DE69400888T2

DE69400888T2 - Überspannungsableiter des Tank-typs

Info

Publication number: DE69400888T2
Application number: DE69400888T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Kan; Yoshihide Kayano; Katsuaki Komatsu
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-06-18
Filing date: 1994-06-16
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2014-06-17
Also published as: JPH076906A; KR950001789A; KR970009769B1; US5539607A; JP3283104B2; EP0630030B1; CA2126149A1; EP0630030A1; CA2126149C; DE69400888D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfmdung bezieht sich auf einen Überspannungsableiter bzw. Überspannungsbegrenzer in der Form eines Tanks, der einen nicht linearen Widerstand aufweist, dessen Hauptkomponente aus einem Zinkoxid-Element besteht.

Zugehöriger Stand der Technik

Ein Überspannungsableiter oder Lichtbogen-Spannungsbegrenzer, der mit einem Zinkoxid- Element arbeitet, weist hervorragende Eigenschaften wie etwa eine lineare Strom/Spannungs-Kennlinie, Entladungsfestigkeit, Nennstromeigenschaften und chemische Stabilität auf und wird demzufolge in breitem Umfang anstelle eines herkömmlichen Überspannungsableiters benutzt, der mit einer Reihe von Spalten und mit einem nicht linearen Widerstand aus Siliziunikarbid arbeitet. In den letzten Jahren wurde ein Überspannungsableiter mit noch weitergehenden Schutzeigenschaften für den Einsatz in einem Hochspannungssystem wie etwa einem System mit 275 kV oder 500 kV entwickelt und eingesetzt.
Ein Überspannungsableiter des vorstehend beschriebenen Typs liegt im Trend, die durchschnittliche Belastung (Laderate) bei einer stets anliegenden Systemspannung für den Einsatz zu erhöhen. Damit die Zuverlässigkeit über einen langen Zeitraum hinweg sichergestellt und aufrecht erhalten wird, ist die Entwicklung der Technologie zur gleichförmigen Zuordnung der Spannung für den Zweck der Vereinheitlichung der Zuordnung der Spannung zu jedem Zinkoxid-Element sehr wichtig geworden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 wird zunächst ein herkömmlicher Überspannungsableiter in der Form eines Tanks beschrieben.
Eine nicht lineare Elementgruppe 1, die durch Stapeln von Zinkoxid-Elementen in Serie bzw. in Reihe gebildet ist, ist in einem zylindrischen Massetank bzw. Masseverbindungstank 3 untergebracht, der in einer vertikalen Haltung angeordnet ist und in dem ein isolierendes Medium 2, wie etwa ein SF&sub6;-Gas, das hervorragende isolierende Eigenschaften zeigt, umschlossen ist, wobei die nicht lineare Elementgruppe 1 koaxial zu dem Masseverbindungstank 3 angeordnet ist. Ein axiales Ende der nicht linearen Elementgruppe 1, nämlich das obere Ende in der Zeichnung, ist mit einer Sammelschienenleitung, die von einer Transformatorstation kommt, über einen Hochspannungsleiter 5 verbunden, der durch einen isolierenden Abstandshalter 4 abgestützt ist. In dem tankförmigen Überspannungsableiter ist eine Abschirmung 6, die die Form eines Regenschirms aufweist, auf der auf hohem Potential liegenden Seite der nicht linearen Elementgruppe 1 angeordnet, während der Massepotentialabschnitt mit der auf niedrigem Potential liegenden Seite der nicht linearen Elementgruppe 1 verbunden ist. Zwei oder mehr kreisförmige, ringförmig gestaltete Abschirmungen 8 sind auf der niedrigen Potentialseite der die Form eines Regenschirms aufweisenden Abschirmung 6 mit Hilfe einer Mehrzahl von Verbindungsstützelementen 7 (beispielsweise vier Verbindungsstützelementen 7) verbunden, die jeweils in der Umfangsrichtung eine schmale Breite aufweisen, so daß die Spannungszuordnung bzw. Spannungstauglichkeit der Zinkoxid-Elemente in der nicht linearen Elementgruppe 1 vereinheitlicht ist.
Ein weiteres Beispiel eines herkömmlichen Überspannungsableiters in der Form eines Tanks ist in Fig. 8 gezeigt. Hierbei ist eine kreisförmige, bogenförmige Abschirmung 6 anstelle der ringförmigen Abschirmung mit der Abschirmung 6 mit Hilfe eines Verbindungstützelements 7 verbunden.
Auch wenn es bei den tankförmigen Überspannungsableitem mit den in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausgestaltungen möglich ist, die Spannungsauslegung mit zufriedenstellender Genauigkeit bei dem praktischen Einsatz in der 500 kV-Klasse zu vereinheitlichen, ergibt sich das Problem, daß die erforderliche Genauigkeit nicht in der 1000 kV-Klasse erhalten werden kann, die gegenwärtig untersucht und weiterentwickelt wird.
Der Grund dafür, daß derartige Probleme auftreten, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 5A, 5B und 6 beschrieben. In den Fig. 5A und 5B sind Ansichten zur Erläuterung der Steuerung der Potentialverteilung dargestellt. Elemente oder Teile, die denjenigen entsprechen, die in Fig. 8 gezeigt sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.
