CH652251A5 - Ueberspannungsableiter. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsabieiter.

Zinkoxidvaristoren werden in Überspannungsableitern benutzt, um einen Nebenschluss für Stossströme zu bilden und dabei die Möglichkeit des Betriebes unter Netzspannungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Diese Varistoren haben einen grossen Exponenten «n» in der Spannungs-Strombeziehung I = KVn für einen Varistor, wobei I der Strom durch den Varistor, K ein Konstante und V die Spannung an dem Varistor ist. Zinkoxidvaristoren mit grossem Exponenten können einen ausreichenden Widerstand bei normaler Netzspannung haben, um dem Strom durch den Varistor auf einen niedrigen Wert zu begrenzen, wobei aber der Widerstand bei starken Strömen so ist, dass die Varistorspannung bei einem fliessenden Stossstrom auf einem Wert gehalten wird, der niedrig genug ist, um die Beschädigung der Isolation der durch den Varistor geschützten Ausrüstung zu verhindern.

Da die Varistoren ständig zwischen Netz und Erde geschaltet sind, fliesst ständig ein Strom durch den Varistor und dieser Strom bewirkt, dass bei normaler Systemspannung und normaler Betriebstemperatur eine kleine Energiemenge durch die Varistoren verbraucht wird. Die Grösse sowohl des Stroms als auch der sich ergebenden Verlustleistung nimmt mit steigender Varistortemperatur zu. Es müssen deshalb Einrichtungen vorgesehen werden, um die Wärme von dem Varistor abzuführen, damit eine thermische Instabilität verhindert wird. Die Einrichtungen müssen nicht nur in der Lage sein, eine thermische Instabilität unter normalen Bedingungen zu verhindern, sondern auch die aus starken Stromstössen resultierende Wärme abzuführen. Bei einer wirksamen Einrichtung zum Abführen von Wärme von den Varistorkörpern wird ein mit Aluminiumoxid versetztes Siliconharz benutzt. Jede einzelne Varistorscheibe wird dick in das Harzmaterial eingegossen, bevor sie in das Überspannungsableitergehäuse eingeführt wird. Das dicke Siliconmaterial dient als Wärmeablei-ter, über den die Wärme zu den Wänden des Überspannungs-ableiterkörpers gebracht wird. Die Verwendung einer Siliconvergussmasse als Wärmeabieiter für Zinkoxidvaristoren ist in den US-PSen 4 092 694 und 4 100 588 beschrieben.

Ein weiteres Verfahren zum Kühlen von Zinkoxidvaristorscheiben ist in der DE-Patentanmeldung P 29 34 832.1 vorgeschlagen, wobei Zinkoxidvaristorscheiben mit einem Metall-scheibenwärmeableiter versehen werden, der mittels einer flexiblen elastischen Hülse in seiner Lage festgehalten wird. Die Kombination aus Metallscheibe und Varistorkörper wird innerhalb des Überspannungsableiterkörpers mittels eines elastischen Positionierteils und einer axial ausgeübten Federkraft in thermischem Kontakt gehalten. Die Metallscheibe führt während Stosszuständen die Wärme schnell von dem Varistorkörper ab und überträgt die Wärme über die flexible elastische Hülse, die sowohl den Varistorkörper als auch die Metallscheibe umgibt, zu dem wärmeabstrahlenden Überspannungsableitergehäuse. Die erforderliche Dicke der Metallscheiben führt zu einem Überspannungsableitergehäuse mit beträchtlich grösserer Länge. Das Kontrollieren der Länge des Gehäuses ist ein wichtige Überlegung beim Bau von Überspannungsableitern, weil die Wind- und Erdbebenfestigkeit stark von der Gehäuselänge abhängig sind. Darüber hinaus nehmen die Kosten und das Gewicht des Überspannungsabieiters mit zunehmender Überspannungsableiterlänge zu.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überspannungsablei-ter mit einer wirksamen Wärmeübertragungsordnung von annehmbarer Länge zu schaffen, der überlegene Wärmeübertragungseigenschaften hat.

Zur Lösung der Aufgabe führt ein Überspannungsablei-ter, wie er im Patentanspruch 1 beschrieben ist.

