so installiert, dass seine zweite Hauptelektrode 5 an den Kraftleiter 2 über die Luftfunkenstrecke angeschlossen ist.
Der Metallstab 6 des Ableiters 1 besitzt das Potential des Mastes 7. Dank einer großen Kapazität im Bereich zwischen der Stabelektrode 6 und der zweiten Hauptelektrode 5, hat die Letztere praktisch dasselbe Potential wie der Stab, d.h. das Potential des Mastes 7. Auf solche Weise ist die Überspannung zwischen dem Leiter 2 und dem Mast 7 auch an den Bereich zwischen dem Leiter 2 und dem Rohr 5 angelegt. Bei einer genügend großen Überspannung wird die Luftfunkenstrecke durchgeschlagen, und die Überspannung wird an den Bereich zwischen der Hauptelektrode 5 und der Stabelektrode 6 angelegt, infolgedessen sich die Gleitentladung ab Elektrode 5 über die Oberfläche der Isolation 1¹ zu einer oder zu beiden Seiten des Ableiters aufbaut, bis ihre Schließung an der Endelektrode 4¹ und 4² zustandekommt.
Auf ähnliche Weise funktionieren die Kraftübertragungsleitungen mit einem an Hand der nachstehend angeführten Beispielen beschriebenen Blitzstoßableiter.
In der 4 ist eine Kraftübertragungsleitung dargestellt, bei welcher – im Gegensatz zum vorstehend angeführten Beispiel – die zweite Hauptelektrode 5 des Ableiters 1 mit dem Kraftleiter 2 der Leitung gekoppelt ist. An diesem Beispiel ist der Ableiter 1 mit seinen Endelektroden 4¹ und 4² an den Blitzschutzseil 12 der Kraftübertragungsleitung angeschlossen, während die zweite Hauptelektrode 5 an den an der Isolatorenkette 3 installierten Stabisolator 9 angeschlossen ist. Auf solche Weise ist die zweite Hauptelektrode 5 an den Kraftleiter 2 über die Luftfunkenstrecke angeschlossen. In diesem Fall, wenn eine Stoßüberspannung im Bereich zwischen dem Kraftleiter 2 und dem Mast 7 entsteht, bildet sich zuerst der Entladungskanal 8 im Luftraum zwischen dem Kraftleiter 2 und der Elektrode 5, und dann erfolgt der Gleitentladungsaufbau zuwärts den beiden Endelektroden 4¹
4² des Ableiters.
Die Erfindung ist auch für eine Zwillingsleitung realisierbar, wie es in der 5 illustriert wird.
In disem Fall ist es zweckmäßig, einen Ableiter für den Schutz beider Leitungskreise anzuwenden, wozu die zweite Hauptelektrode 5 des Ableiters 1 an den Blitzschutzseil 12 der Leitung, wie gezeigt in der 5, oder an deren geerdeten Mast 7 angeschlossen wird, während die Endelektroden 4¹ und 4² mit den Kraftleitern 2 der gleichnamigen Phasen diverser Leitungskreise über die Luftfunkenstrecken verbunden sind, wie ersichtlich aus den vorstehend angeführten Beispielen.
In einer Reihe der Fälle ist es vom Standpunkt der Montagefreundlichkeit aus zweckmäßig, die in der 6 dargestellte Ausführungsform in Anspruch zu nehmen.
Bei diesem Beispiel ist der längliche Körper 1¹ des Ableiters in Form einer Schlinge ausgeführt, während die Endelektroden 4¹ und 4² miteinander über die Brücke 13 elektrisch gekoppelt sind. Mitells dieser Brücke 13 ist der Ableiter 1 an einem der Leitungselemente – insbesondere am geerdeten Mast 7 – angeschlossen, während dessen zweite Hauptelektrode 5 an ein Element mit Gegenpotential – insbesondere am Kraftleiter 2 – angeschlossen ist.
In der 7 ist ein Teil des Schemas der Kraftübertragungsleitung gezeigt, bei welcher der im vorstehend angeführten Beispiel beschriebene Ableiter 1 mit dem ähnlichen Ableiter verbunden ist, indem er einen Doppelableiter bildet, wobei die Endelektroden 4¹ und 4² jedes Ableiters über die Gemeinschaftsbrücke 13' miteinander gekoppelt sind.
In diesem Fall wird die Gesamtlänge L des Ableitersfunkenüberschlages dem Abstand zwischen den Elektroden 5 entsprechen, die an den Leiter 2 und an den Mast 7 angeschlossen sind.
Ähnliche Doppelableiter können in Form einer Kette geschaltet werden, bei welcher die Ableiter über zweite Hauptelektroden 5 miteinander verbunden sind.
Solche Ausführungsformen sind für die Kraftübertragungsleitungen höchster Spannungsklassen anwendbar. Dabei werden die Betriebsbedingungen der Innenisolation des Ableiterskörpers durch die Vergrößerung der Anzahl der in Serie geschalteten Ableitersfunkenstrecken erleichtert.
In der Kraftübertragungsleitung gemäß der Erfindung kann der Ableiter in Serie mit dem zu schützenden Element geschaltet werden.
