DE102017214287A1

DE102017214287A1 - Überspannungsableiter und Herstellungsverfahren für einen Überspannungsableiter

Info

Publication number: DE102017214287A1
Application number: DE102017214287.1A
Authority: DE
Inventors: Henrik Roggow
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-08-16
Filing date: 2017-08-16
Publication date: 2019-02-21
Also published as: US10446296B2; US20190057797A1; WO2019034439A1; CN110998756A; EP3642854A1

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Überspannungsableiter mit einer mehrere Varistorscheiben aufweisenden Ableitersäule, die mit einem Glasfasermaterial stabilisiert ist, wobei das Glasfasermaterial mit einem Harz vorimprägniert ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Glasfasermaterial Glasfasern mit höchstens 8 µm Durchmesser aufweist.
Ferner ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren für einen Überspannungsableiter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter nach Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren für einen Überspannungsableiter nach Anspruch 8.
Überspannungsableiter werden im Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich eingesetzt, um sog. Überspannungen, also Spannungen weit oberhalb der im Betrieb vorgesehenen Nennspannungen, sicher zu Erde abzuleiten. Hierdurch werden Schäden an Betriebsmitteln wie z.B. Transformatoren vermieden. Beispielsweise kann ein Überspannungsableiter für Hochspannung an einer Freileitung angeordnet werden und bei Blitzeinschlag oder Kurzschluss unzulässig hohe Ströme zur Erde hin ableiten. Überspannungsableiter weisen im Wesentlichen ein Gehäuse und Metalloxid-Widerstände auf, sog. Varistoren. Varistoren sind 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 jeweiligen 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.
Das Gehäuse dient dem Schutz der Widerstände gegen äußere Einflüsse und mechanische Beanspruchungen. Unterschieden wird zwischen Porzellan- und Polymer-Geräten. Polymergehäuse bestehen üblicherweise aus unterschiedlichen Materialien. Versteifungselemente im Inneren sorgen für die benötigte mechanische Festigkeit. Verschiedene Ausführungen der Versteifungselemente sind üblich: GFK-Stäbe, GFK-Rohre oder harzgetränkte Glasfaserbänder oder -matten. Diese werden dann von einem weiteren Material, z.B. Silikon oder Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), überzogen, um einen Schutz gegen Umwelteinflüsse sicherzustellen.
Aus der Druckschrift EP1436819B1 ist ein gattungsgemäßer Überspannungsableiter bekannt. Der Überspannungsableiter ist für die Mittelspannungsebene vorgesehen und weist mehrere Varistorenblöcke auf, die zu einer Ableitsäule übereinander gestapelt sind. Die Ableitsäule wird mechanisch stabilisiert, in dem Sie mit einem vorimprägnierten Fasermaterial umwickelt wird. Das Fasermaterial ist als ein Gewebe ausgeführt, d.h. dass sich einzelne Fasern des Materials alternierend überkreuzen. Wenn das vorimprägnierte Fasermaterial ausgehärtet ist, wird ein herkömmliches Gehäuse aus Silikon mit Schirmen zur Verlängerung eines Kriechweges aufgebracht, z.B. durch ein Spritzgussverfahren.
Silikon ist durchlässig für Wasserdampf. Das führt im Betrieb dazu, dass ständig Wasserdampf in das Gehäuse hinein und aus dem Gehäuse heraus diffundieren kann. Angestautes Wasser kann zu Teilentladungen und/oder zur Erhöhung der Verlustleistung im Gerät führen. Beide Mechanismen verkürzen die Lebenszeit des Gerätes und führen zum vorzeitigen Ausfall. Besonders kritisch ist die Verhinderung des Eindringens von Feuchtigkeit bei Geräten, deren mechanische Verstärkung durch harzgetränkte Glasfaserbänder oder -matten hergestellt wird. Dieses Design wird auch als „Wrap“ bezeichnet. Im ersten Fertigungsschritt wird das Band oder die Matte um die Säule der Metalloxid-Widerstände gewickelt. Anschließend wird das umwickelte Aktivteil für eine definierte Zeit und bei einer definierten Temperatur (Herstellervorgabe für spezifisches Band, z.B. 3 h bei 150 °C) ausgehärtet. Dadurch wird die benötigte Festigkeit erreicht. Das ausgehärtete Aktivteil wird abschließend mit Silikon umgossen.
Ausgehend von dem bekannten Überspannungsableiter stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, einen Überspannungsableiter anzugeben, der vergleichsweise besonders witterungsbeständig, lange haltbar und kostengünstig herstellbar ist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von Glasfasern mit höchstens 8 µm Durchmesser ein besonders witterungsbeständiger und lange haltbarer Überspannungsableiter konstruiert werden kann. Das Problem des Ansammelns von Wasser im Gehäuse von Überspannungsableitern mit umwickeltem Aktivteil lässt sich durch die Verkleinerung des Durchmessers der einzelnen Glasfasern verhindern. Versuche haben gezeigt, dass ein Durchmesser von 8 µm oder weniger erforderlich ist. Dabei ist es unerheblich ob die Fasern im Band unidirektional verlaufen oder verwoben sind.
Bei der Herstellung des Bandes werden zunächst einzelne Glasfasern (beispielsweise jeweils 4 Stück) zu Bündeln verdrillt. Je kleiner der Durchmesser der Fasern, umso stärker lassen sich die Fasern verdrillen und umso kleiner sind die verbleibenden Hohlräume. Diese Bündel werden im Anschluss verwendet um das Band herzustellen.
