DE3544141C2

DE3544141C2 -

Info

Publication number: DE3544141C2
Application number: DE3544141A
Authority: DE
Inventors: Donald Eugine Wadsworth Ohio Us Raudabaugh
Original assignee: Hubbell Inc
Current assignee: Hubbell Inc
Priority date: 1984-12-14
Filing date: 1985-12-13
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2005-12-14
Also published as: SE8505893L; SE8505893D0; JPS61144002A; CA1270294A; MX9204114A; CH665727A5; JPH0410721B2; DE3544141C3; SE464602B; ZA856710B; MX164259B; US4656555A; DE3544141A1; BR8504773A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für den Überspannungsschutz mit hin tereinander angeordneten blockförmigen und gegeneinander gedrückten Widerständen.

Aus der DE-OS 29 34 832 ist ein Wärmeübertragungssystem für Zinkoxyd-Varistoren bekannt, bei dem eine Varistoranordnung für den Überspannungsschutz hintereinander angeordnete blockförmige Widerstände aufweist, die mittels Federkraft gegeneinander gedrückt werden.

Aus der US-Def. Publi. T 1 02 103 ist ein Überspannungsschutz bekannt, bei dem mehrere Varistoren hintereinander angeord net sind. Zwischen zwei benachbarten Widerständen dieser reihenweise hintereinander geschalteten Widerstände ist ein Federelement eingesetzt, das die Anordnung in zwei Gruppen trennt und jede Gruppe gegen eine Endbefestigung drängt. Des weiteren sind elektrisch leitende Zwischenringe zwi schen einander benachbarten Widerständen angeordnet.

Aus der DE-OS 30 01 943 ist eine Einrichtung zum Überspan nungsschutz bekannt, die einen Kanal zur Ableitung von im Gehäuse entstandenen Gasen aufweist. Der Kanal besteht aus mit einem Bindemittel getränkten Glasfaserbündeln.

Aus der DE-AS 10 58 610 ist ein Überspannungsableiter be kannt, bei dem zwischen Widerstandscheiben Isolierschei ben angeordnet sind, wobei zwei diametral einander gegen überliegende Kontaktflächen zweier aufeinanderfolgender Wi derstandsscheiben miteinander verbunden sind.

Allgemein steht bei derartigen Einrichtungen die Anordnung der Widerstände unter axialem Druck, wobei dieser axiale Druck bei den bekannten Systemen über eine Schraubanordnung und evtl. vorgesehenen Spiralfedern aufrechterhalten wird. Die Federn können üblicherweise nur eine geringe Belastung bereitstellen, was sich nachteilig auf einen guten Wärme übergang und eine gleichförmige Spannungsverteilung zwi schen den Blöcken auswirkt. Auch erhöht sich der Kontakt widerstand an den Verbindungsstellen, wenn der Anpreßdruck zu gering ist und die Spannungsverteilung nicht gleich förmig geschieht. Durch Spratzer kann es zu einer niedrigen Kontaktkraft kommen, wobei das entstehende ionisierte Metall bei Hochspannung ein axiales Durchschlagen hervorrufen kann.

Ein zusätzliches Problem der Spannungsschutzanordnungen nach dem Stand der Technik besteht darin, daß, wenn es zu Aussetzern kommen sollte und fehlerhafte Überspannungen entstehen, die berstende Einheit Bruchstücke explosionsar tig wegschleudert und auf diese Weise Schäden verursachen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Anordnung der genannten Gattung zu schaffen, die bei einfa chem, kostengünstigem und raumsparendem Aufbau eine hohe Axialbelastung besitzt, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die hintereinander angeordneten Widerstände durch eine Wicklung aus nicht leitenden Fasern unter Druck zusammengehalten sind. Durch diese Maßnahme wird ein Überspannungsschutz bereitgestellt, der den gesetzten Anforderungen gerecht wird und eine hohe Anpreßkraft zur Verfügung stellt, wodurch eine gleichmäßige Stromverteilung über den Querschnitt der Stoßfläche sichergestellt ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsge mäße Anordnung eine verbesserte Zerreiß- und Zugfestigkeit sowie eine erhöhte Biegefestigkeit aufweist und Änderungen in der Abmessung zugeordneter Teile toleriert, wodurch das Erfordernis teurer enger Toleranzen reduziert wird.

In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestal tungen des Überspannungsschutzes dargestellt.

