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Überspannungsableiter mit spannungsabhängigem Begrenzungswiderstand und Löschfunkenstrecke mit verringerter Bauhöhe Die Bauhöhe eines Überspannungsab- leiters mit spannungsabhängigem Begrenzungswiderstand und Löschfunkenstrecke, der nach dem üblichen Prinzip aufgebaut ist, d. h. bei dem, auch räumlich, in Serie mit einer fein unterteilten Löschfunkenstrecke ein Stapel spannungsabhängiger Begrenzungswiderstände folgt, ist im wesentlichen gegeben durch die Höhe der Löschfunken- strecke und die des Begrenzungswiderstandes.
Die sich bei solchen Ableitern praktisch ergebenden Bauhöhen sind im Verhältnis zu der Bauhöhe vergleichbarer Hochspannungsgeräte gleicher Nennspannung, etwa von Stützisolatoren, unverhältnismässig gross, so dass der Platzbedarf dieser Ableiter gross ist und unter Umständen zusätzliche Stützkonstruktionen erforderlich werden.
Es sind daher schon verschiedentlich Sonderkonstruktionen vorgeschlagen worden, um die Bauhöhe von Überspannungs- ableitern für hohe Nennspannung zu vermindern. So hat man schon für Ableiter hoher Nennspannung, bei denen sowohl die Lösch- funkenstrecke als auch die Begrenzungswiderstände je für sich geschlossen angeordnet sind, die Höhe des Stapels der Begrenzungswiderstände dadurch reduziert, dass man diese Stapel in einzelne Teilstapel auflöst und in Isolierschalen eingebaut hat, wo- bei die Teilstapel in Zickzackform nebeneinander mit der Fortschrittrichtung in Richtung der Ableiterbauhöhe angeordnet werden.
Dieser Zickzackstapel wird dann seinerseits in ein zylindrisches Ableiterge- häuse, meist aus keramischem Isolierstoff, eingebaut.
Wohl wird durch diese Bauform eine Reduzierung der Höhe des Widerstandsstapels erreicht, der Aufwand für die zusätzlichen Isolierschalen ist aber recht gross, anderseits ist die Raumausnützung des äussern Ableitergehäuses sehr ungünstig, so dass der gesamte Ableiter teuer wird.
Eine andere Lösung, bei der es sich ebenfalls um einen Überspannungsableiter hoher Nennspannung handelt, der aber aus Teilableitern zusammengebaut. wird, d. h. aus für sich kompletten Überspannungsableitern relativ kleiner Nennspannung, z. B. 20 kV, sieht etwa folgendermassen aus: Die Teilableiter werden für sich in zylindrische, mit einem Zwischenboden versehene, also zweiseitig offene Isoliergehäuse eingebaut, wobei der Zwischenboden und ein Teil der jeweils anschliessenden Zylinderwände mit einem metallischen $ondensatorbelag versehen werden.
Ausgehend von einem kompletten Teilableiter wird dann über dessen kopfseitiges Ende ein solches Zwischengehäuse gestülpt
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und der nächste Teilableiter mit seinem untern Ende in das gleiche Zwischengehäuse hineingestellt. Dieser Aufbau wird bis zu einer bestimmten Gliedzahl fortgesetzt. Die auf diese Weise gebildete Ableitersäule besteht zunächst aus kapazitiv gekoppelten Teilableitern.
Neben die erste Säule wird eine zweite, gleich aufgebaute Ableitersäule gestellt und deren Ableiter mit denen der erstgenannten im Zickzack in Serie geschaltet und der so gebildete Ableiter wieder in ein rundes äu- sseres Ableitergehäuse eingebaut.
Bei dieser Bauform ergibt sich wohl eine Reduzierung der Bauhöhe auf etwa mehr als die Hälfte des ursprünglichen Ableiters; durch die teuren Zwischengehäuse und die schlechte Raumausnützung wird auch dieser Ableiter recht teuer.
Eine weitere Lösung zur Reduzierung der Ableiterbauhöhe besteht darin, dass der Stapel der spannungsabhängigen Begrenzungswiderstände aus zylindrischen Ringen mit einer Bohrung aufgebaut wird, wobei letztere so gross ist, dass im Innern die Löschfunken- strecke, die ja mit dem Stapel in Serie geschaltet wird, untergebracht und der nötige Isolationsabstand zwischen Löschfunken- strecke und Begrenzungswiderstand eingehalten werden kann.
