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EINRICHTUNG ZUM UBERSPANNUNGSSCHUTZ
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Die erfindung bezieht sich auf die Elektrotechnik und insbesondere
auf Einrichtungen zum Überspannungsschutz.
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Die vorliegende Erfindung kann zum Schutz der Isolation der Elektroausrüstungen
von Elektrizitätswerken und -Unterwerken sowie Hochspannungs-We chsel- und Gle ichstromfenle
itungen gegen atmosphärische und Schaltu#berspannungen verwendet werden.
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Es ist bekannt, daß die Isolation der stromführenden Teile der elektrischen
Wechsel- und Gleichstromausrüstungen im Normalbetrieb der Wirkung der BetriebsspAnnung
des Elektrizitätsnetzes ausgesetzt ist.
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Aus verschiedenen Gründen kann aber die Spannung in diesem oder jenem
Teil eines elektrischen Systems für kurze Zeit sich erhöhen und die Spannung im
Normalbetrieb bedeutend überschreiten - es entsteht eine Uberspannung.
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Ist die Amplitude der Überspannung sehr groß, kann sie eine Gefahr
für die Isolation der elektrischen Ausrüstungen von Unterwerken und Elektroenergie-Übertrauungsleitungen
ergeben; dabei können die Uberspsnmngen insbesondere die Isolation der teuersten
Elektroausrüstungen - elektrischer Maschinen, Transformatoren, Drossel spulen, Schaltgeräte
- beschädigen. Die Isolation der Elektroausrüstungen von Unterwerken und Elektroenergie-Ubertragungsleitungen
bestinunt in deren bedeutendem Maße v Kosten. Dieser Einfluß ist um so stärker,
je höher die Reihenspannung des Netzes ist. In Zusammenhang damit werden die technisch-wirtschaftlichen
Kenndaten der Elektroenergie-Übertragungsleitungen in bedeutendem lviaße durch den
Pegel der Überspannungsbegrenzung in ihnen bestimmt.
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Der Pegel der überspannungsbegrenzung wird in Abhängigkeit von den
technischen Daten und der Betriebssicherheit der Uberspannungsableiter festgelegt.
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Es ist zum Beispiel eine Einrichtung zum Uberspannunbsschutz bekannt
(US-PS 3805114, die 1974 veröffentlicht wurde), die einen in einem Isoliergehäuse
angeordneten Stapel von elektrisch miteinander in Reihe geschalteten nichtlinearen
Widerständen aufweist. Das Isoliergehäuse ist aus Porzellan hergestellt. Zwischen
den nichtlinearen Widerständen und der
Innenfläche des Isoliergehäuses
gibt es einen Spalt. Die nichtlinearen Widerstände sind aus einem Material auf Zinkoxidbasis
hergestellt.
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Die nichtlinearen Widerstände sind durch die nichtlineare Abhängigkeit
der Spannung vom Strom gekennzeichnet.
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Die nichtlinearen Widerstände haben einen niedrigen Widerstandswert
bei durch die Uberspannung hervorgerufenen hohen Impulsströmen, wodurch sie die
Spannung an den Klemmen der Sinrichtung zum Uberspannungsschutz begrenzen, und einen
hohen Widerstandswert im Normalbetrieb, demzufolge die Größe entnommenen des aus
dem elektrischen Netz#Stroms begrenzt wird.
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Im Normalbetrieb fließt d~rch dissQ Eiriric#tang kontinuierlich eln
ein niedriger Strom aus dem elektrischen Netz.
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Bei der Entstehung einer Überspannung im elektrischen Netz führt
der Durchfluß hoher durch die Überspannung hervorgerufener Ströme durch die Einrichtung
zum tiberspannungsschutz infolge der hohen Nichtlinearität der nichtlinearen Widerstände
zu keiner bedeutenden Spannungserhöhung an der Anschlußstelle der Einrichtung zum
Überspannungsschutz an das elektrische Netz. Auf diese Weise wird die Überspannung
in den parallel dieser Einrichtung an das elektrische Netz angeschlossenen Elektroausrüstungen
begrenzt.
