DE2843120A1

DE2843120A1 - Gekapselte blitzschutzvorrichtung

Info

Publication number: DE2843120A1
Application number: DE19782843120
Authority: DE
Inventors: Yukio Fujiwara; Tohei Nitta; Yoshikazu Shibuya; Shigeru Yamaji
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1978-10-03
Publication date: 1979-04-12
Also published as: CH645482A5; CA1109517A; DE2843120C2; US4234902A; FR2405553A1; FR2405553B1

Description

Gekapselte Blitzschutzvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine gekapselte, luftspaltlose Blitzschutzvorrichtung, die in ein geerdetes, mit einem unter Druck stehenden Isoliergas gefüllten Metallgehäuse eingekapselt ist und nichtlineare Widerstände mit ausgezeichneter nichtlinearer (Widerstands-)Kennlinie und hoher elektrostatischer Kapazität verwendet und insbesondere Mittel zur Steuerung der Potentialverteilung über eine solche Vorrichtung aufweist.

Bei den in begrenzten Einbauräumen untergebrachten Miniatur-Schaltstationen ist es notwendig. Blitzschutzvorrichtungen kleiner Abmessungen zu verwenden, wobei diese Vorrichtungen üblicherweise mittels Schwefelhexafluorids (SFg) isoliert sind. Unter Verwendung von Siliziumkarbid (SiC) für die Elemente mit nichtlinearer Kennlinie, welche die Hauptelemente von Blitzschutzvorrichtungen darstellen, sind dabei mehrere Reihenkombinationen aus je einem solchen Element und einer Entladungsstrecke in Reihe zwischen einen zugeordneten Hochspannungsleiter und das geerdete, mit Schwefelhexafluorid-Druckgas gefüllte Metallgehäuse der Vorrichtung ge-

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schaltet; die Zahl dieser Kombinationen bestimmt sich dabei durch, die Spannung des zugeordneten Systems. Bei Erhöhung dieser Systemspannung ergibt sich dabei der Nachteil, daß die so gebildete Blitzschutzvorrichtung schwierig mit kleinen Abmessungen auszulegen ist.

In neuerer Zeit sind nichtlineare Widerstände des Zinkoxid- bzw. ZnO-Typs entwickelt worden, welche den Netzfrequenz-Folgestrom zu unterbrechen vermögen, welcher beim Auftreten großer Stromstöße bei den mit Blitzschlägen und dgl. verbundenen hohen Spannungen erscheint, und die keine ihnen wirkungsmäßig zugeordneten Entladungsstrecken benötigen. Diese nichtlinearen "Widerstände wurden als Ersatz für die erwähnten Siliziumkarbidelemente verwendet, um damit Blitzschutzvorrichtungen kleiner Abmessungen herzustellen, die für Miniatur-Schaltstationen besser geeignet sind. Derartige Vorrichtungen brauchen nur eine Reihe von Zinkoxid-Widerständen zu enthalten, die zwischen einen zugeordneten Hochspannungsleiter und das geerdete Metallgehäuse der Vorrichtung geschaltet sind. Die nichtlinearen Zinkoxid-Widerstände stellen für große Stromstöße bei hohen Spannungen infolge von Blitzschlägen und dgl. einen niedrigen Widerstand dar, während sie für Ströme aufgrund der normalerweise an ihnen anliegenden Spannungen einen sehr hohen Widerstand darstellen, so daß der nichtlineare Widerstand ein zugeordnetes elektrisches, zu schützendes Gerät (power device) effektiv vor Beschädigung durch große Stromstöße aufgrund von Blitzschlag und dgl. schützt. Der nichtlineare Widerstand stellt jedoch einen sehr großen Widerstand für die kleinen, in der Normalbetriebsart durch das System fließenden Ströme dar, so daß er eher als elektrostatische Kapazität denn als Widerstand wirkt. Bei betrieblicher Ankopplung an eine vorgegebene WechseIstromvorrichtung besitzen die in Reihe geschalteten nichtlinearen Widerstände somit unterschiedliche Spannungsanteile (voltage shares)

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entsprechend den von ihnen im zugeordneten, geerdeten Metallgehäuse eingenommenen Positionen aufgrund des Einflusses der zwischen ihnen und dem Gehäuse erzeugten Streukapazitäten. Infolgedessen erzeugen diese nichtlinearen Widerstände ungleiche Wärmemengen, und sie sind einer ungleichmäßigen Alterung bzw. Verschlechterung ihrer Eigenschaften unterworfen, bis sie schließlich nacheinander ausfallen. Hierdurch verkürzt sich die wirksame Betriebslebensdauer der bisherigen Blitzschutzvorrichtungen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Vermeidung der den bisherigen Vorrichtungen dieser Art anhaftenden Nachteile durch Schaffung einer verbesserten gekapselten Blitzschutzvorrichtung durch Kompensation der zwischen einem geerdeten Metallgehäuse und einer Anzahl von in diesem Gehäuse angeordneten, in Reihe geschalteten nichtlinearen Widerständen erzeugten Streukapazitäten, um die Potentialverteilungen über alle einzelnen Einheiten, in welche die in Reihe geschalteten nichtlinearen Widerstände gleichmäßig unterteilt sind, zu vergleichmäßigen.