Ein Doppelradiusüberspannungsableitergehäuse erfüllt dabei mehrere Funktionen, indem es mehrere Zinkoxidvaristoren aufnehmen kann und für die Varistoren während normalen Betriebsbedingungen, Überspannungs- und Stoss-strombedingungen als Wärmesenke dient. Eine bevorzugte flexible elastische Hülse als Wärmeübertragungsanordnung, die jeden Varistor umgibt, sorgt für einen wirksamen thermischen Kontakt mit einer grossen Fläche der Innenwand des Überspannungsableitergehäuses.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 in Draufsicht einen Zinkoxidvaristor zum Einsatz in einen Überspannungsabieiter,

Fig. 2 in Seitenansicht und teilweise im Schnitt einen

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

652 251

bekannten Überspannungsabieiter,

Fig. 3 eine Querschnittansicht des Überspannungsablei-ters entlang der Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenschnittansicht eines mit einer Hülse versehenen Zinkoxidvaristors,

Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht von oben den mit einer Hülse versehenen Varistor von Fig. 4,

Fig. 6 eine Querschnittansicht einer ersten Ausführungsform des Überspannungsabieiters, nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Querschnittansicht eines zweisäuligen Überspannungsableitergehäuses,

Fig. 7A eine weitere Ausführungsform des Überspannungsableitergehäuses nach Fig. 7, das einen Überzug aus Siliconharz aufweist,

Fig. 8 eine Querschnittansicht eines Überspannungsablei-ters mit dem Gehäuse von Fig. 7, welches zwei Varistoren enthält,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines Überspannungsableitergehäuses,

Fig. 10 eine Querschnittansicht der Ausführungsform von Fig. 9, die einen mit einer Hülse versehenen Varistor enthält, Fig. 10A eine Querschnittansicht eines Überspannungsableitergehäuses, das eine modifizierte Geometrie hat, und

Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Varistortemperatur und der Zeit nach einem transienten Stromstoss für unterschiedliche Berührungswinkel mit dem Varistorgehäuse zeigt.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Zinkoxidvaristoren, wie den Varistor 10, der Fig. 1 gezeigt ist und aus einer gesinterten Scheibe aus Zinkoxidmaterial 11 besteht, die auf ihrem Umfang mit einem isolierten Keramikring 13 versehen ist, und aus einer oberen und einer unteren Elektrode 12 auf entgegengesetzten Stirnflächen. Wenn die Varistoren für den Überspannungsschutz benutzt werden, sind sie im allgemeinen in einem Überspannungsabieiter 14 enthalten, der in Fig. 2 gezeigt ist und aus einem Porzellangehäuse 15 besteht, das eine obere Anschlussklemme 16 und eine untere Anschlussklemme 17 aufweist, über die mehrere Varistoren 10 innerhalb des Gehäuses elektrisch zugänglich sind. Dieser Über-spannungsableiter ist für Vergleichszwecke mit verschiedenen Wärmeübertragungsanordnungen nach der Erfindung gezeigt. Die Wärmeübertragungsanordnung von Fig. 2, wie sie in der vorgenannten DE-Patentanmeldung bereits vorgeschlagen ist, enthält eine elastische Hülse 18, die den Varistor 10 und einen metallischen Wärmeabieiter 20 umgibt und ein Positionierteil 19 auf einer Seite sowie die Innenwand des Porzellangehäuses 15 auf der anderen Seite berührt. Der metallische Wärmeabieiter leitet Wärme von dem Varistor schnell ab und überträgt die Wärme über die Siliconhülse 18 zu dem Gehäuse, wo sie an die Umgebung abgegeben wird. Der Mechanismus der Wärmeübertragung von dem Varistor und dem Wärmeabieiter auf das Porzellangehäuse wird anhand der Darstellung von Fig. 3 noch deutlicher. Das Positionierteil 19 drückt den -Varistor und den metallischen Wär-meableiter, der an der Unterseite des Varistors befestigt ist, in thermischen Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses 15. Die Wärme geht dann von dem Varistor 10 und dem Wärme-ableiter20 über die elastische Hülse 18 zu dem Gehäuse 15. Der Raum 21 zwischen dem Varistor und der Gehäusewand dient für den Durchgang von Gas, das durch die innere Anordnung bei einem Varistorversagen erzeugt wird. Da die in dem Varistor und in dem metallischen Wärmeabieiter enthaltene Wärme schliesslich zu dem Gehäuse übertragen werden muss, um von diesem aus abgestrahlt zu werden, wird die Grenze des Wärmeübertragungswirkungsgrades der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration durch die kleine Kontaktfläche zwischen der Anordnung aus dem Varistor und dem metallischen Wärmeabieiter und dem Gehäuseinneren bestimmt. Die