Des weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung des erfin dungsgemäßen Überspannungsschutzes angegeben, mit dem auf einfache und schnelle Weise eine rationelle Herstellung möglich ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Ansicht eines Längsschnitts durch eine aufgebaute Einrichtung für den Überspannungsschutz,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer veränderten Faserwick lungs-Unterbaugruppe mit einer Vielzahl von MOV- Blöcken, Federscheiben und Abstandshaltern, wobei die Faser in mehreren Lagen um diese Unterbaugruppe gewickelt ist,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines vorgehärteten polymeri schen Wetterschutzgehäuses, das die umwickelten MOV-Blöcke aufnimmt, und

Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht einer Um wicklung, die aus einer Vielzahl von Einzeldrähten besteht.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Überspannungsschutz 10 darge stellt, der einen mit einer Umwicklung versehenen Kern aus Widerständen, hier Metall-Oxid Varistoren (MOV-Blöcke) 11 und 12, erste und zweite, aus elektrisch leitenden Elektro den 16 und 18 bestehende Endstücke, eine Umwicklung 14 aus Fasern und ein Wetterschutzgehäuse 20 aus polymerischem Material aufweist. In Fig. 1 werden die Blöcke 11 und 12 durch eine Federscheibe 13 und letztere zwischen sich ein schließende last- und stromverteilende Zwischenscheiben 5 und 6 voneinander getrennt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann eine Unterbaugruppe 15 mit einer geänderten Faserumwicklung drei MOV-Blöcke 22, 24 und 26 aufweisen, in der leitende Zwischenscheiben 28, 30, 32 und 34, Federscheiben 36 und 38, Umwicklungen 14 und erste und zweite Elektroden 16 und 18 besitzen, welche letztere erste und zweite sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten 17 und 19 aufweisen. Die Umwicklungen 14 bilden eine Viel zahl von Lagen um die MOV-Blöcke herum.

In den Fig. 3 ist ein vorgehärtetes polymerisches Wet terschutzgehäuse 20 dargestellt, das die umwickelte Unter anordnung 15 aus Fig. 2 oder auch aus Fig. 1 aufnimmt.

Die MOV-Blöcke liefern in bekannter Weise eine vorbestimmte nicht-lineare elektrische Charakteristik zwischen ihren Endbereichen. Die Blöcke selber haben üblicherweise die Form relativ kurzer Zylinder und sind im Gehäuse im engen Kontakt untereinander in Reihe angeordnet, bei anderen Aus führungsformen können sie durch eine oder mehrere Feder scheiben 36 und 38 und/oder Zwischenscheiben 28, 30 und 32 voneinander getrennt sein, vergl. Fig. 2. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt und weist eine Federscheibe 13 sowie last- und stromverteilende Zwi schenscheiben 5 und 6 zwischen zwei MOV-Blöcken 11 und 12 auf, welche in engem Kontakt an den als elektrisch leitende Elektroden ausgebildete Endstücken 16 und 18 anliegen. Damit wird ein guter thermischer Weg zur Umgebung bereit gestellt, wodurch die Betriebscharakteristika verbessert werden, wenn die thermische Stabilität ein wesentlicher Faktor ist.

Die Umwicklung 14 kann aus jeder geeigneten kontinuierlich fortlaufenden Faser, wie z. B. Nylon, Reyon, Glas oder Poly ethylen bestehen. Andere Fasern, beispielsweise keramische Fasern können ebenfalls verwendet werden. Eine Glasfaser wicklung wird jedoch bevorzugt.

Die Umwicklung 14 kann von einer fortlaufenden einzelnen Faser gebildet werden oder es kann jede Windung mehrere dünnere Stränge 15 besitzen, wie beispielsweise in Fig. 4 dargestellt.

Die Umwicklung kann nach Bedarf ein harzhaltiges Material tragen. Dieses Harz kann entweder ein natür liches oder synthetisches Harz sein und sich in teilweise gehärtetem oder in ungehärtetem Zustand befinden. Obwohl Epoxiharz bevorzugt wird, kann jedes andere geeignete Harz verwendet werden. Das polymerische Wetterschutzgehäuse 20 kann jede Form und Größe aufweisen, mit der die gewünschten Effekte zum Sicherstellen einer stoßfesten Umschließung mit hoher Schlagfestigkeit und guter Witterungsbeständigkeit erzielt werden. Es kann aus einem starren, steifen oder elastomerischen Polymer bestehen und kann entweder synthe tisch, natürlich oder aus einer Kombination daraus herge stellt sein. Beispiele solcher Polymere sind natürliche und synthetische Gummis, synthetische thermoplastische Elastomere, z. B. Nylon, Polyvinylchloride und Polyethylene (linear) und zwar aushärtbare Elastomere, wie z. B. Polyethylen (vernetzt) und Polyester. Der bevorzugte Elastomer für das Wetterschutzgehäuse ist Ethylenpropylen- Gummi (ethylene-propylene rubber, EPM).

