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Die Erfindung betrifft eine Isolatoranordnung mit einem ersten und einem zweiten Anschlagpunkt, welche beabstandet zueinander an einem einen elektrische Eigenschaften beeinflussenden Zuschlagstoff aufweisenden Isolierkörper angeordnet sind.
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Eine derartige Isolatoranordnung ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 693 07 788 T2 bekannt. Dort ist ein stabförmiger Abstandshalter beschrieben, welcher einen Harzkörper mit Aluminiumoxid als Füllmaterial aufweist. Zusätzlich ist die Oberfläche des Harzkörpers durch Aufdampfen oder Sputtern mit einem Dünnfilm aus Metallteilchen versehen. Durch den Dünnfilm wird eine Tendenz zu Ladungsansammlungen auf der Oberfläche des bekannten Abstandhalters verringert.
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Es ist zu befürchten, dass sich auf der Oberfläche Kriechstrompfade ausbilden, die zu Verlusten führen. Weiter ist fraglich, ob eine ausreichende Langzeitstabilität derartiger Isolatoranordnungen gegeben ist.
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Insofern ist es Aufgabe der Erfindung, eine Isolatoranordnung anzugeben, welche eine Ladungsansammlung auf einer Oberfläche begrenzt und eine zuverlässige Langzeitstabilität aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Isolatoranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Zuschlagstoff Varistoren, insbesondere Mikrovaristoren, aufweist.
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Ein Versetzen eines Isolierkörpers mit einem Varistoren enthaltenden Zuschlagstoff ermöglicht, ein Auftreten von Ableitströmen an der Isolatoranordnung vorübergehend zuzulassen. Varistoren weisen die Eigenschaft auf, dass bei einem Überschreiten einer Schwellspannung, deren elektrischer Widerstand deutlich reduziert wird. Bei einem Unterschreiten der Schwellspannung erhöht sich der elektrische Widerstand und tendiert gegen unendlich. Dieser Vorgang ist reversibel, so dass über einen Varistor in Abhängigkeit einer zwischen den Anschlagpunkten anliegenden Spannung ein Ableitstrompfad an dem Isolierkörper bedarfsweise ausgebildet werden kann oder unterdrückt wird. Insbesondere bei einer Belastung durch Gleichspannung im Hochspannungsbereich kann so eine unerwünschte Ladungsträgeransammlung auf einer Oberfläche abgebaut werden.
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Somit kann man davon ausgehen, dass im regulären Betriebsfall, d. h., die zwischen den Anschlagpunkten liegende Spannung liegt unterhalb der Schwellspannung der Varistoren des Zuschlagstoffes, die Isolatoranordnung ein nahezu ideales Isolierverhalten aufweist. Wohingegen bei einem Überschreiten der Schwellspannung zwischen den Anschlagpunkten des Isolierkörpers ein niederohmiger Ableitstrompfad vorliegt. Die Anschlagspunkte sind dazu vorteilhaft mit dem Mantel elektrisch leitend kontaktiert. Der Ableitstrompfad weist einen ringförmig in sich geschlossenen Querschnitt auf, welcher von dem Kern durchsetzt ist.
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Der Einsatz von Mikrovaristoren ermöglicht es, statt der Verwendung eines diskreten Varistorbauelementes eine Vielzahl von, beispielsweise als Granulat vorliegenden Varistoren bei der Fertigung des Isolierkörpers in diesen einzubringen und so einen Pfad an dem Isolierkörper auszubilden, welcher spannungsabhängig schaltbar ist. Der Zuschlagstoff kann ausschließlich Varistoren enthalten. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, als Zuschlagstoff Varistoren in einem Gemisch mit weiteren Elementen einzusetzen. Der Mantel kann eine gegenüber dem Kern erhöhte elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so dass Oberflächenladungen von dem Isolierkörper auch im hochohmigen Zustand der Varistoren abfließen können. Der Mantel kann den Kern vollständig umgreifen, wobei der Mantel mit den eingelagerten Varistoren eine homogene Struktur aufweist.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Varistoren gekörnt gemahlene Varistoren sind.
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Zur Erzielung eines möglichst homogenen Isolierkörpers ist es vorteilhaft, die Varistoren in einem Mahlprozess zu einem feinkörnigen Pulver zu zermahlen, so dass dieses Pulver möglichst einschlussfrei in den Isolierkörper integriert werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Varistoren in einer Mantelschicht, einen Kern des Isolierkörpers umgebend, angeordnet sind.
