DE3000394C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse für Überspannungsableiter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Gehäuse ist aus der US-PS 40 82 694 bekannt.

Zinkoxidvaristoren werden in Überspannungsableitern be­ nutzt, um einen Nebenschluß für Stoßströme zu bilden und dabei die Möglichkeit des Betriebes unter Netzspannungsbe­ dingungen aufrechtzuerhalten. Diese Varistoren haben einen großen Exponenten "n" in der Spannungs-Strombeziehung I = KVⁿ für einen Varistor, wobei I der Strom durch den Vari­ stor, K eine Konstante und V die Spannung an dem Vari­ stor ist. Zinkoxidvaristoren mit großem Exponenten können einen ausreichenden Widerstand bei normaler Netzspannung haben, um dem Strom durch den Varistor auf einen niedrigen Wert zu begrenzen, wobei aber der Widerstand bei starken Strömen so ist, daß die Varistorspannung bei einem fließen­ den Stoßstrom auf einem Wert gehalten wird, der niedrig genug ist, um die Beschädigung der Isolation der durch den Varistor geschützten Ausrüstung zu verhindern.

Da die Varistoren ständig zwischen Netz und Erde geschal­ tet sind, fließt ständig ein Strom durch den Varistor und dieser Strom bewirkt, daß bei normaler Systemspannung und normaler Betriebstemperatur eine kleine Energiemenge durch die Varistoren verbraucht wird. Die Größe sowohl des Stroms als auch der sich ergebenden Verlustleistung nimmt mit steigender Varistortemperatur zu. Es müssen des­ halb Einrichtungen vorgesehen werden, um die Wärme von dem Varistor abzuführen, damit eine thermische Instabilität verhindert wird. Die Einrichtungen müssen nicht nur in der Lage sein, eine thermische Instabilität unter normalen Bedingungen zu verhindern, sondern auch die aus starken Stromstößen resultierende Wärme abzuführen. Bei einer wirk­ samen Einrichtung zum Abführen von Wärme von den Vari­ storkörpern wird ein mit Aluminiumoxid versetztes Silicon­ harz benutzt. Jede einzelne Varistorscheibe wird dick in das Harzmaterial eingegossen, bevor sie in das Überspan­ nungsableitergehäuse eingeführt wird. Das dicke Silicon­ material dient als Wärmeableiter, über den die Wärme zu den Wänden des Überspannungsableiterkörpers gebracht wird. Die Verwendung einer Siliconvergußmasse als Wärmeableiter für Zinkoxidvaristoren ist in den US-PS 40 92 694 und 41 00 588 beschrieben.

Ein weiteres Verfahren zum Kühlen von Zinkoxidvaristor­ scheiben ist in der zum Stand der Technik zählenden, nachveröffentlichten DE 29 34 832 A1 beschrieben, wobei Zinkoxidvaristorscheiben mit einem Me­ tallscheibenwärmeableiter versehen werden, der mittels ei­ ner flexiblen elastischen Hülse in seiner Lage festgehal­ ten wird. Die Kombination aus Metallscheibe und Varistor­ körper wird innerhalb des Überspannungsableiterkörpers mittels eines elastischen Positionierteils und einer axial ausgeübten Federkraft in thermischem Kontakt gehalten. Die Metallscheibe führt während Stoßzuständen die Wärme schnell von dem Varistorkörper ab und überträgt die Wärme über die flexible elastische Hülse, die sowohl den Varistorkörper als auch die Metallscheibe umgibt, zu dem wärmeabstrahlenden Überspannungsableitergehäuse. Die er­ forderliche Dicke der Metallscheiben führt zu einem Über­ spannungsableitergehäuse mit beträchtlich größerer Länge. Das Kontrollieren der Länge des Gehäuses ist eine wich­ tige Überlegung beim Bau von Überspannungsableitern, weil die Wind- und Erdbebenfestigkeit stark von der Ge­ häuselänge abhängig sind. Darüber hinaus nehmen die Kosten und das Gewicht des Überspannungsableiters mit zunehmen­ der Überspannungsableiterlänge zu.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirksame Wärmeüber­ tragungsanordnung mit Überspannungsableitergehäusen von annehmbarer Länge zu schaffen, die überlegene Wärmeüber­ tragungseigenschaften hat.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß eine großflächige Berührung unmit­ telbar zwischen dem Varistor und der Gehäuseinnenwand herbeigeführt wird, die eine gleichförmige und schnelle Wärmeableitung vom Varistor ermöglicht. Trotzdem ist das erfindungsgemäße Gehäuse einfach zu fertigen und bildet ausreichende Gasdurchlaßräume aus, um große Gasvolumina abführen zu können.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeich­ nung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in Draufsicht einen Zinkoxidvaristor, der in dem Gehäuse nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendbar ist,

