DD148841A5 - Einrichtung zum ueberspannungsschutz - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Elektrotechnik und insbesondere auf Einrichtungen zum Ueberspannungsschutz. Das Ziel der Erfindung besteht in Erhoehung der Betriebssicherheit der Einrichtung zum Ueberspannungsschutz, Arbeitsaufwandssenkung und Verminderung der Abmessungen des Isoliergehaeuses. Der Ueberspannungsableiter weist einen Stapel von elektrisch in Reihe miteinander geschalteten nichtlinearen Widerstaenden 4 auf, der in einem die Mantelflaechen der genannten nichtlinearen Widerstaende 4 dicht umschlieszenden Isoliergehaeuse 1 angeordnet ist. Das Isoliergehaeuse 1 ist aus waermeschrumpfbarem Material hergestellt.

Description

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EINRICHTUNG ZUM ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Elektrotechnik und insbesondere auf Einrichtungen zum Überspannungsschutz.

Die vorliegende Erfindung isann zum Schutz der Isolation der Elektroausrüstungen von Elektrizitätswerken und -Unterwerken sowie Hochspannungs-Wechsel- und Gleichstromfenleitungen gegen atmosphärischen und Schaltüberspannungen am erfolgreichsten verwendet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß die Isolation der stromführenden Teile der elektrischen Wechsel- und Gleichstromausrüstungen im Normalbetrieb der Wirkung der Betriebsspannung des Elektrizitätsnetzes ausgesetzt ist.

Aus verschiedenen Gründen kann aber die Spannung in diesem oder jenem Teil eines elektrischen Systems für kurze Zeit sich erhöhen und die Spannung im Normalbetrieb bedeutend überschreiten - es entsteht eine Überspannung.

Ist die Amplitude der Überspannung sehr groß, icann sie eine Gefahr für die Isolation der elektrischen Ausrüstungen . von Unterwerken und Elektroenergie-Übertragungsleitungen ergeben; dabei können die Überspannungen insbesondere die Isolation der teuersten Elektroausrüstungen - elektrischer Maschi-

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nen, Transformatoren, Drosselspulen, Schaltgeräte - beschädigen. Isolationspegel der Elektroausrüstungen von Unterwerken und Elektroenergie-Übertragungsleitungen bestimmen in bedeutendem Maße ihre Kosten. Dieser Einfluß ist um so stärker, je höher die Beihenspannung des Netzes ist. In Zusammenhang damit werden die technisch-wirtschaftlichen Kenndaten der Elektroenergie-Übertragungsleitungen in bedeutendem Maße durch den Pegel der Überspannungsbegrenzung in ihnen bestimmt.

Der Pegel der Überspannungsbegrenzung wird in Abhängigkeit von den technischen Daten und der Betriebssicherheit der Überspannungsableiter festgelegt.

Es ist zum Beispiel eine Einrichtung zum Überspannungsschutz bekannt (US-PS 3ÖO5114, die 1974 veröffentlicht wurde), die einen in einem Isoliergehäuse angeordneten Stapel von elektrisch miteinander in Reihe geschalteten nichtlinearen Widerständen aufweist. Das Isoliergehäuse ist aus Porzellan hergestellt. Zwischen den nichtlinearen Widerständen und der Innenfläche des Isoliergehäuses gibt es einen Spalt. Die nichtlinearen Widerstände sind aus einem Material auf Zinkoxidbasis hergestellt.

Die nichtlinearen Widerstände weraen durch die nichtlineare Abhängigkeit der Spannung vom Strom gekennzeichnet. Die nichtlinearen Widerstände haben einen niedrigen Widerstandswert bei durch die Überspannung hervorgerufenen hohen Impulsströmen, wodurch sie die Spannung an den Klemmen der Einrichtung zum Überspannungsschutz begrenzen, und einen

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hohen lYiderstandswert im Normalbetrieb, demzufolge die Größe des aus dem elektrischen Netz Stroms Degrenzt wird.