Damit das Potential in dem nicht linearen Element 1 vollständig vergleichmäßigt werden kann, ist es erforderlich, daß ein elektrischer Strom, der als Leckstrom zu dem als ein Massepotential dienenden Massetank 3 fließt und der gleich dem Ladestrom ist, durch die Abschirmung auf der Seite hohen Potentials fließt. Daher ergeben sich anfänglich die nachstehend angegebenen Gleichungen (1) und (2):
C(x) dx [1 - V(x)] = Cs(x) dx V(x) (1)
V(x) = 1 - x (2)
Hierbei bezeichnet C(x) die Kapazität zwischen der auf hohem Potential liegenden Abschirmung und dem Zinkoxid-Element an einer Position x, während Cs(x) die Kapazität zwischen dem Zinkoxid-Element und dem Massepotential an der Position x bezeichnet. Durch gegenseitiges Einsetzen der Gleichungen (1) und (2) läßt sich die nachstehend angegebene Gleichung (3) erhalten:
C(x)/Cs(x) = 1/(x - 1) (3)
Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung, in der die Gleichung (3) veranschaulicht ist. Hierbei zeigt die Darstellung die Verteilung der Kapazität in idealem Zustand. Dies bedeutet, daß durch Verwirklichung einer Abschirmungsform, die die Kapazitätsverteilung erfüllt, die durch die Gleichung (3) und die Fig. 5A und 5B repräsentiert ist, eine gleichförmige Spannungszuordnung bzw. Spannungstauglichkeit in der axialen Richtung der nicht linearen Elementgruppe 1 erhalten werden kann, selbst wenn das Zinkoxid-Element keine Kapazität bzw. keinen Kapazitätswert aufweist. Jedoch ist es in der Praxis schwierig, eine Abschirmungsform exakt zu erzielen, die die in Fig. 6 veranschaulichten Eigenschaften erfüllt. Es wurde daher bereits eine Vielzahl von angenäherten Gestaltungen vorgeschlagen, wofür als Beispiel die in den Fig. 7 und 8 gezeigten Ausgestaltungen dienen können. Das Zinkoxid-Element ist mit der Funktion versehen, in einem Zustand, bei dem die Systemspannung stets angelegt ist, als eine dielektrische Substanz zu dienen, die eine relativ große Dielektrizitätskonstante aufweist. Die Wirkung der elektrostatischen Eigenkapazität des Zinkoxid-Elements ermöglicht eine angenäherte Abschirmungsform, wodurch die Spannungszuordnung bzw. Spannungsauslegung in Abhängigkeit von der Klasse der Spannung (500 kV-Klasse) auf ein in der Praxis zufriedenstellendes Niveau begrenzt wird. Da bei dem tankförmigen, in Fig. 7 gezeigten Überspannungsableiter die ringförmige Abschirmung 8 eingesetzt wird, ist der Kapazitätswert C(x) zwischen der nicht linearen Elementgruppe 1 und dem Massetank 3, die einander unter Zwischenlage der ringförmigen Abschirmung 8 gegenüberliegen, im wesentlichen auf Null abgeschirmt. Daher weicht der Wert von C(x)/Cs(x) übermäßig stark von dem in Fig. 6 gezeigten idealen Zustand ab. Als Ergebnis gerät die Potentialverteilung bei der nicht linearen Elementgruppe 1 in Unordnung. Die Anzahl von Teilen, die in der nicht linearen Elementgruppe 1 in Reihe angeordnet sind, vergrößert sich deshalb im Vergleich zu der 500 kV-Klasse. Als Ergebnis kann die Verteilung bzw. Streuung der Spannungsauslegung beim praktischen Einsatz nicht in zufriedenstellendem Ausmaß kontrolliert werden, wenn eine Abschirmung mit der in Fig. 7 gezeigten Form in der 1000 kV-Klasse eingesetzt wird, die eine kleinere elektrostatische Eigenkapazität aufweist. Dies ist unzweckmäßig.
Zur Vermeidung solcher Probleme oder Nachteile ist im Stand der Technik weiterhin ein Überspannungsableiter bekannt, der eine stangenförmige oder plattenförmige Abschirmung aufweist, die diagonal vorsteht. Jedoch ist bei einem Überspannungsableiter dieses Typs eine zu komplizierte Form der Abschirmung vorgesehen, was zu Schwierigkeiten bei dessen Analyse führt. Es ist daher eine aktuelle Messung stets dann erforderlich, wenn der Aufbau der nicht linearen Elementgruppe 1 geändert wird. Folglich kann ein solcher Überspannungsableiter nicht einfach hergestellt werden. Es wurde daher ein tankförmiger Überspannungsableiter vorgeschlagen, der eine vereinfachte Form der Abschirmung aufweist, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist.
Es könnte überlegt werden, einen Aufbau des Überspannungsableiters einzusetzen, der flir ein hohes Potential besitzendes System der 1000 kV-Klasse ausgelegt ist, wobei der Aufbau eine Mehrzahl von parallelen Gruppen aus Zinkoxid-Elementen, zum Beispiel von vier Gruppen, enthält die in der Form von Säulen parallel geschaltet sind und als eine nicht lineare Elementgruppe dienen. Hierfür sprechen die beiden nachfolgend angegebenen, wesentlichen Gründe.
(1) Zur Verringerung der Größe der Geräte und einer Energieleitung wird an den Überspannungsableiter eine sehr niedrige Grenzspannung (Schutzniveau) angelegt, wobei es zur Realisierung der niedrigen Grenzspannung notwendig ist, die Gruppen (Spalten) aus Zinkoxid-Elementen parallel zu schalten, und einen elektrischen Stoßstrom zu verringern, der durch jede Spalte aus Zinkoxid-Elementen fließt, um hierdurch die Grenzspannung herabzusetzen.