Diese Aufgabe wird bei einer gekapselten Blitzschutzvorrichtung der angegebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch ein geerdetes bzw. an Masse liegendes Metall-Gehäuse, durch einen mit einem zu schützenden elektrischen Gerät verbundenen und in das Gehäuse hineinreichenden Hochspannungsleiter, durch einen an dessen einem Ende innerhalb des Gehäuses angeordneten zylindrischen Hochspannungsleiter, durch mehrere im Gehäuse angeordnete und über den zylindrischen HochspannungsIeiter und das geerdete Gehäuse in Reihe geschaltete nichtlineare Widerstände, die jeweils eine ausgezeichnete nichtlineare Widerstandskennlinie und eine hohe elektrostatische Kapazität besitzen und die in eine Anzahl von Einheiten unterteilt sind, durch je eine zwischen je zwei benachbarte Einheiten der nichtlinearen Widerstände

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eingefügte Abschirmscheibe und durch mehrere mit Radialabstand um den zylindrischen Hochspannungsleiter herum angeordnete, diesen umschließende hohlzylindrische elektrische Leiter, die jeweils mit einer getrennten Abschirmscheibe elektrisch verbunden sind.

In abgewandelter Ausführungsform kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß sie ein geerdetes Metall-Gehäuse, einen mit einem zu schützenden elektrischen Gerät verbundenen und in das Gehäuse hineinreichenden Hochspannungsleiter, einen an dessen einem Ende angeordneten und innerhalb des Gehäuses befindlichen zylindrischen Hochspannungsleiter und mehrere im Gehäuse angeordnete, tb er den zylindrischen Hochspannungsleiter und das Gehäuse in Reihe ge-

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schaltete nichtlineare Widerstandskennlinie und eine hohe elektrostatische Kapazität besitzen und die in mindestens drei Einheiten unterteilt sind, daß ein erstes und mindestens ein zweites koaxiales, hohlzylindrisches Abschirmelement vorgesehen sind, die zwischen mindestens zwei Paare von Einheiten der nichtlinearen Widerstände eingefügte Bodenplatten aufweisen, daß das erste hohlzylindrische Abschirmelement einen materialeinheitlich mit seiner Bodenplatte ausgebildeten ersten hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, der sich dicht neben dem zylindrischen Hochspannungsleiter koaxial zu diesem erstreckt und dabei zumindest letzteren umschließt, und daß das zweite hohlzylindrische Abschirmelement einen materialeinheitlich mit seiner Bodenplatte ausgebildeten zweiten hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, der sich koaxial zum zylindrischen Hochspannungsleiter und dicht neben einem unmittelbar über dem zweiten Abschirmelement befindlichen koaxialen, hohlzylindrischen Abschnitt erstreckt und dabei zumindest einen Teil dieses hohlzylindrischen Abschnitts umschließt.

Zur einfachen Änderung der zwischen dem zylindrischen Ho ch- * Widerstände aufweist, die jeweils eine ausgezeichnete nicht-

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spannungsleiter und dem ersten koaxialen, hohlzylindrischen Abschirmelement sowie zwischen letzterem und dem geerdeten Metallgehäuse entstehenden elektrostatischen Kapazitäten kann die Anordnung so getroffen sein, daß ein drittes koaxiales, hohlzylindrisches Abschirmelement mit einer Bodenplatte vorgesehen ist, die mit dem sie mittig durchsetzenden Hochspannungsleiter verbunden ist, und daß mit der Bodenplatte materialeinheitlich ein hohlzylindrischer Abschnitt ausgebildet ist, der sich koaxial zum zylindrischen Hochspannungsleiter und neben dem ersten hohlzylindrischen Abschnitt des ersten Abschirmelements erstreckt und dabei zumindest einen Teil des ersten hohlzylindrischen Abschnitts umschließt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bisherigen gekapselten Blitzschutzvorrichtung mit nichtlinearen Widerständen,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Potentialverteilung über die gemäß Fig. 1 angeordneten nichtlinearen Widerstände bei einer normalerweise an ihnen anliegenden Wechselspannung,

Fig. 3 eine schematisierte Darstellung einer Ausführungsform einer gekapselten Blitzschutzvorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 4 ein Äquivalentschaltbild für die bei der Anordnung nach Fig. 3 entstehenden elektrostatischen Kapazitäten,

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Fig. 5 eine graphische Darstellung der PotentialVerteilungen über die Einheiten, in welche alle nichtlinearen Widerstände gemäß Fig. 3 gleichmäßig unterteilt sind, bei einer normalerweise an ihnen anliegenden Wechselspannung,