Dadurch ergibt sich zwar ein axialsymmetrischer Aufbau des Ableiters, aber gleichzeitig auch ein grosser Platzbedarf wegen des erheblichen Isolationsabstandes zwischen Löschfunkenstrecke und Innenwand des spannungsabhängigen Begrenzungswiderstandes.
In Fig. 1 ist der normale Aufbau eines Überspannungsableiters mit spannungsabhängigem Begrenzungswiderstand, Löschfunkenstrecke und zusätzlichem Steuerwiderstand parallel zur Löschfunkenstrecke wiedergegeben. Es handelt sich dabei um die Darstellung eines Teilableiters, aus dem Ableiter höherer Nennspannung durch axialen Zusammenbau gebildet werden.
Der Stapel des spannungsabhängigen Begrenzungswiderstandes ist mit 1 gekennzeichnet, mit 2 ist die in Serie liegende Lösch- funkenstrecke, mit 3 der sie zylindrisch umschliessende Steuerwiderstand bezeichnet, 4 stellt das äussere Ableitergehäuse dar, das meist aus keramischem Isolierstoff besteht, 5 und 6 sind die obere und untere Verschlusskappe des Ableiters, 7 ist eine Kontaktfeder, die den Kontakt zwischen dem aktiven Teil des Ableiters und der obern Verschlusshaube 5 herstellt, S ist ein Abschirmteller zwischen Widerstandsstapel 1 und dem Steuerzylinder 3, 9 und 10 sind die obere und untere Anschlusshaube der gekapselten Löschfunken- strecke 2.
Das Ableitergehäuse 4 ist hier in seinem Innendurchmesser gerade so gross gemacht, dass der Widerstandsstapel 1 noch bequem eingebaut werden kann, es ist daher sehr gut ausgenützt, da der Widerstandsstapel 1 meist aus runden Scheiben aus spannungsabhängigem Widerstandsmaterial gebildet wird. Diese Scheiben werden im allgemeinen durch eine auf die Zylinderfläche aufgebrachte Schicht eines Einbrennlackes mechanisch zu einem Klotz zusammengefasst.
Der Aufbau dieses Ableiters ist insofern sehr einfach, als der Widerstandsstapel 1 einfach auf den Steuerzylinder 3 bzw. die Lösch- funkenstrecke 2 aufgesetzt wird, zusätzliche Schaltverbindungen und zusätzliche Isolationsteile sind im Innern des Ableiters nicht erforderlich.
Gemäss der Erfindung kann zum Aufbau eines Ableiters reduzierter Bauhöhe der eben beschriebene, sehr einfache Aufbau grundsätzlich beibehalten werden. Die Reduktion der Ableiterhöhe wird dadurch erzielt, dass der Stapel spannungsabhängiger Begrenzungswiderstände aus scheibenförmigen Teilwiderständen aufgebaut wird, wobei aber die einzelne Scheibe aus zwei in Serie geschalteten Begrenzungswiderständen besteht. In Fig. 2 ist beispielsweise eine solche Scheibe im Schnitt und in Fig. 3 im Grundriss dargestellt. Wie ersichtlich, handelt es sich um eine runde, zylindrische Scheibe, die aber in der Mitte eine Bohrung besitzt.
Elektrisch besteht diese Scheibe aus zwei getrennten, etwa halbmondförmigen spannungsabhängi-
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gen Widerständen, die auf den Kontaktflächen mit einer aufgespritzten metallischen Kontaktschicht versehen sind. Diese in Fig. 3 sichtbare metallgespritzte Kontaktfläche besitzt dabei etwa die gleiche Halbmondform wie die erwähnten Widerstandshälften aus spannungsabhängigem Material. Der Querschnitt durch diese beiden Hälften ist in Fig. 2 mit 12 bezeichnet.
Die elektrische Trennung der beiden Widerstandshälften erfolgt durch einen durch die Scheibe hindurchgehenden Steg aus Isoliermaterial (Teil 13), wobei die Bohrung der Widerstandsscheibe mit einem dünnen Ring 14 des gleichen Isoliermaterials ausgekleidet ist.
Im allgemeinen bestehen diese spannungsabhängigen Begrenzungswiderstände (Teil 12, Fig.2) aus Siliziumkarbid, das mit einem keramischen Binder versetzt bei hohen Temperaturen gebrannt wird. Zweckmässig werden der Isoliersteg 13 und der Isolierring 14 mit etwa dem gleichen Binder, aber einem nicht leitenden Füllmittel zusammen gemischt und nach gemeinsamer Pressung der kompletten Scheibe bei entsprechender Temperatur gemeinsam gesintert. Es ist dabei darauf zu achten, dass die Brenn- und Ausdehnungsverhältnisse sowohl für das Widerstands- als auch das Isoliermaterial möglichst genau einander entsprechen.