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Nach dem Aufhören der Uberspannungswirkung auf das elektrische Netz
erhöht sich der Widerstandswert der nichtlinearen Widerstände stark, und in Zusammenhang
damit wird der Durchden
fluß des Stromes mit der ursprünglichen,
fürvNormalbetrieb charakteristischen Größe aus dem elektrischen Netz durch die Einrichtung
zum Uberspannungsschutz wiederhergestellt.
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In dieser Einrichtung zum t)berspannungsschutz wird der Pegel der
überspannungsbegrenzung is Elektrizitätsnetz nur durch die Stromspannungscharakteristik
der nichtlinearen Widerstände bestimmt.
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Beim Stromdurchfluß durch die Einrichtung zum Uberspannungsschutz
wird jedoch Wärmeenergie frei, die wieder abgegeben werden muß.
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Das Vorhandensein eines luftspaltes zwischen den Mantelflächen nichtlinearer
Widerstände und der Innenfläche des Isoliergehäuses aus Porzellan behindert eine
gute Wärmeabführung von den nichtlinearen Widerständen. Unter einer dauernden Spannungseinwirkung
auf die nichtlinearen Widerstände, besonders bei erhöhten Temperaturen der nichtlinearen
Widerstände, entsteht unterdessen eine Alterung des Idlaterials, aus welches sie
hergestellt sind, was zu einer allmählichen Herabsetzung-des Widerstandswerts der
nichtlinearen Widerstände und dementsprechend zu einer Erhöhung des durch sie -unter
der Spannungseinwirkung des Elektrizitätsnetzes durchfließenden Stromes führt. Letzten
Endes kann das zu einer Störung des Wärmegleichgewichtes der Ein -richtung zum Überspannungsschutz
und dessen Ausfall führen.
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Diese Einrichtung Eennzeichnet sich also durch eine niedrige Betriebssicherheit.
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Beshalb ist es wunschenswert, den Luftspalt zwischen der es L spalt
der Innenfläche des Isoliergehäuses und den Mantelflächen der nichtlinearen Widerstände
zu beseitigen, was zu einer Erhöhung der Betriebssicherheit dieser Einrichtung zum
Uberspannungsschutz führen wird.
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Es ist auch ein Wechselstromüberspannungsabieiter bekannt, bei dem
ein Isoliergehäuse die nichtlinearen Widerstände dicht umschließt (DE-PS 1638120,
die 1978 veröffentlicht wurde).
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Dieser Überspannungsableiter weist einen Stapel von Funkenstrecken
auf, der mit einem Stapel von elektrisch miteinander in Reihe geschalteten nichtlinearen
Widerständen verbunden ist.
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Der Stapel der Funkenstrecken und der Stapel der nichtlinearen Widerstände
sind in einem aus Gießharz bestehenden Isoliergehäuse angeordnet, dabei sind die
Mantelflächen der nichtlinearen Widerstände vom genannten Isoliergehäuse dicht umschlossen.
Die nichtlinearen Widerstände sind aus einem Material auf Siliziumkarbidbasis hergestellt.
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Im Normalbetrieb des Elektrizitätsnetzes isoliert der Stapel der
Funkenstrecken die nichtlinearen Widerstände von aer Spannungsquelle d.h. vom Elektrizitätsnetz.
Beim Auftreten im Elektrizitätsnetz einer den Durchschlagsspannungswert des Stapels
der Funkenstrecken überschreitenden Überspannung #wird der Stapel der Funkenstrecken
durchgeschlagen und er schließt dadurch die nichtlinearen Widerstände an das Elektrizitätsnetz
an.