Im Normalbetrieb fließt durch ^:die se Einrichtung ... kontinuierlich ein niedriger Strom aus dem elektrischen Netz.

üei der Entstehung einer Überspannung im elektrischen Netz führt der Durchfluß hoher durch die überspannung hervorgerufener Ströme durch die Einrichtung zum Überspannungsschutz infolge der hohen Nichtlinearität der nichtlinearen Widerstände zu keiner bedeutenden Spannungserhöhung an der Anschlußstelle der Einrichtung zum Überspannungsschutz an das elektrische Netz. Auf diese Weise wird die Überspannung in den parallel dieser Einrichtung an das elektrische Netz angeschlossenen jilektroausrüstungen begrenzt.

.Nach dem Aufhören der Überspannungswirkung auf das elektrische Netz erhöht sich der Widerstandswert von nichtlinearen widerständen stark, und in Zusammenhang damiü wird der Durchfluß des Stromes mit der ursprünglichen, für Normalbetrieb charakteristischen Größe aus dem elektrischen Netz durch die Einrichtung zum Überspannungsschutz wiederhergestellt.

In dieser Einrichtung zum Überspannungsschutz wird der Pegel der Überspannungsbegrenzung im Elektrizitätsnetz nur durch die Stromspannungscharakteristik der nichtlinearen Widerstände bestimmt·

Der Stromdurchfluß durch die Einrichtung zum Überspan-

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nungsschutz wird jedoch mit der Auslosung von Wärmeenergie begleitet, die zwecks Temperaturminderung der nichtlinearen Widerstände zerstreut werden muß. Das Vorhandensein eines Luftspaltes zwischen den Mantelflächen nichtlinearer Widerstände und der Innenfläche des Isoliergehäuses aus Porzellan behindert eine gute Wärmeabführung von den nichtlinearen Widerständen. Unter einer dauernden Spannungseinwirkung auf die nidrclinearen Widerstände, besonders bei erhöhten Temperaturen der nichtlinearen Widerstände, entsteht unterdessen eine Alterung des Materials, aus welchem sie hergestellt sind, was zu einer allmählichen Herabsetzung des Widerstandswerts der nichtlinearen Widerstände und dementsprechend zu einer Erhöhung des durch sie unter der Spannungseinwirkung des Elektrizitätsnetzes durchfließenden !Stromes führ"c. Letzten ündes kann aas zu einer Störung des Wärmegleichgewichtes der Einrichtung zum Überspannungsschutz und dessen Ausfall führen. Diese Einrichtung kennzeichnet sich also durch eine niedrige Betriebssicherheit.

Deshalb ist es wünschenswert, den Luftspalt zwischen der Innenfläche aes Isoliergehäuses und den Mantelflächen der nichtlinearen Widerstände auszuschließen, was zu einer Erhöhung der Betriebssicherheit dieser Einrichtung zum Überspannungsschutz führen wird.

Es ist auch ein Wechselstromüberspannungsableiter bekannt, bei dem ein Isoliergehäuse die nichtlinearen Widerstände dicht umschließt (DE-PS I63012O, die 1978 veröffentlicht wurde).

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Dieser Überspannungsableiter weist einen Stapel von Funkenstrecken auf, der mit einem Stapel von elektrisch miteinander in Keine geschalteten nichtlinearen Widerständen verbunden ist.

Der Stapel der Funkenstrecken und der Stapel der nichtlinearen Widerstände sind in einem aus Gießharz bestehenden Isoliergehäuse angeordnet, dabei sind die Mantelflächen der nichtlinearen Widerstände vom genannten Isoliergehäuse dicht umschlossen. Die nichtlinearen Widerstände sind aus einem Material mit Siliziumkarbidbasis hergestellt.