Das kann etwa dadurch erreicht werden, dass für das Isoliermaterial als Füllmittel ein hochreines, d. h. nahezu nicht leitendes Siliziumkarbid Verwendung findet, und zwar in der gleichen Kornzusammensetzung wie für das Widerstandsmaterial. Das Siliziumkarbid des letzteren besitzt allerdings eine sehr grosse Leitfähigkeit.
Die Reihenschaltung der beiden Widerstandshälften einer solchen neuen Scheibe, die im folgenden als Verbundscheibe bezeichnet wird, erfolgt nach Fig. 2 und Fig. 3 durch ein durch die Bohrung geführtes Metallband 15 (Serienband), das auf die entsprechenden Kontaktschichten der beiden spannungsabhängigen Widerstandshälften entweder aufgelötet oder auch gleich bei der Metalli- sierung mit eingespritzt wird. Es kann dabei zweckmässig sein, die Serienbänder zweier aufeinanderfolgender Scheiben einseitig aus der Mitte zu versetzen, damit beim Zusammenstapeln der Verbundscheiben keine übermässige Verdickung an den Serienbändern auftritt. Da diese Serienbänder leicht angebracht werden können, stellen sie keinen ins Gewicht fallenden zusätzlichen Aufwand dar.
Der Stapel der spannungsabhängigen Begrenzungswiderstände wird nun gemäss Fig. 4 so gebildet, dass auf einer metallischen Grundplatte 16, deren äusserer Rand etwas abgerundet ist und die den gleichen Durchmesser besitzt wie die Verbundscheiben, eine runde Isolierscheibe aus möglichst hitzebeständigem Material, etwa Glimmer oder Heizmi- kanit 17, aufgebracht wird, die ebenfalls den gleichen Durchmesser wie die Verbundscheiben besitzt.
Diese Isolierscheibe ist in Fig._5 separat herausgezeichnet. Die Isolierscheibe enthält, etwa im Schwerpunkt einer Kontaktfläche der Verbundscheiben, einen Schlitz 19, durch den ein Kontaktband 20 so durchgesteckt ist, dass über die beiden Schenkel eines etwa U-förmigen Gebildes die Verbundscheibe 21 von Fig. 4 mit der Grundplatte 16 in elektrisch leitender Verbindung ist. Zwischen der Verbundscheibe 21 in Fig. 4 und der folgenden Verbundscheibe 22 ist wieder eine Isolierscheibe 17 mit dem Kontaktband 20 vorgesehen, wodurch auch die Verbundscheiben 21 und 22 beide miteinander verbunden, d. h. in Serie geschaltet sind.
Der weitere Aufbau des Widerstandsstapels entspricht genau dem für das untere Ende dargestellten Aufbau, der obere Abschluss des Widerstandsstapels wird durch eine obere metallische Abschlussplatte 23 gebildet. Die einzelnen Teilwiderstände der Verbundscheiben sind demzufolge über die U-förmigen, die Isolierscheiben durchstossenden Kontaktbänder und die Serienbänder alle in Reihe geschaltet.
Da die höchste zwischen zwei Verbundscheiben auftretende Spannung zufolge der vielfachen Unterteilung des Widerstandsstapels nur einen kleinen Teil der Nennspan-
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nung des Ableiters bzw. Teilableiters beträgt, kann die Isolierscheibe (Fig. 5) auch relativ dünn gehalten werden im Vergleich zur Höhe einer Verbundscheibe, so dass der Gewinn an Bauhöhe nahezu gleich der Hälfte des seit- herigen Widerstandsstapels ist.
Nach dem Aufschichten eines solchen Stapels aus Verbundscheiben, Widerstandsscheiben und metallischen Endplatten, die alle kreisförmig sind und den gleichen Aussendurchmesser besitzen, wird der Stapel zweckmässig durch eine auf die zylindrische Aussenfläche aufgebrachte Schicht eines elektrisch isolierenden Einbrennlacks oder eines im Flammspritzverfahren aufgebrachten Kunst- stoffüberzuges zu einem mechanisch in sich festen Block zusammengefügt.
Gleichzeitig werden auf diese Weise auch äussere Überschläge verhindert. Gegebenenfalls kann man noch einen Hartpapierzylinder zwischen Widerstandsblock und Ableitergehäuse anordnen.
