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Die
Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit Käfig-Design,
wie er beispielsweise aus der
DE 10 2006 003 576 A1 bekannt ist. Überspannungsableiter
werden bei Stromversorgungssystemen zwischen stromführenden
Leitungen und Masse geschaltet, um im Fall einer Überspannung
in der Leitung diese zur Masse abzuleiten und so andere Bauteile
des Stromnetzes zu schützen. Ein derartiger Überspannungsableiter
enthält einen Stapel aus Varistorblöcken, der
zwischen zwei Anschlusselementen bzw. Endarmaturen gehalten ist.
Diese Anordnung wird in einem Gehäuse aufgenommen.
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Um
sicherzustellen, dass auch bei mechanischer Belastung die Varistorblöcke
gut miteinander kontaktieren, ist es erforderlich, den Stapel unter Druck
zusammenzuhalten. Bei Überspannungsableitern mit Käfig-Design
erfolgt dies durch Verstärkungselemente, in der Regel Stäbe
oder Seile, vorzugsweise glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe (GFK-Stäbe),
die an beiden Endarmaturen unter Zug gehalten sind.
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Ein
Problem bei derartigen Überspannungsableitern besteht darin,
die Verstärkungselemente sicher an den Endarmaturen zu
befestigen, so dass auch bei mechanischer Beanspruchung, wie sie beim
Freien montierten Überspannungsableitern auftreten, die
nötige Festigkeit erhalten wird.
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In
der genannten deutschen Patentanmeldung wird dieses Problem dadurch
gelöst, dass in den Endarmaturen Durchgangslöcher
ausgebildet sind, durch die die glasfaserverstärkten Stäbe
laufen, wobei Keile die glasfaserverstärkten Stäbe
in Längsrichtung spalten und gegen die Außenwände
der Durchgangslöcher verspannen.
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Obwohl
auf diese Art ein preiswerter Überspannungsableiter hergestellt
werden kann, der auch in der Praxis eine ausgezeichnete Langzeithaltbarkeit
zeigt, bestehen doch Bedenken seitens der Fachkreise, dass durch
das Spalten der glasfaserverstärkten Stäbe sich
in diesen Risse entwickeln könnten, die sich über
einen größeren Abschnitt des Keils erstrecken.
Wenn ein solcher Riss mit der Bildung eines Hohlraums verbunden
ist, kann es in diesem Hohlraum zu Teilentladungen und zu einer
durch Funkenerosion bedingten Schwächung der glasfaserverstärkten
Stäbe kommen.
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Als
alternative Ausführungsform schlägt die oben genannte
Patentanmeldung vor, anstelle eines einzelnen Stabes zwei Halbrundstäbe
vorzusehen, und diese mit einem gemeinsamen Keil zu verspannen.
In diesem Fall bildet sich ein Zwischenabstand über die
gesamte Länge der Stäbe. Da dieser Zwischenabstand
hinreichend groß gestaltet werden kann, ist es möglich,
diesen Zwischenabstand beim Ausbilden des Außengehäuses
mit Silicon zu füllen.
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Das
Einbringen von zwei Halbrundstäben ist jedoch aufwendiger
und schwieriger.
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Angesichts
dieser Nachteile des Standes der Technik stellt sich die Erfindung
die Aufgabe, einen Überspannungsableiter mit Käfig-Design
bereitzustellen, bei dem die Stäbe durch Keile gehalten
werden, und bei dem es keine Schwierigkeiten durch eine Rissbildung
in den glasfaserverstärkten Stäben gibt, und der
einfach herzustellen ist.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch einen Überspannungsableiter nach Anspruch
1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen
sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen
bevorzugter Ausführungsformen kurz erläutert.
In den Figuren zeigen:
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1 eine
Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters;
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2 eine
Aufsicht auf eine Endarmatur des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters;
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3 eine
Schnittansicht durch einen in einer Endarmatur gehaltenen glasfaserverstärkten Kunststoffstapel;
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4 Sägeblatt
bzw. Trennblatt, wie es bei der Zubereitung der erfindungsgemäßen
glasfaserverstärkten Stäbe verwendet wird; und
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5 eine
Schnittansicht, die den mit einem Schlitz und einer Phase versehenen
glasfaserverstärkten Kunststoffstab zeigt.
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Der
in 1 gezeigte Überspannungsableiter mit
Käfig-Design enthält mindestens einen Varistorblock 1.
