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Überspannungsableiter Die Erfindung betrifft einen überspannungsableiter mit einem Aktivteil mit spannungsabhängigen Widerständen, Funkenstrecken und Steuerwiderständen und einem den Aktivteil umschliessenden, isolierenden Gehäuse.
Bekannte Ausführungen weisen ein, zwei oder mehr Säulen mit spannungsabhängigen Widerständen und Funkenstrecken in Reihenschaltung je Säule auf; in einigem Abstande darum befindet sich das isolierende äussere Gehäuse, meistens in Form eines den Aktivteil umschliessenden Porzellanisolators, der inwendig oft noch durch einen Temperaturschutzzylinder vor Lichtbogeneinwirkungen geschützt ist.
Aussen auf dem isolierenden Gehäuse bildet sich mit der Zeit unvermeidlich und mindestens teilweise ein Schmutzbelag, der eine höhere elektrische Leitfähigkeit besitzt als das isolierende Gehäuse und das in diesem enthaltene Gas, meistens Luft.
Daher bildet der Schmutzbelag zusammen mit dem Aktivteil, mit dem Gas und dem isolierenden Gehäuse als Dielektrikum dazwischen, einen Kondensator, an dem je nach Art und Grad der Verschmutzung unterschiedliche Spannungen liegen. Infolgedessen treten ka- pazitive Ströme auf, die entsprechend die verschiedensten Werte annehmen und Koronaentladungen am Aktivteil zur Folge haben können.
Die Koronaentladungen wirken wie eine Vergrösserung der Elektrode, die der Aktivteil darstellt, und bewirken somit eine Erhöhung der Kapazität zwischen Aktivteil und Schmutzbelag sowie infolgedessen eine erhöhte Veränderung der Charakteristik des überspannungsableiters. Eine für dessen Betrieb sehr unerwünschte Folge besteht darin, dass die Ansprechspannung des überspannungsableiters be- trächtlich, z. B. um 30%,
aber im einzelnen in nicht genau vorhersehbarem Masse abgesenkt wird. Eine geeignete Massnahme zur Verminderung dieser Folge besteht also in einer Verminderung der Koronaentladun- gen, beispielsweise indem man anstelle von Luft in das isolierende Gehäuse ein Gas mit höherer elektrischer Festigkeit, insbesondere auch höherer Glimmeinsatz- Spannung bringt, und es ist bekannt, hierfür Schwefel- hexafluorid zu verwenden sowie dieses von den Funkenstrecken,
da es deren Charakteristik in unerwünschter Weise verändern und unter dem Einfluss von Funkenentladungen sich teilweise zersetzen würde, fernzuhalten mit Hilfe einer gasdichten Kapselung der Funkenstrecken.
Der Aufbau eines solchen überspannungsableiters ist dann recht kompliziert, und insbesondere ein wirklich gasdichter Abschluss der Funkenstreckenstapel ist schwer realisierbar. Auch das isolierende äussere Gehäuse muss dann hinsichtlich gasdichtem Abschluss hohen Anforderungen genügen, und dies ist kostspielig. Diese Nachteile werden nach der Erfindung dadurch vermieden, dass der Zwischenraum zwischen Aktivteil und isolierendem Gehäuse mit einem Schaumstoff ausgefüllt ist, dessen Poren ein elektronegatives Gas enthalten.
Es ist dann zweckmässig, dass der Schaumstoff im wesentlichen geschlossene Poren besitzt, und es wurde gefunden, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die Poren als elektronegatives Gas Schwefelhexafluorid enthalten.
Das Ausschäumen eines Zwischenraumes ist eine einfache, mit geringen Kosten verbundene, auf vielen Gebieten übliche Technik, und die Poren mit einem elektronegativen Gas zu versehen, ist bekannt und bietet keine besonderen Schwierigkeiten. Auch kann man nach Wunsch offene oder geschlossene Poren herstellen; dem Zweck entsprechend kommen zur Verwirklichung der Erfindung geschlossene Poren in Betracht, wobei es genügen kann, wenn die Poren überwiegend geschlossen sind.
Verglichen mit Luft wird mit einem mit elektronegativem Gas gefülltem Schaumstoff bei Stoss- beanspruchung wie auch bei 60 Hz eine um ca. 30 bis 80% höhere Durchschlagsfeldstärke erreicht, und Versuche haben überraschend gezeigt,
dass die Glimm- einsatzspannung im Verhältnis hierzu nicht tiefer liegt als bei Verwendung eines homogenen Dielektrikums. Beim Ausschäumen des Raumes zwischen dem Aktivteil
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und dem isolierenden Gehäuse des Überspannungsab- leiters verbleibt unmittelbar um die Funkenstrecken von selbst ein Luftraum, da diese ohnehin von einer Kapse- lung umgeben sind. Diese Kapselung ist aber einfach und braucht ebenso wie bei nur mit Luft gefüllten überspannungsableitern nicht gasdicht zu sein.
