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Wärmeübertragungssystem für Zinkoxid-Varistoren
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Zinkoxid-Varistoren verwendet man bei Überspannungsschutz-Vorrichtungen
zum Ableiten von Überströmen, während man die Arbeitsfähigkeit unter Netzspannungsbedingungen
aufrecht erhält. Diese Varistoren haben einen hohen Exponenten .,n.i im Spannungs/Strom-Verhältnis
I = KVn eines Varistors, worin I den Strom durch den Varistor bedeutet, K eine Konstante
ist und V die Spannung am Varistor bedeutet. Zinkoxid-Varistoren mit hohem Exponenten
können ausreichenden Widerstand bei normaler Netzspannung haben, so daß sie den
Strom durch den Varistor auf einen niederen Wert begrenzen; der Widerstand bei hohen
Strömen ist jedoch gering, so daß man die Varistorspann bei fließendem Überstrom
auf einem Niveau hält, das niedrig genug ist, daß man eine Beschädigung der Isolierung
der geschützten Vorrichtung durch die Spannung verhindert.
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Weil die Varistoren ständig zwischen Netz und Masse angeschlossen
sind, fließt ein kontinuierlicher Strom durch den Varistor, und der Strom bewirkt,
daß eine geringe Energiemenge von den Varistoren bei normaler Systemspannung und
bei normaler Arbeitstemperatur verbraucht wird. Sowohl die Größe des Stromes als
auch die Größe
des sich ergebenden Energieverbrauchs steigen, wenn
die Varistortemperatur steigt. Man muß daher irgendeine Vorrichtung vorsehen, die
die Wärme vom Varistor entfernt und ein thermisches Durchgehen verhindert. Die Vorrichtung
muß nicht nur ein thermisches Durchgehen unter normalen Bedingungen verhüten können,
sondern sie muß auch die Wärme verbrauchen können, die bei starken überströmen entsteht.
Bei einer wirksamen Vorrichtung zum Entfernen der Wärme aus den Varistorkörpern
verwendet man ein mit Aluminiumoxid gefülltes Silikonharz. Jede einzelne Varistorscheibe
gießt man in eine dicke Harzmasse ein, ehe man die Scheibe in das Uberspannungsschutzgehäuse
einführt. Die dicke Silikonmasse leitet die Wärme des Varistors ab und führt die
Wärme vom Varistor zu den Wänden des Uberspannungsschutzkörpers ab. Die Verwendung
einer Silikoneinschlußmasse für wärmeableitende Zinkoxid-Varistoren ist in den US-PSen
4 092 694 und 4 100 588 beschrieben.
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Die Methode des Einschließens mit Silikon ist außerordentlich schwierig
bei einer Herstellung in hoher Stückzahl durchzuführen. Die Varistorscheiben schließt
man in das Silikon mit einem Gieß- bzw. Formarbeitsgang ein, und man muß einzelne
Varistorscheiben oder ein Scheibenpaar in eine einzelne Form einführen, bevor man
die Silikon-Einschlußmasse zugibt. Nachdem ein ausreichender Zeitraum zum Härten
der Silikonmasse verstrichen ist, muß man danach die eingeschlossenen Scheiben manuell
aus den Formen entfernen. Die hohen Materialkosten für die Menge der verwendeten
Silikonmasse, wie auch der übliche Arbeitsgang des Formens in einer Form (mold-forming
operation) machten die Verwendung von Zinkoxid-Varistoren in Uberspannungsschutzvorrichtungen
sehr teuer. Es ist Aufgabe
der Erfindung, Zinkoxid-Varistoren mit
einer verbesserten Wärmeableitungsfähigkeit bei stark verminderten Herstellungskosten
zu schaffen.
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Die erfindungsgemäßen Zinkoxid-Varistorscheiben sind mit einer Metallscheibe
als Wärmesenke versehen, die man mit einer flexiblen elastischen Hülse an Ort und
Stelle hält.
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Die Wärmesenke/Varistor-Kombination hält man in thermischem Kontakt
mit dem Überspannungsschutzkörper mit Hilfe eines elastischen Einstellers und einer
axial angewandten Federkraft. Die Metallscheibe entfernt rasch Wärme vom Varistorkörper
bei Überspannungs- bzw.Überstrombedingungen und überführt die Wärme auf das wärmeabstrahlende
Schützvorrichtungsgehäuse durch die flexible elastische Hülse, die sowohl den Varistorkörper
als auch die Metallscheibe umgibt.