Fig. 2 in Seitenansicht und teilweise im Schnitt einen bekannten Überspannungs­ ableiter,

Fig. 3 eine Querschnittansicht der Wärme­ übertragungsanordung des Überspan­ nungsableiters in Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenschnittansicht eines mit einer Hülse versehenen Zinkoxidvari­ stors, der in der Wärmeübertragungseinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwend­ bar ist,

Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht von oben den mit einer Hülse versehenen Varistor von Fig. 4,

Fig. 6 eine Querschnittansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiels des Gehäuses nach der Erfindung,

Fig. 7 eine Querschnittansicht eines zweisäu­ ligen Überspannungsableitergehäuses,

Fig. 7A ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ge­ häuses von Fig. 7, das einen Überzug aus Siliconharz aufweist,

Fig. 8 eine Querschnittansicht des Überspan­ nungsableitergehäuses von Fig. 7, wel­ ches zwei Varistoren enthält,

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Über­ spannungsableitergehäuses nach der Er­ findung,

Fig. 10 eine Querschnittansicht des Ausfüh­ rungsbeispiels von Fig. 9, das einen mit einer Hülse versehenen Varistor ent­ hält,

Fig. 10A eine Querschnittansicht eines Über­ spannungsableitergehäuses mit einer modifizierten Geome­ trie und

Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwi­ schen der Varistortemperatur und der Zeit nach einem transienten Stromstoß für unterschiedliche Berührungswinkel mit dem Varistorgehäuse zeigt.

Fig. 1 zeigt einen Zinkoxidvaristor 10 mit einer gesinterten Scheibe aus Zinkoxidmaterial 11, die auf ihrem Umfang mit einem isolierten Keramik­ ring 13 versehen ist, und einer oberen und einer unte­ ren Elektrode 12 auf entgegengesetzten Stirnflächen. Wenn Varistoren 10 für den Überspannungsschutz benutzt werden, sind sie im allgemeinen in einem Überspannungsableiter 14 enthalten, der in Fig. 2 gezeigt ist und aus einem Porzel­ langehäuse 15 besteht, das eine obere Anschlußklemme 16 und eine untere Anschlußklemme 17 aufweist, über die meh­ rere Varistoren 10 innerhalb des Gehäuses elektrisch zu­ gänglich sind. Dieser Überspannungsableiter 14 ist für Ver­ gleichszwecke mit einer Wärmeübertragungseinrichtung gezeigt, die eine elastische Hülse 18 enthält, die den Varistor 10 und einen metallischen Wärmeableiter 20 umgibt und ein Distanzstück 19 auf einer Seite so­ wie die Innenwand des Porzellangehäuses 15 auf der anderen Seite berührt. Der metallische Wärmeableiter 20 leitet Wärme von dem Varistor 10 schnell ab und überträgt die Wärme über die elastische Hülse 18 zu dem Gehäuse, wo sie an die Umge­ bung abgegeben wird. Der Mechanismus der Wärmeübertragung von dem Varistor 10 und dem Wärmeableiter 28 auf das Porzellan­ gehäuse 15 wird anhand der Darstellung von Fig. 3 noch deut­ licher. Das Distanzstück 19 drückt den Varistor 10 und den metallischen Wärmeableiter 28, der an der Unterseite des Va­ ristors 10 befestigt ist, in thermischen Kontakt mit der In­ nenwand des Gehäuses 15. Die Wärme fließt dann von dem Va­ ristor 10 und dem Wärmeableiter 20 über die elastische Hül­ se 18 zum Gehäuse 15. Der Raum 21 zwischen dem Vari­ stor 10 und der Gehäusewand dient für den Durchgang von Gas, das durch die innere Anordnung bei einem Varistorversagen erzeugt wird. Da die in dem Varistor 10 und in dem metalli­ schen Wärmeableiter 20 enthaltene Wärme schließlich zu dem Gehäuse 15 übertragen werden muß, um von diesem aus abge­ strahlt zu werden, wird die Grenze des Wärmeübertragungs­ wirkungsgrades der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration durch die kleine Kontaktfläche zwischen der Anordnung aus dem Varistor 10 und dem metallischen Wärmeableiter 20 und dem Gehäu­ seinneren bestimmt. Bei den Ausführungsbeispielen der Erfindung wird der Wärmeüber­ tragungswirkungsgrad zwischen den Varistoren und dem Gehäu­ se 15 verbessert durch Ändern der Konfiguration des inneren Gehäuses, durch die der Kontaktwinkel zwischen dem Varistor 10 und dem Inneren des Gehäuses 15 beträchtlich vergrößert wird.

