Abtrennvorrichtung für einen Überspannungsableiter

Die Erfindung betrifft eine Abtrennvorrichtung für einen Überspannungsableiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Überspannungsableiter werden im Mittelspannungs- und Hoch spannungsbereich eingesetzt, um sog. Überspannungen, also Spannungen weit oberhalb der im Betrieb vorgesehenen Nenn spannungen, sicher zu Erde abzuleiten. Hierdurch werden Schä den an Betriebsmitteln wie z.B. Transformatoren vermieden. Beispielsweise kann ein Überspannungsableiter für Hochspan nung an einer Freileitung angeordnet werden und bei Blitzein schlag oder Kurzschluss unzulässig hohe Ströme zur Erde hin ableiten .

Überspannungsableiter enthalten i.d.R. sog. Varistoren, d.h. elektrische Widerstände, deren elektrischer Widerstandswert bis zu einer bauartbedingten Schwellenspannung sehr hoch und oberhalb der Schwellenspannung stark vermindert ist, so dass der Überspannungsableiter zu einem guten elektrischen Leiter wird. Es werden z.B. Metalloxidwiderstände in Scheibenform übereinander in einem Gehäuse angeordnet und an den jeweili gen Enden des Gehäuses mit dem Hochspannungspotential und dem Erdpotential verbunden. Dabei ist der Überspannungsableiter im Regelbetrieb kaum leitend, so dass nur ein geringer

Leckstrom zur Erde fließt. Im Fehlerfall dagegen fließt ein hoher Ableitstrom.

Dabei kann es jedoch im langjährigen Betrieb eines

Überspannungsableiters zu Schäden am oder im Ableiter kommen, die dazu führen, dass ein so hoher Kurzschlussstrom durch den Ableiter fließt, dass es im Inneren des Ableiters zu einer Gasentwicklung kommt. In diesem Fall kann ein Ableiter derart geschädigt werden, dass er einen dauerhaften Kurzschluss aus bildet . Um dies zu verhindern, werden häufig sogenannte Abtrennvor richtungen eingesetzt. Diese Abtrennvorrichtungen lösen bei einem Stromfluss, der eine gewisse Dauer und Stärke über schreitet (die Grenzen sind durch die Bauart der Abtrennvor richtung vorgegeben) , durch einen Lichtbogen eine Platzpatro ne aus. Die Platzpatrone liegt hierfür in einer fluiddichten Kammer vor, die bei Auslösen der Patrone mit ausströmendem Gas gefüllt und so unter Druck gesetzt wird. Anschließend zerreißt der Druck in der Kammer die Gehäusewand nach Art ei ner Rohrbombe.

Die Explosion der Platzpatrone zerstört das Gehäuse der Ab trennvorrichtung und sprengt z.B. ein angeschlossenes Erdka bel ab. Auf diese Weise wird eine dauerhafte elektrische Trennung erreicht.

Problematisch ist es dabei jedoch, dass die Abtrennvorrich tung bei der Explosion heiße Partikel und Splitter aussenden kann, die auf den Erdboden herunterfallen und dort Brände auslösen können. Diese Problematik ist insbesondere in Aust ralien und den trockenen Gegenden der USA relevant, da dort ständig Buschfeuer drohen, die sich rasch weit ausbreiten und dabei Sach- und Personenschäden verursachen können.

Aus der Druckschrift EP 0729 209 Bl ist es bekannt, eine Ab trennvorrichtung derart auszugestalten, dass nach Explosion der Platzpatrone heiße Partikel und Splitter im Inneren der Abtrennvorrichtung zurück gehalten werden. Dies wird er reicht, indem das von der Platzpatrone zu zerreißende Gehäuse in einem glockenförmigen Auffangtrichter angeordnet wird. Dieser Auffangtrichter wiederrum ist in einem Rohr angeord net, dass nach unten offen ist. Das untere, offene Ende des Rohres weist jedoch eine Verengung auf. In dem Rohr sind Lüf tungsöffnungen vorgesehen, die dazu beitragen, einen Über druck bei der Explosion zu begrenzen. Wenn die Platzpatrone explodiert, so wird der Auffangtrichter weggeschleudert und im Rohr nach unten bewegt. Es werden viele heiße Partikel und Splitter im Rohr zurück gehalten. Die Bewegung des Rohres kommt zum Halt, wenn der Auffangtrichter an der Engstelle an schlägt; ein Herausschießen aus dem Rohr wird verhindert.