(2) Da der Durchmesser des Leiters in der Energieleitung vergrößert ist und da die Anzahl von Leitern erhöht ist, ist die Stoßstromimpedanz abgesenkt und es ist folglich die Last bzw. Belastung, die zur Durchfühmng des Öffnungs- und Schließvorgangs erforderlich ist, erhöht. Darüber hinaus ist ein deutlicherer Widerstand gegenüber einer für ein kurzes Zeitintervall aufgrund einer Unterbrechung einer Last auftretenden übermäßigen Spannung erforderlich. Folglich wird die erforderliche Menge an Energiewiderstand erschwert und es ist daher notwendig, die Größe der Energiebelastbarkeit zu erhöhen, indem die Spalten aus Zinkoxid-Elementen miteinander verbunden werden.
Bei einem Überspannungsableiter der 1000 kV-Klasse ist es wichtig, die aufgeteilten Ströme, die durch jede der parallelen Säulen fließen, in ausreichendem Maß zu vergleichmäßigen. Insbesondere können die Zinkoxid-Elemente ein Ungleichgewicht bei dem unterteilten Stromfluß hervorrufen, wenn die Strom/Spannungs-Kennlinien jeder der parallelen Säulen nicht genau ausgelegt ist. Dies liegt daran, daß die Zinkoxid-Elemente hervorragende Nichtlinearität aufweisen. Als Beispiel kann die Unsymmetrie der aufgeteilten Stromflüsse nicht auf einen Bereich von weniger als ± 10 % begrenzt werden, wenn die Aufteilung der Grenzspannung für jede der parallelen Säulen nicht innerhalb eines Bereichs ± 0,2 % gesteuert wird, was aus der nachfolgenden Gleichung (4) ersichtlich ist:
Imax / (Itotal/4) = {4 x (1,002)³&sup0;}/{1,002)³&sup0; + 3 x (1,002)³&sup0;} = 1,093 (4)
Da die Verteilung bzw. Abweichung der Grenzspannung bei jedem Zinkoxid-Element üblicherweise ungefähr im Bereich von ± 10 % liegt, werden als Beispiel fünf Elemente zu einem Block zusammengefaßt, um die Verteilung auf einen Bereich von ungefähr ± 0 2 zu steuern. Die in dieser Weise zusammengefaßten Blöcke werden derart gestapelt, daß sie der Nennspannung entsprechen. Die Verteilung bzw. Streuung der Grenzspannung nimmt im Verhältnis von 1/n1/2 (n bezeichnet eine ganze Zahl) unter der Annahme einer normalen Streuung ab, falls die Anzahl der in Reihe geschalteten Zinkoxid-Elemente gleich n ist. Da ein Überspannungsableiter der 1000 kV-Klasse, der ungefähr 300 Zinkoxid- Elemente, die in Reihe angeordnet sind, aufweist, eine Streuung von ungefähr ± 0,26 % selbst dann besitzt, wenn die Elemente in zufälliger Weise gestapelt sind, wie es durch die nachfolgende Gleichung (5) ausgedrückt ist, kann der Überspannungsableiter daher in der Praxis ausreichend gesteuert werden:
2% ( 3 0 0/5) = 0,26 % (5)
Jedoch führt die asymmetrische Anordnung der Abschirmung des Überspannungsableiters, die aus Fig. 8 ersichtlich ist, zu einem Ungleichgewicht bei der Potentialverteilung für jede parallele Säule aus den nicht linearen Elementgruppen 1. Es ist demzufolge schwierig, die Potentialverteilung von allen parallelen Säulen derart zu steuern, daß sie gleichförmig ist. Damit diese Problem überwunden werden kann, ist es notwendig, jede parallele Säule in eine Mehrzahl von Blöcken zu unterteilen, die eine angemessene Anzahl von Elementen aufweisen und die parallelen Säulen in jedem Block gegenseitig zu verbinden. In diesem Fall ist es schwierig, die Kombination aus den Blöcken leicht und genau zu steuern, was dazu führt, daß sich bei den aufgeteilten Stromflüssen ein Ungleichgewicht einstellt, was hinsichtlich des Entladungswiderstands nachteilig ist.
Im Stand der Technik ist weiterhin ein Aufbau bekannt, bei dem eine Mehrzahl von kreisförmigen Abschirmungen mit bogenförmiger Gestalt symmetrisch mit Bezug zu einer nicht linearen Elementgruppe, die aus einer Mehrzahl von parallelen Säulen zusammengesetzt ist, angeordnet sind. Da jedoch ein freies, in der Kreisrichtung gerichtetes Ende der kreisförmigen, gebogenen Abschirmung ein übermäßig hohes elektrisches Feld erzeugt, muß das elektrische Feld dadurch verringert werden, daß das in Kreisrichtung gerichtete freie Ende der kreisförmigen, gebogenen Abschirmung eine angemessene sphärische Oberfläche besitzt. Es ist daher schwierig, einen Überspannungsableiter mit einer solchen Gestalt herzustellen.
Wie vorstehend erläutert, treten bei dem herkömmlichen, tankförmigen Überspannungsableiter Schwierigkeiten bei der Vergleichmäßigung der Spannungszuordnung bzw. Spannungsauslegung in der nicht linearen Elementgruppe auf. Insbesondere wenn der Überspannungsableiter eine große Kapazität aufweist und mit einer nicht linearen Elementgruppe arbeitet, die aus einer Mehrzahl von parallelen Säulen zusammengesetzt ist, läßt sich das Ungleichgewicht bezüglich der auf die Säulen aufgeteilten Stromflüsse nicht einfach verhindern, was unzweckmäßig ist.