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Die Erfindung betrifft also eine Wärmeübertragungsvorrichtung bzw.
ein Wärmeübertragungssystem für Zinkoxidvaristoren, die bzw. das eine metallische
Wärmesenkenscheibe aufweist, die man mit einer umgebenden elastischen Hülse in Berührung
mit einer Stirnfläche des Varistors hält. Die Wärme, die im Varistor erzeugt wird,
wird rasch in die Metallscheibe abgeleitet und durch die elastische Hülse in die
Umgebung überführt. Wenn man das Varistor/ Wärmesenken-System in einem Uberspannungsableiter
anordnet, hält ein flexibler Einsteller das System eng gegen das Schutzvorrichtungsgehäuse
und überträgt die Wärme auf das Gehäuse.
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Nachstehend wird die Erfindung durch Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine geschnittene Ansicht eines Uberspannungsableiters, der eine Vielzahl
von Varistorscheibeb azfweist,
Figur 2 eine vergrößerte perspektivische
Ansicht von oben auf die Zinkoxid-Varistorscheibe von Figur 1, die teilweise geschnitten
ist; Figur 3 eine Frontalansicht, die teilweise geschnitten ist, eines Uberspannungsschutzes,
der das Wärmeübertragungssystem gemäß der Erfindung aufweist; Figur 4 eine graphische
Darstellung des Energieverbrauches eines Zinkoxid-Varistors als Funktion der Varistortemperatur;
Figur 5 eine geschnittene Ansicht des Uberspannungsschutzes von Figur 3 durch die
Ebene 5-5; Figur 6 eine geschnittene Seitenansicht des Wärmeübertragungssystems
gemäß der Erfindung; Figur 7 eine Seitenansicht des Wärmeübertragungssystems von
Figur 6; Figur 8 eine vergrdßerte Ansicht eines Querschnitts des Wärmeübertragungssystems
des Varistors innerhalb des Überspannungsschutzes von Figur 3; Figur 9 eine Ansicht
von oben einer weiteren AusfUhrungsform des Varistor-Wärmeübertragungssystems gemäß
der Erfindung; Figur 10 eine perspektivische Ansicht von oben einer weiteren Ausführungsform
des Varistor-Wärmeübertragungssystems von Figur 9, und Figur 11 eine geschnittene
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Wärmeübertragungssystems gemäß
der Erfindung.
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Figur 1 zeigt einen typischen Uberspannungsableiter 10 des Typs, der
aus einem Porzellangehäuse 11 mit einer Kappe 12 am oberen Ende und einem Anschluß
13 am oberen Ende besteht, der elektrisch mit einer Vielzahl von Zinkoxid-Varistoren
16 mit Hilfe einer Feder 15 verbunden ist.
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Die Schutzvorrichtung enthält ferner einen Gasraum 17, der für das
Freiwerden von Gas im Falle eines Versagens des Varistors vorgesehen ist. Der Uberspannungsschutz
ist am unteren Ende mit Hilfe einer Bodenkappe 18 geschlossen, und elektrische Verbindungen
zum Boden der Schutzvorrichtung sind mit Hilfe eines Bodenaschlusses 14 vorgesehen.
Die Varistoren, die man in der Schutzvorrichtung verwendet, sind von dem Typ, der
aus einer gesinterten Scheibe 19 einer Zinkoxidmasse besteht, wie in Figur 2 gezeigt
ist,undder mitåe einer Elektrodenschicht 20 auf der oberen und unteren Stirnfläche
versehen ist.
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DerVaristor ist in einem Keramikring bzw. -kragen 21 eingeschlossen,
der eine Entladung verhindert, die zwischen den Elektrodenschichten entlang des
Umfangs des Varistors und unter Umgehung der Zinkoxidmasse eintreten könnte.