An die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ausgehend von der bekannten Abtrennvorrichtung eine Abtrennvorrichtung für ei nen Überspannungsableiter anzugeben, die vergleichsweise be sonders kompakt, sicher und kostengünstig zu fertigen ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Abtrennvorrich tung gemäß Anspruch 1.

Überraschenderweise haben Versuchsreihen gezeigt, dass ein wesentlicher Anteil des bei der Aktivierung der Auslösevor richtung entstehenden Gasdrucks nicht durch die Explosion der Sprengvorrichtung, die z.B. als eine Platzpatrone ausgeführt werden kann, entsteht. Vielmehr erzeugt der Lichtbogen, der die Sprengvorrichtung durch Hitzeentwicklung zündet, einen erheblichen Druckaufbau. Dabei ist die Gefahr, durch Split terwirkung und heiße Partikel einen Brand auszulösen, umso größer, je höher der Druckaufbau in der Abtrennvorrichtung ist. Des Weiteren muss bei bisherigen Abtrennvorrichtungen zur sicheren Löschung des Lichtbogens eine vergleichsweise lange Trennstrecke sicher gestellt werden.

Durch den Einsatz des lichtbogenlöschenden Materials wird frühzeitig verhindert, dass sich der volle Kurzschlussstrom ausbilden kann, denn der Lichtbogen wird rasch unterdrückt. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Abtrennvorrichtung beson ders kompakt zu bauen und besonders sicher. Das lichtbogenlö schende Material kann in einem einfachen Beispiel auf der In nenseite eines Rohres (als erstes Gehäuse) in Form einer Be schichtung aufgebracht sein.

Ein Funkenregen ausgehend vom Ableiter wird verhindert. Durch das frühzeitige Löschen des sich entwickelnden Kurzschluss stromes wird der Abbrand am Ableiter

minimiert. Auf ein separates Abbrandschutzsystem, ein sog. „Arc-protection System", für den Ableiter kann damit verzichtet werden. Dies vermeidet Brände und spart Kosten ein. Gegenüber bisher gebräuchlichen Ab trennvorrichtungen hat die Erfindung den Vorteil, dass sich der fehlerhafte Ableiter selbsttätig vom Netz trennt, ohne dass eine Kurzunterbrechung seitens des Energieversorgers er forderlich wird. Dadurch wird die Versorgungsqualität erhöht.

In einer einfachen Bauform kann das erste Gehäuse ein runder Hohlzylinder sein. Aber auch Bauformen mit anderen Quer schnitten können eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung ist das erste Gehäuse durchgehend aus ei nem Materialgemisch zusammengesetzt, das das lichtbogenlö schende Material enthält. Beispielsweise kann ein Kunststoff wie z.B. ein Epoxy-Harz mit verstärkenden Fasern und einer lichtbogenlöschenden Substanz wie z.B. Melamin (2,4,6- Triamino-s-triazin) versetzt werden. Eine solche Mischung ist für Sicherungen aus der Druckschrift US 6 777 043 B2 bekannt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung weist das erste Gehäuse Rückhaltemittel auf, die ausgebildet sind, ein Herausgleiten des Kolbens aus dem ersten Gehäuse zu verhindern. Die Rückhaltemittel können beispielsweise als eine Verengung des ersten Gehäuses ausge bildet sein. Dies kann mit Vorteil eine Klemmwirkung auf den Kolben ausüben; er wird festgelegt und kann nicht mehr unter Verkürzung der Trennstrecke zurückschnellen. Alternativ oder ergänzend können die Rückhaltemittel als Stufe ausgebildet sein, die um den Rand des ersten Gehäuses umlaufend den Kol ben auffangen kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung weist der Kolben einen ersten Bereich, an dem die Auslösevorrichtung angeordnet ist, und einen zweiten Bereich auf, der eine Druckaufnahmekammer ausbildet, wobei in dem zweiten Bereich auf dem Kolben zusätzlich das lichtbogen löschende Material angeordnet ist. Dies ist ein Vorteil, weil durch die zusätzliche Platzierung des lichtbogenlöschenden Materials eine weiter verbesserte Löschwirkung erreicht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung ist die Abtrennvorrichtung derart kompakt, dass die Trennstrecke mindestens 50 % kürzer als bei Abtrenn vorrichtungen ohne lichtbogenlöschendes Material ausgebildet ist. Dies ist ein Vorteil, weil Kosten in der Herstellung und dem Transport verringert werden. Ferner nimmt die erfindungs gemäße Abtrennvorrichtung einen geringeren Bauraum z.B. an einer Freileitung ein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung bildet das erste Gehäuse mit dem Kolben einen im Wesentlichen fluiddichten Kontakt aus. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise der Kolben im Moment der Explo sion der Sprengvorrichtung effektiv weg beschleunigbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung ist die Druckaufnahmekammer im Wesentli chen fluiddicht von einem Hubraum für den Kolben abgetrennt. Dies ist ein Vorteil, weil auf diese Weise der Kolben im Mo ment der Explosion der Sprengvorrichtung effektiv weg