Kurzfassung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Fehler oder Nachteile im wesentlichen zu beseitigen, die bei dem vorstehend erläuterten Stand der Technik auftreten, und einen Überspannungsableiter in der Form eines Tanks bereitzustellen, bei dem es leicht möglich ist, die Spannungszuordnung zu einer nicht linearen Elementgruppe zu vergleichmäßigen, und der auch dazu imstande ist, ein Ungleichgewicht im Hinblick auf die zwischen einer Mehrzahl von parallelen Säulen, die die nicht lineare Elementgruppe bilden, aufgeteilten Stromflüsse zu verringern.
Diese und weitere Zielsetzungen lassen sich in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dadurch erreichen, daß ein Überspannungsableiter in der Form eines Tanks bereitgestellt wird, der aufweist:
einen zylindrischen Massetank bzw. Masseverbindungstank, der vertikal anzuordnen ist und in dem ein isolierendes Medium eingeschlossen ist,
eine nicht lineare Elementengruppe, die im Inneren des Massetanks angeordnet ist, wobei die nicht lineare Elementengruppe dadurch gebildet ist, daß eine Mehrzahl von nicht linearen Widerstandselementen in vertikaler Richtung in Reihe an einem im wesentlichen axial mittleren Abschnitt des Massetanks gestapelt sind,
eine Abschirmung, die die Form eines Regenschirms aufweist und die an einer auf hohem Potential liegenden Seite der nicht linearen Elementengruppe angeordnet ist,
einen Massepotentialabschnitt, der mit einer auf niedrigem Potential liegenden Seite derselben verbunden ist, und
eine Abschirmeinrichtung, die betriebsmäßig mit einer auf niedrigen Potential liegenden Seite der regenschirmförmigen Abschlrmung mit Hilfe einer Stützeinrichtung verbunden ist,
wobei die Abschirmeinrichtung mindestens ein Abschirmelement aufweist, das eine kugelförmige Gestalt aufweist, und mit einem kugelförmigen Oberflächenabschnitt versehen ist, der einer innenseitigen Wand des Massetanks zugeordnet ist, und wobei die nicht lineare Elementengruppe mindestens einen Stapel aus den nicht linearen Widerstandselementen aufweist.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen enthält die Abschirmeinrichtung zwei Abschirmelemente, die axial symmetrisch mit Bezug zu der nicht linearen Elementgruppe angeordnet sind. Die nicht lineare Elementgruppe kann eine einzige Säule aus einem Stapel aus nicht linearen Widerstandselementen enthalten, die entlang der Mittelachse des Massetanks nach oben stehend angeordnet ist. Die nicht lineare Elementengruppe weist eine Mehrzahl von parallelen Säulen auf, die symmetrisch mit Bezug zu einer Mittelachse des Massetanks angeordnet sind.
Bei dem in dieser Form ausgelegten, tankförmigen Überspannungsableiter gemäß der vorliegenden Erfmdung schirmt die kugelförmig gestaltete Abschirmung, die um die nicht lineare Elementgruppe herum angeordnet ist, die Kapazität zwischen der nicht linearen Elementgruppe und dem Massetank nicht vollständig ab, so daß eine Kapazität zwischen einer Position nahe bei der kugelförmigen Abschirmung der nicht linearen Elementgruppe und dem Massetank hervorgerufen wird. Daher ist der Kapazitätswert zwischen der auf niedrigem Potential liegenden Seite der nicht linearen Elementgruppe und der kugelförmigen Abschirmung verringert, wohingegen die Kapazität zwischen der nicht linearen Elementgruppe und dem Massetank vergrößert ist. Als Ergebnis wird die Verteilung der Kapazität in der nicht linearen Elementgruppe auf einen nahezu idealen Zustand gebracht, wodurch die Spannungszuordnung bzw. Spannungsaufteilung in der nicht linearen Elementgruppe in der axialen Richtung des zylindrischen Massetanks vergleichmäßigt wird.
Selbst wenn die nicht lineare Elementgruppe durch eine Vielzahl von parallelen Säulen gebildet ist, macht es die symmetrische Anordnung der kugelförmig überkronten Abschirmung zudem möglich, die Potentialverteilung in jeder Säule derart zu steuern, daß sie vergleichmäßigt ist. Es ist demzufolge nicht notwendig, jede parallele Säule in eine Mehrzahl von Blöcken zu unterteilen und die parallelen Säulen in jedem Block gegenseitig zu verbinden, um eine gewünschte Potentialverteilung zu erzielen. Dies erleichtert die Steuerung der unterteilten Stromflüsse und die Verhinderung eines Ungleichgewichts in den aufgeteilten Stromflüssen.
Die Eigenart und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch weiter verdeutlicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Bezüglich der beigefügten Zeichnungen gilt:
Fig. 1 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines tankförmigen Überspannungsableiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt, der entlang der Linie II-II in Fig. 1 geschnitten ist,
Fig. 3 zeigt eine vertikale Schnittansicht eines tankförmigen Überspannungsableiters gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 zeigt ebenfalls eine vertikale Schnittansicht eines tankförmigen Überspannungsableiters gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5A und 5B zeigen Ansichten zur Erläuterung der Grundlagensteuerung der Potentialverteilung,
Fig. 6 zeigt eine graphische Darstellung, in der eine ideale Kapazitätsverteilung veranschaulicht ist,
Fig. 7 zeigt eine vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform eines herkömmlichen, tankförmigen Überspannungsableiters,und