Dabei bewirken die erfindungsgemäß vergleichsweise dünneren Fasern, dass die Hohlräume zwischen den Fasern keine geeignete Durchtrittsfläche für Wasser mehr darstellen. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die dünneren Fasern besser verdrillen und Hohlräume damit vermieden bzw. klein gehalten werden. Dadurch wird die Verarbeitung einfacher und kostengünstiger, da das Umwickeln und Aushärten des Bandes unter Luft stattfinden kann.
Eine mögliche alternative Lösung ist das Aushärten des Bandes unter Vakuum, wodurch dem Band die Luft entzogen wird. Allerdings hat dies den gravierenden Nachteil, dass dadurch der Verarbeitungsprozess komplizierter und wesentlich teurer wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Glasfasermaterial Glasfasern mit einem Durchmesser von höchstens 7 µm aufweist. Dies bewirkt eine noch weiter verbesserte Haltbarkeit des Ableiters.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist der Überspannungsableiter für Mittelspannungsanwendungen ausgebildet. Dies ist ein Vorteil, weil gerade bei Mittelspannungsableitern ein besonders hohen Kostendruck auf den Herstellern lastet, weil Kunden sehr preisbewusst einkaufen. Aus diesem Grund ist der erfindungsgemäße Ableiter bei Mittelspannung besonders gut einsetzbar, weil er lange haltbar ist und außerdem in der Herstellung kostengünstig, weil der teure und aufwendige Arbeitsschritt der Vakuumierung zur Entfernung von Luftbläschen eingespart wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist das Glasfasermaterial einen Harzanteil von mehr als 21 Gewichtsprozent auf. Dies ist ein Vorteil, weil Versuche gezeigt haben, dass ein solches Glasfasermaterial in Verbindung mit erfindungsgemäß dünnen Glasfasern eine besonders gute Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweist. Ein hoher Harzanteil bedeutet ein stabiles Aushärten und auch Verschließen von Hohlräumen. Ein höherer Harzgehalt verringert außerdem die im ausgehärteten Band enthaltene Luft. Ein Harzanteil von mehr als 21 Gewichtsprozent kann z.B. nach dem chinesischen Standard JB/T 6236-2015 eingestellt werden, beispielsweise für ein Glasfasermaterial des Typs „2845-W“. Dabei handelt es sich um ein Band, bei dem die Glasfasern unidirektional in Längsrichtung verlaufen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist das Glasfasermaterial einen Anteil an flüchtigen Substanzen im Harz von weniger als 4 Gewichtsprozent auf. Dies ist ein Vorteil, weil Versuche gezeigt haben, dass ein solches Glasfasermaterial in Verbindung mit erfindungsgemäß dünnen Glasfasern eine besonders gute Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweist. Flüchtige Substanzen sind Stoffe, die entweder bei bereits bei Raumtemperatur oder beim Erwärmen des Glasfasermaterials zum Aushärten des Harzes verdampfen. Dies bewirkt Gaseinschlüsse im ausgehärten Glasfasermaterial, die unbedingt vermieden oder stark vermindert werden müssen, um eine gute Witterungsbeständigkeit zu erreichen. Ein Anteil an flüchtigen Substanzen im Harz von weniger als 4 Gewichtsprozent kann z.B. nach dem siehe chinesischen Standard JB/T 6236-2015 eingestellt werden, beispielsweise für ein Glasfasermaterial des Typs „2845-W“.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist das Glasfasermaterial durch Umwickeln der Ableitersäule aufgebracht. Dies ist ein Vorteil, weil dies eine einfache und kostengünstige Herstellung des Ableiters ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist das Glasfasermaterial als ein Band ausgebildet, das eine geringere Breite als die Länge der Ableitersäule aufweist. Dies ist ein Vorteil, weil dies eine einfache und kostengünstige Herstellung des Ableiters ermöglicht. Ein solches Band kann einfach manuell durch einen Arbeiter oder eine entsprechende Wickelmaschine auf die Ableitersäule aufgebracht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist das Band ausgebildet mehrfach um die Ableitersäule gewickelt. Dies ist ein Vorteil, weil eine besonders dichte Schicht um die Ableitersäule ausgebildet wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist ein Gehäuse aus einem Material vorgesehen, dass zumindest anteilig Silikon aufweist. Dies ist ein Vorteil, weil Silikon ein kostengünstiges und lange erprobtes Gehäusematerial ist.
Ferner stellt sich ausgehend von bekannten Herstellungsverfahren für Überspannungsableiter an die Erfindung die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für einen Überspannungsableiter anzugeben, das eine vergleichsweise kostengünstige Herstellung eines besonders witterungsbeständigen und lange haltbaren Überspannungsableiters ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 9 bis 15 beschrieben. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter erläutert.
Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden eine bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters anhand von drei schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigt

1 einen Schnitt durch einen Überspannungsableiter, und
2 zwei unterschiedliche Glasfasermaterialien, und
3 einen Zwischenschritt bei der Herstellung eines Überspannungsableiters.

Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Überspannungsableiter 1. Der Überspannungsableiter 1 weist ein Gehäuse 2 aus Silikon auf. Das Gehäuse 2 weist eine Beschirmung 3 auf. Im Inneren des Gehäuses 2 befindet sich eine Ableitsäule, bestehend aus mehreren übereinander gestapelten Varistorscheiben 8. Am oberen und unteren Ende der Ableitsäule befindet sich jeweils eine Endarmatur 6. An der Endarmatur 6 ist ein Gewindebolzen 4 mittels einer Mutter 5 festgelegt.
Die Ableitsäule mit Varistorscheiben 8 ist mit einem Glasfasermaterial 7 umwickelt, das Glasfasern mit höchstens 8 µm Durchmesser aufweist. Das Glasfasermaterial 7 weist ein ausgehärtetes Harz auf, so dass das Glasfasermaterial 7 die Ableitsäule mit Varistorscheiben 8 mechanisch stabilisiert und außerdem das Eindringen von Wasser durch das Gehäuse 2 zu den Varistorscheiben 8 wesentlich vermindert.
Das Glasfasermaterial 7 ist besonders wasserundurchlässig, weil es einen Harzanteil von mehr als 21 Gewichtsprozent aufweist. Dieser Effekt wird noch weiter dadurch verbessert, dass das verwendete Harz weniger als 4 Gewichtsprozent flüchtige Substanzen aufweist.
Die 2 zeigt zwei unterschiedliche Typen von Glasfasermaterialien 9, 10. Das Glasfasermaterial 9 weist einen Faserdurchmesser von 7 µm auf. Das Glasfasermaterial 10 weist einen Faserdurchmesser von 9 µm. An den Enden 11 und 12 ist deutlich erkennbar, dass das Fasermaterial 9 mit dem vergleichsweise kleineren Faserdurchmesser von 7 µm eine wesentlich feinere Faserstruktur aufweist. Diese feinere Faserstruktur wird durch eine bessere Verdrillung der einzelnen Glasfasern zu dem dargestellten Bandmaterial 9 bewirkt.
Die 3 zeigt einen Zwischenschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters. Mehrere Varistorscheiben 8 werden übereinander gestapelt, so dass eine Ableitsäule ausgebildet wird. An den Enden der Ableitsäule ist jeweils eine Endarmatur 6, 13 vorgesehen. Die Endarmaturen werden durch Druck in Richtung der Pfeile 16 zusammengedrückt. Hierdurch wird eine für die weitere Verarbeitung notwendige Stabilität der Ableitsäule für das Umwickeln mit dem Glasfasermaterial 9 in Bandform bereitgestellt. Die Endarmaturen 6, 13 weisen jeweils eine ringförmige Einbuchtung 14 auf. Die ringförmige Einbuchtung 14 ermöglicht es, das Glasfasermaterial-Band 9 fest um die Endarmatur zu wickeln und anschließend in leicht angeschrägter Form die gesamte Länge der Ableitsäule mit dem Band 9 zu umwickeln. Dargestellt ist ein Zwischenschritt, bei dem von links nach rechts ca. ein Viertel der Länge der Ableitsäule bereits mit dem Band 9 umwickelt wurde.
Das Umwickeln erfolgt durch Drehung der Ableitsäule mit Endarmaturen 6, 13 um die Achse 15 im Uhrzeigersinn. Wenn durch die Drehung und das gleichmäßige Umwickeln eine vollständige Lage des Bandes 9 über der Ableitsäule ausgebildet wurde, erreicht das Band 9 auf der rechten Seite die Ausbuchtungen 14 der Endarmatur 13. Hier kann das Band wiederum fest eingerollt werden, so dass es in der Ausbuchtung 14 zu liegen kommt. Anschließend kann bei weiterer Drehung der Ableitsäule mit Endarmaturen 6, 13 um die Achse 15 das Band 9 in entgegengesetzter Richtung, also in Richtung der Endarmatur 6, wiederum leicht angeschrägt gewickelt werden. Die nun in der anderen Richtung angeschrägte Wicklung kommt wiederum in der Einbuchtung 14 der Endarmatur 6 zu liegen. Durch das Umwickeln mit dem Band in einerseits nach rechts und andererseits nach links angeschrägter Wicklung wird eine besonders hohe mechanische Stabilität erzielt. Je nach gewünschter Dicke und mechanischer Stabilität der Glasfaserschicht 7 kann auch eine weitere oder mehrere weitere Wicklungen durchgeführt werden. In diesem Fall würden beispielsweise in alternierender Folge eine nach rechts angeschrägte, und eine nach links angeschrägte, eine nach rechts angeschrägte und wiederum eine nach links angeschrägte Wicklung des Glasfaserbandes 9 auf der Ableitsäule zu liegen kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1436819 B1 [0004]