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Nutzt man einen Kern des Isolators, welcher möglichst frei von dem Zuschlagstoff gehalten ist, ergibt sich um den Kern herum ein Mantel, welcher mit dem Varistoren enthaltenden Zuschlagstoff versehen ist. Dadurch ist der Mantel im Falle eines Durchschaltens eines Ableitstrompfades durch die Varistoren zur Führung eines Stromes geeignet. Durch eine Lenkung und Leitung des Stromes in einem Mantel, kann auftretende Stromwärme relativ leicht aus der Isolatoranordnung herausgeleitet werden, wobei der Kern der Isolatoranordnung von einer Stromführung befreit ist. Der Kern weist einen wesentlich höheren Widerstand auf als der Mantel mit den Varistoren im niederohmig durchgeschalteten Zustand. Je nach Betrag des zu tragenden Ableitstromes kann die Wandstärke des Mantels variieren, um einen ausrechenden Querschnitt zur Stromleitung zur Verfügung zu stellen. Die Varistoren sollten homogen im Mantel verteilt angeordnet sein, so dass ein in sich geschlossen ringförmig um den Kern umlaufender Querschnitt zur Stromleitung vorliegt.
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Selbst bei einem Auftreten von höheren Strömen im Mantel, die gegebenenfalls zu einer Schwächung der Struktur des Mantels des Isolierkörpers führen, bleibt der Kern frei von derartigen Schwächungen, so dass die Stützwirkung der Isolatoranordnung durch den Kern gewährleistet bleibt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass die Varistoren in einer Bindemittelschicht eingebettet auf dem Kern liegen.
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Nutzt man einen Kern, auf welchen eine Bindemittelschicht aufgebracht ist, in welcher die Varistoren eingebettet sind, ist es möglich, je nach zu erwartenden Belastungen der Isolatoranordnung verschiedene Verfahren zur Aufbringung der eingebetteten Varistoren zu verwenden. Dabei stellt der Kern eine diskrete Baugruppe dar, welche verschieden ist von der Bindemittelschicht des Mantels, so dass sich zwischen Kern und Mantel ein Fügespalt einstellt. Der Fügespalt sollte möglichst frei von Fremdeinschlüssen sein, so dass der Isolierkörper möglichst resistent gegenüber Teilentladungen ist. Der Kern wirkt dabei als winkelstarres Element, welches die Gesamtanordnung mechanisch stabilisiert. So ist es beispielsweise möglich, auf den Kern einen elastischen Formkörper aufzuschieben, so dass in den Formkörper eingebettete Varistoren um den Kern herum einen Mantel ausbilden, welcher ein spannungsabhängiges Widerstandsverhalten aufweist. Das Bindemittel kann elektrisch isolierend wirken. Dabei sollte der Mantel auch bei hochohmigen Verhalten der Varistoren eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen als der Kern.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass der Kern ein winkelstarrer Kern, insbesondere ein Faserkunststoffkern ist.
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Ein winkelstarrer Kern bildet die innere Struktur des Isolierkörpers aus, welcher eine mechanisch belastbare Konstruktion darstellt. Für den winkelstarren Kern kommen verschiedenartige ausreichend winkelstarre Isoliermaterialien, wie beispielsweise Keramiken oder Kunststoffe infrage. Besonders vorteilhaft ist es, einen Faserkunststoffkern einzusetzen, welcher neben einer hohen mechanischen Steifigkeit auch eine ausreichende Elastizität aufweist, so dass bei einem Auftreten von mechanischen Belastungen kein unmittelbares Zerstören des Kernes zu erwarten ist. Insbesondere bei Lastwechselreaktionen ist dieses Verhalten erwünscht. Die Fasern eines Faserkunststoffkernes sollten derart kurz ausgeführt sein, dass sich keine Faserketten innerhalb des Kernes ausbilden können.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Kern mit einem Anschlagpunkt winkelstarr verbunden und mit einer Schirmelektrode versehen ist.
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Eine winkelstarre Verbindung des Kernes mit zumindest einem, insbesondere beiden Anschlagpunkten ermöglicht es, an den Anschlagpunkten auftretende Kräfte über den Kern zu verteilen und fortzuleiten. Integriert man nunmehr eine Schirmelektrode in den Kern, kann eine dielektrische Schirmung des Bereiches erfolgen, in welchem eine Verbindung zwischen dem Anschlagpunkt und dem Kern vorgesehen ist. Insbesondere kann in diesem Bereich ein feldfreier Raum erzeugt werden, so dass auch hier ein Entstehen von Teilentladungen nicht zu befürchten ist. Die Schirmelektrode kann beispielsweise eine kalottenartige Struktur aufweisen, welche gegebenenfalls gemeinsam mit einem umgebenden Behälter eine Schirmung des jeweiligen Anschlagpunktes bewirkt. Die Schirmelektrode kann von dem Kern ummantelt sein.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Isolierkörper innerhalb eines mit elektrisch isolierendem Gas gefüllten Behälters angeordnet ist und einen Phasenleiter an dem Behälter abstützt.