Fig. 6 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer weiteren Abwandlung der Erfindung und

Fig. 8 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung, die noch eine weitere Abwandlung der Erfindung veranschaulicht,

In den Figuren sind einander gleiche oder entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

In Fig. 1 ist eine geschlossene bzw. gekapselte Blitzschutzvorrichtung herkömmlicher Konstruktion dargestellt. Die dargestellte Anordnung umfaßt ein geerdetes, d.h. an Masse liegendes Metall-Gehäuse 10 in Form eines Hohlzylinders mit einem durch eine flache Metallplatte verschlossenen unteren Ende und einem oberen Ende verkleinerten Durchmessers. Das Gehäuse 10 ist dabei mit einem unter Druck stehenden, elektrisch isolierenden Gas 12 mit hoher (dielektrischer) Durchschlagsfestigkeit, z.B. mit gasförmigem Schwefelhexafluorid (SFg), gefüllt. Mehrere, bei der dargestellten Konstruktion sechs nichtlineare Widerstände 14 sind über-einander auf der flachen Bodenplatte des Gehäuses 10 auf dessen Längsachse angeordnet und in Reihe geschaltet. Die nichtlinearen Widerstände 14 mit ausgezeichneter nichtlinearer Widerstandskennlinie besitzen jeweils eine hohe elektrostatische Kapazität, und sie sind z.B. aus gesintertem Zinkoxid (ZnO) in Form von kreisförmigen Pellets bzw. Zylinderscheiben ausge-

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bildet. Die so angeordneten Widerstände 14 erzeugen zwischen sich lind dem geerdeten Metall-Gehäuse 10 Streukapazitäten 16. Der gemäß Fig. 1 oberste V/iderstand 14 ist mit einem Hochspannungsleiter 18 in Form eines Stabs mit kreisrundem Querschnitt verbunden, der unter Abdichtung durch ein elektrisch isolierendes Abstandstück 20 hindurchgeführt ist, welches seinerseits im oberen Endabschnitt des Gehäuses 10 starr befestigt ist. Der Hochspannungsleiter 18 ist mit einer Hochspannungsklemme eines zu schützenden elektrischen Geräts verbunden, die jeddch zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet sind. Bei dieser Anordnung ist somit ein Stapel aus übereinandergesetzten nichtlinearen Widerständen zwischen den Hochspannungsleiter 18 und das geerdete Gehäuse 10 eingeschaltet.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 arbeitet wie folgt: Jeder nichtlineare Widerstand 14 besitzt aufgrund seiner ausgezeichneten nichtlinearen Widerstandskennlinie eine sehr niedrige Widerstandsgröße für Stromstöße bei hohen Spannungen, die infolge von Blitzschlägen o.dgl. in das nicht dargestellte, zu schützende elektrische Gerät fließen. Hierdurch wird ein Spannungsanstieg am elektrischen Gerät verhindert. In der Normalbetriebsart dieses Geräts besitzt jedoch jeder Widerstand 14 einen sehr hohen Wider stands wert für einen Strom aufgrund einer Spannung, die normalerweise am elektrischen Gerät anliegt, so daß der Strom auf eine ausreichend kleine Größe unterdrückt wird, um das Gerät im Dauerbetrieb arbeiten zu lassen. Jeder nichtlineare Widerstand 14 wirkt somit als kleiner Widerstand für große Stromstöße, jedoch als sehr großer Widerstand für niedrige, durch das unter Normalbedingungen betriebene, zu schützende Gerät fließende Ströme, so daß die nichtlinearen Widerstände dabei nicht als Widerstandselemente, sondern als elektrostatische Kapazitäten wirken. Dies gilt somit notwendigerweise dann, wenn es sich beim zu schützenden Gerät um eine Wechselstromvorrichtung handelt.

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Bei der beschriebenen Anordnung gemäß Fig. 1 erzeugen die nichtlinearen Widerstände 14 zwischen sich und dem geerdeten Metall-Gehäuse 10 jeweils eine Streukapazität 16. Diese Streukapazität kann bezüglich der elektrostatischen Kapazität der einzelnen Widerstände 14 nicht vernachlässigt werden. Im iJOrmalbetrieb an einer Wechselspannung von Netzfrequenz verringert sich daher ein am Stapel der Widerstände 14 anliegendes Potential praktisch exponentiell von seiner maximalen Größe an der Hochspannungsseite des Stapels auf die Größe Null an der geerdeten bzw. Masseseite auf die in Fig. 2 gezeigte Weise, in welcher das Potential auf der Ordinate gegen die Position am Stapelyder Abszisse aufgetragen ist. Dies bedeutet, daß die nichtlinearen Widerstände je nach ihrer im Stapel eingenommenen Position unterschiedliche Spannungsanteile (voltage shares) führen. Diese Widerstände erzeugen mithin jeweils unterschiedliche Wärmemengen, und sie sind einer ungleichmäßigen Alterung (deterioration) unterworfen, so daß sie, beginnend mit dem obersten Widerstandselement, nacheinander ausfallen bzw. versagen und dadurch zu einer wesentlichen Verkürzung der Betriebslebensdauer der Vorrichtung nach Fig. 1 führen.

Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform der gekapselten Blitzschutzvorrichtung gemäß der Erfindung, bei welcher ein zylindrischer Hochspannungsleiter 22 mit größerem Durchmesser als dem der nichtlinearen Widerstandselemente 14 zwischen den Hochspannungsleiter 18 und das oberste Widerstandselement 14 geschaltet ist, während mehrere elektrische Leiter in Form von vergleichsweise kurzen Hohlzylindern koaxial dicht am zylindrischen Hochspannungsleiter 22 so angeordnet sind, daß sie diesen mit Radialabstand koaxial umgeben. Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei koaxiale hohlzylindrische Leiter L1 und L2 unter Festlegung vorbestimmter Abstände zum Hochspannungsleiter 22 um diesen herum angeordnet. Die nichtlinearen Widerstände 14 sind dabei

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in mehrere, beispielsweise drei gleich große Einheiten Λ, B und C unterteilt, die jeweils zwei Widerstandselemente 14 umfassen, wobei zwischen je zwei benachbarte Einheiten dieser Widerstandselemente 14 jeweils eine Abschirmscheibe eingefügt ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist eine Abschirmscheibe R1 zwischen die oberste und die mittlere Einheit A bzw. B eingefügt, während eine weitere Abschirmscheibe R2 zwischen die mittlere und die unterste Einheit B bzw. C eingefügt ist. Die näher am Hochopannungsleiter 22 bzw. näher an der Hochspannungsseite befindliche Scheibe R1 ist über eine (elektrische) Verbindungs- oder Zuleitung 24a mit dem inneren zylindrischen Leiter L1 verbunden, während die vom Hochspannungsleiter 22 abgewandte bzw. der Niederspannungsseite näher gelegene Abschirmscheibe R2 über eine andere Zuleitung 24b mit dem äußeren zylindrischen Leiter L2 verbunden ist.

In jeder anderen Hinsicht entspricht diese Blitzschutzvorrichtung der Konstruktion nach Fig. 1.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 3 entstehen elektrostatische Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 zwischen dem zylindrischen Hochspannungsleiter 22 und dem inneren hohlzylindrischen Leiter L1, zwischen den beiden Leitern L1 und L2 bzw. zwischen dem äußeren Leiter L2 und dem geerdeten Metall-Gehäuse 10. Es sei angenommen, daß jede dieser elektrostatischen Kapazitäten eine über sie geschaltete Streukapazität enthält.

Beim Auftreten großer Stromstöße infolge von Blitzschlag zeigt der Stapel aus den nichtlinearen Widerstandselementen 14 eine sehr kleine Widerstandsgröße, so daß - wie im Fall der Vorrichtung nach Fig. 1 - ein Spannungsanstieg an dem zu schützenden elektrischen Gerät verhindert wird. Wenn dagegen eine Wechselspannung von Netzfrequenz im Normalfall an der Vorrichtung nach Fig. 3 anliegt, kann sich aufgrund des Vo r-

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handenseins der elektrostatischen Kapazitäten C1 - C4 die Potentialverteilung über den Widerstandsstapel einer idealen linearen Potentialverteilung (vgl. die gestrichelte Linie in Fig. 5) annähern. Hierdurch wird eine Verschlechterung bzw. Alterung der nichtlinearen Widerstandselemente verhinderte

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Einheiten A-B und somit die nichtlinearen Widerstandselemente 14 jeweils elektrostatische Kapazitäten besitzen, die sich nicht mit den betreffenden Positionen im Stapel ändern und die einander ungefähr gleich sind. Außerdem erfüllen diese elektrostatischen Kapazitäten die Funktion der, wenn auch geringfügigen, Annäherung der Spannungsverteilung über den Stapel an eine gleichmäßige Verteilung. Auch ohne Berücksichtigung dieser elektrostatischen Kapazitäten bei der Konstruktion der gekapselten Blitzschutzvorrichtung ergibt sich somit tatsächlich die gleichmäßige Spannungsverteilung.