Erfindung verbessert den Wärmeübertragungswirkungsgrad zwischen den Varistoren und dem Gehäuse durch Ändern der Konfiguration des inneren Gehäuses, durch die der Kontaktwinkel zwischen dem Varistor und dem Inneren des Gehäuses beträchtlich vergrössert wird.

Fig. 4 zeigt einen Varistor 10 eines Typs, der dem in Fig. 1 gezeigten gleicht und eine obere und eine untere Elektrode 12 auf einer gesinterten Scheibe aus Zinkoxidmaterial 11 aufweist, die von einem Keramikring 13 umgeben ist. Der Varistor hat weiter eine auf seinem Umfang angeordnete Hülse 18 aus einem elastischen Material, wie Siliconkautschuk. Die Hülse dient dem Zweck, einen guten Wärmekontakt zwischen dem Varistor 10 und dem umgebenden Gehäusegebilde zu fördern. Da die Varistoren innerhalb des Porzellangehäuses ohne irgendeinen zwischengeschalteten metallischen Wärme-ableiter angeordnet werden, darf sich die Hülse 18 nicht über die gesamte Dicke des Varistors erstrecken, so dass die obere und die untere Elektrode 12 eines Varistors nicht daran gehindert werden, Elektroden an benachbarten Varistoren zu berühren. Diese Konfiguration ist in Fig. 5 gezeigt.

Fig. 6 zeigt einen Überspannungsabieiter mit einer Wärmeübertragungsanordnung nach der Erfindung, wobei ein Doppelradiusporzellangehäuse 15 einen Varistor 10 enthält, der von der elastischen Hülse 18 umgeben ist und ein Positionierteil 19 berührt. Das Positionierteil 19, das zwischen einer Seite des Porzellangehäuses 15 und einer Seite des Varistors 10 angeordnet ist, drückt den Varistor in festen thermischen Kontakt mit einem anderen Teil des Gehäuses. Es sei angemerkt, dass die Hülse 18 aus einem flexiblen Material hergestellt ist, das sich leicht der Form des inneren Gehäuses anpasst, wenn es zusammengedrückt wird, wie es an der Stelle 18' gezeigt ist. Das Vorsehen des mit doppeltem Radius versehenen Inneren des Porzellangehäuses 15 wird unten noch ausführlicher erläutert. Der Kontaktwinkel a zeigt, dass eine viel grössere Fläche des modifizierten Porzellangehäuses als bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung gemäss dem älteren Vorschlag berührt wird. Dieser grössere Kontaktwinkel, der zwischen dem Varistor und dem modifizierten Porzellangehäuse vorhanden ist, gestattet, die Varistoren zu betreiben, ohne dass ein zusätzlicher metallischer Wärmeabieiter vorgesehen wird und ohne dass das längere Gehäuse, wie bei der bekannten Anordnung, erforderlich ist.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Doppelradius-überspannungsableitergehäuses 15. Ein erster Radius n ist gleich dem ungefähren Radius des mit einer Hülse versehenen Varistors, um einen guten Kontakt mit dem Gehäuse zu fördern. Der erste Radius ri legt einen ersten Bereich Ai fest, in den der mit einer Hülse versehene Varistor eingeführt wird. Ein zweiter Radius n, der einen zweiten Bereich A2 festlegt, bildet den Durchlass für Gas während eines Varistorausfalls. Ein Doppelradiusgehäuse 15, das einen Überzug aus Hülsenmaterial 9 hat, das zur Verwendung von nicht mit einer Hülse versehenen Varistoren auf die Innenoberfläche aufgebracht ist, ist in Fig. 7A gezeigt.

