DE68920463T2

DE68920463T2 - Modular aufgebautes elektrisches Bauteil mit Trennfolie aus Kunststoff.

Info

Publication number: DE68920463T2
Application number: DE68920463T
Authority: DE
Inventors: Donald Eugine Raudabaugh
Original assignee: Hubbell Inc
Current assignee: Hubbell Inc
Priority date: 1988-03-31
Filing date: 1989-01-24
Publication date: 1995-05-18
Anticipated expiration: 2009-01-25
Also published as: JPH0740504B2; JPH01272071A; CA1331784C; US4899248A; EP0335479B1; EP0335479A3; EP0335479A2; ZA891168B; DE68920463D1; MX164274B

Description

Hintergrund der Erfindung

Eine Überspannungssicherung oder -ableiter ist normalerweise über ein verhältnismäßig teueres elektrisches Ausrüstungsteil geschaltet, um Überstromwellen abzuleiten. Solche Überstromwellen treten beispielsweise dann auf, wenn ein Blitz einschlägt. Wenn dies passiert, leitet der Überspannungsableiter die Überspannung zur Erde ab, wodurch das elektrische Ausrüstungsteil und die Schaltung vor Beschädigung oder Zerstörung geschützt wird.
Heutzutage umfassen Überspannungsableiter normalerweise ein verlängertes, hohlzylindrisches Gehäuse aus Porzellan oder dergleichen und eine Vielzahl nichtlinearer Widerstandsblöcke innerhalb des Gehäuses. Einige dieser Strukturen beinhalten ebenso Funkenstrecken, wobei die Blöcke und die Strecken elektrisch zusammengeschaltet sind, um die Spannungs- und Stromwellenzustände, die bei einer Stromleitung auftreten, handzuhaben. Die Blöcke enthalten für gewöhnlich Siliziumcarbid (SiC) oder Metalloxidvaristoren (MOV), und sind gewöhnlich in Form von relativ kurzen Zylindern innerhalb des Ableitergehäuses gestapelt. Die Anzahl der verwendeten Blöcke ist eine Funktion des Materials (SiC oder MOV) und der Spannungs- und Strombemessungen der Einrichtung.
Damit der Überspannungsableiter richtig funktioniert, muß ein inniger Kontakt zwischen den MOV- oder SiC-Blöcken aufrechterhalten werden. Dies erfordert die Anordnung einer axialen Last auf die Blöcke innerhalb des Gehäuses. Bekannte Ableiter verwenden große Kontaktfedern innerhalb des Gehäuses, um für diese Axiallast zu Sorgen. Typischerweise können diese Federn nur für relativ kleine Lasten, beispielsweise ungefähr sechzig Pfund, sorgen. Als Ergebnis leiden bekannte Überspannungsableiter an einem oder mehreren Problemen wie beispielsweise einer geringen Wärmeübertragung zwischen den MOV- oder den SiC-Blöcken und den Ableiterenden; einer ungleichförmigen Stromverteilung; und hohen Kontaktwiderständen an den Verbindungsstellen. Ferner spratzen Einheiten mit einer niedrigen Kontaktkraft, und das erzeugte ionisierte Metall kann bei hohen Strömen einen axialen Überschlag verursachen.
Ein weiteres Problem bei Überspannungsableitern des Standes der Technik ist, daß sie bei seltenen Gelegenheiten in gefährlicher Weise versagen. Wenn diese Ableiter versagen und hohe Fehlerströme erfahren, kann die berstende Einheit Teile umherschleudern und einen Sachschaden verursachen.
Ferner sind einige Vorrichtungen des Standes der Technik schwierig zusammenzusetzen, besitzen eine geringe dielektrische Auslegung, sind für einen Wasserzutritt anfällig und erfordern völlig unterschiedliche Vorrichtungen, um für unterschiedliche Spannungsauslegungen zu sorgen.
Beispiele von Überspannungsableitern des Standes der Technik sind in den folgenden US-Patenten beschrieben: 2,587,587 von Bellezza et al; 2,947,903 von Westrom; 2,997,529 von Fink; 3,018,406 von Innis; 3,261,910 von Jacquier; 3,412,273 von Kennon et al; 3,524,107 von Reitz; 3,566,183 von Olsen; 3,567,541 von Kaczerginski; 3,586,934 von Nakata; 3,706,009 von Reitz; 3,725,745 von Zisa; 3,850,722 von Kreft; 3,973,172 von Yost; 3,987,343 von Cunningham et al; 4,029,380 von Yonkers; 4,092,694 von Stetson; 4,100,588 von Kresge; 4,107,567 von Cunningham et al; 4,161,012 von Cunningham; 4,218,721 von Stetson; 4,404,614 von Koch et al; 4,467,387 von Bergh et al; 4,491,687 von Kaczerginski et al; und die LJS-Verteidigungsveröffentlichung T102,103, als auch die UK-Patente 730,710; 1,109,151; und 1,505,875.
Die harzgetränkten Glasfaserfäden der Überspannungsableiter des US-Patents Nr. 4,656,555 und der US-Patentanmeldung Serial Nr. 033,765 stehen im direkten Eingriff und Verbindung mit den Varistorblöcken. Dies kann die ziemlich zerbrechlichen Keramikisolierkrägen an der Varistorblöcken während der Herstellung beschädigen. Die gewöhnlich übertragene und gleichzeitig eingereichte US-Patentanmeldung Serial Nr. 176,317 von John D. Sakich mit dem Titel "Modulare elektrische Einrichtung mit Druckentlastung" offenbart einen Überspannungsableiter mit einer Fadenwicklung mit Öffnungen und einer Barriere zwischen den elektrischen Komponenten und der Fadenwicklung.