Bezüglich der elektrostatischen Kapazitäten C1 - C4 gilt für die Anordnung nach Fig. 3 das Äquivalentschaltbild gemäß Fig. 4. In Fig. 4 sind die Kapazitäten C1, C2 und C3 in dieser Reihenfolge über Verzweigungen oder Knotenpunkte R1, R2 in Reihe zwischen die'Hochspannungs- und Masseseiten geschaltet. Die Hochspann^ungsseite entspricht dabei dem zylindrischen Hochspannungsielter 22, und die Masseseite entspricht dem geerdeten Metall-Gehäuse 10, während die Verzweigungen R1 und R2 die Abschirmscheiben R1 bzw. R2 bedeuten. Die elektrostatische Kapazität C4 ist dagegen parallel zu den in Reihe geschalteten Kapazitäten C2 und C3 über die Verzweigung R1 und die Masseseite geschaltet. Zum Angleichen der über C1, C2 und C3 liegenden Spannungen aneinander können Abmessung und Position der hohlzylindrischen Leiter L1 und L2 im voraus entsprechend den folgenden Bedingungen gewählt werden:

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C2 = C5

C1 = C2 + 2C4 (2)

Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, besitzt der Stapel aus den nichtlinearen Widerständen die in Fig. 5 in ausgezogener Linie dargestellte Potentialverteilung, wobei auf Ordinate und Abszisse dieselben Größen wie in Fig. 2 aufgetragen sind. Fig. 5 zeigt außerdem in gestrichelter Linie zum Vergleich eine ideale, lineare Verteilung. Aus Fig. 5 geht hervor, daß die Verzweigungen R1 und R2 bzw. die Trennstellen des Widerstandsstapels jeweils Potentiale besitzen, die mit den entsprechenden Potentialen auf der idealen linearen Verteilungskurve koinzidieren, und daß die Potentialverteilung über jede Widerstandseinheit im Vergleich zu Fig. 2 ziemlich genau einem entsprechenden Abschnitt der linearen Potentialverteilung angenähert ist. Es ist nicht erforderlich, die Abweichungen der Potentialverteilung über jede Einheit vom entsprechenden Abschnitt der idealen linearen Verteilungskurve vollständig zu beseitigen, vielmehr können diese Abweichungen innerhalb bestimmter, zulässiger Grenzen liegen. Außerdem hängen diese Abweichungen der Potentialverteilung über jede Einheit beispielsweise von der Form dieser Einheit, z.B. ihrer Länge ab, so daß folglich die Zahl der Einheiten, in welche der Widerstandsstapel gleichmäßig unterteilt ist, vergrößert werden kann, um die erzielte Potentialverteilung noch näher an die ideale lineare Verteilung anzupassen. Durch Vergrößerung der Zahl der einzelnen Einheiten wird zudem die Fertigung von zweckmäßigeren gekapselten Blitzschutzvorrichtungen für Hochspannungszwecke vereinfacht.

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit der Anordnung von elektrischen Zuleitungen 24a und 24b zur Verbindung der hohlzylindrischen Leiter L1 und L2 mit den

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Abschirmseheiben R1 bzw. R2 beschrieben ist, können diese Leiter und Abschirmscheiben ersichtlicherweise so verlängert oder erweitert sein, daß sie unter Weglassung der Zuleitungen unmittelbar miteinander verbunden bzw. in Kontakt gebracht sind.

Weiterhin können mehr als zwei hohlzylindrische Leiter in koaxialer Anordnung und mit Abstand um den zylindrischen Hochspannungsleiter 22 herum vorgesehen sein. In diesem Fall entspricht die Zahl der hohlzylindrischen Leiter der Zahl der nichtlinearen Widerstandseinheiten minus 1, wobei der in Radialrichtung innerste hohlzylindrische Leiter elektrisch mit der Abschirmscheibe verbunden ist, die dem Hochspannungsleiter bzw. der Seite höherer Spannung am nächsten liegt. Beispielsweise ist dabei der innerste hohlzylindrische Leiter elektrisch mit der dem Hochspannungsleiter 22 am nächsten gelegenen Abschirmscheibe verbunden, während der äußerste hohlzylindrische Leiter elektrisch an die unterste Abschirmscheibe angeschlossen ist.

Die in Fig. 6 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 3 nur darin, daß bei ersterer der innere hohlzylindrische Leiter L1 in Richtung auf den Boden des geerdeten Gehäuses 10 verlängert und unmittelbar mit einer radial nach außen gerichteten Erweiterung der Abschirmscheibe R1 verbunden ist.

Wahlweise kann auf dieselbe Weise der äußere hohlzylindrische Leiter L2 unmittelbar mit der Abschirmscheibe R2 verbunden sein.

Fig. 7 veranschaulicht eine andere Abwandlung der Erfindung, bei der ein erstes koaxiales, hohlzylindrisches Abschirmelement 26 eine Bodenplatte R1 (entsprechend der Abschirmplatte R1 gemäß Fig. 3 und 6) zwischen oberer und raitt-

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lerer Widerstandseinheit A bzw. B sowie einen einstückig mit der Bodenplatte RI ausgebildeten ersten hohlzylindrischen Abschnitt L1 aufweist, der sich neben dem zylindrischen Hochspannungsleiter 22 koaxial zu diesem erstreckt. Der erste Abschnitt bzw. Hohlzylinder L1 entspricht dem inneren Hohlzylinderabschnitt gemäß Fig. 3 und 6, erstreckt sich jedoch weiter aufwärts und gemäß Fig. 7 etwas über die obere Endfläche des Hochspannungsleiters 22 hinaus. Dies bedeutet, daß dieser Hohlzylinder L1 zumindest den Hochspannungsleiter 22 umschließt.