Die 8 zeigt die Leitung mit dem Ableiter 1, der in Serie mit dem elektrisch zu schützenden Isolator 3 in der Trennstrecke des Kraftleiters 2 geschaltet ist. In diesem Fall ist der Ableiter über seine Endelektroden 4¹ und 4² mit dem Kraftleiter 2 an dessen Trennstelle verbunden, während die zweite Hauptelektrode 5 am zu schützenden Isolator 3 angeschlossen ist. Bei dieser Variante, wie auch bei den nachfolgenden damit verbundenen Varianten, wird die Weglänge des Stoßüberschlags zwischen den unter diversen Potentialen stehenden Leitungselementen, insbesondere bei der Bauweise gemäß 8 zwischen dem Leiter 2 und dem Mast 7, durch die Längensumme der Entladungsstrecken über die Oberfläche des Ableiters 1 bzw. über den Isolator h bestimmt.
Deshalb ist der Gesamtweg der Stoßüberspannung in den Ausführungsvarianten der Leitung mit Serienschaltung des Ableiters 1 immer länger als der Überschalgweg des zu schützenden Elementes, insbesondere als solcher des Isolators 3 gemäß der 8. Somit wird die Schutzfunktion des Ableiters in puncto Verhinderung des Überganges eines Stoßüberschlages in einen Kraftlichtbogen gesichert.
Noch eine Ausführungsvariante der Kraftübertragungsleitung ist in der 9 gezeigt. Bei dieser Ausführungsvariante enthält die Kraftübertragungsleitung den Mast 7, den an diesem Mast 7 befestigten Kraftleiter 2 und den Isolator 3 des angegebenen Kraftleiters 2 vom oben genannten Mast 7. Am Kraftleiter 2 ist im Bereich dessen Befestigung am zu schützenden Isolator 3 die dielektrische Hülle 14, z.B. in Form eines Schlauchs oder eines Rohrabschnitts bzw. in Form eines auf den Kraftleiter gewickelten Bndes u.ä. installiert. Auf der Aussenfläche der angegebenen dielektrischen Hülle 14 ist das Befestigungselement 15 zur Fixierung des Kraftleiters 2 am Isolator 3 installiert, wobei der Abstand l vom Befestigungselement 15 bis zur dielektrischen Hülle 14 größer ist als die Funkenüberschlagslänge h des zu schützenden Isolators 3. Das Befestigungselement 15 kann z.B. als Bügel oder Ring ausgeführt werden, der die dielektrische Hülle 14 umfasst.
Für die Kraftübertragungsleitung mit einer Nennspannung von 10 kV kann der Abstand l von dem angegebenen Befestigungselement 15 bis zum Ende der angegebenen dielektrischen Hülle 14 0,6 Meter gleich sein. Die in solchen Leitungen anwendbaren Isolatoren haben eine Überschlagslänge von 0,2 m. Bei einer solchen durch den Blitz getroffenen Kraftübertragungsleitung führt die entstehende Überspannung im Bereich zwischen dem Leiter 2 und dem Mast 7 zur Bildung des Funkenentladungskanals 8, der den Abschnitt des Überschlagweges von Isolator 3 mit Länge h und den Abschnitt des Überschlagweges über die dielektrische Oberfläche mit Länge l umfasst. Auf solche Weise wird die Gesamtlänge des Blitzstrom-Entladungsweges 0,8 m betragen, was die Bildung eines Betriebsspannungsbogens verhindert und einen Kurzschluss der Leitung eliminiert.
Bei der in der 10 dargestellten Variante ist das Befestigungselement 15 über einen Satz der abwechselnd montierten Isolierschichten 14 und leitenden Schichten 16 installiert. Dies ermöglicht das Ausregeln der elektrischen Feldstärke in der dielektrischen Hülle 14 und somit die Erhöhung der Betriebssicherheit der dielektrischen Isolation.
In der 11 ist eine andere Ausführungsvariante der Kraftübertragungsleitung als Einzelfall der Mehrphasenleitung unter der Anwendung einer dielektrischen Hülle an einem der Leiter dargestellt.
Bei dieser Ausführungsvariante ist dielektrische Hülle 14 an einem der Leiter installiert. Das zu schützende Isolationselement – hier der Abstandhalter aus Polymerisolator 17 – ist mit Hilfe des Befestigungselementes 15 mit einem Ende ungefähr in der Mitte der dielektrischen Hülle 14 und mit dem anderen Ende am Nachbarleiter, der unter einem anderen Potential steht, installiert. Bei einer Überspannung im Bereich zwischen den Leitern findet der Überschlag des Abstandhalters 17 statt, dann baut sich die Entladung 8, beginnend am Befestigungselement 15, über die Oberfläche der dielektrischen Hülle 14 bis hin an den nicht isolierten Teil des Leiters, auf. Insbesondere beträgt die Länge des Isolierabstandhalters für eine Kraftübertragungsleitung mit Nennspannung von 35 kV gewöhnlich 1 Meter, und die Gesamtlänge der dielektrischen Hülle 14 ist 3 Meter. Auf solche Weise beläuft sich die Weglänge des Überschlags über die Oberfläche der Isolierhülle 14 auf 1,5 Meter, und die Gesamtlänge des Überschlagweges unter Berücksichtigung der Länge des Abstandhalters 17 beträgt 2,5 Meter. Bei einer solchen Gesamtlänge des Überschlagweges bildet sich kein Kraftlichtbogen.