Die Elektroden 16 und 18 können aus jedem leitenden Mate rial bestehen, vorzugsweise aus einem hochleitenden Metall und die endseitigen Widerstände sollten in Umfangsrichtung ringförmige Nuten aufweisen, um den Prozeß des Umwindens mit der Faser zu begünstigen.

In den Fig. 1 und 2 sind die ringförmigen, sich in Um fangsrichtung erstreckenden Nuten oder Ausnehmungen 17 und 19 mit senkrechten Seitenwänden 21, 23, 25 und 27 darge stellt, das heißt, mit Seitenwänden, deren Oberfläche senk recht zur Längszentralachse der aneinander gereihten Kom ponenten stehen. Sie bilden Schultern, die sich im wesent lichen radial erstrecken. Diese Seitenwände sind mittels ringförmig gekrümmter Bodenwände 29 und 31 miteinander ver bunden. Diese Nuten können jede geeignete Konfiguration be sitzen, die den Zwecken des Haltens der Windungen gerecht werden, oder sie können auch nur im wesentlichen radial verlaufende Schultern aufweisen.

Die Feder- und die Zwischenscheiben sind von üblicher Bau art und erfordern keine nähere Beschreibung.

Es wird auch darauf aufmerksam gemacht, daß, obwohl die Zeichnungen Komponenten darstellen, die eine gerade kreis förmig zylindrische Konfiguration besitzen, das Wort "zylindrisch" wie es zum Zwecke dieser Erfindung definiert ist, bereits zu verstehen ist als eine Oberfläche die durch die Bewegung einer geraden Linie parallel zu einer festen Linie erzeugt wird und eine feste Kurve schneidet. Auch be zieht sich der Begriff "axial" im Sinne dieser Erfindung auf die Längszentralachse des Aufbaus. Obwohl zylindrische Blöcke bevorzugt werden, können auch solche mit einem po lygonalen Querschnitt Verwendung finden.

Das Verfahren zum Herstellen einer derartigen Einrichtung umfaßt eine fluchtende Anordnung einer Vielzahl von MOV-Blöcken unter eine axiale Belastung, wobei nach Anforderung Zwischenscheiben und/oder Federscheiben eingesetzt sein können. Mit der Erfindung sind axiale Belastungen von 13,79 · 10⁴ N/m² pro Blockquerschnitt bis zu unmittelbar an die Bruchgrenze der verwendeten Blöcke möglich. Der bevorzugte Bereich liegt zwischen 34,47 · 10⁴ N/m² bis 34, 47 · 10⁵ N/m² eines Blockquerschnitts.

Jede bekannte Art und Weise eines Aufbringens einer axialen Belastung auf die fluchtend angeordneten MOV-Blöcke ist da bei akzeptabel, vorausgesetzt, der Wicklungsprozeß wird er möglicht oder erleichtert. Eine in Auge gefaßte Methode besteht darin, die Blöcke in einer Drehbank-ähnlichen Ma schine einzuspannen, die in der Lage ist, eine axiale Bela stung bereitzustellen.

Wenn die MOV-Blöcke mit oder ohne Zwischen- und Fe derscheiben fluchtend in Reihe angeordnet und der axialen Belastung ausgesetzt sind, kann der Umwicklungsprozeß beginnen. Jede geeignete Methode oder jedes geeignete Verfahren zum Aufbringen einer Umwicklung auf die ausge richteten Komponenten kann angewendet werden, vorausge setzt, daß die Umwicklung die ausgefluchteten Komponenten unter der speziellen axialen Last halten, d. h. daß die Last beibehalten wird.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Umwickeln der Komponenten weist ein schraubenförmiges und überlappendes Umwickeln mit einem relativ niedrigen Schraubenwinkel auf. Das Verfahren läuft wie folgt ab:
Zunächst wird die Fadenwicklung über der Schulter eines Endstückes gesichert. Dann werden die Komponenten um annähernd 180° gedreht, während der Faden axial über die Oberfläche der zusammengebauten Komponenten gezogen wird. Nach dem Erreichen des entgegengesetzten Endstückes wird der Faden über die andere Schulter über 180° gewunden. Die Windungsmaschine schickt anschließend den Faden zurück zum Ausgangspunkt, während die Komponenten gleichzeitig um 180° drehen. Wieder macht der Faden eine halbe Drehung in der Endnut und dieser Zyklus wird so oft wie gewünscht wiederholt. Das Ausmaß der Rotation und das axiale Queren sind geringfügig asynchron, so daß aufeinanderfolgende Zyklen die Windungen fortschreitend um die Oberfläche der Komponenten legen. Mit einer Vielzahl von Komponenten wird schließlich die gesamte Oberfläche mit Fäden bedeckt.