Fig. 4 zeigt einen Varistor 10 eines Typs, der dem in Fig. 1 gezeigten gleicht und eine obere und eine untere Elektro­ de 12 auf einer gesinterten Scheibe aus Zinkoxidmaterial 11 aufweist, die von einem Keramikring 13 umgeben ist. Der Va­ ristor 10 hat weiter eine auf seinem Umfang angeordnete Hülse 18 aus einem elastischen Material, wie Siliconkautschuk. Die Hülse 18 dient dem Zweck, einen guten Wärmekontakt zwi­ schen dem Varistor 10 und dem umgebenden Gehäusegebilde zu fördern. Da die Varistoren 10 innerhalb des Gehäuses 15 ohne irgendeinen zwischengeschalteten metallischen Wärme­ ableiter angeordnet werden, darf sich die Hülse 18 nicht über die gesamte Dicke des Varistors 10 erstrecken, so daß die obere und die untere Elektrode 12 eines Varistors 10 nicht daran gehindert werden, Elektroden 12 an benachbarten Varistoren 10 zu berühren. Dieser Aufbau ist in Fig. 5 gezeigt.

Fig. 6 zeigt eine Wärmeübertragungseinrichtung, bei der ein Doppelradius-Porzellangehäuse 15 einen Varistor 10 enthält, der von der elastischen Hülse 18 um­ geben ist und ein Distanzstück 19 berührt. Das Distanzstück 19, das zwischen einer Seite des Porzellange­ häuses 15 und einer Seite des Varistors 10 angeordnet ist, drückt den Varistor 10 in festen thermischen Kontakt mit ei­ nem anderen Teil des Gehäuses 15. Dabei ist die Hülse 18 aus einem flexiblen Material hergestellt, das sich leicht der Form des inneren Gehäuses anpaßt, wenn es zusammengedrückt wird, wie es an der Stelle 18′ gezeigt ist. Der Zweck des mit doppeltem Radius versehenen Inne­ ren des Porzellangehäuses 15 wird unten noch ausführlicher erläutert. Der Kontaktwinkel a zeigt, daß eine viel größe­ re Fläche des modifizierten Porzellangehäuses 15 als bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung berührt wird. Dieser größere Kontaktwinkel, der zwischen dem Varistor 10 und dem modifizierten Porzellangehäuse 15 vorhan­ den ist, gestattet, die Varistoren 10 zu betreiben, ohne daß ein zusätzlicher metallischer Wärmeableiter vorgesehen wird und ohne daß das längere Gehäuse 15, wie bei der bekannten An­ ordnung, erforderlich ist.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Doppelradiusüber­ spannungsableitergehäuses 15, das zur Verwendung mit der Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen ist. Ein erster Radius r₁ ist gleich dem ungefähren Radius des mit einer Hülse versehenen Varistors 10, um einen guten Kon­ takt mit dem Gehäuse zu fördern. Der erste Radius r₁ legt einen ersten Bereich A₁ fest, in den der mit einer Hülse versehene Varistor 10 eingeführt wird. Ein zweiter Radius r₂, der einen zweiten Bereich A₂ festlegt, bildet den Gasdurch­ laß während eines Varistorausfalls. Ein Doppelra­ diusgehäuse 15, das einen Überzug aus Hülsenmaterial 9 hat, das zur Verwendung von nicht mit einer Hülse verse­ henen Varistoren 10 auf die Innenoberfläche aufgebracht ist, ist in Fig. 7A gezeigt,

Das Ausbilden von gegenüberliegenden Gehäuseflächen mit einem Radius, der ungefähr gleich mit dem Radius eines mit einer Hülse versehenen Varistors 10 ist, gestattet, zwei Varistoren in Parallelanordnung innerhalb des Gehäuses zu stapeln. Das ist in Fig. 8 gezeigt, wonach zwei mit einer Hülse versehene Varistoren 10 in dem Gehäuse 15 an­ geordnet und mit einem Distanzstück 19 versehen sind, das die Varistoren 10 gegen das Gehäuse drückt. Jeder Vari­ stor 10 hat eine eigene Hülse 18, die die Wärmeübertragung zwischen den Varistoren 10 und dem Gehäuse 15 durch Ausfüllen der Zwischenräume, die zwischen dem Außenumfang des Vari­ stors 10 und dem Gehäuse 15 vorhanden sind, fördert. Der Raum 21 ist, wie weiter oben beschrieben, für den Durchtritt von Gas vorgesehen, das durch beide Varistoren 10 im Fall eines Varistorversagens erzeugt wird.