Dank der Nichtlinearität der Widerstände führt der Durchfluß hoher, durch die Überspannung
hervorgerufener Ströme durch den tberspannungsableiter zu keiner bedeutenden Spannungserhöhung
an der Anschlußstelle des Überspannungsableiters an das Elektrizitätsnetz. Auf diese
Weise wird die Überspannung an den parallel diesem Überspannungsableiter angeschlossenen
Elektroausrüstungen begrenzt. Nach dem Aufhören der tiberspannungswirkung auf das
Elektrizitätsnetz erhöht sich der Widerstandswert der nichtlinearen Widerstände,
und demzufolge unterbricht der Stapel der suntenstrecken den industriefrequenten
Folgestrom und behindert ferner an dessen Durchfluß durch diesen Überspannungsableiter.
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Die Schutzwirkung dieses Überspannungsableiters wird sowohl durch
die StromspRnnungscharakteristik der nichtlinearen Widerstände als auch durch die
Durchschlagsspannungsgröße des Stapels der #unkenstrecken bestimmt.
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Die dichte Unischließung der nichtlinearen Widerstände durch das
isoliergehäuse gewährleistet eine verbesserte Wärmeabführung von den nichtlinearen
Widerständen, was zu einer Abkülilung der nichtlinearen Widerstände nach dem Ansprechen
dieses Überspannungsableiters beiträgt.
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Ausgehend von Forderungen der Fertigungsgerechtheit und der mechanischen
Festigkeit des Isoliergehäuses muß aber dessen Wanddicke genug groß sein. Eine relativ
große Wanddicke des Isoliergehäuses erlaubt jedoch nicht, die Wärmeabführung von
den Widerständen bedeutend zu verbessern.
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Das führt dazu, daß sich die Çemperatur der Widerstände bei vielmaligen
Auslösungen des Uberspannungsableiters mit geringen Intervallen zwischen den einzelnen
Auslösungen der erhöht. Slit der Temperaturerhöhung der nichtlinearen Widerstände
nimmt der durch sie durchfließende S#trom zu, was zu einem Durchschlag der nichtlinearen
Widerstände führen kann, und das setzt seinerseits die Betriebssicherheit dieses
Sberspannungsableiters herab.
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Außerdem ist die Fertigung des Isoliergehäuses aus Gießharz mit bedeutenden
technologischen Schwierigkeiten verbunden, die in der $erstellung teurer Preßformen
komplizierter Bauart, dem Harzeinguß in sie, der BSakuierung des Harzes mit nachfolgender
zeitraubender Aushärtung bestehen.
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Vas Ziel der Erfindung besteht in einer Verbesserung der Betriebssicherheit
der Einrichtung zum tberspannungsschutz, einer Verminderung des Arbeitsaufwandes
für ihre Herstellung und in der Verringerung der Abmessungen des Isoliergehäuses.
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Der Erilndung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsableiter
zu schatten, bei dem das Isoliergehäuse aus einem ldiaterial hergestellt wird, das
die Wärmeabrührung von nichtlinearen Widerständen zu verbessern gestattet.
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vliese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der bekannten Einrichtung
zum Uberspannungsschutz, die der einen Stapel von elektrisch in Reine miteinander
geschalteten nichtlinearen Widerständen aufweist, der in einem die Manteltlächen
der
genannten nichtlinearen Widerstände dicht umschließenden Isoliergehäuse angeordnet
ist, erSindungsgemäss das Isoliergehäuse aus einem wärmeschrumpfbaren Material hergestellt
ist.
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Wie es bekannt ist, hat das wärmeschrumprbare, eine Folymerkomposition
darstellende Material, das zuvor einer Radiationsbestrahlung und einer ausdehnung
ausgesetzt wird, bei seiner erwärmung die Fähigkeit zu einer nachfolgenden UmIangsverminderung
um aas 1,5 + 2rache. Auf diese Weise umschließt das aus einem solchen Material hergestellte
Isoliergehäuse der ##;inrichtung zum Überspannungsschutz dicht die Mantelrlächen
der nichtlinearen Widerstände. Da das wärmeschrumpfbare Material eine kleine, im
bereich 0,5 + 1,5 mm liegende Dicke hat, hat auch aas Isoliergehäuse eine kleine
Dicke, was eine verbesserte Wärmeabführung von den nichtlinearen Widerständen gewährleistet.