Bei diesem Beispiel, wie in der 11 gezeigt, ist die dielektrische Hülle 14 mit einem veränderlichen Querschnitt ausgeführt, der vom Ende der Hülle an zuwärts dem Befestigungselementes 15 zunimmt. Dies erlaubt es, die elektrische Stoßfestigkeit im Bereich zwischen der Oberfläche der dielektrischen Hülle 14 und dem Kraftleiter 2 – je nach dem querschnittspezifischen Verhalten der elektrischen Feldstärke – und somit die Betriebssicherheit solcher Konstruktion zu erhöhen.
Möglich ist eine konstruktive Variante der Kraftübertragungsleitung, insbesondere die Ausführungsvariante der Zweiphasenleitung, wenn dielektrische Hüllen 14 an den Leitern beider Phasen gegenübereinander installiert werden.
In der 12 ist eine andere Ausführungsvariante der Kraftübertragungsleitung gezeigt, bei welcher die Leitung außer dem Mast 7, dem an diesem Mast 7 befestigten, nicht isolierten Kraftleiter 2, dem Isolator 3 des angegebenen Kraftleiters 2 vom angegebenen Mast 7, den Kabelanschluss 18 mit Aufteilung 19 enthält. Die Aufteilung 19 ist so ausgeführt, dass ihre Länge l die Weglänge des Funkenüberschlags des zu schützenden Isolators h überschreitet und die Entladungsspannung über die Oberfläche der Aufteilungsisolation ist niedriger als solche des zu schützenden Isolators. Insbesondere beläuft sich die Aufteilungslänge gemäß der Erfindung – z.B. für eine Kraftübertragungsleitung mit Nennspannung von 6 kV – auf 0,6–0,8 Meter, und die Entladungsspannung über deren Oberfläche beträgt 60–90 kV. Die Isolatoren, die in solchen Kraftübertragungsleitungen gewöhnlich eingesetzt werden, haben eine Überschlagweglänge von 0,2 Meter und eine Entladungsspannung von 100–110 kV. Bei der Entstehung einer Gewitterüberspannung am Kraftleiter 2 beeinflusst diese gleichzeitig den zu schützenden Isolator 3 und die Isolation der Kabelaufteilung 19. Dabei entsteht die maximale elektrische Feldstärke auf der Oberfläche der Aufteilungsisolation an der Stirnseite der Kabelbeflechtung, wo die oberflächige Gleitentladung entsteht. Diese Entladung baut sich der Aufteilung entlang zuwärts dem Kraftleiter dank dem unterm Potential des Leiters stehenden Kabeldraht auf, indem sie infolgedessen einen leitenden Funkenkanal bildet, über welchen der Blitzstrom vom Kraftleiter 2 in die geerdete Kabelbeflechtung abläuft. Danach setzt die Leitung ihren Normalbetrieb ohne Abschaltungen fort., denn der Stoßüberschlag geht bei der vorgegebenen Aufteilungslänge in den Kraftlichtbogen nicht.
In der 13 ist eine Ausführungvariante der Kraftübertragungsleitung mit dem geerdeten Behälter 20 der Unterstation dargestellt, der mit Isolieranschluss 21 versehen ist und die Isolation 22 sowie Hochspannungsausrüstung 23 enthält. Am Kraftleiter 2 ist im Bereich des Isolieranschlusses dielektrische Hülle 14 installiert, deren Länge nach der oben angeführten Formel bestimmt wird. In diesem Fall gewährleistet das Vorhandensein der dielektrischen Hülle 14 den Schutz des Durchführungsisolators am Isolieranschluss 21 vor Übergang des Stoßüberschlags in einen Kraftlichtbogen, denn die Gesamtweglänge des Entladungskanals 8 wird sich bei einer Gewitterüberspannung aus der Überschlaglänge h des Durchführungsisolators und der Überschlaglänge l über die Oberfläche der dielektrischen Hülle 14 zusammensetzen.
Bei der Ausführungsvariante der Kraftübertragungsleitung mit einem isolierten Kraftleiter (14) enthält die Kraftübertragungsleitung den Mast 7, den isolierten Kraftleiter 24, der an diesem Mast mittels des Befestigungselementes 25 fixiert ist, und den Isolator 3 des angegebenen Kraftleiters 24 vom angegebenen Mast 7. In der Isolation 26 des Kraftleiters 24 ist die Öffnung 27 ausgeführt, wobei diese Öffnung in einer vorgegebenen Entfernung vom angegebenen Befestigungselement 25 liegt.
Für die Kraftübertragungsleitung mit einer Nennspannung von 10 kV beläuft sich z.B. der Abstand l vom angegebenen Befestigungselement 25 bis zur angegebenen Öffnung 27 auf 0,6 m. Die in solchen Leitungen gewöhnlich einsetzbaren Isolatoren haben eine Überschlaglänge von ungefähr 0,2 m. In einer durch den Blitz getroffenen Leitung solcher Bauweise findet der Überschlag des Isolators 3 statt, dann gleitet die Entladung der Isolation 26 des Kraftleiters 24 entlang, bis sie die Öffnung 27 erreicht. Auf solche Weise wird die Gesamtlänge des Überschlags 0,2 + 0,6 = 0,8 m betragen, und bei solcher Weglänge des Überschlags wird weder Kraftlichtbogenbildung noch Kurzschluss der Leitung erfolgen.