Fig. 9 zeigt ein modifiziertes Überspannungsableitergehäu­ se 15 für einen einzelnen Varistor 10, das einen ersten Ra­ dius r₁ und einen zweiten Radius r₂ hat. Die Wärmeübertra­ gungseinrichtung für das Gehäuse 15 von Fig. 9 ist in Fig. 10 gezeigt und enthält einen Varistor 10, eine elastische Hül­ se 18 und ein Distanzstück 19. Das Distanzstück 19 hält den Varistor 10 in gutem Wärmekontakt mit demjenigen Teil des Varistorgehäuses 15, der durch den Radius r₁ festgelegt ist. Die in den Porzellangehäusen der Fig. 6-9 gezeigten Konfigurationen können veränderliche Grade des Berührungs­ winkels a je nach den thermischen Erfordernissen der Vari­ storen 10 haben. Je größer der Berührungswinkel ist, umso wirksamer ist die Wämeübertragung zwischen den Vari­ storen 10 und dem Gehäuse 15. Das ist in Fig. 11 gezeigt, in welcher repräsentative Varistorkühlkurven gezeigt sind, die durch Auftragen der Varistortemperatur über der Zeit im Anschluß an einen transienten Stromstoß erhalten wor­ den sind. Die Temperatur eines Varistors 10 in dem Überspan­ nungsableitergehäuse, das einen Kontaktwinkel von 10° zwischen dem Varistor 10 und dem Gehäuse 15 ergibt ist bei A gezeigt. Es ist zu erkennen, daß die Varistortemperatur nach einem Stoß, der innerhalb der thermischen Fähigkei­ ten des Varistors 10 liegt, sich einer konstanten Dauertem­ peratur nähert. Die Netzspannung an dem Varistor 10 bestimmt in Verbindung mit dem Varistorstrom die Varistorverlust­ leistung im Dauerzustand, die ihrerseits die Varistor­ temperatur bestimmt.

Eine kritische Betriebsfolge ei­ nes Zinkoxid-Überspannungsableiters beinhaltet einen transienten Strom­ stoß gefolgt von der Dauersystemspannung. Da der Über­ spannungsableiter der zusätzlichen Energieeingabe aufgrund des Stoßvorganges ausgesetzt ist, muß er in der Lage sein, eine erhöhte Leistung und eine erhöhte Temperatur nach Rückkehr zu der Systemspannung auszuhalten. Wenn keine Wär­ meübertragungseinrichtung vorgesehen wäre, könnten die Temperatur und die Leistung des Varistors 10 ständig anstei­ gen, und zwar soweit, daß der Varistor 10 einen thermischen In­ stabilitätszustand erreicht. Je schneller deshalb die Wär­ me von dem Varistor 10 abgeführt wird, umso geringer ist die Wahrscheinlichkeit, daß es zur thermischen Instabilität kommt. Varistoren 10, die einen Kontaktwinkel von 90° haben wie es bei B gezeigt ist, kühlen schneller ab als Vari­ storen 10, die einen Kontaktwinkel von 10° haben. Varistoren 10, die einen Kontaktwinkel von 180° haben, wie es bei C ge­ zeigt ist, nähern sich der Dauerbetriebstemperatur mit noch größerer Geschwindigkeit. Fig. 11 zeigt deshalb, daß, je größer der Kontaktwinkel zwischen dem mit einer Hülse 18 versehenen Varistor 10 und dem Überspannungsableitergehäuse 15 ist, umso wirksamer die Wärmeübertragung von dem mit einer Hülse 18 versehenen Varistor 10 zu dem Überspannungsableiterge­ häuse 15 ist. Es ist, wie weiter oben beschrieben, äußerst wichtig, den Varistor 10 schnell zu kühlen, weil es notwendig ist, die Zeit zu verringern, während der der Varistor 10 ei­ ner Temperatur ausgesetzt ist, die nahe bei dem Zustand thermischer Instabilität liegt. Das ist weiter von Wich­ tigkeit, weil die Möglichkeit besteht, daß wiederholte transiente Stöße auftreten, während der Varistor 10 noch auf einer erhöhten Temperatur ist. Eine ideale Situation wären Varistoren 10 mit einem Kontaktwinkel von 360°. Das ist je­ doch nicht machbar, weil es erforderlich ist, einen gewis­ sen Raum für das Freisetzen von Gasen vorzusehen, die im Falle eines Varistorversagens erzeugt werden.