Zusammenfassung der Erfindung

Demzufolge ist es Ziel dieser Erfindung, elektrische Einrichtungen, insbesondere Überspannungsableiter zu schaffen, die verhältnismäßig einfach und günstig ohne Beschädigung der elektrischen Komponenten zusammenzubauen sind, eine gute dielektrische Auslegung besitzen, widerstandsfähig gegen ein Eindringen von Wasser sind, und modulare Komponenten und Gehäuse besitzen, um einfach die Spannungsauslegungen zu variieren.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung ist es, elektrische Einrichtungen wie beispielsweise Überspannungsableiter mit hohen Axiallasten, woraus eine gleichmäßige Stromverteilung resultiert, mit niedrigen Kontaktwiderständen an den Verbindungsstellen und mit ausgezeichneter Wärmeübertragung zu den Ableiterenden zu schaffen.
Weiterhin ist es Ziel dieser Erfindung, eine elektrische Einrichtung wie beispielsweise eine Überspannungsableiter mit einem splitterfreien Gehäuse mit hoher Schlagfestigkeit zu schaffen, welches nicht in gefährlicher Weise versagt.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung ist es, eine MOV-Block- Einrichtung mit weitaus verbesserten Zug- und Auslegerfestigkeiten zu schaffen.
Ferner ist es Ziel der Erfindung, einen Überspannungsableiter zu schaffen, der Dimensionsänderungen bei den verbundenen Teilen zuläßt, wodurch das Erfordernis teuerer enger Toleranzen reduziert wird.
Die vorgenannten Ziele werden im wesentlichen dadurch erreicht, ein modular aufgebautes elektrisches Bauteil oder eine elektrische Einrichtung bestehend aus modular aufgebauten elektrischen Bauteilen zu schaffen, wobei jedes elektrische Bauteil eine Mehrzahl elektrischer Komponenten, die in einer Reihe oder Säule angeordnet und elektrisch über ihre axial ausgerichteten Enden verbunden sind, eine Trennfolie aus Kunststoff, die die elektrischen Teile seitlich umfaßt, und eine nichtleitende Fadenwicklung, die die Kunststoffolie und die elektrischen Komponenten umfaßt, beinhaltet. Die Wicklung übt die axial gerichtete Kompressionskraft auf die elektrischen Komponenten aus, um deren elektrische Verbindung aufrechtzuerhalten.
Weitere Ziele, Vorteile und hervortretende Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung offenbar, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung offenbart.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die einen Teil dieser Originaloffenbarung bilden:
Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines elektrischen Bauteils in Form eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters, umfassend eine Mehrzahl modularer und austauschbarer fadenumwickelter und in einem wassergeschützten Gehäuse angeardneter elektrischer Bauteile;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht, teilweise im Längsschnitt des in Fig. 1 dargestellten Bauteils, die die elektrischen Bauteile einschließlich der Fadenwicklungen innerhalb des wassergeschützten Gehäuses zeigt;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Seitenansicht im Längsschnitt eines in Fig. 2 gezeigten modular aufgebauten elektrischen Bauteils; und