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Im Hochspannungsbereich ist es vorteilhaft zur Reduzierung einer räumlichen Ausdehnung von Elektroenergieübertragungsanlagen Behälter vorzusehen, welche mit einem elektrisch isolierenden Gas befüllt sind, wobei dieses Gas unter erhöhten Druck gesetzt wird. Damit wird die Isolationsfestigkeit des Gases zusätzlich erhöht und im Innern des Behälters angeordnete Phasenleiter sind zuverlässig isoliert. Der Behälter kapselt das Gas und verhindert ein unerwünschtes entweichen. Der Phasenleiter dient einer Führung eines von einer elektrischen Spannung geriebenen Stromes. Um eine Kontaktierung des Phasenleiters mit dem Behälter zu verhindern, stützt zumindest eine Isolatoranordnung den Phasenleiter an dem Behälter ab. Damit es möglich, eine Potentialdifferenz zwischen Phasenleiter und Behälter aufrechtzuerhalten. Zur Abstützung des Isolierkörpers an dem Phasenleiter sowie an dem Behälter sind die Anschlagpunkte vorgesehen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung kann vorsehen, dass mehrere Isolierkörper im Verlauf des Phasenleiters angeordnet sind und den Phasenleiter gemeinsam stützen.
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Die Verwendung mehrerer Isolierkörper ermöglicht, eine Abstützung des Phasenleiters mit einer erhöhten Stabilität vorzunehmen. Neben einer mechanischen Stabilisierung des Phasenleiters wird durch die Anordnung von Varistoren in dem Isolierkörper die Möglichkeit gegeben, längs des Phasenleiters verschiedene Ableitstrompfade vorzusehen, um im Falle einer Überspannung zwischen den Anschlagpunkten, d. h., zwischen dem Phasenleiter und dem Behälter einen Ableitstrom fließen zu lassen. Aufgrund der Vielzahl von Isolierkörpern ist es möglich, einen Ableitstrom auf eine entsprechende Vielzahl von elektrisch parallel geschalteten Ableitstrompfaden aufzuteilen. Damit können bei einer entsprechenden Anzahl von Isolierkörpern selbst Ableitströme größerer Dimensionen an den zur Halterung des Phasenleiters vorgesehenen Isolierkörpern abgeleitet werden.
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Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Isolatoranordnung anzugeben. Bei einem Verfahren zur Herstellung einer Isolatoranordnung mit einem ersten und einem zweiten Anschlagpunkt, welche beabstandet zueinander an einem einen elektrische Eigenschaften beeinflussenden Zuschlagstoff aufweisenden Isolierkörper angeordnet sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Zuschlagstoff Varistoren aufweist, die eingebettet in einer Masse auf einen winkelstarren Kern aufgetragen werden.
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Ein derartiges Verfahren ist relativ kostengünstig durchführbar, da ein winkelstarrer Kern, beispielsweise ein keramischer Kern, ein Kunststoffkern oder ein anderer geeigneter Kern an seiner Oberfläche leicht mit einer Beschichtung versehen werden kann. Beispielsweise kann mittels Spritzen, mittels Tauchen, mittels Vulkanisierens oder anderer geeigneter Schritte der winkelstarre Kern mit einem Mantel versehen werden, in welchem Varistoren eingebettet sind. Die Varistoren sind dabei in einer Masse eingebettet. Die Masse ist ein Bindemittel für die Varistoren. Die Masse kann elektrisch isolierend wirken. Je nach Bedarf kann die Schichtdicke der Masse auf dem winkelstarren Kern variieren, so dass ein mehr oder weniger großer Querschnitt im Mantel des Isolierkörpers gegeben ist, welcher dem Führen eines Ableitstromes dienen kann.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Masse auf den Kern extrudiert wird.
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Ein extrudieren der Masse ermöglicht, eine Vielzahl von Isolierkörpern mit einem annähernd gleichartigen Mantel zu beschichten. Darüber hinaus können auch Kerne größerer Dimension durch ein extrudieren mit einem homogenen Mantel ummantelt werden. Bei einem derartigen maschinellen Fertigen ist die Gefahr des Einschließens von Fremdkörpern zwischen dem Kern und dem Mantel reduziert.
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Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Kern ein rotationssymmetrischer Körper ist und die Masse mantelseitig auf den Kern aufgetragen wird.
