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Überspanntmgsableiter Die Erfindung befasst sich mit überspannungs- ableitern. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Zersplittern oder eine Explosion des überspannungs- ableiters im Falle eines Versagens zu verhindern.
Überspannungsableiter der Ventiltype bestehen im wesentlichen aus einer Anzahl Funkenstrecken und einer Anzahl spannungsabhängiger Widerstände, die in Reihe geschaltet in einem Gehäuse untergebracht sind. Die Funkenstrecken trennen den Überspannungsableiter normalerweise von der Leitung, an die er angeschlossen ist. Sie werden jedoch bei Überspannungen, wie z. B. atmosphärischen Entladungen, überschlagen und gestatten damit die Ableitung von überspannungswellen durch die Widerstände nach Erde. Die Widerstände haben bei solchen hohen Spannungen einen geringen Widerstand. Nach der Ableitung der Überspannung verringern die Widerstände wegen ihrer Ventilcharakteristik den Folgestrom auf einen geringen Wert, der durch die Funkenstrecken leicht unterbrochen werden kann.
Bei der normalen Wirkungsweise solcher überspannungsableiter entsteht keinerlei Gas. Das Gehäuse kann deshalb völlig dicht verschlossen werden, um Feuchtigkeit auszuschliessen, die sehr schädliche Einwirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Widerstände und der Funkenstrecken haben kann. Wenn der überspannungsableiter jedoch beim Abschalten des Folgestromes aus irgendwelchen Gründen versagt, verlieren die Widerstände ihre strombegrenzende Wirkung, und der volle Kurzschluss- strom der Leitung, an die der überspannungsableiter angeschlossen ist, fliesst durch den Ableiter nach Erde. Wenn die Siliziumkarbidwiderstände in einem Überspannungsableiter versagen, können sie nicht mehr als Strombegrenzung wirken.
Daher fliesst der ganze Kurzschlussstrom durch den Ableiter nach Erde. Dieser Strom kann bei manchen Leitungen 4.0000 bis 50000 Ampere betragen. Solange dieser Strom durch die Siliziumkarbidwiderstände fliesst, wird ein gewaltiges Gasvolumen durch schnelle Sublimierung des Siliziumkarbides erzeugt. Diese Sublimierung führt zu einem Druck im überspan- nungsableiter. Wie ohne weiteres einzusehen ist, kann, falls der Strompfad von den Widerständen schnell genug weggenommen wird, der Druckaufbau nicht solche Werte annehmen, dass der überspan- nungsableiter explodiert.
Da das Gehäuse bei der normalen Bauweise dicht abgeschlossen ist, können sich sehr schnell sehr hohe Gasdrücke im Gehäuse ausbilden, falls der Ableiter versagt. Dieser hohe Druck kann einen Bruch oder ein Zerplatzen des Porzellangehäuses verursachen, das häufig mit explosiver Gewalt erfolgt, so dass die Gehäuseteile mit grosser Wucht umher geschleudert werden und benachbarte Geräte und Personen gefährden.
Die Erfindung bezieht sich auf einen überspannungsableiter mit mindestens einer Funkenstrecke und mindestens einem Widerstand, die als Ableiterelemente dienen, und mit einer in Reihe dazu liegenden Blasrohrsicherung, deren Schmelzleiter bei einer Überlastung des Ableiters einen Überschlag ausserhalb des Ableitergehäuses einleitet. Sie besteht darin, dass der Schmelzleiter im Inneren des Ableitergehäuses in einem Rohr angeordnet ist, das aus dem Ableitergehäuse herausführt und in eine parallel zur Ableiterachse weisende Mündung ausläuft. Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen.
Dabei zeigt: Fig. 1 eine Seitenansicht eines Ableiters gemäss der Erfindung zum Teil im Schnitt,
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Fig. 2 ist ein vergrösserter Längsschnitt, in dem die Mittel zur Kommutierung des Stromes dargestellt sind.
Es ist eine überspannungsäbleitereinheit dargestellt, wie sie in Hochspannungsableitern als Bauelement verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese besondere Ausführungsform des Ableiters beschränkt.
In Fig.l ist eine überspannungsableitereinheit 10 dargestellt, die ein hohles, im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 12 aus Porzellan oder einem anderen geeigneten wetterfesten Isoliermaterial mit ausreichender mechanischer Festigkeit aufweist. In dem Gehäuse 12 sind eine Anzahl spannungsabhängiger Widerstände 14 und Funkenstrecken 16 in Reihe geschaltet und als vertikale Säule angeordnet. Bei der dargestellten Form ist die Säule der Widerstandsblöcke in zwei Teile geteilt. Die Funkenstrecke 16 sitzt dazwischen. Es können jedoch verständlicherweise auch andere geeignete Anordnungen verwendet werden.