Claims

Überspannungsableiter (1) mit einer mehrere Varistorscheiben (8) aufweisenden Ableitersäule, die mit einem Glasfasermaterial (7) stabilisiert ist, wobei das Glasfasermaterial (7) mit einem Harz vorimprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasermaterial (7) Glasfasern mit höchstens 8 µm Durchmesser aufweist.
Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasermaterial (7) einen Harzanteil von mehr als 21 Gewichtsprozent aufweist.
Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasermaterial (7) einen Anteil an flüchtigen Substanzen im Harz von weniger als 4 Gewichtsprozent aufweist.
Überspannungsableiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasermaterial (7) durch Umwickeln der Ableitersäule aufgebracht ist.
Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasermaterial (7) als ein Band (9) ausgebildet ist, das eine geringere Breite als die Länge der Ableitersäule aufweist.
Überspannungsableiter (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (9) mehrfach um die Ableitersäule gewickelt ist.
Überspannungsableiter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (2) aus einem Material vorgesehen ist, dass zumindest anteilig Silikon aufweist.
Herstellungsverfahren für einen Überspannungsableiter (1), aufweisend die Schritte: - Stabilisieren einer mehrere Varistorscheiben (8) aufweisenden Ableitersäule mit einem Glasfasermaterial (7), wobei das Glasfasermaterial (7) mit einem Harz vorimprägniert ist, dadurch gekennzeichnet, dass für das Glasfasermaterial (7) Glasfasern mit höchstens 8 µm Durchmesser verwendet werden.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Glasfasermaterial (7) ein Harzanteil von mehr als 21 Gewichtsprozent verwendet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass für das Glasfasermaterial (7) ein Anteil an flüchtigen Substanzen im Harz von weniger als 4 Gewichtsprozent verwendet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasermaterial (7) durch Umwickeln der Ableitersäule aufgebracht wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasfasermaterial (7) als ein Band (9) mit einer geringeren Breite als der Länge der Ableitersäule ausgebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (9) mehrfach um die Ableitersäule gewickelt wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (2) aus einem Material vorgesehen wird, für das zumindest anteilig Silikon verwendet wird.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Überspannungsableiter für Mittelspannungsanwendungen ausgebildet wird.