Als Varistorblöcke 1 können bekannte
Keramikscheiben mit einem spannungsabhängigen Widerstand
(variable resistor) verwendet werden. Bei niedrigen Spannungen arbeiten
sie als nahezu perfekte Isolatoren, während sie bei hoher
Spannung eine gute Leitfähigkeit haben. Handelsübliche
Varistorblöcke werden auf Grundlage von Zinkoxid (ZnO) hergestellt.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Zinkoxid-Überspannungsableiter
beschränkt, und auch andere Metalloxide und auch Siliziumcarbid können
beispielsweise für die Varistorblöcke verwendet
werden. Außerdem können zusätzlich zu
Varistorblöcken 1 noch weitere Blöcke,
etwa Metallblöcke oder Funkenstreckenblöcke in
dem Stapel enthalten sein, um so die Länge des Überspannungsableiters an
die Erfordernisse des jeweiligen Einsatzes anzupassen.
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Gängige
Varistorblöcke 1 sind als Kreiszylinder mit einem
Durchmesser von beispielsweise 5 cm und einer Höhe von
etwa 4 cm ausgebildet. An beiden Seiten der Varistorblöcke 1 sind
nicht detailliert gezeigte Aluminiumelektroden aufgebracht, um eine bessere
Kontaktierung sicherzustellen. Auch ist es üblich, zwischen
die Varistorblöcke 1 zur weiteren Verbesserung
der Kontaktierung ebenfalls nicht gezeigte dünne Aluminiumscheiben
oder auch Federelemente zu legen.
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Ein
durch Aufeinanderstapeln derartiger Varistorblöcke 1 und
eventueller Metallblöcke gebildeter Stapel ist bei dem
in 1 gezeigten Überspannungsableiter zwischen
zwei Endarmaturen 3 gehalten. Die Endarmaturen 3 sind üblicherweise
aus Aluminium oder Edelstahl gebildet und derart ausgestaltet, dass
sie leicht in bestehende elektrische Installationen bzw. Stromversorgungsnetze
eingebunden werden können, beispielsweise durch eine aus
dem Überspannungsableiter herausragende zentrale Schraube 4,
die elektrisch mit den Varistorblöcken 1 gut kontaktiert.
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Zum
Schutz gegenüber der Umwelt werden diese Überspannungsableiter
mit einem Außengehäuse 5, oft aus Silikon,
umgeben. Das Außengehäuse 5 kann durch
Spritzen oder Gießen gebildet werden.
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Zur
Vergrößerung des Kriechwegs des Stroms sind an
der Außenseite des Außengehäuses 5 Schirme 7 ausgebildet.
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Überspannungsableiter
sind, wenn sie in der freien Umgebung verwendet werden, aufgrund
der Kraftübertragung durch die mit ihnen verbundenen elektrischen
Leitungen erheblichen Biegemomenten ausgesetzt. Es ist daher erforderlich
sicherzustellen, dass auch bei größeren mechanischen
Beanspruchungen die Kontaktierung der Varistorblöcke 1 untereinander
und zu den Endarmaturen beibehalten und ein Kantenbruch der Varistorblöcke
durch ein inneres Verkannten zweier benachbarter Varistorblöcke
vermieden wird. Um dies zu erreichen, werden glasfaserverstärkte
Kunststoffstäbe oder Seile 9 als Verstärkungselemente
zwischen den beiden Endarmaturen 3 eingespannt. Diese halten
die Varistorblöcke 1 zwischen den beiden Endarmaturen 3 unter Zugbeanspruchung
zusammen. Des Weiteren werden gelegentlich noch Federelemente in
den Stapel der Varistorblöcke 1 eingefügt,
um so auch bei Temperaturschwankungen oder ähnlichem die
Kontaktierung zu sichern.
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Im
Folgenden werden die Verankerungselemente als Stäbe 9 bezeichnet,
ohne dass hierin eine Beschränkung der Erfindung zu sehen
wäre.
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2 zeigt
eine Aufsicht auf eine Endarmatur eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters.
Die Endarmatur 3 ist im Wesentlichen als kreis-zylindrischer
Block ausgebildet, dessen Durchmesser größer als
der der Varistorblöcke ist. In dem radialen Bereich der
Endarmatur, der über die Varistorblöcke hinausragt
sind entlang des Umfangs der Endarmatur in Staplerichtung verlaufende
Durchgangslöcher 11 ausgebildet. In der Mitte
der Endarmatur in ein weiteres mittleres Durchgangsloch 25 für die
zentrale Schraube 4, vorzugweise mit einem Innengewinde,
ausgebildet.