Die Widerstandsblöcke 14 können aus geeignetem Widerstandsmaterial hergestellt werden, das eine nichtlineare Charakteristik aufweist, d. h. aus einem Material, das einen sehr hohen Widerstand bei normalen Spannungen aufweist, dann also nur halbleitend ist, das aber diesen Widerstand unter dem Einfluss von Überspannungen stark verringert, so dass die Überspannungen bei geringer Restspannung über den Ableiter abgeleitet werden. Das Material muss so beschaffen sein, dass es dann seinen Widerstand nach dem Ableitvorgang wieder erhöht, wodurch der Folgestrom auf einen kleinen Wert begrenzt ist, der leicht durch die Funkenstrecke 16 im ersten Nulldurchgang gelöscht werden kann.
Die Widerstandsblöcke 14 bestehen vorzugsweise aus körnigem Siliziumkarbid, das mit einem geeigneten Bindemittel, z. B. Natriumsilikat, verarbeitet wird. Die Blöcke werden in die gewünschte Form und Grösse gebracht und dann getrocknet. Eine leitende Kontaktfläche aus Zink und Kupfer wird auf die beiden Stirnflächen jedes Blockes aufgebracht, um den elektrischen Anschluss des Blockes zu verbessern. Auf die Seitenflächen des Blockes werden isolierte Überschläge aufgebracht. Solche Widerstände sind für sich bekannt. Sie können für die Erfindung in jeder geeigneten Weise verwendet werden.
Die Funkenstreckenanordnung 16 ist als verschlossene Mehrfachfunkenstrecke dargestellt, die in einem Porzellanrohr 18 eingeschlossen ist. Die Enden des Rohres 18 sind mit metallischen Endkappen 20 verschlossen. Die Endkappen sind auf das Rohr 18 in geeigneter Weise, z. B. durch Löten, auf eine Metallisierung des Rohres aufgebracht. Die Ausbildung der Funkenstreckenelektroden ist z. B. in der schweizerischen Patentschrift Nr. 352 033 näher erläutert.
Das Gehäuse 12 der Überspannungsableiterein- heit ist oben und unten durch Metallkappen 22 und 24 verschlossen, die relativ dünne und empfindliche Bruchsicherungsplatten 26 bzw. 28 aufweisen. Zwischen den Platten 26 bzw. 28 und den Enden des Gehäuses 12 sind Dichtungen 30 und 32 vorgesehen, die das Gehäuse im wesentlichen hermetisch abschliessen, um Feuchtigkeit auszusperren. Die metallischen Endstücke 20 und 24 sind mit dem Gehäuse 12 durch eine Kittung mit Zement verbunden, wie bei 34 angedeutet ist. Die Endstücke sind im wesentlichen kreisringförmig. Sie enthalten die Bruchsiche- rungsplatten 26 bzw. 28.
Die Platten 26 und 28 sind so bemessen, dass sie beim Auftreten eines Überdruckes zerreissen oder bei einer fortgesetzten Lichtbogeneinwirkung im Inneren des Ableiters durchbrennen. Dadurch werden Öffnungen freigegeben, durch die die im Gehäuse 12 entwickelten Gase entweichen können.
Zwischen dem oberen und unteren Ende der vom Ableiterelement gebildeten Säule und den benachbarten Platten 26 und 28 sind metallische Abstandsstücke 43, 47 vorgesehen. Falls erforderlich, kann im unteren Ende der Säule zusätzlich ein metallisches Abstandsstück 49 vorgesehen sein. Jedes der Abstandsstücke 43 und 47 ist mit axial verlaufenden Füssen 51 versehen, die sich gegen die Membranen anlegen. Durch Federteller 45 und 53, die zwischen den Abstandsstücken 43 und 47 und den Enden der Ableitersäule vorgesehen sind, werden die Ableiterelemente festgehalten. Die Federn sorgen zugleich für einen ausreichenden Druck, der für den guten elektrischen Kontakt zwischen den Elementen des Ableiters erforderlich ist. Ferner halten die Federn die Abstandsstücke in ausreichender Berührung mit den Membranen.