Der Blitzstoßfunkenableiter kann auch in einer anderen konstruktiven Ausführungsvariante realisiert werden, die in der 15 dargestellt ist. In dieser Ausführungsvariante enthält der Ableiter 1 den aus einem harten Dielektrikum hergestellten länglichen Körper 1¹ , an dessen Enden zwei Haupt-Endelektroden 4¹ und 4² für den Anschluss des Ableiters an die Kraftübertragungselemente oder an eine Hochspannungsanlage mittels Klemmen 28 installiert sind. Über das ganze Volumen des Körpers 1¹ sind Metallteilchen 29 gleichmäßig verteilt.
Beispielweise war in der Kraftübertragungsleitung mit einer Nennspannung von 110 kV der Ableiter gemäß der Erfindung zum Schutz einer 1,2 m langen Isolatorenkette mit Entladungsspannung von 690 kV als 10 mm breites, 2 mm dickes und 5 m langes Band aus lichtstabilisiertem Polyäthylen ausgeführt. Im Polyäthylen waren über die ganze Banddicke und -oberfläche Metallteilchen aus 0,05 mm dicker Alu-Folie in Form der quadratischen Stückchen mit einer Quadratsseite von 2 mm dispers verteilt. Die Raumdichte der Alu-Teilchen betrug 15%. Die Blitzstoßüberspannungsprüfungen haben gezeigt, dass dank den im Körper 1¹ des Ableiters 1 vorhandenen o.g. Metallteilchen 29, welche den Durchlauf der Entladung über die Oberfläche des Körpers 1¹ initiieren, beträgt die Entladungsspannung über die Oberfläche des Ableiters nur 530 kV, d.h. sie ist um 23% niedriger als die Entladungsspannung der zu schützenden Isolatorenkette, bei einer Ableiterslänge, die mehr als vierfache Länge der Isolatorenkette ausmacht.
In der 16 ist dieselbe Ausführungsvariante des Ableiters 1 gezeigt, bei welcher der angegebene dielektrische Körper 1¹ eine Schutzisolier- oder Halbleiterschicht 30 aufweist. Solche Schicht gewährleistet eine zuverlässige Funktion des Ableiters unter den schweren Betriebsbedingungen. Auf der Oberfläche der Schutzschicht 30 sind Zwischenelektroden 31 installiert. Der Entladungskanal 8 baut sich im Bereich zwischen den Hauptelektroden 4¹ und 4² auf, indem er über die Zwischenelektroden 31 läuft.
In der 17 ist das Schema einer Kraftübertragungsleitung dargestellt, bei welcher die Armatur gemäß der Erfindung in Form des zylindrischen Metallstabes 40 angewandt wird. Auf die Seitenfläche des Stabes 40 sowie auf eine dessen Stirnflächen ist eine dielektrische Schicht (Isolation) 41 aufgetragen. Das obere mit der Isolation 41 beschichtete Ende der Armatur 42 dient zur Befestigung eines Hochspannungselementes der Leitung, z.B. des Isolators 43 oder des Leiters 44, daran, während das untere nicht isolierte Ende 45 zur Befestigung der Armatur an der Kraftübertragungsstütze 46 dient. Die Armatur kann mit einer zusätlichen Isolierrippe 47 (18) versehen werden, welche die Entladungsspannung zusätzlich erhöht und den Überschlagweg verlängert. In der 19 ist eine andere Ausführungsform der Armatur gezeigt, bei welcher am isolierten Ende 42 der Metallflansch 48 installiert ist, woran der Kraftleiter 44 unmittelbar (ohne Isolator 43) befestigt wird. Solche Ausführungsform ist für relativ niedrige Spannungsklassen wie z.B. 3–6 kV und bei geringen Verschmutzungen zweckmäßig, weil an der Isolation 41 die ganze Betriebsspannung angelegt ist.
Die Kraftübertragungsleitung mit einer isolierten Armatur, die im angebotenen Beispiel beschrieben ist, funktioniert auf folgende Weise (17). Bei einer genügend großen Überspannung erfolgt der Funkenüberschlag des Isolators 43, d.h. der Entladungskanal 49 beginnt sich ab Kraftleiter 44 aufzubauen, dann umrennt er den Isolator 43 und nähert sich der am Stab 40 platzierten Isolation 41. Dann ist der Entladungskanal 49 gezwungen, der Isolation 41 entlang zu gleiten, bis er das nicht isolierte Ende 45 des Metallstabs 40 erreicht. Danach läuft der Gewitterüberspannungsstrom vom Kraftleiter 44 ab, über den Entladungskanal 49 bis hin an die Stütze 46 und geht in die Erde hinein. Dank einer genügend großen Länge L der Armaturenisolation, die einen langen Überschlagweg verursacht, geht der Blitzstoßüberspannung in einen Kraftlichtbogen nicht über, und die Kraftübertragungsleitung funktioniert störungs- und abschaltfrei weiter.