Das Vorsehen von entgegengesetzten Flächen des Gehäuses mit einem Radius, der ungefähr gleich dem Radius eines mit einer Hülse versehenen Varistors ist, gestattet, zwei Varistoren in Parallelanordnung innerhalb des Gehäuses zu stapeln. Das ist in Fig. 8 gezeigt, gemäss welcher zwei mit einer Hülse versehene Varistoren 10 in dem Gehäuse 15 angeordnet und mit einem Positionierteil 19 versehen sind, das die Varistoren gegen das Gehäuse drückt. Jeder Varistor hat eine eigene Hülse 18, die die Wärmeübertragung zwischen den Varistoren und dem Gehäuse durch Ausfüllen der Zwischenräume, die zwischen dem Aussenumfang des Varistors und dem Gehäuse vorhanden sind, fördert. Der Raum 21 ist, wie weiter oben beschrieben, für den Durchtritt von Gas vorgese-

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

652 251

4

hen, dass durch beide Varistoren im Fall eines Varistorversagens erzeugt wird.

Fig. 9 zeigt ein modifiziertes Überspannungsableitergehäuses 15 für einen einzelnen Varistor, das einen ersten Radius n und einen zweiten Radius n hat. Die Wärmeübertragungsanordnung für das Gehäuse von Fig. 9 ist in Fig. 10 gezeigt und enthält einen Varistor 10, eine elastische Hülse 18 und ein Distanzstück 19. Das Distanzstück 19 hält den Varistor 10 in gutem Wärmekontakt mit demjenigen Teil des Varistorgehäuses, der durch den Radius n festgelegt ist. Die in den Porzellangehäusen der Fig. 6-9 gezeigten Konfigurationen können veränderliche Grade des Berührungswinkels a je nach den thermischen Erfordernissen der Varistoren haben. Je grösser der Berührungswinkel ist, umso wirksamer ist die Wärmeübertragung zwischen den Varistoren und dem Gehäuse. Das ist in Fig. 11 gezeigt, in welcher repräsentative Varistorenkühlkurven gezeigt sind, die durch Auftragen der Varistortemperatur über der Zeit im Anschluss an einen tran-sienten Stromstoss erhalten worden sind. Die Temperatur eines Varistors in dem Überspannungsableitergehäuse, das einen Kontaktwinkel von 10° zwischen dem Varistor und dem Gehäuse ergibt, ist bei A gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die Varistortemperatur nach einem Stoss, der innerhalb der thermischen Fähigkeiten des Varistors liegt, sich einer konstanten Dauertemperatur nähert. Die Netzspannung an dem Varistor bestimmt in Verbindung mit dem Varistorstrom die Varistorverlustleistung im Dauerzustand, die ihrerseits die Varistortemperatur bestimmt.

Gemäss dem älteren Vorschlag in der eingangs erwähnten DE-Patentanmeldung beinhaltet die kritische Betriebsfolge eines ZnO-Überspannungsableiters einen transienten Stromstoss gefolgt von der Dauersystemspannung. Da der Über-spannungsableiter der zusätzlichen Energieeingabe aufgrund des Stossvorganges ausgesetzt ist, muss er in der Lage sein, eine erhöhte Wattzahl und eine erhöhte Temperatur nach Rückkehr zu der Systemspannung auszuhalten. Wenn keine Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen wäre, könnten die Temperatur und die Wattzahl des Varistors ständig ansteigen, und zwar soweit, dass der Varistor einen thermischen Instabilitätszustand erreicht. Je schneller deshalb die Wärme von dem Varistor abgeführt wird, umso geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zur thermischen Instabilität kommt. Varistoren, die einen Kontaktwinkel von 90° haben, wie es bei B gezeigt ist, kühlen schneller ab als Varistoren, die einen

