EP0036046A1 - Gekapselter Ueberspannungsableiter - Google Patents

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EP0036046A1
EP0036046A1 EP80200386A EP80200386A EP0036046A1 EP 0036046 A1 EP0036046 A1 EP 0036046A1 EP 80200386 A EP80200386 A EP 80200386A EP 80200386 A EP80200386 A EP 80200386A EP 0036046 A1 EP0036046 A1 EP 0036046A1
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surge arrester
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surge
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/16—Overvoltage arresters using spark gaps having a plurality of gaps arranged in series
    • H01T4/20—Arrangements for improving potential distribution

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage arrester enclosed in an electrically conductive and grounded housing.
  • an arrester is, for example, from the article "Reliability and Application of Metal Oxide Surge Arrestors for Power Systems" by S. Tominaga et al, IEEE Transactions on Power Apparaturs and Systems, Vol. PAS-98, No. 3 (1979), in particular p. 809.
  • This arrester With this arrester, a linear potential distribution along the arrester active part and a good dielectric strength are achieved by an electrically conductive shield connected to a high-voltage part and extending along the arrester elements, as well as by shielding rings.
  • the design effort is considerable with such arresters.
  • the shape and dimensions of the shielding and control bodies can only be determined by relatively complicated measuring and computing methods. Particularly in the case of arresters built in small series, high manufacturing costs can therefore be expected.
  • the coatings acting as control and shielding bodies can be calculated very precisely with little effort. Due to the one-stage arrangement of the coatings, a high degree of linearization of the potential distribution along the active conductor part is achieved in a simple manner. This means that the dimensions of the arrester can be minimized. Electrical field images for determining the potential distribution are not necessary.
  • the embodiment of the surge arrester according to the invention has particularly low stray capacities in the critical high-voltage range.
  • the arresters according to the invention according to claims 5, 6 and 7 can be calculated particularly simply and precisely on the basis of the suitably arranged coverings, and the arrester according to claim 7 can also be produced particularly easily because of the use of coverings of the same width.
  • the embodiment according to subclaim 8 is highly recommended since when winding the Iso Lierstoff emotions the winding technique known in the manufacture of capacitor bushings can be used.
  • the wound insulating material body can optionally be used as a tension element for bracing the arrester elements of the active part.
  • the heat which may occur at the active conductor part is removed in a particularly expedient manner.
  • a rotationally symmetrical insulating body 5 in which electrically conductive coatings 6 are provided concentrically surrounding the active conductor part 3, electrically insulated from one another and arranged parallel to the column axis 4 of the active conductor part 3.
  • channels 8 are provided which extend along the active part and through which the insulating material can circulate and, if necessary, dissipate any heat that occurs on the active part 3.
  • a shield electrode 9 lying at high voltage potential homogenizes the electric field of the innermost layers 6 arranged in the area of the high voltage potential 7.
  • the capacitively acting pads 6 are arranged in the insulating body 5 such that the voltage between the high-voltage potential 7 and earth is linearly reduced via the active part 3. This is achieved in that the coverings 6 on their ends facing away from the high-voltage side of the active part 3 are arranged offset on the inside with a suitable step width s, the elementary capacities between adjacent coverings 6 being chosen by the correct choice of the distance d, the length e and the radius r of these coatings can be determined appropriately, taking into account the stray capacities.
  • the pads 6 form on its inner sides facing the active part 3, a staircase, the steps of which are at the smallest distance from the active part 3 in the area of the high-voltage side of the active part 3.
  • the covering arranged at the smallest distance from the active part 3 in the area of the high-voltage-carrying side of the active part 3 is connected to high-voltage potential 7, while the covering having the greatest distance from the active part 3 is attached in the area of the earthed part of the active part 3 and is connected to earth.