Ebenso weist ein zweites koaxiales, hohlzylindrisches Abschirmelement 28 eine zwischen die mittlere und die untere Widerstandseinheit B bzw, C eingefügte Bodenplatte R2 und einen materialeinheitlich mit dieser ausgebildeten hohlzylindrischen Abschnitt L2 auf, der sich koaxial zum zylindrischen Hochspannungsleiter 22 und neben dem hohlzylindrischen Abschnitt L1 erstreckt, der vom ersten Abschirmelement 26 nach oben abgeht, so daß dieser Abschnitt L1 zumindest teilweise vom Abschnitt L2 umschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform umschließt der zweite Abschnitt L2 den der Widerstandseinheit A gegenüberstehenden Unterteil des ersten Abschnitts L1.

Im Oberteil des geerdeten Metall—Gehäuses 10 ist ein drittes koaxiales, hohlzylindrisches, umgekehrt napfförmiges Abschirmelement 30 mit einer Bodenplatte R3 vorgesehen, die mit dem sich senkrecht durch das Zentrum dieser Bodenplatte R3 erstreckenden Hochspannungsleiter 18 verbunden ist. Dieses dritte Abschirmelement 30 weist einen materialeinheitlich mit der Bodenplatte R3 ausgebildeten dritten hohlzylindrischen Abschnitt L3 auf, der sich koaxial zum zylindrischen Hochspannungsleiter 22 nach unten erstreckt. Dieser dritte Abschnitt befindet sich dicht neben der Außenwand des ersten hohlzylindrischen Abschnitts L1, so daß er

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zumindest einen Teil des letzteren umschließt. Bei der dargestellten Ausführungsform umschließt der dritte Abschnitt L3 den oberen Teil des ersten Abschnitts L1, und er befindet sich in Radialrichtung näher am ersten Abschnitt L1 als der zweite Abschnitt L2.

Anderweitig ähnelt diese Ausführungsform derjenigen nach Fig. 3.

Gemäß Fig. 7 entstehen zwischen dem zylindrischen Hochspannungsleiter 22 und der ersten koaxialen Abschirmung sowie zwischen letzterer und der dritten koaxialen Abschirmung 30 elektrostatische Kapazitäten C11 bzw. C12. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 entstehen weiterhin elektrostatische Kapazitäten C2, C3 und C4 zwischen erster und zweiter koaxialer Abschirmung 26 bzw. 28, zwischen zweiter koaxialer Abschirmung 28 und dem geerdeten Gehäuse 10 bzw. zwischen der ersten koaxialen Abschirmung 26 und dem Gehäuse 10. Die elektrostatische Kapazität C1 gemäß Fig. 3 und 7 entspricht der Summe aus den Kapazitäten C11 und C12. Außerdem sei angenommen, daß alle elektrostatischen Kapazitäten, wie bei der Anordnung gemäß Fig. 3» eine über sie geschaltete Streukapazität enthalten. Die Anordnung nach Fig. 7 entspricht also dem Äquivalentschaltbild nach Fig. 4, nur mit dem Unterschied, daß die elektrostatische Kapazität C1 durch C11 + C12 ersetzt ist.

Wenn, wie im Fall der Anordnung nach Fig. 3, Abmessung und Lage der drei koaxialen, hohlzylindrischen Abschnitte L1, L2 und L3 so gewählt werden, daß sie den Bedingungen (1) und (2), mit C1 ersetzt durch C11 + C12, entsprechen, können die über die elektrostatischen Kapazitäten C1 = C11 + C12, C2 und C3 anliegenden Spannungen jeweils einander gleich sein. Die resultierende Potentialverteilung über den Stapel aus den nichtlinearen Widerständen 14 kann sich somit der

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idealen linearen Verteilung, wie durch die gestrichelte Linie von Fig. 5 wiedergegeben, annähern»

Wie aus Bedingung (2) hervorgeht, ist C1 um so größer, je größer C4 ist, Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 kann C4 verringert werden, wenn der hohlzylindrische Abschnitt L2 der zweiten koaxialen Abschirmung 28 weiter nach oben und der hohlzylindrische Abschnitt L3 der dritten koaxialen Abschirnmng 30 weiter nach unten gezogen wird. Beim Fehlen der koaxialen Abschirmung 30 entspricht zudem die elektrostatische Kapazität C1 der Kapazität C11, während bei Vorhandensein dieser Abschirmung Oi gleich C11 + C12 wird, so daß C1 größer sein kann. Mit anderen Worten: mit der dritten koaxialen Abschirmung 30 kann auf einfache Weise die Größe der elektrostatischen Kapazität C4 und somit der Kapazität C1 variiert werden, mit dem Ergebnis, daß den Bedingungen (1) und (2) leicht entsprochen werden kann. Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß das Metall-Gehäuse 10 mit kleinen Abmessungen ausgelegt werden kann.