Am inneren Umfang der Endstücke 22 und 24 ist ein Absatz 36 vorgesehen. An diesem Absatz sind eine Anzahl Vorsprünge 38 vorgesehen, an denen durch Schweissen oder in anderer geeigneter Weise Deckelplatten 40, 42 an den Endstücken 22 bzw. 24 befestigt sind. Die Vorsprünge 38 halten die Abdeckplatten 40 und 42 in einigem Abstand von den Endstücken, so dass eine kreisringförmige Öffnung entsteht. Die Deckelplatten dienen dabei nur zu dem Zweck, das Eintreten von Schmutz und Staub zu verhindern, hingegen das radiale Entweichen von Gas für den Fall zu gestatten, dass die Membranen 26 oder 28 zerreissen.
Die öff- nungen, die von dem Raum zwischen den Abdeck- platten 30 und 32 und den Endstücken 22 und 24 gebildet werden, gestatten den Austritt von Gas, das bei Überströmen entsteht, wenn die Platten 26 und 28 zerbrochen werden. Jedes der Endstücke 22 und 24 besitzt einen Vorsprung 44 bzw. 46 an seiner einen Seite. Die Vorsprünge haben axial verlaufende Kanäle 48 bzw. 50, die mit dem inneren Teil der Endstücke direkt in der Nähe der Platten 26 und 28 in Verbindung stehen. Die Ableitereinheit wird manchmal übereinandergestapelt, damit eine grössere Anzahl von Ableitereinheiten zur Verfügung steht. Die Ableiter werden in diesem Fall an ihren Endstücken miteinander verschraubt.
Dies ist in
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der Zeichnung nicht dargestellt. Es ist jedoch ersichtlich, dass die Abdeckplatten 40 und 42 das gegebenenfalls aus dem Ableiter austretende Gas in die Öffnung 48 oder von dem Ableiter weg richten. Dadurch wird verhindert, dass das aus dem einen Ende austretende Gas gegen das benachbarte Ende der anschliessenden Ableitereinheit schlägt.
Die weiterhin vorgesehene Blasrohrsicherung mit Mitteln zur Kommutierung des Lichtbogens ist am besten aus der Fig.2 zu ersehen. Obgleich die empfindlichen Bruchsicherungsplatten den überspan- nungsableiter gegen Explosionen schützen, die durch zu hohen inneren Druck verursacht werden, ergibt die Anordnung zur Lichtbogenkommutierung einen zusätzlichen Schutz. Für den Fall, dass die Platten nicht ansprechen, wird nämlich der Lichtbogen durch diese Anordnung von den Ableiterelementen weggebracht. Jede dieser Schutzeinrichtungen dient somit als Rücksicherung für die andere.
Die Anordnung zur Lichtbogenkommutierung kann aber auch, obwohl sie zum Zwecke der Erläuterung bei einem Ableiter mit Bruchsicherungsplatten dargestellt wurde, in anderen Ableitern verwendet werden, darunter auch in solchen ohne Platten. Diese Anordnung bildet nämlich selbst eine angemessene Sicherung gegen das Zerspringen der Ableitergehäuse.
Wie in Fig. 1 zu sehen ist, weisen die Platten 26 und 28 einen dünneren, zentral gelegenen Bereich auf, der zerstört wird, wenn im Ableiter zu grosse Gasmengen erzeugt werden. Die äusseren Teile sind etwas dicker. In dem dünneren Bereich jeder der Platten 26 und 28 ist eine mit einem Gewinde versehene Öffnung 60 (Fig.2) vorgesehen. Da die Anordnungen 58 und 59 zur Kommutierung des Lichtbogens an den Enden des Gehäuses völlig gleich ausgebildet sind, wird nur die obere Anordnung 58 beschrieben. Die Einrichtung 59 am unteren Ende ist ebenso aufgebaut wie die Anordnung 58.
In die mit einem Gewinde versehene Öffnung 60 ist ein Messingzylinder 62 eingeschraubt, der sowohl aussen wie innen mit einem Gewinde versehen ist. Das äussere Gewinde ist in das Gewinde der Öffnung 60 eingeschraubt. In den oberen Teil des inneren Gewindes ist ein mit einem Gewinde versehenes Fiberrohr 64 eingeschraubt. Ein zweites Fiberrohr 66 ist von unten in das Messingrohr 62 eingeschraubt. Das Fiberrohr 64 ist über seine ganze Länge aussen mit einem Gewinde versehen.. Es ist so in das Rohr 62 eingeschraubt, dass noch ein Teil seines Gewindes nach aussen über die Membran 26 hinausragt. Der Messingzylinder 62 besitzt einen inneren Kreisring 68 etwa in der Mitte. Das Fiberrohr 64 wird so weit eingeschraubt, bis es gegen den Kreisring 68 stösst.