  • Easily realized linear potential distributions along the active part 3 result when the width s of the steps and - as in FIG. 1 - the length l of the coverings 6 are constant in the axial direction and in the radial direction due to the distance between two adjacent coverings 6 certain step height increases from the inside to the outside or - as in FIG. 2 - the step height d is constant and the length e of adjacent coverings decreases from the inside to the outside.
  • the coverings 6 surrounding the active part 3 are closed in a galvanic ring. It has proven particularly expedient to successively wrap the coverings in a film-shaped insulating material such as hard or soft paper of approximately 0.1 mm thickness or in any insulating plastic.
  • the coverings are inserted as a thin metal foil or printed on as a conductive layer a few pm thick.
  • the wound insulating material body 5 is generally cylindrically symmetrical. In order to keep the earth capacities small, however, it is advantageous to remove parts of the body 5 between the covering 6 and the housing 1, so that the body 5 - as can be seen in the figures - is at least partially on the outside as
  • Truncated cone is formed. Due to the winding technology, the coverings 6 do not have a strict rotational symmetry about the column axis 4, but expand spirally according to the film thickness, but this deviation from the cylindrical symmetry is negligible, since the distance between the cover 6 and the active part 3 is orders of magnitude higher than the layer thickness of the film .
  • the wrapping technique not only allows the coverings 6 to be fixed in the insulating body 5 in a simple manner, but the step height d can be changed in a simple manner by repeatedly winding the foils.
  • Spark arrester-free arrester elements such as resistors containing zinc oxide are particularly suitable for the surge arrester according to the invention, but it is also possible to use active parts containing spark gap.

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  • Thermistors And Varistors (AREA)
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  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Bei einem in ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse (1) eingeschlossenen Ueberspannungsableiter mit scheibenförmigen, zu mindestens einer Säule übereinandergestapelten Ableiterelementen (2) und mit Abschirm- und Steuerungskörpern zur Erzeugung einer linearen Potentialverteilung längs des Aktivteils (3) soll mit einfachen Mitteln auch bei in kleiner Serie gebauten Ueberspannungsableitern eine gute Verteilung des elektrischen Feldes erzielt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass als Abschirmund Steuerungskörper den Ableiteraktivteil (3) annähernd konzentrisch umgebende, voneinander elektrisch isolierte und in einen Isolierstoffkörper (5) gewickelte elektrisch leitende Beläge (6) vorgesehen sind. Diese Beläge (6) sind parallel zur Säulenachse des Aktivteils (3) angeordnet und sind auf ihren von der hochspannungsführenden Seite des Aktivteils (3) abgewandten Enden derart gegeneinander versetzt angeordnet, dass die Beläge (6) auf ihren inneren, dem Aktivteil (3) zugewandten Seiten eine Treppe bilden. Bei einem derartigen Ueberspannungsableiter lässt sich mit geringem Aufwand die Linearisierung des Spannungsabfalls längs des Aktivteils (3) erreichen, so dass der Ueberspannungsableiter nicht nur kostengünstig hergestellt werden kann, sondern sich darüber hinaus durch einen äusserst geringen Platzbedarf auszeichnet. Hierbei ist es ferner von Vorteil, dass bei der Herstellung solcher Ueberspannungsableiter teilweise auf Technologien zurückgegriffen werden kann, die beim Bau von Kondensator-Durchführungen eingesetzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen in ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse eingeschlossenen Ueberspannungsableiter gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Ableiter ist etwa aus dem Artikel "Reliability and Application of Metal Oxide Surge Arrestors for Power Systems" von S. Tominaga et al, IEEE Transactions on Power Apparaturs and Systems, Vol. PAS-98, No. 3 (1979), insbesondere S. 809, bekannt. Bei diesem Ableiter werden eine lineare Potentialverteilung längs des Ableiteraktivteils und eine gute Spannungsfestigkeit durch ein elektrisch leitendes, mit einem hochspannungsführenden Teil verbundenes und sich längs der Ableiterelemente erstreckendes Schild sowie durch Abschirmringe erreicht. Der konstruktive Aufwand ist bei derartigen Ableitern erheblich. Darüber hinaus können Form und Abmessungen der Abschirm- und Steuerungskörper nur durch verhältnismässig komplizierte Mess- und Rechenverfahren ermittelt werden. Insbesondere bei in kleiner Serie gebauten Ableitern ist daher mit hohen Herstellungskosten zu rechnen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ableiter der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine lineare Verteilung des Potentiales längs des Ableiteraktivteils und eine optimale Spannungsfestigkeit mit einfachen Mitteln erreicht werden, und welcher sich darüber hinaus auch in kleiner Serie in rationeller Weise herstellen lässt.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Beim erfindungsgemässen Ableiter lassen sich die als Steuerungs- und Abschirmkörper wirkenden Beläge mit geringem Aufwand sehr genau berechnen. Durch die einstufige Anordnung der Beläge wird in einfacher Weise ein hoher Grad an Linearisierung der Potentialverteilung längs des Ableiteraktivteils erreicht. Das bedeutet, dass die Abmessungen des Ableiters minimalisiert werden können. Elektrische Feldbilder zur Ermittlung der Potentialverteilung sind nicht notwendig.
  • Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. So wird mit den Massnahmen gemäss Anspruch 2 bereits ein für die meisten Ableiter ausreichender Grad an Linearisierung erreicht, wohingegen sich der Ableiter gemäss Anspruch 3 durch einen nahezu linearen Potentialabbau auszeichnet. Die Ausgestaltung des erfindungsgemässen Ueberspannungsableiters gemäss Anspruch 4 weist besonders geringe Streukapazitäten im kritischen Hochspannungsbereich auf. Die erfindungsgemässen Ableiter gemäss den Ansprüchen 5, 6 und 7 lassen sich aufgrund der geeignet angeordneten Beläge besonders einfach und exakt berechnen, wobei sich der Ableiter gemäss Anspruch 7 wegen der Verwendung gleich breiter Beläge darüber hinaus besonders leicht herstellen lässt. Die Ausführungsform nach Unteranspruch 8 ist sehr empfehlenswert, da beim Wickeln des Isolierstoffkörpers die bei der Herstellung von Kondensator-Durchführungen bekannte Wickeltechnik angewandt werden kann. Darüber hinaus kann der gewickelte Isolierstoffkörper gegebenenfalls als Zugelement zur Verspannung der Ableiterelemente des Aktivteils benutzt werden. Bei der Ausführungsform gemäss Anspruch 9 wird in besonders zweckmässiger Weise die gegebenenfalls am Ableiteraktivteil auftretende Wärme abgeführt.
  • Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele beschrieben.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 eine Aufsicht auf einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Ableiters, bei dem die Beläge gleiche axiale Länge (e) und Treppenstufen gleicher Breite (s) aufweisen, jedoch benachbarte Beläge von innen nach aussen in zunehmendem Masse voneinander entfernt sind, und
    • Fig. 2 eine Aufsicht auf einen Längsschnitt durch einen Teil eines erfindungsgemässen Ableiters, bei dem die Beläge gleichen Abstand (d) voneinander und Treppenstufen gleicher Breite (s) aufweisen, jedoch benachbarte Beläge von innen nach aussen in zunehmendem Masse eine geringere Axialerstreckung (e ) aufweisen.