Die Armatur gemäß der Erfindung kann als Blitzableiter benutzt werden. Dafür wird der mit der Isolation 41 beschichtete Stab 40 mit seinem nicht isolierten Ende 45 an der Stütze 46 befestigt, während das isolierte Ende 42 gegenüber dem Kraftleiter 44 angeordnet ist und mit diesem eine Luftfunkenstrecke bildet. Bei einer Überspannung wird diese Strecke durchgeschlagen, der Entladungskanal erreicht das isolierte Ende 42 der Armatur und gleitet der Isolation 41 entlang weiter, bis er das nicht isolierte Ende 45 der Armatur erreicht. Die Funktionsweise ist in diesem Fall ähnlich, wie oben beschrieben.
Gemäß der in der 17 dargestellten Variante wurde an der Kraftübertragungsleitung ein Armaturenmuster hergestellt und installiert. Der Metallstab mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Länge von 65 cm war mit einer 6 mm dicken Isolationsschicht aus Kaprolon versehen. Die Länge der Isolationsschicht betrug L = 52 cm. Am isolierten Armaturenende war ein gläsernes Stützisolator für eine Spannung von 6 kV installiert. Es wurde mit Blitzstoßüberspannungen von 1,2/50 μs sowohl der an der konventionellen, d.h. nicht isolierten Armatur installierte Isolator, als auch der an der isolierten Armatur angebrachte Isolator geprüft. Die Prüfungsergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Wie ersichtlich aus der Tabelle 2, ist der Überschlagweg für isolierte Armatur mehrfach länger und die Entladungsspannung höher als solche für gewöhnliche, nicht isolierte Armatur. Und am wichtigsten ist es, dass die Wahrscheinlichkeit des Stoßüberschlagsüberganges in einen Kraftlichtbogen für isolierte Armatur praktisch am Null liegt.
In der 20 ist ein Hochspannungsisolator gemäß der Erfindung dargestellt. Er enthält einen Isolierkörper 60 mit der spiralförmigen Berippung 61 und eine Führungselektrode 62, die entsprechende Bedingungen für den Aufbau der Gleitentladung über die Oberfläche des Isolators schafft. Bei einer genügend großen Überspannung, die am Isolator angelegt ist, baut sich ein Stoßentladungskanal ab Kraftleiter 63 dem Isolierkörper 60 entlang. Am bekannten Isolator mit der spiralförmigen Berippung geht der Aufbau des Überschlags den kürzesten Weg per Luft. An einem gemäß der Erfindung ausgeführten Isolator wird die elektrische Feldstärke am Ende des Entladungskanals durch die vorhandene Führungselektrode 62, die dasselbe Potential besitzt wie die geerdete Stütze 64, an welcher der Isolator installiert ist, verstärkt und somit werden günstigere Bedingungen dafür geschaffen, dass sich die Gleitentladung nicht per Luft, sondern der Isolatorenoberfläche entlang aufbaut. Wegen der spiralförmigen Berippung 61 baut sich die Entladung mit einer spiralförmigen Bewegungsbahn auf.
Wie sich aus den durchgeführten Forschungen ergibt, sollte die Länge g der Führungselektrode mindestens halbe Länge h des Isolierkörpers ausmachen, damit sich die Entladung nicht über den kürzesten Weg per Luft, sondern über die Oberfläche des Isolators mit einer spiralförmigen Bewegungsbahn aufbauen kann.
Der in der 20 dargestellte Isolator ist für relativ niedrige Nennspannungen von 6–10 kV einsetzbar, denn die ganze Betriebsspannung im Normalbetrieb an der harten Isolationsschicht zwischen dem Leiter 63 und der Führungselektrode 62 angelegt ist. Diese Schicht muss die Betriebsspannung im Dauerbetrieb für die ganze Gebrauchsdauer des Isolators sicher bestehen.
Für höhere Nennspannungen kann die Führungselektrode 62 sowohl vom Kraftleiter 63, als auch von der Stütze 64 (21) isoliert werden. Bei dieser Bauweise des Isolators ist die technische Betriebswechselspannung bereits zwischen zwei harten Isolationsschichten, d.h. zwischen dem Leiter 63 und der Führungselektrode 62, sowie zwischen der Führungselektrode 62 und der Stütze 64 verteilt.
Bei einer am Kraftleiter 63 angelegten Überspannung erfolgt in der isolierten metallenen Führungselektrode 62 eine Trennung (Polarisation) der elektrischen Ladungen: Die Ladungen, die ungleichnamig gegenüber der Ladung am Leiter 63 sind, bewegen sich zuwärts dem Oberteil der Führungselektrode 62, während die Ladungen, die gleichnamig mit der Ladung am Leiter 63 sind, sich nach dem Unterteil der Führungselektrode 62 senken. Die Ladungen im Oberteil der Führungselektrode 62 erhöhen die elektrische Feldstärke auf der Oberfläche des Isolators in der Nähe des Leiters 63 und erleichtern somit die Bedingungen für den Aufbau einer Gleitentladung über die Oberfläche des Isolators.
Zwecks weiterer Verstärkung der Innenisolation kann die Führungselektrode 62 als Satz von Elektroden 62¹ , die durch die Isolationsschichten 60¹ (22) abgetrennt sind, ausgeführt werden.