Ein innen mit einem Gewinde versehenes Kniestück 70 aus Kunststoff wird aussen über das Fiberrohr 64 geschraubt, so dass es in den vergrösserten Teil 44 des Endstückes 22 zeigt. In das freie Ende des Kniestückes 70 ist ein weiteres Fiberrohr 72 eingeschraubt. Daran schliesst sich ein zweites Kniestück 76 an, das nach unten in die Öffnung 48 des vergrösserten Teiles 44 des Endstückes 22 zeigt. In dieses Kniestück ist ein weiteres Fiberrohr 78 eingeschraubt, das sich nach unten in die Öffnung des vergrösserten Teiles 44 des Endstückes 22 erstreckt.
An dem dem Fiberrohr 64 gegenüberliegenden Ende des Ringes 68 ist eine Membran 80 aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Material angeordnet. Sie wird von dem eingeschraubten Rohr 66 gehalten. In der Mitte der Membran 80 ist in geeigneter Weise, beispielsweise durch Weichlöten oder Hartlöten, ein Leiter 84 befestigt. Der Leiter 84 kann aus geeignetem leitenden Material bestehen. In Fig. 2 ist der Leiter 84 als spulenförmig gewickelter Draht dargestellt. Statt der dargestellten Form könnte aber auch irgendein anderes stromführendes Element in der Form eines Zapfens, einer Stange oder etwas ähnlichem verwendet werden. Die Grösse des Leiters 84 kann für die verschiedenen Ableiter ebenso wie das Material verschieden gewählt werden.
An das untere Ende des Fiberrohres 66 ist ein Verschluss- stück 86 eingeschraubt. Das Verschlussstück 86 kann aus Messing oder einem anderen leitenden Material bestehen. Es hat an seinem freien Ende eine Aus- nehmung 88. Der Leiter 84 ist mit seinem der Membran 80 abgekehrten Ende mit dem Verschluss- stück 86 in geeigneter Weise, z. B. durch Weich- oder Hartlöten, bei 90 verbunden.
Der Leiter 84 ist so bemessen, dass er bei Überströmen verbrennt und im Lichtbogen verdampft. Die Rohre 64 und 66 bestehen vorzugsweise aus Fiber. Sie können aber auch aus einem anderen Material bestehen, das Gas abgibt, wenn es den hohen Temperaturen eines Lichtbogens ausgesetzt ist. In die Ausnehmung 88 des Verschlussstückes 86 ist eine Feder 92 eingesetzt. Das freie Ende der Feder 92 stützt sich gegen die Tellerfeder 45 bei der oberen Anordnung 58 zur Kommutierung des Lichtbogens. Bei der unteren Anordnung 59 drückt die Feder gegen das Abstandsstück 49. Die vergrösserten Teile 44 und 46 der Endstücke 22 und 24 stehen sich gegenüber.
Die Fiberrohre 78 der oberen und unteren Anordnungen 58 bzw. 59 zur Kommutierung des Lichtbogens sind ebenfalls einander gegenüberstehend angeordnet.
Wie aus den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, durchfliesst der Strom den Ableiter über die Bruchsicherung 26, in das Messingrohr 62, die Membran 80, den Draht 85 und das Verschlussstück 86. Von dort fliesst der Strom über die Feder 92 in den Ableiter. Am unteren Ende des Ableiters gelangt der Strom über die Feder 92, das Verschlussstück 86, den Leiter 84, die Membran 80, den Zylinder 62 und die Platte 28 nach Erde. Die Anordnungen zur Kommutierung des Lichtbogens sind, wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, mit dem Ableiter oben und unten elektrisch in Reihe geschaltet. Der gesamte Strom durch den Ableiter muss daher diese Anordnungen passieren.
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Fehlerströme in Hochspannungsnetzen sind nicht immer gleich gross.
Sie schwanken von nur wenigen 1000 Ampere bis zu 40 000 und 50 000 Ampere. Es ist ohne weiteres einzusehen, dass für höhere Ströme der Druck und die Temperatur im Ableiter sehr viel schneller steigen. Daher muss die Anordnung zur Kommutierung des Lichtbogens stromabhängig arbeiten. Wenn der Strom durch den Ableiter zu hohe Werte annimmt, weil der Ableiter beschädigt ist, verbrennt der Leiter 84 und ruft einen Lichtbogen hervor. Dabei entstehen aus dem Kupferleiter 84 Kupferdämpfe. Unter der Einwirkung des Lichtbogens werden aus den Wänden des Fiberrohrs 66 Gase abgegeben.