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Die
Durchgangslöcher 11 weichen zumindest in einem
Teilabschnitt im Querschnitt von der Kreisform ab, vorzugsweise
sind sie in Tangenten-Richtung auf der den Varistorblöcken
abgewandten Seite der Endarmatur geweitet.
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In
der gezeigten Ausführungsform sind acht Durchgangslöcher 11 gezeigt,
aber auch jede andre Anzahl ist möglich, etwa drei oder
vier Durchgangslöcher 11.
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Die
Endarmatur 3 weist zusätzlich zumindest ein zweites
Durchgangsloch 15 auf. Dieses zweite Durchgangsloch 15,
in dem kein Verstärkungselement aufgenommen wird, dient
als Durchflussverbindung zwischen den beiden Seiten der Endarmatur 3 während
des Ausbildens des Außengehäuses durch Spritzen
oder Gießen.
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Außerdem
ist bei der gezeigten Endarmatur 3 die dem Stapel der Varistorblöcke 1 abgewandte Seite
der Endarmatur 3 mit einer unlaufenden Nut oder Rille 17 versehen,
in der die ersten und zweiten Durchgangslöcher 11 und 15 münden.
Die Nut 17 wird von einem vorspringenden äußeren
Rand 19 und einem inneren Rand 21 begrenzt.
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Um
zu verhindern, dass von außen durch eines der Durchgangslöcher 11 Feuchtigkeit
in das Innere des Überspannungsableiters eindringt, ist
es erforderlich Maßnahmen zu ergreifen, um die Durchgangslöcher 11 gegen
Wasser zu versiegeln. Beim Herstellungsverfahren des Außengehäuses
werden die zweiten Durchgangslöcher 15 vorzugsweise
genutzt, damit Außengehäusematerial in die Nut 17 fließen
kann, um die ersten Durchgangslöcher 11 von oben
zu versiegeln.
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Wie
in 3 zu sehen ist, ist in dem Durchgangsloch 11 ein
Verstärkungselement bzw. ein glasfaserverstärkter
Kunststoffsttab 9 untergebracht, das mit einem Keil 13 gegen
die Seitenwände des Durchgangsloches 11 verspannt
ist.
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Der
Keil ist in seinen Abmessungen so gestaltet, dass, wie in 2 zu
sehen ist, zwischen dem Keil 13 und der Begrenzungswand
des Durchgangsloches 11 in dem Bereich des Keils 13 ein
Leerraum verbleibt, durch den beim Herstellungsverfahren das Außengehäusematerial
fließen kann.
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Erfindungsgemäß wird
das Verstärkungselement 9 durch den Keil 13 nicht
gespalten, sondern es wird vor dem Eintreiben des Keils 13 ein
Schlitz 23 in das Verstärkungselement 9 geschnitten
bzw. gesägt. Hierzu wird vorzugsweise ein Sägeblatt
verwendet, wie es detailliert in 4 zu sehen
ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Bauweise der Endarmaturen 3 mit
ihren Durchgangslöchern 11 im Zusammenwirken mit
dem Keil 13 und den glasfaserverstärkten Stäben 9 wird
erreicht, dass die beiden Seiten des glasfaserverstärkten
Stabes 9 im Bereich, in dem dieser mit einem Schlitz 23 versehen
ist, fest gegen schräg verlaufenden Seitenwände
eines konischen Abschnitts des Durchgangslochs 11 gepresst wird.
Unter Zugbelastung der glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe 9 zieht
sich diese Keilverbindung immer weiter zu und hält den
Glasfaserverstärkten Stab kraftschlüssig in dem
Durchgangsloch 11 der Endarmatur 3. Versuche haben
gezeigt, dass auf diese Art eine Befestigung der glasfaserverstärkten Stäbe 9 in den
Endarmaturen 3 möglich ist, die einen sicheren Halt
bis zur Zerreißgrenze der glasfaserverstärkten Stäbe 9 gewährleistet.
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Um
die Verbindung zwischen dem Keil 13 und den glasfaserverstärkten
Stäben 9 zu erhöhen ist es möglich,
auf den Keilflächen des Keils 13 Schneidkanten
senkrecht zur Stabrichtung des glasfaserverstärkten Kunststoffstabs 9 auszubilden,
die in den glasfaserverstärkten Kunststoffsstab 9 bei
Belastung einschneiden.