Im Normalbetrieb des Elektrizitätsnetzes isoliert der Stapel der Funkenstrecken die nichtlinearen Widerstände von der Spannungsquelle d.h. vom Elektrizitätsnetz. Beim Auftreten im Elektrizitätsnetz einer den Durchschlagsspannungswert des Stapels der Funkenstrecken überschreitenden Überspannung wird der Stapel der Funkenstrecken durchgeschlagen und er schließt dadurch die nichtlinearen Widerstände an das Elektrizitätsnetz an. Dank der Nichtlinearität der Widerstände führt der Durchfluß höher, durch die Überspannung hervorgerufener Ströme durch den überspannungsableiter zu keiner bedeutenden Spannungserhöhung an der Anschlußstelle des Überspannungsableiters an das Elektrizitätsnetz. Auf diese Weise wird die Überspannung an den parallel diesem Überspannungsableiter angeschlossenen Elektroausrüstungen begrenzt. Nach dem Aufhören der Überspannungswirkung auf das Elektrizitätsnetz erhöht sich der Widerstandswert der nichtlinearen V/ider-

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stände, und demzufolge unterbricht der Stapel der Funkenstrecken den industriefrequenten Folgestrom und behindert ferner an dessen Durchfluß durch diesen Überspannungsableiter.

Die Schutzwirkung dieses Uberspannungsableiters wird sowohl durch die Stromspannungscharakteristik der nichtlinearen Widerstände als auch durch die Durchschlagsspannungsgröße des Stapels der Funkenstrecken bestimmt.

Die dichte Umschließung der nichtlinearen Widerstände durch das Isoliergehäuse gewährleistet eine verbesserte Wärmeabführung von den nichtlinearen Widerständen, was zu einer Abkühlung der nichtlineareh Widerstände nach dem Ansprechen dieses Uberspannungsableiters beiträgt.

Ausgehend von Forderungen der Fertigungsgerechtheit und der mechanischen Festigkeit des Isoliergehäuses muß aber dessen Wanddicke genug groß sein. Eine relativ große Wanddicke des Isoliergehäuses erlaubt jedoch nicht, die Wärmeabführung von nichtlinearen Widerständen bedeutend zu verbessern. Das führt dazu, daß sich die Temperatur nichtlinearer Widerstände bei vielmaligen Auslösungen des uberspannungsableiters mit geringen Intervallen zwischen den einzelnen Auslösungen erhöht. Mit der Temperaturerhöhung nichtlinearer 'Widerstände nimmt der durch sie durchfließende Folgesbrom zu, was zu einem Durchschlag der nichtlinearen Widerstände führen kann, und das setzt seinerseits die Betriebssicherheit dieses uberspannungsableiters. .

Außerdem ist die Fertigung des Isoliergehäuses aus Gieß-

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harz mit bedeutenden technologischen Schwierigkeiten verbunden, die in der Herstellung teurer .freßformen komplizierter Bauart, dem Harzeinguß in sie, der Evakuierung des Harzes mit nachfolgender zeitdauernder Harzverhärtung bestehen.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in einer Verbesserung " der Betriebssicherheit der Einrichtung zum überspannungsschutz, einer Verminderung des Arbeitsaufwandes für ihre Herstellung und in der Verringerung der Abmessungen des Isoliergehäuses·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsableiter zu schaffen, bei dem das Isoliergehäuse aus einem Material hergestellt wird, das die Wärmeabführung von nichtlinearen Widerständen zu verbessern gestattet· .

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der bekannten Einrichtung zum Überspannungsschutz, d(ie der einen Stapel von elektrisch in Reihe miteinander geschalteten nichtlinearen Widerständen aufweist, der in einem die Mantelflächen der genannten nichtlinearen Widerstände dicht umschließenden Isoliergehäuse angeordnet ist; erfindiingsgemäss das Isolierger hause ^aus einem wärmeschrumpfbaren Material hergestellt ist.