Die Doppelradiusmodifizierungen des Überspannungsableiter­ gehäuses 15 wurden zwar an Porzellanüberspannungsableitern 14 vorgenommen, es können jedoch auch andere Isoliermateria­ lien zum Herstellen der Überspannungsableitergehäuses 15 be­ nutzt werden. Das Gehäuse 15 kann aus Siliconharz oder aus an­ deren elektrisch isolierenden Harzen, wie Epoxy, gegossen oder extrudiert werden. Weiter kann die innere Geometrie eines gleichmäßig kreisförmigen Überspannunsableitergehäuses modifiziert werden, indem durch Anbringen eines Überzuges oder Einführen ei­ nes Belages für große Berührungwinkel zwischen den mit ei­ ner Hülse versehenen Varistoren 10 und dem Gehäuseinneren ge­ sorgt wird. Ein Gehäuse 15, das ein Siliconmaterial 8 auf der Innenfläche zum Modifizieren der inneren Geometrie trägt, ist in Fig. 10A gezeigt. Die in den Fig. 6, 8 und 10 gezeigten Distanzstücke 19 bestehen zwar aus einem Silicon­ harz ähnlich dem für die Hülsen 18 benutzten, es können jedoch auch anderen elektrisch isolierende und flexible Materia­ lien benutzt werden. In einigen Anwendungsfällen kann es zweickmäßiger sein, einen Überzug aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material auf den gesamten Um­ fang des Varistors 10 anstelle der elastischen Hülse aufzu­ bringen oder das Material nur in der Nähe des Varistors 10 der mit dem Überspannunsableitergehäuse 15 in Berührung ist, aufzubringen.

Claims (11)

1. Gehäuse für Varistor-Überspannungsableiter, wobei das elektrisch isolierte Gehäuse einen Innenraum zur Aufnahme von zylindrischen Varistoren, deren Quer­ schnittsfläche kleiner ist als die Querschnittsfläche des Gehäuseinnenraums, eine Wärmeübertragungseinrichtung, die zwischen den Varistoren und der Innenraumwandung ange­ ordnet ist, und einen Gasdurchlaßraum zwischen den Varistoren und der Innenraumwandung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenraumwandung auf ihrem Umfang zwei unterschiedliche Radien (r₁, r₂) aufweist, wobei der erste Radius (r₁) dem Radius der Varistoren (10) ange­ paßt ist, die mit einem Teil ihrer Umfangsfläche an der dadurch gebildeten Wandfläche des Gehäuses (15) anliegen und der zweite, größere Radius (r₂) den Gasdurchlaßraum (21) ermöglicht.

2. Gehäuse nach Anspruch 1 mit Überspannungsableiter, (19) jeden Varistor (10) an den den kleineren Radius (r₁) aufweisenden Gehäusewandteil drückt.

3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2 mit Überspannungs­ ableiter, dadurch gekennzeichnet, daß einander gegenüber­ liegende Innenwandungen des Gehäuses (15) mit dem ersten Radius (r₁) versehen sind.

4. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Überspannungsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertra­ gungseinrichtung als flexible Hülse (18) ausgebildet ist, die den Varistor (10) umgibt.

5. Gehäuse nach Anspruch 4 mit Überspannungsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Hülse (18) Silikonharz enthält.

6. Gehäuse nach einem der Ansprüche 2 bis 5 mit Überspannungsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (19) ein Körper aus Silikonharz ist.

7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 3 bis 6 mit Überspannungsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter Varistor (10) innerhalb der einander gegenüber­ liegenden Innenflächen mit dem kleinen Radius (r₁) ange­ ordnet sind.

8. Gehäuse nach Anspruch 7 mit Überspannungsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Varistoren (10) das Gehäuse (15) auf einem Winkel (a) zwischen 10° und 180° berühren.

9. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Überspannunsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungs­ einrichtung ein Überzug aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material auf einem Teil jedes Varistors (10) ist.

10. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Überspannungsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertra­ gungseinrichtung eine Schicht aus thermisch lei­ tendem und elektrisch isolierendem Material aufweist, die auf das Innere des Überspannungsableitergehäuse (15) aufgebracht ist.

11. Gehäuse nach Anspruch 9 oder 10 mit Überspan­ nungsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Porzellan, Silikon oder Epoxy ist.