Fig. 8 zeigt ebenfalls eine vertikale Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines herkömmlichen, tankförmigen Überspannungsableiters.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem der tankförmige Überspannungsableiter gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem tankförmigen Überspannungsableiter für ein Hochspannungssystem der Klasse 1000 kV eingesetzt wird, der einen Aufbau mit vier parallelen Säulen besitzt. Teile oder Elemente, die den in den Fig. 7 und 8 gezeigten Teilen oder Elementen entsprechen, smd mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals detailliert beschrieben.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 weist eine nicht lineare Elementgruppe 1 vier Säulen 1a bis 1d auf, die in vertikaler Richtung parallel angeordnet und durch Stapeln einer Mehrzahl von Zinkoxid-Elementen, die nicht lineare Widerstände bilden, in Form einer jeweiligen Reihe ausgebildet sind. Die nicht lineare Elementgruppe list in einem zylindrischen Massetank bzw. Masseverbindungstank 3 untergebracht; der beim Einsatz in vertikaler Richtung ausgerichtet ist und in dem isolierendes Medium wie etwa ein SF6-Gas eingeschlossen ist, das hervorragende isolierende Eigenschaften zeigt. Die vier parallelen Säulen 1a bis 1d, die die nicht lineare Elementgruppe 1 bilden, sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist, um die Mittelachse des Massetanks 3 herum derart angeordnet, daß sie sich in der gleichen axialen Richtung wie die Achsenrichtung des zylindrischen Massetanks 3 erstrecken. Ein axiales Ende der nicht linearen Elementgruppe 1 (das oberseitige Ende gemäß der Darstellung) ist mit einer Sammelschienenleitung einer nicht gezeigten Transformatorstation unter Zwischenschaltung eines Leiters 5 auf der auf hohem Potential liegenden Seite verbunden, wobei der Leiter 5 durch einen isolierenden Abstandshalter 4 abgestutzt ist. Die auf niedrigem Potential liegende Seite der nicht linearen Elementgruppe list mit einem Massepotentialabschnitt verbunden. Eine Abschirmung 6, die zum Beispiel die Form eines Regenschirms aufweist, ist an der auf hohem Potential liegenden Seite der nicht linearen Elementgruppe 1 angeordnet. Zur Verbindung dienende Stützelemente 7a und 7b sind an der auf niedrigem Potential liegenden Seite der regenschirmförmig gestalteten Abschirmung 6 angeordnet. Die zur Verbindung dienenden Stützelemente 7a und 7b sind zum Beispiel mit stangenförmigen Leitern oder mit Bleileitungen versehen. Die Anzahl der Stützelemente kann selektiv nach Bedarf festgelegt werden. Vorzugsweise sind die zur Verbindung dienenden Stützelemente 7a und 7b an symmetrischen Positionen bezuglich der Mittelachse des zylindrischen Massetanks 3 angeordnet. Zwei metallische Abschirmungen 10a und 10b, die jeweils die Form einer kugelförmigen Krone aufweisen, sind zum Beispiel mit Hilfe einer Verschweißung mit der auf niedrigem Potential liegenden Seite der Abschirmung 6 mittels der zur Verbindung dienenden Stützelemente 7a und 7b verbunden. Jede der die Form einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmungen 10a und 10b ist mit einer tassenförmigen Gestalt versehen, die einen flachen Abschnitt und eine sphärischen Oberflächenabschnitt enthält. Bei der zusammengebauten Ausgestaltung ist der flache Abschnitt der in Form einer kugelförmigen Krone ausgestalteten Abschir mung 10a den beiden benachbarten, parallelen Säulen 1a und 1b zugewandt, wohingegen der flache Abschnitt der anderen, die Form einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmung 10b den beiden anderen, benachbarten, parallelen Säulen 1c und 1d zugewandt ist. Die kugelförmigen Oberflächenabschnitte der die Form einer kugelförmigen Krone besitzenden Abschirmungen 10a und 10b sind der inneren, zylindrischen Wandoberfläche des Massetanks 3 zugewandt.
Im folgenden wird die Funktionsweise des ersten Ausführungsbeispiels des Überspannungsableiters mit dem vorstehend geschilderten Aufbau erläutert.
Da die die Form einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmungen 10a und 10b an der auf niedrigem Potential liegenden Seite der Abschirmung 6 mit regenschirmförmiger Gestalt unter Zwischenanordnung der zur Verbindung dienenden Stützelemente 7a und 7b vorgesehen sind, wird eine Kapazität Cs(x) zwischen der nicht linearen Elementgruppe 1 in der Nähe der Positionen der eine kugelförmige Kronenfonii aufweisenden Abschirmungen 10a und 10b und dem Massetank 3 hervorgerufen. Die zur Verbindung dienenden Stützelemente 7a und 7b verbinden die die Form einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmungen 10a und 10b mit annähernd demselben Potential wie demjenigen des Leiters 5 auf der auf hohem Potential liegenden Seite, und stützen die die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmungen 10a und 10b mechanisch ausreichend ab und halten diese fest. Da die Abschirmungen 10a und 10b mit einem vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet angeordnet sind, ist ein Abschnitt gebildet, in dem sich die nicht lineare Elementgruppe 1 und der Massetank 3 einander gegenüberliegen, ohne daß irgendeine Abschirmung dazwischen vorhanden ist. Diese Form der Anordnung unterscheidet sich von einem Fall, bei dem eine ringförmige, die Gestalt eines Rings aufweisende