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Außerdem erlaubt die kleine Dicke des wärmeschrumpfbaren Materials
die Abmessungen des Isoliergehäuses zu verringern, was letzten Endes auch die Abmessungen
der Minrichtung zum Überspsnnungsschutz im ganzen verringert.
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Bei der Herstellung des Isoliergehäuses einer Minrichtung zum Überspannungsschutz
können die von Spezialbetriefen lieferbaren Rohre aus einem wärmeschrumpfbaren Material
xerwendet werden; dabei wird der Herstellungsvorgang des Isoliergehäuses auf den
einfachen Arbeitsvorgang der Erwärmung des Rohres aus einem wärmeschrumpfbaren Material
mit Unteroringung
im Innern dieses Rohres der nichtlinearen Widerstände
reduziert.
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Es ist zweckmäßig, als wärmeschrumpfbares Material wärmeschrumpfbares
Polyäthylen zu verwenden.
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Unter den bekannten wärmeschrumpfbaren Materialien ist wärmeschrumpfbares
Eolyãthylen am billigsten.
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Außerdem erfordert wärmeschrumpfbares Folyäthylen eine relativ niedrige,
im Bereich 130 bis 1500C liegende Temperatur der Wärmeschrumpfung, was gestattet,
die Herstellungstechnologie des Isoliergehäuses zu vereinfachen.
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Wenn man beabsichtigt, die Einrichtung zum Überspannungsschutz im
Freien zu verwenden, ist es zweckmäßig, als wärmeschrumpfbares Material wärmeschrumpfbaren
Fluorkunststoff zu verwenden, da wärmeschrumpfbarer Fluorkunststoff zu den wärmeschrumpfbaren
Materialien gehört, die eine erhöhte Festigkeit gegen uberflächenentladungen und
Niederschläge besitzt.
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt Fig. 1 eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen tberspannungsableiters
im Längsschnitt; Fig. 2 einen nichtlinearen Widerstand im Längsschnitt; Fig. 3 einen
Anschluß und zwei hintereinandergeschalte te und von einem Isoliergehäuse dicht
umschlossene nichtlineare Widerstände; Fig. 4 eine Rinne mit Spannvorrichtungen,
in der ein
aufgeblasenes Rohr aus einem wärmeschrumpfbaren Material
angeordnet ist; im Innern des Rohres ist ein von beiden sonden mit den Spannvorrichtungen
vorgespannter Stapel von nichtlinearen Widerständen und Anschlüssen angeordnet;
Fig. 5 ein die Mantelflächen nichtlinearer Widerstände dicht umschließendes Rohr
aus einem wärmeschrumpfbaren Material; dabei umschließen die freien Rohrenden teilweise
die äußeren Stirnflächen der genannten Anschlüsse; Fig. 6 die Realisierung der Umschließung
der äußeren Stirnflächen der Anschlüsse mit den freien Enden des Rohres aus einem
wärmeschrumpfbaren Material.
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Die Einrichtung zum Vberspannungsschutz (Fig. 1) weist in ein Isoliergehäuse
1 aufsvdessen Innern ein Anschluß 2 und ein Anschluß 3 vorhanden sind. Zwischen
den Anschlüssen 2 und 3 sind elektrisch in Reihe zu einem Stapel miteinander geschaltete
nichtlineare Widerstände 4 angeordnet.
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Das Isoliergehäuse 1 umschließt dicht die kantelflächen der nichtlinearen
Widerstände 4, sowie die Mantel- und teilweise äußeren Stirnflächen der Anschlüsse
2 und 3.
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Die Anschlüsse 2 und 3 haben Gewindelöcher 5 bzw. 6, die zum Anschließen
der Sinrichtung zum Überspannungsschutz an das Außennetz dienen.