Fig. 4 ist eine vergrößerte Stirnansicht im Schnitt längs der Linie 4 - 4 aus Fig. 3.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 - 4 wird ein elektrisches Bauteil 50 in Form eines Überspannungsableiters erfindungsgemäß aus einer Mehrzahl von modular aufgebauten Bauteilen 52, 54 und 56, die in einem polymeren, gummiartigen Wetterschutzgehäuse 58 angeordnet sind, gebildet. Jedes der elektrischen Bauteile ist vorteilhaft im wesentlichen identisch und austauschbar mit den anderen elektrischen Bauteilen, und ist aus einer Mehrzahl von zylindrischen elektrischen Einzelteilen 60 und 62 aufgebaut. Diese Teile sind in Reihe angeordnet und sind miteinander über ihre axial gerichteten Enden und unter einer axial gerichteten, von einer nichtleitenden Fadenumwicklung 64, wie in dem US- Patent Nr. 4,656,555 und der Serial Nr. 033,765 offenbart, ausgeübten Kompressionskraft verbunden. Die elektrischen Teile können Metalloxidvaristoren (z. B. Zinkoxid-Varistorblöcke), Widerstände, Kondensatoren oder irgendeine Kombination davon sein. Während nur zwei elektrische Teile in Fig. 3 gezeigt sind, können mehr als zwei verwendet werden.
In dem Fall, daß Varistoren verwendet werden, um den Überspannungsableiter zu bilden, können die Überspannungsauslegungen lediglich durch serielles und selektives mechanisches und elektrisches Zusammenkoppeln der Mehrzahl der modular aufgebauten elektrischen Bauteile erweitert werden.
Das elastomere Wetterschutzgehäuse 58 kann ein einzelner Abschnitt aus Polymermaterial oder eine Vielzahl von Abschnitten 66, 68 und 70 in einer Ende-An-Ende-Reihenanordnung, wie in den Fig. 1 und 2 zu sehen, sein. Diese Abschnitte nehmen die elektrischen Bauteile über einen leichten Festsitz auf und vereinfachen deshalb den Zusammenbau und erlauben die Ausführung einer guten dielektrischen Dimensionierung durch Reduzierung radialer Spalten.
Jedes der elektrischen Bauteile 52, 54 und 56 ist im wesentlichen dasselbe, weshalb nur das Bauteil 52, dargestellt in den Fig. 3 und 4, im Detail beschrieben werden wird. Das Bauteil 52 besitzt eine im wesentlichen zylindrische Gesamtaußenfläche und umfaßt ein erstes Endteil oder Ende 72, eine Federdichtung 74, eine Kontaktscheibe 76, ein elektrisches Teil 60, eine Kontaktscheibe 78, ein elektrisches Teil 62, eine Kontaktscheibe 80, eine Federdichtung 82, und ein zweites Endteil oder Ende 84. Die nichtleitende Fadenwicklung 64 ist an die Endteile 72 und 84 durch Aufnahme in die peripheren Nuten 73 und 85 gekoppelt, umschließt die elektrischen Teile, und hält sie unter einer axial gerichteten Kraft, welche von den Federdichtungen noch vergrößert wird.
Eine Kunststofftrennfolie 110 umgibt die elektrischen Bauteile 60 und 62 seitlich und ist koaxial zwischen die elektrischen Bauteile und die Fadenwicklung geordnet. Vorzugsweise ist der Kunststoff Polypropylen. Die Trennfolie ist durch straffes Umwickeln eines rechteckigen Plastikstreifens um die elektrischen Bauteile und die angrenzenden Abschnitte der Endteile 72 und 74, nämlich die axial innerhalb der Nuten 73 und 85 liegenden Abschnitte, in zwei Schichten 111 und 112 gebildet, bevor die Fadenwicklung 64 zugefügt wird. Die Dicke des Kunststoffstreifens und jeder Schicht beträgt ungefahr 0,0127 mm (0,0005 inch).