Abschirmung benutzt wird, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Daher wird eine Kapazität Cs(x) zwischen der nicht linearen Elementgruppe 1 und dem Massetank 3 hervorgerufen, und es wird eine Kapazität zwischen einer auf niedrigerem Potential liegenden Seite der nicht linearen Elementgruppe 1 an der auf niedrigem Potential liegenden Seite, und den die Form einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmung 10a und 10b verringert. Da die Kapazität zwischen der nicht linearen Elementgruppe 1 und dem Massetank 3 vergrößert ist, nähert sich die Verteilung der Kapazität in der nicht linearen Elementgruppe 1 dem idealen Zustand gemäß der Darstellung in Fig. 5 an. Als Ergebnis kann die Spannungszuordnung bzw. Spannungsbeaufschlagung in der nicht linearen Elementgruppe 1 wirksam in der axialen Richtung vergleichmäßigt werden.
Da die die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmung 10a und 10b ferner symmetrisch um die nicht lineare Elementgruppe 1 angeordnet sind, kann die Potentialaufteilung für jede der parallelen Säulen 1a bis 1d gleichförmig gesteuert werden. Es ist daher nicht notwendig, die parallelen Säulen in jedem Block gegenseitig miteinander zu verbinden, wie es bei der herkömmlichen Ausgestaltung der Fall ist. Die Streuung der Grenzspannung zwischen den parallelen Säulen 1a bis 1d kann demzufolge auf ein Minimum gebracht werden, was zu einer Verringerung des Ungleichgewichts in dem aufgeteilten Stromfluß und zur Verbesserung des Leistungsvermögens zur Verarbeitung der Energie beiträgt. Darüber hinaus kann die symmetrische Ausgestaltung der zur Verbindung dienenden Stutzelemente 7a und 7b die Aufteilung des Potentials auf die parallelen Säulen 1a bis 1d vergleichmäßigen.
Ferner kann das elektrische Feld der die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmung entspannt bzw. vergleichmaßigt und verringert werden, da der kugelförmige Oberflächenabschnitt der die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmung dem Massetank zugewandt ist und der flache Abschnitt der die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmung der nicht linearen Elementgruppe zugewandt ist. Die die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmung besteht im wesentlichen lediglich aus dem kugelförmigen Oberflächenabschnitt und dem flachen Abschnitt, so daß der Überspannungsableiter gemäß der vorliegenden Erfindung in einfacher Weise hergestellt werden kann.
Wie vorstehend erläutert, sind die die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmungen 10a und 10b bei dem ersten Ausführungsbeispiel des eine tankförmige Gestalt aufweisenden Überspannungsableiters an der auf niedrigem Potential liegenden Seite der die Gestalt eines Regenschirms aufweisenden Abschirmung 6 unter Zwischenlage der zur Verbindung dienenden Stützelemente 7a und 7b angeordnet. Die Spannungszuordnung bzw. Spannungsauslegung für die nicht lineare Elementgruppe 1 der Hochspannungsklasse kann daher mit zufriedenstellender Genauigkeit bei dem Einsatz unter Verwendung eines relativ einfachen Aufbaus vergleichmäßigt werden. Als Ergebnis kann die Zuverlässigkeit beim Einsatz als Überspannungsableiter erheblich verbessert werden. Da die zur Verbindung dienenden Stützelemente 7a und 7b symmetrisch angeordnet sind und auch die die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmungen 10a und 10b symmetrisch angeordnet sind, kann die Potentialverteilung in jeder der parallelen Säulen 1a bis 1d gleichförmig gesteuert werden. Folglich läßt sich ein Gleichgewicht bei der Aufteilung des Stromflusses auf diese Säulen verhindern und es kann das Leistungsverhalten bei der Energieverarbeitung verbessert werden. Der sphärische Oberflächenabschnitt der die Gestalt einer kugelförmigen Krone aufweisenden Abschirmung ist dem Massetank zugewandt, so daß das elektrische Feld entspannt werden kann. Darüber hinaus erleichtert der Aufbau der die Gestalt einer sphärischen Krone aufweisenden Abschirmung, die lediglich den sphärischen Abschnitt und den flachen Abschnitt aufweist, die Herstellung des Überspannungsableiters. Da der Überspannungsableiter einen relativ einfachen Aufbau aufweist, läßt sich darüber hinaus eine Modellbildung, zum Beispiel für die dreidimensionale Analyse des elektrischen Felds, in einfacher Weise durchführen. Falls ein Vergleich zwischen der Analyse und den Ergebnissen der Messung zur Einstellung eines bevorzugten Modus einmal durchgeführt worden ist, ist es möglich, sich mit Änderungen hinsichtlich der Größe der nicht linearen Elementgruppe, der Anzahl von parallelen Elementen und der elektrostatischen Kapazität in verhältnismäßig einfacher Weise zu erfassen, was vorteilhaft und wirkungsvoll ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Abschirmung 10a (10b) aus einem Leichtmetall wie etwa Aluminium, oder aus einem Kunststoffmaterial, von dem eine äußere Oberfläche mit Metall plattiert ist, hergestellt werden. Die sphärische Gestalt soll wunschgemäß eine halbkugelförmige Form sein, die eine sphärische, der inneren Seitenwand des zylindrischen Massetanks 3 zugewandte Oberfläche sowie eine flache Oberfläche aufweist, die der nicht linearen Elementgruppe 1 zugewandt ist. Es ist im Hinblick auf die Abschirmung 10a (10b) natürlich auch möglich, eine Form vorzusehen, die nahezu sphärisch ist, wie etwa eine im Querschnitt gesehene elliptische Form. Weiterhin kann die Abschirmung 10a (10b) bei dem praktischen Einsatz an einem vertikalen Niveau positioniert sein, das einen Abstand von dem Boden der nicht linearen Elementgruppe von 1/2 bis 1/3 der Länge der nicht linearen Elementgruppe in der Längsrichtung gemessen, aufweist.