Wie es bekannt ist, hat das wärmeschrumpfbare, eine Polymerkomposition darstellenden Material, das vorerst einer

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Radiationsbestrahlung und einer Ausdehnung ausgesetzt wird, bei seiner Erwärmung eine Fähigkeit zu einer nachfolgenden Umfangsverminderung des Außmaße um das 1,5 ♦ 2fache. Auf diese Weise umschließt das aus einem solchen Material hergestellte Isoliergehäuse der Einrichtung zum Überspannungsschutz dicht die Mantelflächen der nichtlinearen Widerstände. Da das wärmeschrumpfbare Material eine kleine, im Bereich 0,5 t- 1,5 nun liegende Dicke hat, hat auch das Isoliergehäuse eine kleine Dicke, was eine verbesserte War me abführung von den nichtiinearen Widerständen gewährleistet.

Außerdem erlaubt die kleine Dicke des wärmeschrumpfbaren Materials die Abmessungen des Isoliergehäuses zu verringern, was letzten Endes auch die Abmessungen der Einrichtung zum überspannungsschutz im ganzen verringert.

Bei der Herstellung des Isoliergehäuses einer Einrichtung zum Überspannungsschutz können die von Spezialbetrieben lieferbaren Rohre aus einem wärmeschrumpfbaren Material verwendet werden; dabei wird der Herstellungsvorgang des Isoliergehäuses auf den einfachen Arbeitsvorgang der Erwärmung des Rohres aus einem wärmeschrumpfbaren Material mit Unterbringung im Innern dieses Rohres der nichtlinearen Widerstände reduziert.

Es ist zweckmäßig,.als wärmeschrumpfbares Material wärmeschrumpfbares Polyäthylen zu verwenden.

Unter den bekannten wärmeschrumpfbaren Materialien ist wärmeschrumpfbares Polyäthylen am billigsten.

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Außerdem erfordert wärmeschrumpfbares Polyäthylen eine relativ niedrige, im Bereich I30 bis 150⁰G liegende Temperatur aer Wärmesehrumfpung, was gestattet es, die Herstellungstechnologie des Isoliergehäuses zu vereinfachen·

Wenn man beabsichtigt, die Einrichtung zum Überspannungsschutz im dreien zu verwenden, ist es zweckmäßig, als wärmeschrumpfbares Material wärme schrumpf barer fluor kunsts"Dorr zu verwenden, da wärmeschrumpf barer Jb'luorkunststoff zu den wärme schrumpf bar en Materialien gehört, die eine erhöhte Festigkeit gegen Oberflächenentladungen und Niederschläge besitzt.

Ausführungsbeispiel

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

.Fig. 1 eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters im Längsschnitt;

Fig. 2 einen nichtlinearen Widerstand im Längsschnitt;

Fig. 3 einen Anschluß und zwei hintereinandergeschaltete und von einem Isoliergehäuse dicht umschlossene nichtlineare Widerstände;

Fig. 4 eine Rinne mit Spannvorrichtungen, in der ein aufgeblasenes Rohr aus einem wärmeschrumpfbaren Material angeordnet ist; im Innern des Rohres ist ein von beiden Enden mit den Spannvorrichtungen vorgespannter Stapel von nichtlinearen Widerständen und Anschlüssen angeordnet; Fig. 5 ein die Mantelflächen nichtlinearer Widerstände

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dicht umschließendes Eohr aus einem wärme schrumpfbar en Material; dabei umschließen die freien Rohrenden teilweise die äußeren Stirnflächen der genannten Anschlüsse;

Fig. 6 die Realisierung der Umschließung der äußeren Stirnflächen der Anschlüsse mit den freien Enden des Rohres aus einem wärme schrumpf bar en Material.

Die Einrichtung zum Überspannungsschutz (Jj'ig. 1) weist ein Isoliergehäuse 1 auf, in dessen Innern ein Anschluß 2 und ein Anschluß 3 vorhanden sind, zwischen den Anschlüssen 2 und 3 sind elektrisch in Reihe zu einem Stapel miteinander geschaltete nichtlineare Widerstände 4 angeordnet.

Das Isoliergehäuse 1 umschließt dicht die Mantelflächen der nichtlinearen Widerstände 4, sowie die Mantel- und teilweise äußeren Stirnflächen der Anschlüsse 2 und 3·

Die Anschlüsse 2 und 3 haben Gewindelöcher 5 bzw. 6, die zum Anschließen der Einrichtung zum Überspannungsschutz an das Außennetz dienen.