beschleunigbar ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung ist die Druckaufnahmekammer öffnungsfrei ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist diese Ausführungsform, weil durch die abgeschlossene Druckaufnahmekammer im Ver gleich zu bekannten Abtrennvorrichtungen keine Splitter oder heiße Partikel austreten können. Dies ist ein großer Sicher- heitsgewinn in Buschfeuer-gefährdeten Regionen. Ein Funkenre gen ausgehend von der Abtrennvorrichtung wird vermieden. Der Verzicht auf Druckentlastungsöffnungen, wie sie im Stand der Technik üblich sind, ist nur dadurch möglich, dass wie ein gangs erläutert die Nutzung des lichtbogenlöschenden Materi als zu einer deutlichen Verringerung des bei der Explosion der Sprengvorrichtung Gasdruckes führt. Ferner wird die me- chanische Integrität des ersten Gehäuses durch die Bauweise ohne Öffnungen erhöht.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung weist das erste Gehäuse im Bereich der Druckaufnahmekammer Druckentlastungsöffnungen auf. Dies ist ein Vorteil, weil diese Bauweise lange erprobt ist. Bei ge eigneter Ausführung der Druckentlastungsöffnungen, z.B. als sehr schmale und im Querschnitt kleine Schlitze, kann das Ri siko des Austritts von branderzeugenden Partikeln verringert werden .

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtrennvorrichtung weist das lichtbogenlöschende Material ei ne der folgenden Substanzen auf: Melamin, aromatisches Epoxy- Harz, lineares aliphatisches Epoxy-Harz, Aluminiumhydroxid, Metallhydrid. Die Verwendung eines Gemisches aus einem aroma tischen Epoxy-Harz und einem linearen aliphatisches Epoxy- Harz für Sicherungen ist aus der Druckschrift US6359038B1 be kannt. Aus der Druckschrift US4140988 B ist die Verwendung eines Gemisches aus Aluminiumhydroxid mit einem polymeren Me lamin Harz bekannt. Aus der Druckschrift EP 2 133 388 A2 ist ein Metallhydrid, insbesondere Mg (OH) 2, als lichtbogenlö schendes Material bekannt.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung zeigen in schemati scher Darstellung

Figur 1 einen Überspannungsableiter mit Abtrennvor

richtung, und

Figur 2 ein Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung im Zustand vor Auslösung, und

Figur 3 das Ausführungsbeispiel der Abtrennvorrichtung gemäß Figur 1 im Zustand nach Auslösung. Die Figur 1 zeigt einen Überspannungsableiter 36 mit einem Gehäuse 30, das eine kriechwegverlängernde Abschirmung 31 aufweist. An einem Ende des Ableiters 36 ist eine Endarmatur 32 vorgesehen, die mit einem Haltearm 34 verbunden ist. Der Haltearm 34 weist eine Beschirmung 33 und eine Befestigungs vorrichtung 35 zum Anschluss an weitere Bauteile auf. An der Endarmatur 32 ist eine erfindungsgemäße Abtrennvorrichtung 1 angeordnet, an deren Erdpotenzialseite ein Erdkabel 6 ange schlossen ist. Das Erdkabel 6 wird zur Befestigung an die Be festigungsvorrichtung 35 zurückgeführt.

Die Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Abtrennvorrichtung 1. Die Abtrennvorrichtung 1 weist ein erstes Gehäuse 2 auf, das an der Innenseite mit einem lichtbogenlöschenden Material 3 beschichtet ist. In diesem Beispiel wird Melamin eingesetzt. In dem ersten Gehäu se 2 ist ein Kolben 7, 8 angeordnet. An einem Ende des Kol bens 4 ist das Erdkabel 6 angebracht. Das erste Gehäuse 2 weist Rückhaltemittel 5 auf, die in diesem Beispiel als kon zentrisch den Kolbenschaft 4 umlaufende Stufen 5 vorgesehen sind. Der Kolben 4, 7 bildet mit dem ersten Gehäuse 2 einen Hohlraum 8 aus, der im Folgenden als Hubraum 8 bezeichnet wird .