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Ein rotationssymmetrischer Kern kann beispielsweise nach Art einer Säule oder nach Art einer Scheibe ausgestaltet sein. Ein mantelseitiges Beschichten ermöglicht, den Kern stirnseitig mit Anschlagpunkten zu versehen, wobei die Anschlagpunkte über den Isolierkörper elektrisch isoliert voneinander gehalten sind. Gleichzeitig kann durch ein mantelseitiges Beschichten des Kernes eine elektrische Kontaktierung der Anschlagpunkte mit dem Mantel erfolgen, so dass die Anschlagpunkte auch als Teil des Ableitstrompfades wirken können.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei zeigt die
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1 eine Isolatoranordnung und die
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2 ein Detail der in der 1 gezeigten Isolatoranordnung.
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Die 1 zeigt eine geschnittene druckgasisolierte Rohrleitung. Die druckgasisolierte Rohrleitung weist einen Behälter 1 auf. Der Behälter 1 weist eine rohrförmige Struktur auf und schließt in seinem Innern ein gegenüber der Umgebung unter erhöhtem Druck stehendes elektrisch isolierendes Gas ein. Das elektrisch isolierende Gas kann beispielsweise Schwefelhexafluorid sein. Der Behälter 1 kann beispielsweise aus elektrisch leitfähigen Materialien gefertigt sein, wobei der Behälter 1 Erdpotential führt. Der Behälter 1 ist koaxial zu einer Längsachse 2 ausgerichtet. Möglichst koaxial zu der Längsachse 2 jedoch zumindest annähernd parallel, ist zumindest ein Phasenleiter 3 im Innern des Behälters 1 angeordnet. Der Phasenleiter 3 dient einer Übertragung eines elektrischen Stromes, welcher beispielsweise von einer Gleich- oder Wechselspannung getrieben ist. Um den Phasenleiter 3 im Innern des Behälters elektrisch isoliert gegenüber dem Behälter 1 zu positionieren, sind mehrere Isolatoranordnungen 4a, 4b, 4c, 4d vorgesehen. Die Isolatoranordnungen 4a, 4b, 4c, 4d weisen jeweils Isolierkörper in so genannter Säulenform auf, welche stirnseitig mit Anschlagpunkten versehen sind, so dass einerseits eine Anlage an einer Innenwandung des Behälters 1 erfolgt und andererseits eine Abstützung des Phasenleiter 3 erfolgt. Über die Isolatoranordnungen 4a, 4b 4c, 4d ist der Phasenleiter 3 an dem Behälter 1 abgestützt.
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Eine Vielzahl von Isolatoranordnungen 4a, 4b, 4c, 4d, die im Wesentlichen baugleich ausgeführt sind, erstrecken sich längs der Achse 2. Jeder der Isolierkörper der Isolatoranordnungen 4a, 4b, 4c, 4d ist mit einem Kern und einem Mantel versehen, wobei im Mantel ein Zuschlagstoff angeordnet ist, welcher Varistoren aufweist. Entsprechend ist der Mantel der Isolierkörper in der Lage, zwischen dem Phasenleiter 3 und dem Behälter 1 in Abhängigkeit des Betrages der zwischen Phasenleiter 3 und Behälter 1 anstehenden elektrischen Spannung einen Ableitstrompfad auszubilden. Die auszubildenden Ableitstrompfade der Isolierkörper sind elektrisch parallel geschaltet, so dass längs der Längsachse 2 ein Ableitstrom aufgeteilt über die Isolierkörper der Isolatoranordnungen 4a, 4b, 4c, 4d abfließen kann.