Die Anschlüsse 2 und 3 sind als Metallscheiben ausgeführt. Jeder nichtlineare Widerstand 4 (Fig. 2) weist als sein aktives Element einen Körper 14 auf, der als Scheibe aus keramischem Material auf Zinkoxidbasis ausgeführt ist.

Auf den Stirnflächen des Körpers 7 des nichtlinearen Widerstandes 4 sind leitfähige Elektrodenüoerzüge 15.

Wie es aus ii'ig. 3 zu sehen ist, stehen zwei hintereinander angeordnete nichtlineare Widerstände 4 in Kontakt untereinander mittels der leitfähigen überzüge 15. Dementsprechend stehen auch alle übrigen nichtlinearen Widerstände 4 in Kontakt untereinander mittels der leitfähigen ÜberzUgew 15-

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Außerdem, wie es auch aus i?'ig. 3 zu sehen isc, kontaktiert der Anschluß 2 Kontakt mit dem leiträhigen Überzug 15 des unter dem Anschluß 2 angeordneten nichtlinearen Widerstandes 4. Dementsprechena kontaktiert auch der Anschluß 3 mit dem leiträhigen Überzug 15 des über ihm angeordneten nichtlinearen Widerstandes 4 gemäß Jj'ig. 1.

Der Durchmesser der Anschlüsse 2 und 3 und der nichtlinearen Widerstände 4 sind gleich groß und betragen zum .Beispiel 28,mm. Das Isoliergehäuse 1 ist aus wärmeschrumpfbarem Material hergestellt, als weilches das wärmeschrumpfbare Polyäthylen gemäß dieser Ausführungsform der -Erfindung verwendet wird.

Die Figuren 4, 5 und 6 stellen die Ausführung des Isoliergehäuses 1 aus einem aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen hergestellten Kohr dar.

Dieses Bohr aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen hat eine Wanddicke von 1,5 nun und einen Innendurchmesser, der um 20-40 % kleiner als die iAirchmesser der nicntlinearen Widerstände 4 und der Anschlüsse 2 und 3 ist.

So liegt in diesem ü'alle der Innendurchmesser des Rohres aus wärme schrumpfbarem Polyäthylen im .bereich von 18 bis 24 mm.

Die Länge des ßohres aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen is"G etwas größer als die Länge der in Heihe hintereinander angeordneten Anschlusses 2, nichtlinearen Widerstände 4 und Anschlusses 3 gemäß i'ig. 1.

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Zuerst wird das Rohr aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen einer Radiationsbestrahlung ausgesetzt und dann ausgeblasen ; dabei wird der Innendurchmesser aes Rohres aus wärmeschrumpf barem Polyäthylen nach dessen Aurolasen um 20 * 40 % größer als der Durchmesser jeaes nichtlinearen Widerstandes 4. In vorliegendem Fall liegt der Durchmesser des Rohres aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen nach dessen Aufblähen im Bereich von 33 bis 42 mm. Danach wird das in Fig. 4 mit 7 bezeichnete aufgeblasene Rohr aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen in die Rinne 8 gelegt, die zwei Spannvorrichtungen 9 aufweist.

In das aufgeblasene Rohr 7 aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen wird ein Stapel der in Reihe hintereinander angeordneten Anschlusses 1, nichtlinearen Widerstände 4 und Anschlusses 3 iⁿ &^ex iⁿ Fig. 1 dargestellten Reihenfolge eingesetzt. Der Stapel der genannten Teile wird von beiden Enden mittels Spannvorrichtungen 9 vorgespannt.

Ferner wird das Rohr 7 aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen durch Umblasung mit der eine Temperatur I30 bis 1^0⁰C besitzenden Heißluft erwärmt, wodurch das Rohr 9 aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen zusammenschrumpft und die Mantelflächen der nichtlinearen Widerstände 4, der Anschlüsse 2 und 3 dicht umschließt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei umschließen die freien Enden 10 und 11 des Rohres 7 aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen beim Einschrumpfen teilweise die äußeren Stirnflächen der Anschlüsse 2 und 3.