Die Erfindung benutzt den Schaumstoff, um das elektronegative Gas am gewünschten Ort zu fixieren. Dies ist bedeutend einfacher als wenn man dies gemäss dem Stande der Technik mit Hilfe sorgfältig abgedichteter und druckfester Gehäuse erreichen wollte, die hier teils die Funkenstrecken für sich, teils den ganzen Aktivteil zu umschliessen hätten. Aber es entstehen aus der Erfindung auch noch weitere Vorteile. Der Schaumstoff gibt dem Aktivteil mechanisch einen guten Halt, schützt vor Transportschäden und erübrigt mechanische Abstützungen der Elemente des Aktivteils, wie Isolier- sterne, Zentrierteile und Leisten.
Sollte das äussere, isolierende Gehäuse einmal undicht werden, etwa durch Haarrisse im Porzellan oder durch unzureichenden Verschluss, so kann Feuchtigkeit noch immer nicht bis zu den Widerstandsblöcken und Funkenstrecken vordringen, weil der Schaumstoff praktisch undurchlässig ist. Die gegenüber Luft erhöhte elektrische Festigkeit ermöglicht eine kompaktere Bauweise, und bei annähernd gleichbleibendem Volumen kann man oft von beispielsweise dreisäuliger auf zweisäulige Ausführung übergehen. Ein Temperaturschutzzylinder ist nicht nötig, da der Schaumstoff eine Berührung des Lichtbogens mit dem Isolator verhindert, und auf die z.
T. übliche Verfestigung der Funkenstreckenstapel durch Einbinden mit Glasseidenband und Tränken mit einer härt- baren Giessharzmischung kann meistens verzichtet werden. Neben diesen willkommenen Vereinfachungen wird durch die Erfindung vor allem aber erreicht, dass die Absenkung der Ansprechspannung infolge des unvermeidlichen Schmutzbelages auf dem isolierenden Gehäuse etwa auf die Hälfte bis ein Viertel des Wertes zurückgeht, der bei luftgefüllten überspannungsableitern festzustellen ist.
Die Erfindung wird durch das in der Zeichnung schematisch dargestellte Beispiel erläutert. In dem gezeichneten überspannungsableiter ist 1 das isolierende Gehäuse in Form eines Porzellanisolators, 2 sind die Funkenstreckenstapel, die abwechselnd mit spannungsabhängigen Widerständen 3 in Reihe geschaltet sind; jedem Funkenstreckenstapel ist ein Steuerwiderstand 4 parallel geschaltet.
Der Raum 5 zwischen dem Aktivteil, der im wesentlichen aus den Teilen 2 bis 4 besteht, und dem isolierenden Gehäuse 1 ist mit einem Schaumstoff ausgefüllt, dessen Poren ein elektronegatives Gas enthalten. 6 und 6' sind Flansche, 7 und 7' Abschluss- deckel mit Druckentlastungsventil, 8 und 8' Flachfedern, 9 und 9' Endplatten, zugleich elektrische Anschlüsse, beispielsweise 9 für Hochspannung, 9' für Erde. Nach weitverbreiteter Meinung ist Schaumstoff als guter Wärmeisolator nicht zur Umhüllung eines Wärme erzeugenden Aktivteils geeignet. Nähere Betrachtung der Verhältnisse zeigt aber, dass diese Meinung, zumindest in so summarischer Form, nicht berechtigt ist.
Als Wärmeleitzahl ruhender Luft findet man 2,7 - 10-2 W/cm grad, während die Wärmeleitzahl von Schaumstoff, die natürlich je nach dessen Struktur und Dichte etwas variiert, im Mittel etwa 3,3 - 10-2 W/em grad beträgt, also sogar noch ein wenig grösser ist. Die Übertemperatur des wärmeerzeugenden Aktivteils in Schaumstoff stellt sich deshalb auf einen ähnlichen Wert ein wie bei reiner Wärmeleitung in Luft. Am meisten Wärme entsteht in den Steuerwiderständen der Gruppensteuerung; nimmt man hierfür z.
B. einen durchschnittliche Verhältnisse treffenden Wert von 1 Watt je Kilovolt Löschspannung an, so ergibt sich rechnerisch mit der Annahme, dass der Wärmefluss im Luftzwischenraum auf reiner Wärmeleitung (ohne Konvektion) beruht, und mit den Konstruktionsdaten eines ausgeführten Überspannungsableiters ohne Schaumstoff-Füllung als Übertemperatur über der Aussenluft ein Betrag von rund 90 grad, in guter übereinstimmung mit Messresul- taten. Bei Ausschäumung des Zwischenraumes ist also eher mit einer noch etwas niedrigeren übertempera- tur zu rechnen.
Man kann überdies die Steuerwiderstände im kleinsten, elektrisch zulässigen Abstande vom isolierenden Gehäuse anordnen und hierdurch deren übertemperatur vermindern. In jedem Falle lässt es sich also sicherstellen, dass auch bei Ausschäumung des Raumes zwischen Aktivteil und isolierendem Gehäuse die Übertemperatur aktiver Elemente innerhalb des zulässigen Bereiches bleibt.