Die Anordnung gemäß Fig. 7 kann mehrere zweite koaxiale, hohlzylindrische Abschirmelemente 28 enthalten. In diesem Fall wird der Stapel der nichtlinearen Widerstände 14 in eine Anzahl von Einheiten entsprechend der Zahl der zweiten koaxialen Abschirmelemente 28 plus 1 unterteilt. Das erste Abschirmelement 26 ist mit seiner Bodenplatte R1 zwischen die oberste Einheit und die nächste Einheit sowie den innersten hohlzylindrischen Abschnitt eingefügt, während das zweite Abschirmelement 28 zwischen je zwei benachbarte Einheiten, ausgenommen die oberste Einheit, eingefügte Bodenplatten sowie materialeinheitlich mit den betreffenden Bodenplatten ausgebildete hohlzylindrische Abschnitte umfaßt, die koaxial zum zylindrischen Hochspannungsleiter 22 verlaufen. Die letztere bzw. der Hochspannungsseite am nächsten gelegene Bodenplatte ist einstückig mit einem weiter

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innen gelegenen Teil der zweiten hohlzylindrischen Absclinitte ausgebildet, von denen jeder nahe an dem unmittelbar darüber befindlichen zweiten Abschnitt angeordnet ist und zumindest einen Teil bzw. den Unterteil desselben umschließt.

Die Anordnung nach Fig. 8 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 7 nur dadurch, daß bei ersterer die zweite koaxiale Abschirmung 28 eine vom hohlzylindrischen Abschnitt L2 getrennte Bodenplatte R2 aufweist, wobei die beiden Teile durch eine Verbindungs- oder Zuleitung elektrisch miteinander verbunden sind. Wahlweise kann die Bodenplatte R2 nach ihrer Trennung vom hohlzylindrischen Abschnitt L2 mit letzerem unmittelbar verbunden bzw. in Kontakt gebracht werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß mit der Erfindung mittels einer einfachen Konstruktion die Potentialverteilung über den Stapel aus den nichtlinearen Widerständen in bezug auf eine normalerweise an diesem Stapel anliegende Wechselspannung verbessert wird. Mit der Erfindung wird also eine gekapselte Blitzschutzvorrichtung mit langer Betriebslebensdauer und hoher Zuverlässigkeit geschaffen. Da die nichtlinearen Widerstände zudem standardisiert sind, kann erfindungsgemäß die Zahl der Bauteile verkleinert werden, die für die Änderung entsprechend der gegebenen Spannungsgröße (voltage grade) erforderlich sind ο

Obgleich die Erfindung vorstehend in Verbindung mit einigen derzeit bevorzugten Ausführungsformen dargestellt und beschrieben ist, sind dem Fachmann selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß vom Rahmen der Erfindung abgewichen wird.

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Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine Blitzschutzvorrichtung mit einem geerdeten, mit SFg gefüllten Metall-Gehäuse geschaffen, in welchem sechs nichtlineare Widerstände aus gesintertem ZnO übereinander angeordnet und durch einen zylindrischen Hochspannungsleiter zwischen einen Hochspannungsleiter und das Gehäuse in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände sind in drei gleich große Einheiten unterteilt, wobei zwischen die jeweils benachbarten Einheiten zv/ei Abschirmaoheiben eingefügt und mit zugeordneten hohlzylindrischen Leiterelementen verbunden sind, die mit radialem Abstand um den zylindrischen Ilochspannungsleiter herum angeordnet sind.

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Leerseite

Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Möhlstraße 37 D-8000 München 80 Tokio, Japan Tel.: 083/982085 87 Telex: 0529802 hnkld Telegramme: elüpscid - 3. OkL Patentansprüche