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Danach, wird, wie es in Fig· 6 dargestellt ist, die Platte 12 an die äußere Stirnfläche des Anschlusses 2 und die Platte 13 an die äußere Stirnfläche des Anschlusses 3 angedrückt. Die Platten 12 und 13 werden vorher bis auf 130 ♦ 150 ⁰O erwärmt.

Infolgedessen werden die freien Enden 10 und 11 des Rohres 9 aus wärmeschrumpfbarem. Polyäthylen vollständig an die äußeren Stirnflächen der genannten Anschlüsse 2 und 3 angedrückt (Fig. 6).

Während des Einschrumpfen des Rohres 9 aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen und als Ergebnis des Andrückens dessen Enden 10 und 11 an die Stirnflächen der Anschlüsse 2 und 3 entstehen Längskräfte, die die nichtlinearen Widerstände 4 aneinander und die Anschlüsse 2 und 3 an die entsprechenden nichtlinearen Widerstände 4 andrücken. Dadurch wird ein guter elektrischer .kontakt zwischen den genannten Teilen gewährleistet, der im Laufe der gesamten Betriebslebensdauer dieser Einrichtung zum Überspannungsschutz aufrechterhalten wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist das isoiiergehäuse 1 aus wärmeschrumpfbarem Fluorkunststoff hergestellt. Zur Ausführung des Isoliergehäuses 1 wird ein Rohr aus wärmeschrumpfbarem Fluorkunststoff verwendet.

Die Ausführung des Isoliergehäuses 1 ist in diesem Fall analog dessen Ausführung aus wärmeschrumpbarem Polyäthylen mit dem einzigen Unterschied, daß das Einschrumpfen des

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des Rohres aus wärmeschrumpfbarem Fluorkunststoff bei einer im Bereich 250 bis 35O⁰G liegenden Temperatur geschieht·

Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind in einer deinen Stapel der Funkenstrecken aufweisenden Einrichtung zum Überspannungsschutz realisiert.

Die Erfindung kann jedoch mit Erfolg auch bei. einer Funkenstrecken aufweisenden Einrichtung realisiert werden·

Man muß verstehen, daß die oben beschriebenen und in der Zeichnung gezeigten Ausführungsformen der Erfindung nur mögliche bevorzugte Varianten deren Ausführung darstellen und daß deren verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind·

So können die Höhen der nichtlinearen Widerstände bei deren Herstellung in einem bestimmten Bereich variieren· Bei der Notwendigkeit einer Einhaltung der vorgegebenen Länge der Einrichtung zum überspannungsschutz werden deshalb Zwischenlagen aus einem leitenden Material zwischen die einzelnen nichtlinearen Widerstände eingesetzt, die eine gleiche Form wie die nichtlinearen Widerstände haben und auch dicht vom Isoliergehäuse umschlossen sind.

Außer der oben beschriebenen Ausführungsform der nichtlinearen Widerstände und der Anschlüsse mit der Kundform können die genannten Teile auch oval sein, was zur besseren Wärmeabführung von_#den nichtlinearen Widerständen beiträgt·

Claims (3)

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   PATENTANSPRÜCHE: .

   1. Einrichtung zum Überspannungsschutz, die einen Stapel von elektrisch in Reihe miteinander geschalteten nichtlinearen Widerständen aufweist, der in einem die Mantelflächen der genannten nichtlinearen Widerstände dicht umschließenden Isoliergehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliergehäuse (1) aus einem wärmeschrumpfbaren Material hergestellt ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als warmeschrumpfbares Material warmeschrumpfbares Polyäthylen verwendet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als warmeschrumpfbares Material wärmeschrumpfbarer ü'luorkunststoff verwendet ist.

   Hierzu ZlSeilen Zeichnungen