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Zur Ubertragung der Wärme, die im Varistorkörper während des Betriebes
in einer Uberspannungsschutzvorrichtung erzeugt wird, die dem Uberspannungsschutz
von Figur 1 ähnelt, verwendet man das Wärmeübertragungssystem von Figur 3. Die Schutzvorrichtung
10 von Figur 3 ähnelt der von Figur 1, und gleiche Bezugsziffern werden zur Bezeichnung
ähnlicher Elemente verwendet. Die Wärmesenkenscheiben 23 mit einer hohen Wärmekapazität
und die Varistoren 16 sind von flexiblen elastischen Hülsen 22 umgeben, so daß man
die Varistoren in engem thermischen und elektrischen Kontakt miteinander und mit
den Endkappen mit Hilfe der Feder 15 hält. Die flexible elastische Hülse 22 hält
man in thermischem Kontakt mit dem Porzellangehäuse 11 mit Hilfe eines Einstellers
24,
den man zwischen das Gehäuse 11 und das Wärmeübertragungssystem
einführt, das aus der elastischen Hülse 22 und der Wärmesenkenscheibe 23 auf dem
Varistor 16 besteht. Bei der Ausführungsform von Figur 3 kann die Wärmesenken-Scheibe
23 aus einem Stoff mit hoher VJärmekapazität bestehen, z.B. aus Stahl.
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Wenn ein Uberstrom durch einen typischen Zinkoxid-Varistor fließt,
steigt die Temperatur des Varistors gleichsinnig mit der Energiemenge, die vom Varistor
absorbiert wird,und gegensinnig sowohl mit der Masse als auch der spezifischen Wärme
des Varistors.
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Wenn die Temperatur des Varistors ansteigt, steigt der Energieverbrauch
des Varistors bei normaler Spannung,wie in Figur 4 gezeigt, worin die Fähigkeit.
A zum Wärmeverbrauch des Überspannungsschutzes mit dem Energieverbrauch B des Varistors
pro Belastiungseinheit bei Betriebsspannung verglichen wird. Nach dem Durchfluß
eines Hochüberstromes kann der benötigte Energieverbrauch der Varistoren derart
ansteigen, daß der Energieverbrauch Bades Varistors die Fähigkeit A zum Wärmeverbrauch
des Uberspannungsschutzes . übersteigt, wie bei C gezeigt ist, so daß sich ein thermisches
Durchgehen ergibt. Wenn man die Wärmesenke 23 verwendet, die man an den Varistor
mit Hilfe der flexiblen elastischen Hülse 22 hält, wie in der Ausführungsform von
Figur 3 gezeigt ist, steigt die Temperatur des Varistors gleichsinnig mit der Energiemenge,
die vom Varistor absorbiert wird, und gegensinnig zu der Gesamtmasse und der spezifischen
Gesamtwärme des Varistors 16 und der Wärmesenke 23 wegen des raschen Wärmeflusses
vom Varistor in die Wärmesenke. Den Temperaturanstieg des Varistors hält man nun
auf einem ausreichend niederen
Niveau, daß der Wärmefluß, der durch
die Hülse 22 möglich ist, größer als der Energieverbrauch des Varistors ist,so daß
sich der Varistor wirksam auf eine normale Betriebstemperatur abkühlt. Das Funktionsverhältnis
zwischen Einsteller 24 und Varistor 16 ist in Figur 5 gezeigt und umfaßt einen Gasraum
9, der für eine Gasausdehnung im Fall eines Versagens des Varistors vorgesehen ist.
Das Wärmeübertragungssystem von Figur 3 ist genauer in den Figuren 6 und 8 zu sehen,
worin der Varistor 16 je eine obere und untere Elektrodenschicht 20 auf der oberen
bzw, unteren Stirnfläche der Zinkoxidmasse und einen Keramikring 21 rund um den
Umfang der Zinkoxidmasse aufweist und ferner eine Metallscheibe 23 aufweist, die
man in thermischem Kontakt mit dem Varistor mit Hilfe der elastischen Hülse 22 hält.
Die Masse, die man für die elastische Hülse auswählt, ist ein Silikonharz mit einer
hohen Flexibilität und einer guten Wärmeleitung.
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Wie beschrieben, weist die Metallscheibe 23 eine Stahlzusammensetzung
auf, aber man kann auch andere Metalle, wie z.B. Eisen, Aluminiumoder Kupfer, und
andere Metallegierungen, wie auch andere wärmeleitende Massen mit einer relativ
hohen Wärmekapazität verwenden.