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel mit der vorstehend erläuterten Gestaltung beschränkt und es können auch andere Gestaltungen eingesetzt werden. Als Beispiel ist die nicht lineare Elementgruppe 1 bei dem ersten Ausführungsbeispiel aus vier parallelen Säulen 1a bis 1d zusammengesetzt, die durch Stapeln einer Mehrzahl von als nicht lineare Widerstände dienenden Zinkoxid-Elementen in Reihe gebildet sind. Alternativ hierzu kann die nicht lineare Elementgruppe 1 aber auch aus einer einzigen Säule bestehen, die durch Stapeln einer Mehrzahl von nicht linearen Widerständen in Serie gebildet ist. Eine solche Abänderung, bei der die nicht lineare Elementgruppe 1 durch eine einzige Säule gebildet ist, wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 als ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen zu Elementen und Teilen hinzugefügt sind, die den Elementen und Teilen bei dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechen, wobei deren detaillierte Beschreibung hier entfallen ist.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird zunächst eine nicht lineare Elementgruppe 1 beschrieben, die als eine einzelne Säule ausgebildet ist, und in einem zylindrischen Massetank 3 im wesentlichen in dessen axial mittlerer Position angeordnet ist, wobei in dem Massetank 3 ein isolierendes Medium eingeschlossen ist. Eine Abschirmung 6 mit regenschirmförmiger Gestalt ist an der auf hohem Potential liegenden Seite der nicht linearen Elementgruppe 1 angeordnet. Weiterhin sind zwei die Gestalt einer sphärischen Krone aufweisenden Abschirmungen 10a und 10b an der auf niedrigem Potential liegende Seite der Abschirmung 6 mit Hilfe der zur Verbindung dienenden Stutzelemente 7a und 7b symmetrisch mit Bezug zu der Mittelachse des zylindrischen Massetanks 3 angeordnet.
Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel ist in gleichartiger Weise wie der in Fig. 3 gezeigte Überspannungsableiter mit tankförmiger Gestalt ausgelegt, mit der Ausnahme, daß die die Gestalt einer sphärischen Krone aufweisende(n) Abschirmung(en) 10a asymmetrisch angeordnet ist (sind).
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 3 und 4 können im wesentlichen die gleichen oder ähnliche Effekte wie diejenigen, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten wurden, erzielt oder erhalten werden.
Die Anzahl und die Größe der die Gestalt einer sphärischen Krone aufweisenden Abschirmungen und der zu Verbindung dienenden Stützelemente läßt sich optional je nach Bedarffestlegen. Auch wenn bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel eine die Gestalt einer sphärischen Krone aufweisende Abschirmung eine massive Querschnittsform besitzt, kann sie auch einen hohlen Querschnitt oder einen Querschnitt in der Form eines C haben. Wenn die elliptische oder sphärische Gestalt eingesetzt wird, ist es vorzuziehen, daß eine Form verwendet wird, die einer Halbkugel ähnlich ist. Das zur Verbindung dienende Stützelement kann derart angeordnet sein, daß es sich von der regenschirmförmigen Abschirmung 6 diagonal nach unten erstreckt, wobei es bevorzugt ist, daß die zur Verbindung dienenden Stützelemente symmetrisch angeordnet werden. Da ein beträchtlich begrenzter Einfluß auf die Potentialverteilung ausgeübt wird, verglichen mit der die Form einer sphärischen Krone aufweisenden Abschirmung, läßt sich ein Aufbau einsetzen, bei dem der Leiter 5 auf der auf hohem Potential liegenden Seite, der in Fig. 1 gezeigt ist, zum Beispiel von dem Massetank 3 zur Seite vorsteht. Da der Einfluß auf die Potentialverteilung in zufriedenstellendem Umfang verhindert werden kann, kann die Ausgestaltung der zur Verbindung dienenden Stützelemente in Abhängigkeit von den Ergebnisse der Analysen und der aktuellen Messung festgelegt werden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf den Überspannungsableiter mit tankförmiger Gestalt beschränkt, bei dem eine einzige oder vier parallele Säulen in Reihe geschaltet sind. Sie kann auch in breitem Umfang bei Überspannungsableitern mit tankförmiger Gestalt eingesetzt werden, bei denen jede aus einer Mehrzahl von parallelen Säulen parallel geschaltet ist.
Wie vorstehend erläutert, ermöglicht die Verbindung der. die Gestalt einer sphärischen Krone aufweisenden Abschirmungen mit der auf niedrigem Potential liegenden Seite der eine regenschirmförmige Gestalt aufweisenden Abschirmung mit Hilfe der zur Verbindung stehenden Stützelemente in Übereinstimmung mit der Erfindung eine einfache Vergleichmäßigung der Spannungsauslegung bzw. Spannungszuordnung in der linearen Elementgruppe bei einem verhältnismäßig einfachen Aufbau. Selbst wenn die nicht lineare Elementgruppe aus einer Vielzahl von parallelen Spalten ausgebildet ist, kann ferner ein tankförmiger Überspannungsleiter erhalten werden, der ein Ungleichgewicht bezüglich des auf die Säulen aufgeteilten Flusses verhindern kann.