Eine teilweise bedeckte Unterbaugruppe, das dieses Umwick lungsmuster aufweist, ist in Fig. 1 dargestellt. Zusätzli che Windungslagen können zum Zwecke einer erhöhten Festig keit hinzugefügt sein, wie beispielsweise in Fig. 2 ge zeigt.

Wenn die Rotationsgeschwindigkeit in Gradzahlen ausgedrückt und das axiale Querführen annähernd 7° asynchron sind, dann wird annähernd die gesamte Oberfläche mit 25 Zyklen bedeckt, d. h. 100 Zyklen liefern vier Lagen einer Umwick lung für eine zusätzliche Festigkeit.

Es versteht sich, daß dieses Verfahren nicht notwendiger weise axiale Rotation von 180° erfordert. Vielmehr ist jede axiale Rotation ausreichend, vorausgesetzt daß eine Umwick lung erzeugt wird, die die Komponenten mit der axialen Be lastung zusammenhält. Mit anderen Worten, wenn ein Endstück erreicht wird, kann der Faden mit mehr oder weniger als 180° um die Schulter gewunden werden. Auch kann der Faden mit einer langsameren oder einer größeren Drehbewegung zwi schen den Komponenten und dem Faden über die Komponenten gezogen werden.

Des weiteren ist eine Relativbewegung dann nicht erforder lich, wenn eine gekerbte Schulter verwendet wird, wobei eine reine axiale Lage der Fäden möglich ist, ohne daß sie an den Schultern abrutschen.

Wie bereits obenerwähnt, können die Fäden eine Harzmi schung tragen. Die Harzmischung kann den Fäden durch jede beliebige Maßnahme, wie beispielsweise Vorbeschichten der Fäden in einem Harzbad oder Aufbringen der Harzmischung auf die Fäden, nachdem die Komponenten umwickelt sind, aufge bracht werden. Zusätzlich kann die Harzmischung sich entwe der in halbgehärtetem oder in ungehärtetem Zustand befin den. Wenn sich die Harzmischung in ungehärtetem Zustand be findet, kann die Härtung später stattfinden, vorzugsweise während des Aufbringens des polymerischen Wetterschutzge häuses.

Nachdem die Komponenten umwickelt worden sind, kann das Wetterschutzgehäuse aufgebracht werden. Wie bereits oben erwähnt, besteht das Gehäuse aus einer polymerischen Mi schung. Das Aufbringen kann in verschiedener Weise gesche hen, beispielsweise dadurch, daß die umwickelte Untergrup penanordnung in ein vorgehärtetes elastomerisches Polymer- Wetterschutzgehäuse eingebracht wird. Wenn die Wicklung eine ungehärtete Harzmischung trägt, können diese Windungen mit dem vorgehärteten Wetterschutzgehäuse in einem Ofen ad häsiv verbunden werden, um einen endgültig fertiggestellten Überspannungsschutz zu liefern. Andere Methoden, wie bei spielsweise Gießen, Sprühen oder Tauchen können vorgesehen werden, um einen polymerischen Wetterschutz auf die faser umwickelten Komponenten aufzubringen. Tatsächlich kann je des Verfahren angewandt werden, mit dem die gewünschten Re sultate erzielt werden können.

Wenn ein vorgehärtetes elastomerisches Wetterschutzgehäuse Verwendung findet, dann ist es innen mit geradlinigen Wän den ausgerüstet, vergl. Fig. 3. Dies erleichtert den Zusam menbau. Praktisch ist der äußere Enddurchmesser der als Elektroden ausgebildeten Endstücke gleich dem Durchmesser der umwickelten Unterbaugruppe. Der Durchmesser der Schulter ist wegen der Dicke des Glases über der Schulter geringer. Nachdem der Körper der Unterbaugruppe umwickelt ist, wird jede verbleibende Nut mit harzgetränktem Glas gefüllt, das in Umfangsrichtung an beiden Enden aufge wickelt wird. Die endgültige Unterbaugruppenanordnung sollte, soweit als möglich, einem glatten Zylinder angenä hert sein, vergl. Fig. 2.