Um den Überschlagsweg zwischen zwei Verbundscheiben möglichst gross zu machen, werden die Kanten der Verbundscheiben zweckmässig so abgeschrägt, wie es in Fig. 2 und Fig. 4 ersichtlich ist. Gleichzeitig erhält man dann eine gute Haftung des Einbrenn- lacks bzw. des Kunststoffüberzuges.
Ausser den Verbundscheiben erhalten auch die Metallabdeckplatten und die Isolierschei- ben Bohrungen, die aber sehr klein gehalten werden können, damit ein Gasaustausch aus dem Innern des Widerstandsstapels möglich ist. Unter Umständen kann es sich empfehlen, die Isolierscheiben nach Fig. 5 auf der dem Schlitz 19 gegenüberliegenden Seite auf beiden Flächen mit einem metallischen Konden- satorbelag zu versehen, der dann einfach aufgespritzt wird. Diese Kondensatorbeläge lenken sich beim Zusammenbau des Widerstandsstapels automatisch an die entsprechenden Kontaktbeläge der Verbundscheiben an.
Auf diese Weise wird die innere Querkapazität des Widerstandsstapels erhöht, was unter Umständen von günstigem Einfluss auf die Stossansprechspannung des Überspannungsableiters sein kann. Es ist nicht unbedingt notwendig, die beiden Widerstandshälften einer Verbundsc heibe durch einen Steg aus Isoliermaterial zu trennen.
Macht man nämlich den Zwischenraum zwischen den Kontaktbelägen der beiden Widerstandshälften entsprechend gross, dann fliesst über den nicht mit einem Kontaktbelag versehenen Steg in Richtung senkrecht zur Achse der Verbundscheibe kein nennenswerter Strom, da der Spannungsgradient in dieser Richtung sehr klein gehalten werden kann, und da wegen der Spannungsabhängigkeit des Widerstandsmaterials dann die Ströme ausserordentlich klein bleiben. Der innere Ring 14 nach Fig. 3 kann erforderlichenfalls doch aus Isoliermaterial hergestellt werden, oder auch ganz entfallen.
Zur äusserlichen Festlegung der nun nicht mehr axial symmetrischen Verbundscheiben können auf den abgeschrägten Kanten derselben eine oder zwei Markierungen angebracht werden, die auch die Lage der Serienkontaktbänder zwischen den beiden Hälften einer Verbundscheibe kennzeichnen und so gestatten, den gestapelten Klotz auch äusserlich auf seinen richtigen Zusammenbau zu kontrollieren.
Durch die eben dargestellte, den Erfin- dungsgedanken realisierende Konstruktion wird grundsätzlich der einfache Ableiterauf- bau von Fig. 1 beibehalten. Sobald nämlich der Stapel der spannungsabhängigen Begrenzungswiderstände durch den äussern Lack- oder Kunststoffüberzug zu einer kompakten Einheit verbunden wird, erfolgt der Aufbau des gesamten Ableiters grundsätzlich so wie in Fig. 1. Das ist auch aus Fig. 4 ersichtlich, in der 24 die Löschfunkenstrecke des Überspannungsableiters, 25 und 26 die untere und obere Anschlusskappe der Löschfunkenstrecke und 27 der zylindrische Steuerwiderstand ist.
Diese sind mit dem Widerstandsstapel genau so zusammengebaut wie die entsprechenden Teile von Fig. 1. Die Kontaktfeder (Teil 28), das Ableitergehäuse (Teil 29) und der obere Boden 30 und der untere Abschlussboden 31 entsprechen voll und ganz den entsprechenden Teilen von Fig. 1.
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Das beschriebene neue Konstruktionsprinzip ist besonders vorteilhaft für Teilableiter, da gerade bei diesem Konstruktionsprinzip, d. h. dann, wenn Ableiter höherer Nennspannung aus einzelnen kompletten Überspannungsableitern kleiner Nennspannung aufgebaut werden, besonders darauf zu achten ist, dass an Bauhöhe gespart wird.
Grundsätzlich werden Ableiter nach diesem System etwas höher als Ableiter nach den Bausystemen, bei denen die Zwischenböden 30 und 31 wegfallen. Anderseits hat das System der Teilableiter aber derart grosse Vorzüge, dass es einen ausserordentlich grossen Platz im Bau von Überspannungsableitern sich erobert hat, der bei einem Aufbau nach dem neuen Bauprinzip noch erheblich sich erweitern wird.