Diese Gase zerstören die Membran 80 entweder durch Verbrennen oder durch Zerreissen. Sie gelangen dann durch die Kunststoff- und Fiberrohre 64, 70, 72, 76 und 78 an die Aussenseite des Ableitergehäuses und leiten einen Lichtbogen zwischen den Endstücken 22 und 24 ein. Kunststoff- und Fiberrohre werden deshalb verwendet, um eine Entionisierung der Gase zu verhindern. Wie aus der Fig. 1 ferner entnommen werden kann, sind die Ausblasöffnungen, die durch den Zwischenraum zwischen den Deckplatten 40 und 42 und den Endstücken 22 und 24 gebildet werden, derart angeordnet, d'ass die ionisierten Gase einen gut ionisierten Strompfad ausserhalb des Ableiters bilden.
Die Deckplatten am oberen und unteren Ende des Ableiters sind leicht erhöht angeordnet. Sie gestatten daher das Abströmen der Gase für den Fall, dass die Bruchsicherungen 26 und 28 öffnen. Versuche bei kleinen Strömen (2000 A) haben gezeigt, dass die Ansprechzeit bei 60 Hz 2/1o Perioden beträgt. Bei höheren Strömen verbrennt der Kupferdraht noch schneller und leitet damit eine noch schnellere Wirkungsweise ein.
Im Betrieb wird ein Ableiter, der beschädigt ist, durch andere Geräte abgeschaltet. Da aber nur ein sehr kleiner Prozentsatz der Fehler in Netzen keine kurzzeitigen Fehler sind, wie z. B. der Ausfall eines Ableiters, sind die Geräte gewöhnlich so eingerichtet, dass sie mindestens noch einmal die fehlerbehaftete Leitung wieder einschalten, in der Hoffnung, dass der Fehler beseitigt ist. Bei einem solchen Wiedereinschalten eines beschädigten Ableiters soll die Anordnung zur Kommutierung des Lichtbogens wieder arbeiten. Dies wird durch die beschriebene Anordnung auch erreicht.
Falls nämlich die Anordnung bei dem ersten Versagen anspricht, so bilden sich Kupfer- und Kohlenrückstände auf den Wänden des Fiberrohres 66, so dass ein leitender Pfad von dem Rohr 62 zum Abschlussstück 86 führt. Es bildet sich wiederum ein Lichtbogen, der Gas aus dem Fiberrohr 66 entwickelt und nochmals zu einem Lichtbogen ausserhalb des Gehäuses führt. Die Zeit, die bei dieser Wirkung im Falle einer Wiedereinschaltung benötigt wird, ist weniger als die Hälfte derer beim ersten Ansprechen. Bei Versuchen mit 2000 A wurde eine Ansprechzeit von weniger als 1/1o Perioden festgestellt.
Trotz dieser Ansprechzeit für die Anordnung zur Kommutierung des Lichtbogens besteht dennoch die Möglichkeit eines über- druckes im Inneren des Ableiters. Aus diesem Grunde sind, wie in der Fig. 1 dargestellt ist, die Bruch- sicherungen 26 und 28 vorgesehen. Wie die Figur zeigt, ist der dünne Teil der Platten in einiger Entfernung von der Anordnung zur Kommutierung des Lichtbogens angeordnet. Die Gase aus dem Ableiter selbst werden deshalb beim Ansprechen der Bruchsicherungen nach oben und unten gegen die Deckplatten 40 bzw. 42 ausgestossen.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass ein Überspannungsableiter der Ventiltype geschaffen wurde, der gegen Explosionskräfte und das Zerspringen des Gehäuses beim Versagen des Ableiters geschützt ist. Das Zerspringen des Gehäuses beim Versagen ist mit Sicherheit dadurch verhindert, dass ein äusserer Überschlag hervorgerufen wird, so dass der Lichtbogen von den Ableiterelementen, insbesondere den Widerstandsscheiben, weggeführt wird. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde unter Bezug auf einen Einsäulenableiter einer bestimmten Art beschrieben. Es können jedoch auch zwei oder mehr Ableitersäulen in Reihe geschaltet werden. Ferner können auch mehrere Ableitereinheiten zu einer Säule zusammengefasst werden.
Die Erfindung kann mithin für alle üblichen Überspannungsableiter verwendet werden. Die Bruchsicherungen können auch weggelassen werden. Ferner sind verschiedene Abänderungen im Rahmen der Erfindung möglich, z. B. Änderungen in der Art der Rohre oder in der Art der Abbrennelemente.