Um den Aufbau der Entladung über die Oberfläche des Isolators bei einer Überspannung zu erleichtern, kann die Führungselektrode 62 mit einem auf die Oberfläche des Isolierkörpers 60 hineingebrachten Ansatz 65 (23) versehen werden. In diesem Fall ist der Aufbau der Entladung mit einer spiralförmigen Bewegungsbahn über die Oberfläche des Isolators erleichtert, denn er kommt in zwei Etappen zustande. Zuerst findet ein Überschlag im Bereich zwischen dem Leiter und dem Ansatz 65 statt, und dann bewegt sich die Entladung bis hin an die geerdete Stütze.
Um einen zuverlässigeren Entladungsaufbau mit einer spiralförmigen Bewegungsbahn sicherzustellen, kann die Führungselektrode auch in Form einer Spirale ausgeführt werden.
Um den Einfluss der Verschmutzungen auf das Entladungsverhalten des Isolators zu eliminieren und einen zuverlässigeren Entladungsaufbau mit einer spiralförmigen Bewegungsbahn sicherzustellen, kann die Oberfläche des Isolators im Zwischenrippenbereich mit einer halbleitenden Schicht versehen werden.
Um die Nennspannung der Isolierkonstruktion zu erhöhen, können die angegebenen Isolatorentypen in Serie geschaltet werden, d.h. sie können Isolatorenketten oder Stützersäulen bilden.
Die in der vorliegenden Erfindungsbeschreibung angeführten Ausführungsvarianten und -formen der Kraftübertragungsleitungen, Blitzstoßfunkenableiter, Hochspannungsisolatoren und Armaturen zur Befestigung eines Hochspannungselementes sind lediglich zwecks Erläuterung deren Aufbau und Funktionsweise angegeben. Für die Fachleute, die sich auf dieses Fachgebiet der Technik spezialisieren, ist es verständlich, dass etwaige Abweichungen von den vorstehend aufgeführten Ausführungsbeispielen möglich sind, die durch die Erfindungsansprüche auch umfasst werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Erfindung kann für den Schutz der Kraftübertragungsleitungen vor Gewitterüberspannungen ausgeübt werden.

Claims

Kraftübertragungsleitung, enthaltend mindestens einen Kraftleiter, mindestens eine Stütze, mindestens ein Isolierelement zur Isolierung des genannten Leiters von anderen unter elektrischen Potential stehenden Leitungselementen, deren Potential sich vom solchen des Kraftleiters unterscheidet, sowie Schutzmittel zum Schutz des Isolierelementes vor Gewitterüberspannungen, die einen Aufbau eines Schutzfunkenüberschlages sicherstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die angegebenen Schutzmittel so ausgeführt sind, dass der Schutzfunkenüberschlag zwischen einem an den Kraftleiter angeschlossenen, zu den Schutzmitteln gehörigen Element oder unmittelbar dem angegebenen Leiter und einem anderem Leitungselement, das unter einem elektrischen Potential steht, das sich vom Potential des angegebenen Kraftleiters unterscheidet, infolge des Aufbaus eines Schutzfunkenüberschlags über die Oberfläche des zu den Schutzmitteln gehörigen Elementes stattfindet, wobei die Länge des entstehenden Funkenüberschlags größer ist, als die Funkenüberschlaglänge des zu schützenden Isolierelementes.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Weglänge des Schutzfunkenüberschlags nach der folgenden Formel bestimmt wird L > 0,06U0.75 mit: L – Weglänge des Schutzfunkenüberschlags, m U – Nennspannung der Leitung, kV.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzmittel als Ableiter mit Oberflächenentladung ausgeführt sind, der einen länglichen Körper aus hartem Dielektrikum enthält, an dessen Enden Endelektroden angebracht sind, während sich innerhalb des länglichen Körpers eine Stabelektrode über dessen ganze Länge erstreckt, die mit den Endelektroden gekoppelt ist und gemeinsam mit diesen eine erste Hauptelektrode bildet, während eine zweite Hauptelektrode sich auf der Oberfläche des länglichen Körpers im mittleren Teil dieses Körpers befindet.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter elektrisch parallel zu dem zu schützenden Isolierelement geschaltet ist, wobei die Auslösespannung des angegebenen Ableiters die Entladungsspanung des zu schützenden Isolierelementes unterschreitet.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter mit seinen beiden Enden an den angegebenen Kraftleiter angeschlossen ist.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hauptelektrode des Ableiters an eine geerdete Stütze angeschlossen ist.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hauptelektrode des Ableiters an eine geerdete Stütze über eine Funkenstrecke angeschlossen ist.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der angegebene Ableiter mindestens mit einem seiner Enden an eine geerdete Stütze angeschlossen ist.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Hauptelektrode an den Kraftleiter über eine Funkenstrecke angeschlossen ist.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Zwillingsleitung ausgeführt ist, wobei die Endelektroden des Ableiters separat an die Kraftleiter der gleichnamigen Phasen diverser Kreise angeschlossen sind, während die zweite Hauptelektrode des Ableiters an einen geerdeten Leitungsmast angeschlossen ist.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Zwillingsleitung ausgeführt ist, wobei die Endelektroden des Ableiters separat an die Kraftleiter der gleichnamigen Phasen diverser Kreise über die Funkenstrecken angeschlossen sind, während die zweite Hauptelektrode des Ableiters an eine geerdete Leitungsstütze angeschlossen ist.