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Die 2 zeigt exemplarisch einen Schnitt durch einen Isolierkörper einer Isolatoranordnung 4a. Der Schnitt liegt quer zu der in der 1 gezeigten Längsachse 2. Der Isolierkörper der Isolatoranordnung 4a weist einen Kern 5 auf. Vorliegend weist der Kern 5, ein faserverstärkter Kunststoffkern, eine säulenförmige, d. h., eine kreiszylindrische Struktur auf. Die Rotationsachse des eine kreiszylindrische Kontur aufweisenden Kernes 5 ist dabei im Wesentlichen lotrecht zur Längsachse 2 ausgerichtet. Stirnseitig sind an dem Kern 5 ein erster Anschlagpunkt 6 sowie ein zweiter Anschlagpunkt 7 vorgesehen, so dass eine elektrische Kontaktierung und mechanische Halterung des Isolierköpers ermöglicht ist. Der erste Anschlagpunkt 6 ist dabei mit einem Querschnitt ausgestattet, welcher dem Querschnitt des Kernes 5 entspricht. Der zweite Anschlagpunkt 7 ist mit einem Querschnitt ausgestattet, welcher größer ist als der Querschnitt des Kernes 5, so dass eine vorspringende Schulter zwischen dem Kern 5 und dem zweiten Anschlagpunkt 7 gebildet ist. Mantelseitig ist der Kern 5 von einem Mantel 8 umschlossen. Der Mantel 8 ist dabei derartig stark, dass dieser die zwischen dem zweiten Anschlagpunkt 7 und dem Kern 5 gebildete Schulter bündig auffüllt, wobei sich der Mantel 8 von der Schulter ausgehend in Richtung des ersten Anschlagpunktes 6 erstreckt. Der Mantel 8 umschließt den ersten Anschlagpunkt 6 mantelseitig und schließt stirnseitig bündig mit diesem ab. In dem Mantel 8 sind als Zuschlagstoff Varistoren 9 eingebettet, so dass um den elektrisch isolierenden Kern 5 herum ein Mantel 8 gebildet ist, welcher spannungsabhängig einen niederohmigen Strompfad zwischen dem ersten Anschlagpunkt 6 und dem zweiten Anschlagpunkt 7 ausbilden kann.
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In dem Phasenleiter 3 ist eine Ausnehmung vorgesehen, in welche formschlüssig der Isolierkörper mit seinem zweiten Anschlagpunkt 7 eingesteckt ist, so dass ein Verkippen von Phasenleiter 3 und Isolierkörper nicht möglich ist. Der Phasenleiter 3 kontaktiert den zweiten Anschlagpunkt 7 des Isolierkörpers.
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Der erste Anschlagpunkt 6 ist von einer Schirmelektrode 10 überspannt. Die Schirmelektrode 10 ragt in den Kern 5 hinein und bildet eine kalottenförmige Schirmhaube aus. An der Schirmelektrode 10 ist ein Stiel 10a angeordnet, welcher den ersten Anschlagpunkt 6 durchsetzt und elektrisch leitenden mit diesem verbunden ist. Der Stiel 10a ragt über den ersten Anschlagpunkt 6 hinaus und ist von einem Gleitlager 11 umgeben. Das Gleitlager 11 ist beispielsweise ein Kunststoffblock, beispielsweise aus PTFE, welcher an einer inneren Mantelfläche des Behälters 1 anliegt. Über das Gleitlager 11, an welchem der zweite Anschlagspunkt 6 anliegt, ist der Isolierkörper 4a am Behälter 1 abgestützt. Folglich ist auch der am zweiten Anschlagpunkt 7 befindliche Phasenleiter 3 an dem Isolierkörper 4a gestützt. Über dem Stiel 10a ist eine elektrische Kontaktierung der Schirmelektrode 10 mit dem Behälter 1 gegeben. Weiter ist der Stiel 10a mit dem ersten Anschlagpunkt 6 kontaktiert. Dadurch ist der Bereich des Gleitlagers 11 feldfrei gehalten, so dass dort ein Entstehen von Teilentladungen nicht zu befürchten ist.
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Im Falle einer Überspannung, die eine Schwellspannung der in dem Mantel 8 befindlichen Varistoren 9 überschreitet, kommt es zu Ausbildung eines niederohmigen elektrisch leitenden niederohmigen Strompfades zwischen dem Phasenleiter 3 und dem Behälter 1. Der Strompfad erstreckt sich dabei von dem Phasenleiter 3 über den zweiten Anschlagpunkt 7, den Mantel 8, den zweiten Anschlagpunkt 6 und den Stiel 10a der Schirmelektrode 10 bis zu dem Behälter 1. Nach einem Abklingen der Überspannung verlieren die Varistoren ihre leitfähigen Eigenschaften und kehren zu einem hochohmigen Verhalten zurück. Somit ist der Mantel 8 ein schaltbarer Ableitstrompfad, wobei der Ableitstrompfad in Abhängigkeit des Betrages einer zwischen den beiden Anschlagpunkten 6, 7 liegenden Spannung geschaltet wird.
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Zur Ausbildung eines Mantels 8 auf dem Kern 5 kann vorgesehen sein, dass der Mantel als elastischer Formkörper vorliegt, welcher auf den Kern 5 aufgezogen wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass ein Auftragen eines die Varistoren einbettenden Bindemittels durch Aufstreichen, Aufdampfen, extrudieren oder in einer anderen geeigneten Beschichtungsvariante erfolgt. Kern 5 und Mantel 8 sind relativ zueinander ortsfest angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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