  • In gleichen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen auch gleiche Elemente bezeichnet. Mit 2 sind zylindersymmetrisehe, zinkoxidhaltige Widerstandsscheiben bezeichnet, welche säulenförmig übereinander gestapelt sind, wobei die unterste Scheibe mit Erde und die oberste Scheibe mit Hochspannung 7 verbunden ist. Diese Scheiben bilden die Elemente des Aktivteils 3 eines Ueberspannungsableiters und befinden sich im Inneren einer metallischen Kapselung 1, welche mit einem Isoliermittel, etwa gasförmigem Schwefelhexafluorid. (SF6) oder Stickstoff, gefüllt ist. Zwischen den Scheiben 2 und der Kapselung 1 befindet sich ein rotationssymmetrischer Isolierkörper 5, in welchem den Ableiteraktivteil 3 konzentrisch umgebende, voneinander elektrisch isolierte und parallel zur Säulenachse 4 des Ableiteraktivteils 3 angeordnete, elektrisch leitende Beläge 6 vorgesehen sind. Zwischen Aktivteil 3 und Isolierkörper 5 sind längs des Aktivteils sich erstreckende Kanäle 8 vorgesehen, durch die das Isoliermittel zirkulieren und gegebenenfalls am Aktivteil 3 auftretende Wärme abführen kann. Eine auf Hochspannungspotential liegende Schirmelektrode 9 homogenisiert das elektrische Feld der im Bereich des Hochspannungspotentials 7 angeordneten innersten Beläge 6.
  • Die kapazitiv wirkenden Beläge 6 sind derart im Isolierkörper 5 angeordnet, dass die Spannung zwischen Hochspannungspotential 7 und Erde linear über den Aktivteil 3 abgebaut wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Beläge 6 auf ihren von der hochspannungsführenden Seite des Aktivteils 3 abgewandten Enden auf der Innenseite mit geeigneter Stufenbreite s gegeneinander versetzt angeordnet sind, wobei die Elementarkapazitäten zwischen benachbarten Belägen 6 durch die richtige Wahl des Abstandes d, der Länge e und des Radius r dieser Beläge unter Berücksichtigung der Streukapazitäten geeignet bestimmt werden. Die Beläge 6 bilden auf ihren inneren, dem Aktivteil 3 zugewandten Seiten eine Treppe, deren Stufen im Bereich der hochspannungsführenden Seite des Aktivteils 3 vom Aktivteil 3 den geringsten Abstand aufweisen. Der mit geringstem Abstand vom Aktivteil 3 angeordnete Belag im Bereich der hochspannungsführenden Seite des Aktivteils 3 ist mit Hochspannungspotential 7 verbunden, während der den grössten Abstand vom Aktivteil 3 aufweisende Belag im Bereich des geerdeten Teils des Aktivteils 3 angebracht und mit Erde verbunden ist. Leicht zu realisierende lineare Potentialverteilungen längs des Aktivteils 3 ergeben sich dann, wenn die Breite s der Treppenstufen und - wie in Fig. 1 - die Länge ℓ der Beläge 6 jeweils in axialer Richtung konstant sind und die in radialer Richtung durch den Abstand zweier benachbarter Beläge 6 bestimmte Stufenhöhe von innen nach aussen zunimmt oder - wie in Fig. 2 - die Stufenhöhe d konstant ist und die Länge e benachbarter Beläge von innen nach aussen abnimmt.
  • Es ist nicht notwendig, dass die den Aktivteil 3 umgebenden Beläge 6 galvanisch ringförmig geschlossen sind. So hat es sich als besonders zweckmässig herausgestellt, die Beläge in einen folienförmigen Isolierstoff wie Hart- oder Weichpapier von ca. 0,1 mm Dicke oder irgendeinen isolierenden Kunststoff sukzessive einzuwickeln. Die Beläge werden hierbei als dünne Metallfolie eingelegt oder als einige pm dicke Leitschicht aufgedruckt. Der gewickelte Isolierstoffkörper 5 ist im allgemeinen zylindersymmetrisch. Um die Erdkapazitäten klein zu halten, ist es jedoch vorteilhaft, Teile des Körpers 5 zwischen Belag 6 und Gehäuse 1 zu entfernen, so dass der Körper 5 - wie den Figuren zu entnehmen ist - auf der Aussenseite zumindest teilweise als
  • Kegelstumpf ausgebildet ist. Aufgrund der Wickeltechnik weisen die Beläge 6 keine strenge Rotationssymmetrie um die Säulenachse 4 auf, sondern erweitern sich entsprechend der Foliendicke spiralförmig, doch ist diese Abweichung von der Zylindersymmetrie vernachlässigbar, da der Abstand Belag 6 Aktivteil 3 verglichen mit der Schichtdicke der Folie um Grössenordnungen höher liegt. Durch die Wickeltechnik lassen sich nicht nur in einfacher Weise die Beläge 6 im Isolierstjoffkörper 5 fixieren, sondern lässt sich durch mehrfaches Wickeln der Folien in einfacher Weise die Stufenhöhe d verändern.