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Die Anschlüsse 2 und 3 sind als Metallscheiben ausgeführt. Jeder
nichtlineare Widerstand 4 (Fig. 2) weist als sein aktives Element einen Körper 14
auf, der als Scheibe aus keramischem Material auf Zinkoxidbasis ausgeführt ist.
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Auf den Stirnflächen des Korpers 14 des nichtlinearen Widerstandes
4 sind leitfähige Elektrodenüberzüge 15 aufgebracht.
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Wie es aus Fig. 3 zu sehen ist, stehen zwei hintereinander angeordnete
nichtlineare Widerstände 4 in Kontakt untereinander mittels der leitfähigen Überzüge
15. Dementsprechend stehen auch alle übrigen nichtlinearen Widerstände 4 in Kontakt
untereinander mittels der leitfähigen Uberzüge 15.
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Außerdem, wie es auch aus Fig. 3 zu sehen ist, kontaktiers der Anschluß
2 mit dem leitfähigen Ueberzug 15 des unter dem Anschluß 2 angeordneten nichtlinearen
Widerstandes 4. Dementsprechend kontaktiert auch der Anschluß 3 mit dem leitfähigen
überzug 15 Ges üDer ihm angeordneten nichtlinearen Widerstandes 4 gemäß Fig. 1.
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Die Durchmesser der Anschlüsse 2 und 3 und der nichtlinearen Widerstände
4 sind gleich groß und betragen zum Beispiel 28 mm. Das Isoliergehäuse 1 ist aus
wärmeschrumpfbarem Material hergestellt, als welches das wärmeschrumpfbare Polyäthylen
gemäß dieser Ausrünrungsform der Mrtindung verwendet wird.
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Herstellung Die Figuren 4, 5 und 6 stellen die v des Isoliergehäuses
1 aus einem aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen hergestellten Rohr dar.
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Dieses Rohr aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen hat eine Wanddicke
von 1,5 mm und einen innendurchmesser, der um 20 -40 % kleiner als die Durchmesser
der nichtlinearen Widerstände 4 und der Anschlüsse 2 und 3 ist.
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So liegt in diesem Falle der Innenaurchmesser des kohres aus wärmeschrumpfbarem
Polyäthylen im Bereich von 16 bis 24 mm, Die länge des Rohres aus wärmeschrumpfbarem
Polyäthylen vist etwas größer als die Länge der in Reihe hintereinander angeordneten
Anschlusses 2, nichtlinearen Widerstände 4 und Anschlusses 3 gemäß Fig. 1.
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Zuerst wird das Rohr aus wärmeschrtimpfbarem Polyäthylen einer Radiationsbestrahlung
ausgesetzt und dann aufgeblasen; dabei wird der Innendurchmesser des Rohres aus
wärmeschrumpibarem Polyäthylen nach dessen Aufblasen um 20 + 40 % größer als der
Durchmesser jedes nichtlinearen Widerstandes 4. In vorliegendem Fall liegt der Durchmesser
des Rohres aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen nach dessen Aufblähen im Bereich von
33 bis 42 am Danach wird das in Fig. 4 mit 7 bezeichnete aufgeblasene Rohr aus wärmeschrumpfbarem
Polyäthylen in die Rinne 8 gelegt, die zwei Spannvorrichtungen 9 aufweist.
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In das aufgeblasene Rohr 7 aus wärmeschrumpfberem Pol;yäthylen wird
ein Stapel der in Reihe hintereinander angeordnet ten Anschlusses 1, nichtlinearen
Widerstände 4 und Anschlusses 3 in der in Fig. 1 dargestellten Reihenfolge eingesetzt.
Der Stapel der genannten Teile an beiden Enden mittels Spaanvorrichtungen 9 vorgespannt.
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Ferner wird das Rohr 7 aus wärmeschrumpfbarem Polyäthyvon len durch
Umblasung mit auf eine Temperatur #1 30 bis 15000 erhitzter Heißluft erwärmt, wodurch
es
zusammenschrumpft und die Mantelflächen der nichtlinearen Widerstände
4, der Anschlüsse 2 und 3 dicht umschließt, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei
umschließen die freien Enden 10 und 11 des Rohres 7 aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen
beim Einschrumpfen teilweise die äußeren Stirnflächen der Anschlüsse 2 und 3.