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der angegebene dielektrische Körper und die Stabelektrode in Form einer Schlinge gebogen sind, und die Endelektroden über eine Brücke miteinander verbunden sind.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsleitung mit noch einem Ableiter versehen ist, dessen Endelektroden mit den Endelektroden des ersten Ableiters über eine Gemeinschaftsbrücke verbunden sind und somit einen Doppelableiter bilden.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsleitung mindestens noch einen Doppelableiter hat, und dass die Doppelableiter über ihre zweiten Hauptelektroden in Serie geschaltet sind und somit eine Ableiterkette bilden.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiter in Serie über seine Endelektroden mit dem Kraftleiter an dessen Trennstelle geschaltet ist, während die zweite Hauptelektrode an das zu schützende Isolierelement angeschlossen ist.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzmittel elektrisch in Serie mit dem zu schützenden Isolierelement geschaltet und als Hülle aus dielektrischem Material ausgeführt sind, worüber sich eine Oberflächenentladung mit Länge l aufbaut, wobei die genannte Hülle am Kraftleiter oder an einem Blitzschutzseil am Standort des zu schützenden Isolierelementes angeordnet ist, und eine Durchschlagsspannung der Hülle eine Entladungsspannung über deren Oberfläche überschreitet, wobei die Weglänge des Funkenüberschlags L = l + h gleich ist, während die Länge D der Hülle durch das folgende Verhältnis bestimmt wird 2 × (0,06U0.75 – h) < D < 2 × (0,5U0.75 – h) mit: D – Länge der Hülle aus Dielektrikum, m; h – Überschlagweglänge des zu schützenden Isolierelementes der Leitung, m; U – Nennspannung der Leitung, kV.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftübertragungsleitung mindestens zwei Leiter enthält, und dass die genannten Schutzmittel elektrisch in Serie mit dem zu schützenden Isolierelement geschaltet und als Hüllen aus einem dielektrischen Material ausgeführt sind, die an mindestens zwei der genannten Leitern instaliert sind, zwischen welchen sich das zu schützende Isolierelement befindet; dass sich über jede der Hüllen eine Oberflächenentladung mit Länge l aufbaut, die Hüllen an den Leitern am Standort des zu schützenden Isolierelementes angeordnet sind, und eine Durchschlagsspannung der Hüllen eine Entladungsspannung über deren Oberfläche überschreitet, wobei die Länge D der Hüllen durch das folgende Verhältnis bestimmt wird (0,06U0.75 – h) < D < (0,5U0.75 – h),während die Weglänge des Schutzfunkenüberschlags L = 2l + h gleich ist mit: D – Länge der Hülle aus Dielektrikum, m; h – Überschlagweglänge des zu schützenden Isolierelementes der Leitung, m; U – Nennspannung der Leitung, kV.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement als Isolator, installiert an der angegebenen Stütze, ausgeführt ist, und dass die genannte Hülle aus Dielektrikum am Kraftleiter im Bereich dessen Befestigung am zu schützenden Isolator angeordnet ist, wobei an der Außenfläche des Dielektrikums das Befestigungselement für den Anschluss des Kraftleiters an den zu schützenden Isolator installiert ist, wobei der Abstand zwischen Befestigungselement und Ende der Hülle aus Dielektrikum durch das folgende Verhältnis bestimmt wird 0,06U0.75 – h < l < 0,5U0.75 – hmit: l – Abstand zwischen Ende der Hülle aus Dielektrikum und Befestigungselement, m; h – Länge des Überschlagweges des zu schützenden Isolators, m; U – Nennspannung der Leitung, kV, wobei sich der Schutzfunkenüberschlag über die Strecke L = l + h aufbaut.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche mindestens einer der Hüllen in deren mittleren Teil eine Hilfselektrode installiert ist, die bei einer Überspannung den Funkenanschluss der angegebenen mit dielektrischen Hüllen versehenen Leiter aneinander sicherstellt.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit mindestens einen Kabelanschluss mit Aufteilung versorgt, und die angegebenen Schutzmittel als Aufteilung ausgeführt sind, wobei die Aufteilungsisolation so ausgeführt ist, dass die Entladungsspannung über die Oberfläche der Aufteilung die Entladungsspannung des zu schützenden Isolierelementes unterschreitet, und die Länge l der Aufteilung, über welche sich die Oberflächenentladung aufbaut, durch das folgende Verhältnis bestimmt wird 0,06U0.75 < l < 0,5U0.75 mit: l – Länge der Aufteilung, m; U – Nennspannung der Leitung, kV.
Kraftübertragungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftleiter als isolierter Leiter ausgeführt ist; als zu schützendes Isolierelement ist ein Isolator, der an der angegebenen Stütze fixiert und mit einem Befestigungselement versehen, das den angegebenen isolierten Leiter am Isolator fixiert, wobei die angegebenen Schutzmittel mindestens durch einen Isolationsabschnitt des isolierten Kraftleiters und eine Öffnung gebildet werden, die in dieser Isolation ausgeführt ist und vom angegebenen Befestigungselement in einer Entfernung liegt, die sich aus dem folgenden Ausdruck ergibt 0,06U0.75 – h < l < 0,5U0.75 – hmit: l – Abstand zwischen der angegebenen Öffnung und dem angegebenen Befestigungselement, m; h – Länge des Überschlagweges des zu schützenden Isolators, m; U – Nennspannung der Leitung, kV, wobei sich die Entladungsspannung von dieser Öffnung ab, über die Oberfläche des angegebenen Isolationsabschnitt bis hin an das angegebene Befestigungselement aufbaut, und die Länge des Schutzüberschlags gleich L = l + h ist.