  • Für den erfindungsgemässen Ueberspannungsableiter sind funkenstreckenfreie Ableiterelemente wie etwa zinkoxidhaltige Widerstände besonders geeignet, doch ist es möglich, auch funkenstreckenhaltige Aktivteile einzusetzen.
    • Bezeichnungsliste
    • 1 Gehäuse
    • 2 Ableiterelemente
    • 3 Ableiteraktivteil
    • 4 Säulenachse
    • 5 Isolierkörper
    • 6 Beläge
    • 7 Hochspannungspotential
    • 8 Kanäle
    • 9 Schirmelektrode
    • d Abstand benachbarter Beläge Länge eines Belags
    • r Radius eines Belags
    • s Versetzung benachbarter Beläge

Claims (10)

1. In ein elektrisch leitfähiges und geerdetes Gehäuse eingeschlossener Ueberspannungsableiter mit scheibenförmigen, zu mindestens einer Säule übereinander gestapelten aktiven Ableiterelementen und mit Abschirm- und Steuerungskörpern zur Erzeugung einer linearen Potentialverteilung längs des säulenförmigen Ableiteraktivteils, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschirm- und Steuerungskörper den Ableiteraktivteil (3) annähernd konzentrisch umgebende, voneinander elektrisch isolierte und in einen Isolierkörper (5) parallel zur Säulenachse des Ableiteraktivteils (3) angeordnete, elektrisch leitende Beläge (6) vorgesehen sind, deren von der hochspannungsführenden Seite des Ableiteraktivteils (3) abgewandten Enden derart gegeneinander versetzt angeordnet sind, dass die Beläge (6) auf den inneren, dem Ableiteraktivteil (3) zugewandten Seiten eine feinstufige Treppe bilden.
2. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treppe mindestens 10. stufenförmig angeordnete Beläge (6) aufweist.
3. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 50-150 Beläge (6) vorgesehen sind.
4. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet,dass der mit geringstem Abstand vom Ableiteraktivteil (3) angeordnete Belag (6) im Bereich der hochspannungsführenden Seite des Ableiteraktivteils (3) angebracht ist.
5. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (s) der Treppenstufen in axialer Richtung konstant ist.
6. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in radialer Richtung durch den Abstand zweier benachbarter Beläge (6) bestimmte Stufenhöhe (d) konstant ist, und dass die Länge (e) benachbarter Beläge in axialer Richtung von innen nach aussen abnimmt.
7. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (e) der Beläge (6) in axialer Richtung konstant ist, und dass die in radialer Richtung durch den Abstand zweier benachbarter Beläge (6) bestimmte Stufenhöhe (d) von innen nach aussen zunimmt.
8. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beläge (6) in einen folienförmigen Isolierstoff wie Hart- oder Weichpapier gewickelt sind.
9. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Isolierkörper (5) und Ableiteraktivteil (3) sich längs des Ableiteraktivteils (3) erstreckende Kanäle (8) vorgesehen sind.
10. Ueberspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoffkörper (5) zumindest teilweise Kegelstumpfform aufweist.
EP80200386A 1980-03-19 1980-04-28 Gekapselter Ueberspannungsableiter Expired EP0036046B1 (de)

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