1. Gekapselte Blitzschutzvorrichtung, gekennzeichnet durch '' ein geerdetes bzw. an Masse liegendes Metall-Gehäuse (10)-, durch einen mit einem zu schützenden elektrischen Gerät verbundenen und in das Gehäuse (10) hineinreichenden Hochspannungsleiter (18), durch einen an dessen einem Ende innerhalb des Gehäuses angeordneten zylinurischen Hochspannungsleiter (22), durch mehrere im Gehäuse angeordnete und über den zylindrischen Hochspannungsleiter (22) und das geerdete Gehäuse (10) in Reihe geschaltete nichtlineare Widerstände (14), die jeweils eine ausgezeichnete nichtlineare Widerstandskennlinie und eine hohe elektrostatische Kapazität besitzen und die in eine Anzahl von Einheiten (A, B, C) unterteilt sind, durch je eine zwischen je zwei benachbarte Einheiten der nichtlinearen Widerstände (14) eingefügte Abschirmscheibe (z.B. R1, R2) und durch mehrere mit Radialabstand um den zylindrischen Hochspannungsleiter (22) herum angeordnete, diesen umschließende hohlzylindrische elektrische Leiter (z.B. L1, L2), die jeweils mit einer getrennten Abschirmscheibe (R1 bzw» R2) elektrisch verbunden sind.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder nichtlineare Widerstand aus gesintertem Zinkoxid hergestellt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlzylindrischen elektrischen Leiter jeweils mittels einer elektrischen Verbindungs- bzw. Zuleitung (24a, 24b) mit der zugeordneten Abschirmscheibe elektrisch verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hohlzylindrischen Leiter eine elektrische Direktverbindung mit der jeweils zugeordneten Abschirmscheibe aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein hohlzylindrischer elektrischer Leiter mit einer zugeordneten Abschirmscheibe materialeinheitlich ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere hohlzylindrische elektrische Leiter koaxial mit Abstand um den zylindrischen Hochspannungsleiter herum angeordnet sind, wobei die Zahl dieser Leiter der Zahl der Einheiten minus 1 entspricht, und daß ein in Radialrichtung innerer hohlzylindrischer Leiter mit der näher am zylindrischen Hochspannungsleiter gelegenen Abschirmscheibe elektrisch verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster hohlzylindrischer elektrischer Leiter nahe dem zylindrischen Hochspannungsleiter angeordnet ist, daß ein zweiter hohlzylindrischer Leiter in der Nähe des ersten hohlzylindrischen Leiters und in Radialrichtung auswärts von diesem angeordnet ist und daß Abmessung

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und Lage der beiden hohlzylindrischen Leiter so gewählt sind, daß sie den folgenden Bedingungen genügen:

C2 = C3
und

C1 = C2 + 2C4,

mit C1 = eine zwischen dem zylindrischen Hochspannungsleiter und dem ersten hohlzylindrischen Leiter entstehende elektrostatische Kapazität, C2 = eine zwischen beiden hohlzylindrischen Leitern entstehende elektrostatisch Kapazität, C3 - eine zwischen dem zweiten hohlzylindrischen Leiter und dem geerdeten Metall-Gehäuse entstehende elektrostatische Kapazität und C4 = eine zwischen dem ersten hohlzy-lindrischen Leiter und dem geerdeten Gehäuse entstehende elektrostatische Kapazität.

8. Gekapselte Blitzschutzvorrichtung, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein geerdetes Metall-Gehäuse, einen mit einem zu schützenden elektrischen Gerät verbundenen und in das Gehäuse hineinreichenden Hochspannungsleiter, einen an dessen einem Ende angeordneten und innerhalb des Gehäuses befindlichen zylindrischen Hochspannungsleiter und mehrere im Gehäuse angeordnete, über den zylindrischen Hochspannungsleiter und das Gehäuse in Reihe geschaltete nichtlineare Widerstände aufweist, die jeweils eine ausgezeichnete nichtlineare ^T:/iderstandskennlinie und eine hohe elektrostatische Kapazität besitzen und die in mindestens drei Einheiten unterteilt sind, daß ein erstes und mindestens ein zweites koaxiales, hohlzylindrisches Abschirmelement vorgesehen sind, die zwischen mindestens zwei Paare von Einheiten der nichtlinearen Widerstände eingefügte Bodenplatten aufweisen, daß das erste hohlzylindrische Abschirmelement einen materialeinheitlich mit seiner Bodenplatte ausgebildeten ersten hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, der sich dicht neben dem zylindri-

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sehen Ilochspannungsleiter koaxial zu diesem erstreckt lind dabei zumindest letzteren umschließt, und daß das zweite hohlzylindrische Abschirmelement einen materialeinheitlich mit seiner Bodenplatte ausgebildeten zweiten hohlzylindrischen Abschnitt aufweist, der sich koaxial zum zylindrischen Hochspannungsleiter und dicht neben einem unmittelbar über dem zweiten Abschirmelement befindlichen koaxialen, hohlzylindrischen Abschnitt erstreckt und dabei zumindest einen Teil dieses hohlzylindrischen Abschnitts umschließt.

Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes koaxiales, hohlzylindrisches Abschirmelement mit einer Bodenplatte vorgesehen ist, die mit dem sie mittig durchsetzenden Hochspannungsleiter verbunden ist, und daß mit der Bodenplatte materialeinheitlich ein hohlzylindrischer Abschnitt ausgebildet ist, der sich koaxial zum zylindrischen Hochspannungsleiter und neben dem ersten hohlzylindrischen Abschnitt des ersten Abschirmelements erstreckt und dabei zumindest einen Teil des ersten hohlzylindrischen Abschnitts umschließt.

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