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Danach wird, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, eine Platte 12 an
die äußere Stirnfläche des Anschlusses 2 und eine Platte 13 an die äußere Stirnfläche
des Anschlusses 3 angedrückt. Die Platten 12 und 13 werden vorher bis auf 130 +
1500C erwärmt.
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Infolgedessen werden die freien Enden 10 und 11 des Rohres 9 aus
wärmeæchrumpfbarem Polyäthylen vollständig an die äußeren Stirnflächen der genannten
Anschlüsse 2 und 3 angedrückt (Fig. 6).
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Während des Einschrumpfens des Rohres 9 aus wärmeschrumpfbarem Polyäthylen
und als Srgebnis des Andrückens seiner Enden 10 und 11 an die Stirnflächen der Anschlüsse
2 und 3 entstehen Längskräfte, die die nichtlinearen Widerstände 4 aneinander und
die Anschlüsse 2 und 3 an die entsprechenden nichtlinearen Widerstände 4 andrücken.
Dadurch wird ein guter elektrischer Kontakt zwischen den genannten Teilen gewährleistet,
der im laufe der gesamten Betriebslebensdauer dieser Einrichtung zum Uberspannungsschutz
aufrechterhalten wird.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist
das
Isoliergehäuse 1 aus wärmeschrumpfbarem Fluorkunststoff hergestellt. Zur Ausführung
des Isoliergehäuses 1 wird ein Rohr aus wärmeschrumpfbarem Fluorkunststoff verwendet.
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Die Ausführung des Isoliergehäuses 1 ist in diesem Fall analog der
Ausführung aus wärmeschrunpfbarem Polyäthylen mit dem einzigen Unterschied, daß
das Einschrumpfen des Rohres aus wärmeschrumpfbarem '.uorkunststoff bei einer im
Bereich 250 bis 35000 liegenden Temperatur geschieht.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind in einer
keine Funkenstrecken aufweisenden Einrichtung zum tbersprnnungsschutz realisiert.
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Die Erfindung kann jedoch mit Erfolg auch bei einer Funkenstrecken
aufweisenden Einrichtung realisiert werden.
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Man muß verstehen, daß die oben beschriebenen und in der Zeichnung
gezeigten Ausführungsformen der Erfindung nur mögliche bevorzugte Varianten der
Ausführung darstellen und daß verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich
sind.
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So können die Höhen der nichtlinearen Widerstände bei deren Herstellung
in einem bestimmten Bereich variieren. Bei einer der Notwendigkeit der Einhaltung
v vorgegebenen Lange der Einrichtung zum Überspannungsschutz werden deshalb Zwischen
lagen aus einem leitenden Material zwischen die einzelnen nichtlinearen Widerstände
eingesetzt, die eine gleiche Form wie die nichtlinearen Widerstände haben und auch
dicht vom Isoliergehäuse umschlossen sind.
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Außer der oben beschriebenen Ausführungsforin der nichtlinearen Widerstände
und der Anschlüsse mit der Rundform können die genannten Teile auch oval sein, was
zur besseren Wärmeabführung von den nichtlinearen Widerständen beiträgt.
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EINRICHTUNG ZUM ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ Zusammenfassung Die llrfindung
bezieht sich auf die Elektrotechnik und insbesondere auf Einrichtungen zum Überspannungsschutz.
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Die Einrichtung zum ÜBerspannungsschutz weist einen Stapel von elektrisch
in Reihe miteinander geschalteten nichtlinearen Widerständen (4) auf, der in einem
die Mantelflächen der genannten nichtlinearen Widerstände (4) dicht umschließenden
Isoliergehäuse (1) angeordnet ist. Das Isoliergehäuse. (1) ist aus einem wärmeschrumpfbaren
Material hergestellt.