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In 4 ist
eine Diamant-Trennscheibe gezeigt, die an ihrem Außenumfang
gerundet ist, so dass der tiefste Teil des Schlitzes 23 eine
abgerundete Form erhält, wie es in 3 gezeigt
ist. Auf diese Art wird verhindert, dass sich der Schlitz 23 weiter durch
den glasfaserverstärkten Kunststoffstab 9, der als
Verstärkungselement eingesetzt wird, ausbreitet. Um eine
definierte Tiefe des Schlitzes 23 zu erreichen, ist die
Trennscheibe mit einer Schulter 27 versehen. Diese Schulter 27 ist
vorzugsweise mit einem Winkel von ca. 45° ausgebildet und
ebenfalls als Schneidwerkzeug ausgeführt, so dass sich
beim Einbringen des Schlitzes 23 in den Spalt 9 gleichzeitig an
dessen Ende eine Phase ausbildet.
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5 zeigt
im Schnitt detailliert den mit dem Schlitz 23 und der Phase
versehenen glasfaserverstärkten Kunststoffstab 9.
Der glasfaserverstärkten Kunststoffstab 9 hat
beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt und einen
Durchmesser von ca. 10 mm. Der Schlitz 23 wird bei einem
derartigen glasfaserverstärkten Kunststoffstab 9 auf
eine Tiefe von etwa 50 mm und mit einer Breite von 1,2 mm eingebracht.
Die Phase an seinem Ende erleichtert das Ansetzen des Keils 13 bei
der Montage.
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Durch
das Vorbereiten der glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe 9 auf
diese Art ist es möglich, sicher zu verhindern, dass sich
Risse in dem glasfaserverstärkten Kunststoffstab 9 bilden.
Erfindungsgemäß wird der Keil 13 nicht
bis zum Ende des Schlitzes 23 hineingetrieben, so dass zwischen
dem Ende des Keils 13 und dem Ende des Schlitzes 23 noch
ein Zwischenraum verbleibt, wie dies in 3 gezeigt
ist. Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird
das Außengehäusematerial, vorzugsweise niederviskoses
Silicon, zwischen dem Keil 13 und den Begrenzungswänden
des Durchgangsloches 11 vorbeifließen, und diesen
Zwischenraum füllen.
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In 3 ist
darüber hinaus auch zu erkennen, dass die Endarmatur 3 im
Bereich der Durchgangslöcher 11 auf der den Varistorblöcken 1 zugewandten
Seite ebenfalls eine Phase aufweist. Das heißt, die Durchgangslöcher 11 sind
auf der den Varistorblöcken 1 zugewandten Seite
der Endarmatur 3 konisch ausgebildet. Auf diese Art kann
bei der Herstellung das Außengehäusematerial,
vorzugsweise niederviskoses Silicon, auch in diesem Bereich und in
das Durchgangsloch 11 eindringen, und so den Stab nach
dem Aushärten fest umgeben.
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Durch
diese Maßnahmen, nämlich durch das Ausbilden eines
Schlitzes 23 mit einem abgerundeten Boden in dem glasfaserverstärkten
Kunststoffstab 9, durch das Verfüllen des Zwischenraums
zwischen dem Keil 13 und dem Boden des Schlitzes 23 mit
Außengehäusematerial bzw. Silicon, und durch Umgeben
des glasfaserverstärkten Kunststoffstabes im Bereich des
Austritts aus dem Durchgangsloch 11 mit dem Außengehäusematerial
bzw. Silikon kann sicher die Ausbreitung von Rissen in dem glasfaserverstärkten
Kunststoffstab verhindert werden.
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Obwohl
bei der bevorzugten Ausführungsform der glasfaserverstärkte
Kunststoffstab 9 einen kreisförmigen Querschnitt
hat, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Andere
Querschnitte, oval oder polygonal, sind möglich. Obwohl
bei der bevorzugten Ausführungsform zweite Durchgangslöcher 15 und die
Nut 17 in der Endarmatur 3 vorhanden sind, ist die
Erfindung auch nicht dadurch beschränkt, und es ist möglich,
die Durchgangslöcher 11 separat von Außen
mit Außengehäusematerial zu füllen.
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Obwohl
erfindungsgemäß der Schlitz 23 mittel
einer Trennscheibe mit gerundeter Kante in den glasfaserverstärkten
Kunststoffstab 9 eingebracht wird, ist die Erfindung auch
hierauf nicht beschränkt. In gleicher Weise könnte
eine Stichsäge oder ein anderes geeignetes Werkzeug verwendet
werden, das es ermöglicht, einen Schlitz 23 mit
gerundetem Boden in den glasfaserverstärkten Kunststoffstab
auszubilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006003576
A1 [0001]