Wenn weitere Komponenten hinzugefügt oder in der Anordnung ersetzt werden, so sollte eine ähnlich geformte Anordnung entstehen. Das Verhältnis Länge/Radius kann unterschiedlich sein zu dem, das normalerweise mit einem Überspannungs schutz erzielt wird, jedoch das Konzept einer faserum wickelten elektrischen Anordnung erhalten bleibt.

Claims

1. Einrichtung für den Überspannungsschutz mit hintereinan der angeordneten blockförmigen und gegeneinander ge drückten nichtlinearen Widerständen, dadurch ge kennzeichnet, daß die hintereinander angeordneten Widerstände (11, 12; 22, 24, 26) durch eine Wicklung aus nicht leitenden Fasern unter Druck zusammengehalten sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest eine Federscheibe (13, 36, 38) und/oder zumindest eine elektrisch leitende Zwischenscheibe (5, 6, 28, 30, 32, 34) zwischen einander benachbarten Widerständen (11, 12; 22, 24, 26) angeordnet sind/ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zwischen den Widerständen (11, 12; 22, 24, 26) mindestens eine Federscheibe (13, 36, 38) zwischen zwei leitenden Zwischenscheiben (5, 6, 28, 30, 32, 34) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die endseitigen Widerstände (11, 12; 22, 26) mit einer elektrisch leitenden Elektrode (16, 18) am Ende der Blockanordnung versehen sind.

5. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (15) der Umwicklung eine harzhaltige Mischung tragen.

6. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den endseitigen Widerständen (11, 12; 22, 26) jeweils eine Schulter (17, 19) ausgebildet ist, die jeweils Abschnitte der die Umwicklung bildenden Fasern (15) tragen.

7. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Belastung zwischen 34,47 · 10⁴ N/m² bis 34,47 · 10⁵ N/m² beträgt.

8. Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände aus Metalloxyd-Varistor (MOV)-Blöcken oder Siliziumcarbidblöcken bestehen.

9. Verfahren zum Herstellen einer Einrichtung nach minde stens einem der Ansprüche 1 bis 8, gekenn zeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

- Anordnen einer Vielzahl von Widerständen in einer Reihe,
- Ausrichten der Widerstände in einer Flucht,
- Aufbringen eines Axialdrucks auf die Reihe der Widerstände, und
- Umwickeln der Vielzahl der fluchtend angeordneten Widerstände mit einer nicht leitenden Faserum wicklung, während die axiale Druckbelastung aufrechterhalten bleibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fasern der Umwicklung mit einer harzhaltigen Beschichtung versehen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß jede Umwicklung zumindest einen Abschnitt auf der ersten Schulter, zumindest einen Abschnitt entlang der Oberfläche des Widerstands und zumindest einen Abschnitt auf der zweiten Schulter aufweist.

12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9-11, gekennzeichnet durch die folgenden Ver fahrensschritte:

a) Sichern der Faserwindung in der ersten Schulter der ersten Endkomponente,
b) Überqueren der Oberfläche der fluchtend angeord neten elektrischen Widerstände mit der Faser in eine Richtung mit axialer Komponente,
c) nach dem Erreichen des zweiten Endstücks Herum winden der Faser in der zweiten Schulter, wobei zumindest eine teilweise relative axiale Drehbe wegung zwischen der Faser und den Widerständen durchgeführt wird,
d) Rückführen der Faser über der Oberfläche der fluchtend angeordneten elektrischen Widerständen,
e) Herumwinden der Faser um die erste Schulter bei zumindest einer teilweisen relativen axialen Drehbewegung zwischen der Faser und den Wider ständen und
f) Wiederholen der Schritte b) bis e) für eine Vielzahl von Zyklen, wobei die Drehung der Wider stände und die axiale Querbewegung geringfügig asynchron abwechseln, so daß aufeinanderfolgende Zyklen die Umwicklung fortschreitend um die Ober fläche der Widerstände durchführen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß bei zumindest einem der Schritte b) und d) eine relative Axialbewegung zwischen der Faserwindung und den hintereinander zugeordneten Widerständen durchgeführt wird, während die Faserwick lung über die Oberfläche der Widerstände geführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Umwicklungsschritte fortge führt werden, um eine Vielzahl von Umwicklungslagen zu erzielen.

15. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest auf einen Bereich der Fasern eine Beschichtung mit harzhaltigem Material aufgebracht wird und daß die Mischung aushärtet, während die Druckluft auf die Vielzahl der Widerstandsblöcke aufrechterhalten bleibt.