Blitzstoßfunkenableiter, der einen länglichen Körper aus hartem Dielektrikum enthält, an dessen Enden Endelektroden angebracht sind, wobei eine davon mit einer innerhalb des angegebenen Körpers des Ableiters angeordnete Stabelektrode gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabelektrode sich dem ganzen angegebenen Ableiterskörper entlang erstreckt und mit beiden Endelektroden gekoppelt ist und somit eine einheitliche Hauptelektrode bildet, während die zweite Hauptelektrode an der Außenfläche des angegebenen Ableiterskörpers im dessen mittleren Teil angebracht ist, wobei der Abstand zwischen der zweiten Hauptelektrode und jeder der Endelektroden, über welchen sich die Oberflächenentladung aufbaut, durch das folgende Verhältnis bestimmt wird 0,06U0,75 < L < 0,5U0,75 mit: L – Abstand zwischen der zweiten Hauptelektrode und jeder der Endelektroden, m; U – Nennspannung des Ableiters, kV.
Blitzstoßableiter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableiterskörper und die Stabelektrode schlingenförmig gebogen sind, während die Endelektroden über eine Brücke miteinander verbunden werden.
Blitzstoßableiter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der angegebene Ableiterskörper mit einem veränderlichen Querschnitt ausgeführt ist, der von Endelektroden an zuwärts dem mittleren Körperteil zunimmt.
Blitzstoßfunkenableiter zum Schutz der Isolierelemente an Kraftübertragungsleitungen und Hochspannungsanlagen, der als ein länglicher Körper aus hartem Dielektrikum ausgeführt ist, an dessen Enden zwei Hauptelektroden für Anschluss des Ableiters an eine Kraftübertragungsleitung oder Hochspannungsanlage installiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb und/oder auf der Oberfläche des länglichen Körpers halbleitende oder ferroelektrische 10 μm bis 5 mm große Metallteilchen mit einer Raumdichte von 5%–30% dispers verteilt sind, während einen Abstand zwischen den Hauptelektroden des Ableiters, über welchen sich die Oberflächenentladung aufbaut, durch das folgende Verhältnis bestimmt wird 0,06U0,75 < L < 0,5U0,75 mit: L – Abstand zwischen den Hauptelektroden des Ableiters, m; U – Nennspannung des Ableiters, kV.
Blitzstoßableiter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine Schutzisolations- oder halbleitende Schicht aufweist.
Blitzstoßableiter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass am angegebenen Körper Zwischenelektroden installiert sind.
Blitzstoßableiter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Körpers ein Tragelement aus Isolationsstoff installiert ist, das sich dem ganzen Körper entlang erstreckt und an den angegebenen Hauptelektroden befestigt ist.
Armatur zur Befestigung des elektrotechnischen Hochspannungselementes am Kraftübertragungsmast, die in Form eines geraden oder gekrümmten Stabs ausgeführt ist, bei welchem ein Ende zur Anbringung des angegebenen Elementes und das andere zur Befestigung am angegebenen Mast dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab eine dielektrische Beschichtung aufweist, welche auf dessen Seitenfläche sowie auf dessen Stirnfläche am Ende, dienend zur Anbringung des angegebenen Elementes, aufgetragen ist, wobei eine Durchschlagsspannung der dielektrischen Beschichtung eine Entladungsspannung über die Oberfläche der angegebenen Beschichtung überschreitet, und die Länge der angegebenen Beschichtung, über welchen sich die Oberflächenentladung aufbaut, sich aus dem folgenden Ausdruck ergibt 0,06U0.75 < l < 0,5U0.75 mit: l – Länge der Isolationsschicht, m; U – Nennspannung der Leitung, kV.
Armatur nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass an der Isolationsschicht mindestens eine Isolationsrippe angebracht ist.
Hochspannungsisolator zur Installation eines Kraftleiters am Mast der Kraftübertragungsleitung, der einen mit spiralförmiger Berippung versehenen Isolierkörper enthält, bei welchem ein Ende zur Befestigung des Kraftleiters und das andere zur Befestigung des Isolators an der Stütze dient, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Isolierkörpers eine Führungselektrode angeordnet ist, deren Länge mehr als halbe Länge des angegebenen Isolierkörpers beträgt, wobei die angegebene Elektrode im Isolierkörper so angeordnet, dass eine Durchschlagsspannung des Isolierkörpers eine Entladungsspannung über die Oberfläche des Isolators überschreitet, wodurch Aufbau eines Schutzfunkenüberschlags über die Oberfläche des Isolierkörpers für die Länge L, sichergestellt wird, die sich nach folgender Formel ermitteln lässt L > 0,06U0,75 mit: L – Länge der Funkenentladung, m U – Nennspannung der Leitung, kV.
Hochspannungsisolator nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselektrode als Satz der voneinander isolierten Metallelektroden ausgeführt ist.
Hochspannungsisolator nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselektrode mit einem auf die Oberfläche des Isolators hineingebrachten Ansatz versehen ist.