Claims

1. Überspannungsableiter in Form eines Tanks, der

einen zylindrischen Masseverbindungstank (3), der in vertikaler Richtung anzuordnen ist und in dem ein isolierendes Medium (2) eingeschlossen ist,

eine nicht lineare Elementengruppe (1), die im Inneren des Masseverbindungstanks angeordnet ist, wobei die nicht lineare Elementengruppe dadurch gebildet ist, daß eine Mehrzahl von nicht linearen Widerstandselementen in Reihe in einem im wesentlichen axial mittleren Abschnitt des Masseverbindungstanks in vertikaler Richtung gestapelt ist,

eine Abschirmung (6), die eine schirmförmige Gestalt aufweist und auf einer Seite hohen Potentials der nicht linearen Elementengruppe angeordnet ist,

einen Massepotentialabschnitt, der mit einer Seite niedrigen Potentials derselben verbunden ist, und

eine Abschirmeinrichtung (10a, 10b) aufweist, die betriebsmäßig mit einer Seite niedrigen Potentials der schirmförmigen Abschirmung über eine Stützeinrichtung (7a. 7b) verbunden ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmeinrichtung mindestens

ein Abschirmelement (10a, 10b) aufweist, das eine sphärische Gestalt besitzt, die mit einem kugelförmigen Oberflächenabschnitt versehen ist, der einer inneren Seitenwand des Masseverbindungstanks (3) zugewandt ist, und daß die nicht lineare Elementengruppe (1) mindestens einen Stapel aus den nicht linearen Widerstandselementen aufweist.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem das Abschirmelement einen flachen Abschnitt aufweist, der der nicht linearen Elementengruppe (1) zugewandt ist.

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, bei dem die Abschirmeinrichtung einen halbkugelförmigen Oberflächenabschnitt aufweist, der der inneren Seitenwand des Masseverbindungstanks zugewandt ist, und den flachen Oberflächenabschnitt enthält, der der nicht linearen Elementengruppe zugewandt ist.

4. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem die Abschirmeinrichtung zwei Abschirmelemente (10a, 10b) enthält, die axial symmetrisch bezüglich der nicht linearen Elementengruppe angeordnet sind.

5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem die nicht lineare Elementengruppe eine einzige Säule (1) aus einem Stapel aus nicht linearen Widerstandselementen aufweist, die entlang der Mittelachse des Masseverbindungstanks (3) nach oben steht.

6. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem die nicht lineare Elementengruppe eine Mehrzahl von parallelen Säulen (1a bis 1d) aufweist, die symmetrisch bezüglich einer Mittelachse des Masseverbindungstanks angeordnet sind.

7. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem die Abschirmeinrichtung (10a, 10b) einen massiven Aufbau besitzt.

8. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem die Abschirmeinrichtung (10a, 10b) eine hohle Gestalt aufweist.

9. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem die Abschirmeinrichtung (10a, 10b) aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist, das mit einem Metall plattiert ist.

10. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem die Abschirmeinrichtung (10a, 10b) aus einem Leichtmetall hergestellt ist.

11. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, bei dem die Abschirmeinrichtung (10a, 10b) an einem vertikalen Niveau angeordnet ist, das bei der Hälfte bis zu einem Drittel der Länge der in Längsrichtung gemessenen Länge der nicht linearen Elementengruppe (1) von deren Boden aus gemessen liegt.