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Das Wärmeübertragungssystem von Figur 6 ist in Figur 7 gezeigt, worin
die elastische Hülse 22 den Varistor 16 und die Wärmesenke 23 umgibt. Eine elektrische
Verbindung erzielt man zwischen allen Varistoren in einer Serienanordnung einer
Vielzahl von Varistoren mit Hilfe der Elektrodenschicht 20 des einen Varistors und
der Metallscheibe 23 des nächsten nachfolgenden Varistors in der Serie. Bei einigen
Anwendungsformen kann man auf den Keramikring 21 verzichten, und die elastische
Hülse 22 sorgt einerseits fUr die elektrische Isolierung zwischen
den
Elektrodenschichten der Scheibe und hält andererseits die Metallscheibe und den
Varistor in gutem Körperkontakt.
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Der Einsteller 24, der den Varistor und die Metallwärmesenke in thermischem
Kontakt innerhalb der Schutzvorrichtung von Figur 3 hält, ist genauer in Figur 8
gezeigt. Sobald die elastische Hülse 22 um den Varistor und die Metallscheibe angepaßt
ist, setzt man die Kombination aus der Metall scheibe und dem Varistor in das Schutzvorrichtungsgehäuse
ein. Der Einsteller 24 hat die Form eines "Hundeknochens", den man durch Anwendung
von Zug auf beide Enden streckt und damit den Mittelteil des Einstells länger werden
läßt. Sobald man den Varistor, die Metallscheibe und die elastische Hülse innerhalb
des Schutzvorrichtungsgehäuses angeordnet hat, entspannt man den Zug an den Enden
des Einstellers und drückt das Varistorsystem direkt gegen das Gehäuse.
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Den Einsteller 24 kann man zweckmäßig aus einem flexiblen Polymeren
herstellen, z.B. aus Silikonharz oder einem anderen gut wärmeleitenden,elektrisch
isolierenden Stoff.
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Figur 9 zeigt die elastische Hülse 22 und den Einsteller 24, wobei
der Einsteller zwischen dem Varistor 16 und der Hülse gehalten wird. Figur 10 zeigt
eine Kombination aus der elastischen Hülse 22' und dem Fortsatz 24',die in einer
einzigen einheitlichenVorrichtung ausgebildet sind. Der Fortsatz 24' hält ähnlich
wie de Einsteller 24 auch diese Vorrichtung gegen das Gehäuse.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wärmeübertragungssystem kann man die Wärmeübertragungseigenschaften
für Jede spezielle
Varistor-Bedingung nach napf3 anfertigen. Wenn
man eine hohe Wärmekapazität zusammen mit einer guten Wärmeleitfähigkeit benötigt,
kann man Metallegierungen nach Maß anfertigen, die den speziellen thermischen Bedinzungen
angepaßt sind.
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Die wichtigste Bedingung besteht darin, daß die l:'ärme vom Varistor
weg mit hoher Geschqindigkeit abgeführt wird, und daß die Warmespeicherkapazität
der Wärmesenken-Scheiben ausreicht, einen übermäßigen Temperaturanstieg des Varistors
zu verhüten.
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Der Zweck der elastischen Hülse ist der, daß man einen guten thermischen
Kontakt sowohl zwischen dem Varistor und der Wärme senke als auch mit der Porzellangehäusewand
erzielt. Wenn man die elastische Hülse wegläßt und die Wärmesenke mit einem hochschmelzenden
Stoff, z.B. einer Netallegierung, haftend befestigt, karai man die Geometrie der
Wärme senke derart anpassen, dai3 sie besser der inneren Geometrie des Porzellangehäuses
entspricht und wirksam die Wärme überträgt. Bei einigen Anwendungsformen kann man
den Klebstoff weglassen und die Wärmesenke direkt den Varistor berühren lassen.
Die äußere Oberfläche der Wärmesenken-Scheibe kann man mit der elastischen Hülse
umfassen, so daß man einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Gehäuse und der
Wärmesenke erzielt, ohne daß man die elektrisch leitende Wärmesenke direkt das Gehäuse
berühren läßt.
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Figur 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die elastische Hülse
22 die Wärmesenken-Scheibe 23 umgibt und der Varistor leicht innerhalb der Wärmesenke
zum Einstellen zurückversetzt ist. Die Wärmesenken-Scheibe hat im Vergleich
zum
Varistor einen größeren Durchmesser, so daß man eine Geometrie erzielt, die eng
an die innere Geometrie des Gehäuses für eine wirksame Wärmeübertragung angepaßt
ist.
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