An der Hochspannungsseite der Abtrennvorrichtung 1 ist eine Auslösevorrichtung 11, 12, 13, 14, 16 angeordnet, die zusam men mit einer Platzpatrone 15 als Sprengvorrichtung innerhalb eines zweiten Gehäuses 10 angeordnet ist.

Die Auslösevorrichtung weist zwei Kontakte 13, 16 auf, die eine auf das zu erwartende Überspannungsniveau abgestimmte Trennstrecke über einen Luftspalt 14 ausbilden. Im Normalbe trieb des Ableiters fließt der Ableitstrom über die hochspan nungsseitigen Anschlüsse, ein Kontaktstück 11 und einen Wi derstand 12 in den Kolben 4, 7 und schließlich über das Erd kabel 6 ab. Erst bei deutlichem Überschreiten einer Schwel lenspannung wird der Luftspalt 14 durch Lichtbogenbildung überbrückt. Die Hitze des Lichtbogens löst die Platzpatrone 15 aus, deren Explosion zuerst das zweite Gehäuse 10 zer reißt. Das entstehende heiße Gas breitet sich in die Druck aufnahmekammer 9 aus. In einer einfachen Bauform ist das ers te Gehäuse 2 rohrförmig ausgebildet, so dass die

Druckaufnahmekammmer 9 im Inneren des Rohres eine ringförmige Form aufweist. Der durch die Explosion der Platzpatrone 15 und die Hitzewirkung des Lichtbogens entstehende Gasdruck treibt schließlich den Kolben 4, 7 im Hubraum 8 nach unten. Dies geht solange von statten, bis der Kolben 4, 7 mit seinem Querstück 7 auf dem Rückhaltemittel 5 - ausgebildet als eine Stufe - anschlägt. Die Luft bzw. das Gas im Hubraum 8 kann beispielsweise entlang des Kolbens 4 zwischen Rückhaltemittel 5 und Kolben 4 ausströmen. Dieser Bereich muss daher nicht fluiddicht ausgebildet werden.

Es ist ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Abtrenn vorrichtung, dass diese auf der Innenseite des ersten Gehäu ses 2 eine Schicht aus lichtbogenlöschendem Material 3 auf weist. Das lichtbogenlöschende Material 3 ist auch in den Be reichen 20 auf dem Querstück 7 des Kolbens 4, 7 aufgebracht, so dass die Druckaufnahmekammer 9 mehrseitig an ihren Wänden mit dem lichtbogenlöschenden Material 3 ausgekleidet ist. Be vorzugt ist es, wenn der Kolben 4, 7 mit seinem Querstück 7 fluiddicht auf der lichtbogenlöschenden Schicht 3 anliegt.

Auf diese Weise führt der volle Gasdruck dazu, dass der Kol ben nach unten beschleunigt wird.

Die Figur 3 zeigt die Abtrennvorrichtung 1 nach Auslösung der Platzpatrone 15. Erreicht der Kolben 4,7 seine Position an den Rückhaltemitteln 5, so wird eine Trennstrecke 21 ausge bildet. Diese Trennstrecke 21 kann wesentlich kürzer als bei bisherigen Abtrennvorrichtungen ausgebildet werden. Dies ist möglich, weil das lichtbogenlöschende Material 3,20 unter Hitzeeinwirkung Gas abscheidet, welches der Lichtbogenbildung entgegenwirkt und somit verhindert, dass der volle Ableit strom über den Lichtbogen fließen kann. Dies hat den eingangs in der Beschreibung erwähnten Effekt, dass die sehr stark zur Explosionswirkung und damit zur Brandgefahr für die Abtrenn- _V orrichtung beitragende Lichtbogenbildung stark vermindert wird .

Die erfindungsgemäße Abtrennvorrichtung 1, wie sie in Figuren 2 und 3 dargestellt ist, kann bauartbedingt keine branderzeu genden heißen Partikel oder Splitter in die Umgebung freiset zen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber bisherigen Abtrennvorrichtungen. Ein weiterer Vorteil ist es, dass durch die verkürzte Trennstrecke 21 eine vergleichsweise sehr kom- pakte Abtrennvorrichtung 1 konstruiert werden kann. Dies spart Kosten in Herstellung und Transport ein. Des Weiteren ist nur ein geringerer Bauraum für die Abtrennvorrichtung bzw. für einen Ableiter mit Abtrennvorrichtung erforderlich.