Kontaktwinkel von 10° haben. Varistoren, die einen Kontaktwinkel von 180° haben, wie es bei C gezeigt ist, nähern sich der Dauerbetriebstemperatur mit noch grösserer Geschwindigkeit. Fig. 11 zeigt deshalb, dass, je grösser der Kontaktwin-5 kel zwischen dem mit einer Hülse versehenen Varistor und dem Überspannungsableitergehäuse ist, umso wirksamer die Wärmeübertragung von dem mit einer Hülse versehenen Varistor zu dem Überspannungsableitergehäuse ist. Es ist, wie weiter oben beschrieben, äusserst wichtig, den Varistor io schnell zu kühlen, weil es notwendig ist, die Zeit zu verringern, während der der Varistor einer Temperatur ausgesetzt ist, die nahe bei dem Zustand thermischer Instabiltät liegt. Das ist weiter von Wichtigkeit, weil die Möglichkeit besteht, dass wiederholte transiente Stösse auftreten, während der 15 Varistor noch auf einer erhöhten Temperatur ist. Eine ideale Situation wären Varistoren mit einem Kontaktwinkel von 360°. Das ist jedoch nicht machbar, weil es erforderlich ist, einen gewissen Raum für das Freisetzen von Gasen vorzusehen, die im Falle eines Varistorenversagens erzeugt werden. 20 Die Doppelradiusmodifizierungen des Überspannungsableitergehäuses wurden zwar an Porzellanüberspannungsablei-tern vorgenommen, es können jedoch auch andere Isoliermaterialien zum Herstellen des Überspannungsableitergehäuses benutzt werden. Das Gehäuse kann aus Siliconharz oder aus 25 anderen elektrisch isolierenden Harzen, wie Epoxy, gegossen oder extrudiert werden. Weiter kann im Rahmen der Erfindung die innere Geometrie eines gleichmässig kreisförmigen Standardüberspannungsableitergehäuses modifiziert werden, indem durch Anbringen eines Überzuges oder Einführen 30 eines Belages für grosse Berührungswinkel zwischen den mit einer Hülse versehenen Varistoren und dem Gehäuseinneren gesorgt wird. Ein Gehäuse 15, das ein Siliconmaterial 8 auf der Innenfläche zum Modifizieren der inneren Geometrie trägt, ist in Fig. 10A gezeigt. Die in den Fig. 6, 8 und 10 35 gezeigten Distanzstücke bestehen zwar aus einem Siliconharz ähnlich dem für die Hülsen benutzten, es können jedoch auch andere elektrisch isolierende und flexible Materialien benutzt werden. In einigen Verwendungsfällen kann es zweckmässiger sein, einen Überzug aus thermisch leitendem und elek-40 trisch isolierendem Material auf den gesamten Umfang des Varistors anstelle der elastischen Hülse aufzubringen oder das Material nur in der Nähe des Varistors, der mit dem Überspannungsableitergehäuse in Berührung ist, aufzubringen.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

652 251

1. Überspannungsabieiter, gekennzeichnet durch ein elektrisch isoliertes Gehäuse (15) mit einem Durchlass, der sich durch das Gehäuse erstreckt und durch eine Doppelradiuskonfiguration (n, n) festgelegt ist, wobei der erste Radius (n) dem Radius eines Zinkoxidvaristors (10) in dem Gehäuse angepasst ist, während der zweite Radius (n) einen Gasdurchlassraum (21) schafft, und durch eine Wärmeübertragungseinrichtung (18) zwischen dem Varistor und einer Gehäusewand zum Ableiten von Wärme von dem Varistor in die Gehäusewand.

2. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Distanzstück (19), welches den Varistor (10) und die Wärmeübertragungseinrichtung (18) in Berührung mit der Gehäusewand drückt.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Überspannungsabieiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einander gegenüberliegende Flächen des Inneren des Gehäuses (15) mit dem ersten Radius (n) versehen sind.

4. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung eine flexible Hülse (18) aufweist, die den Varistor (10) umgibt.

5, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzstück (19) ein Körper aus Siliconharz ist.

5. Überspannungsabieiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flexible Hülse (18) ein Siliconharz aufweist.

6, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster und ein zweiter Varistor (10) innerhalb der einander gegenüberliegenden Flächen an dem Inneren des Gehäuses (15), die mit dem ersten Radius (n) versehen sind, angeordnet sind.

6. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 2 bis

7. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 3 bis

8. Überspannungsabieiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Varistoren (10) das Gehäuse (15) mit einem Kontaktwinkel (a) berühren, der von 10° bis 180° reicht.

9. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (18) ein Überzug aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material auf einem Teil des Varistors (10) aufweist.

10. Überspannungsabieiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung eine Schicht (9) aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material aufweist, die auf das Innere des Überspannungsableitergehäuses (15) aufgebracht ist.

11. Überspannungabieiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) aus Porzellan, Silicon oder Epoxy besteht.