Da sich die Trennfolie aus Kunststoff entlang der gesamten Länge der elektrischen Bauteile und auf die Endteile erstreckt, dichtet die Trennfolie aus Kunststoff die elektrischen Bauteile von dem Epoxid oder dem Harz des Fadens, der die Wicklung bildet, ab. Bei Überspannungsableitern verhindert dies, daß das nasse Epoxid oder Harz an dem Faden an den zerbrechlichen Keramikisolierkrägen an den Metalloxidvaristorblöcken 60 und 62 anhaftet.
Alle Teile, die das elektrische Bauteil 52 umfaßt, sind leitend, ausgenommen die Trennfolie und die Wicklung, außer wenn die Bauteile Isolatoren sind. Vorteilhaft bestehen die Teile 72 und 84 aus Aluminium. Die freien Außenflächen der Fadenwicklung 64 und die Endteile 72 und 84 sind alle im wesentlichen zylindrisch und besitzen im wesentlichen gleiche Durchmesser.
Die Endteile 72 und 84 bilden innere Enden, besitzen zy1indrische freie Außenflächen und haben einander entgegengesetzte erste und zweite axial ausgerichtete planare Enden mit inwärtig ausgebildeten Gewindesockeln oder -bohrungen 86 und 88. Der Sockel 86 nimmt den einzuschraubenden Gewindeendstift 90 auf, welcher an eine elektrische Stromquelle angeschlossen sein kann und der die Form eines metallischen, leitenden Ansatzbolzens besitzt. Die Endplatte 92 ist am Endstift 90 aufgenommen, greift fest an einem Ende des Wetterschutzgehäuses an, wie in Fig. 1 und 2 zu sehen, und wird von einem stabilen Ansatz 94 an dem Stift in Position gehalten. Eine zweite Endplatte 96 ist am anderen Ende des Gehäuses in ähnlicher Weise positioniert und ist an einem Endstift 98 angeordnet, der geerdet ist, und ist dort über einen Ansatz 99 an dem Stift gehalten. Die Stifte 90 und 98 bilden im wesentlichen äußere Anschlußenden für das Gesamtbauteil 50.
Der Wetterschutzgehäuseabschnitt 66 besitzt einen Durchgang in Form einer Durchgangsbohrung mit einer inwärtig gerichteten zylindrischen Oberfläche 100, die die äußere zylindrische Oberfläche des elektrischen Bauteils 52 festsitzend aufnimmt. Dasselbe gilt betreffend die Abschnitt 68 und 70 und die Bauteile 54 und 56. Die Aufnahme der Bauteile in den Durchgangsbohrungen erfolgt vorzugsweise über einen Festsitz, wobei die Bauteile äußere Flächendurchmesser besitzen, die im wesentlichen untereinander gleich sind und um ungefähr 2% bis 9% größer sind als der Durchgangsbohrungsmesser, welcher im wesentlichen über die Länge konstant ist. Dies verringert radiale Spalten und sorgt demzufolge für eine vorteilhafte dielektrische Dimensionierung.
Um die drei elektrischen Bauteile 52, 54 und 56 miteinander in einer ausgerichteten, geraden End-An-End-Reihenanordnung mechanisch und elektrisch miteinander zu verbinden, werden ein Paar mit einem Außengewinde versehener, metallischer und leitender Stifte 104 verwendet, wie Fig. 2 zu entnehmen. Diese Stifte sind vorteilhaft im wesentlichen identisch und austauschbar, als auch im wesentlichen starr und aus rostfreiem Stahl gebildet. Der Stift 104 koppelt die einander gegenüberliegenden Enden der nebeneinander angeordneten Bauteile 54 und 56 durch Einschrauben desselben in die Gewindesockel jedes der gegenüberliegenden Endteile der Bauteile. Das gleiche gilt betreffend die Stiftkopplung der nebeneinander geordneten Bauteile 52 und 54. Die nebeneinander stehenden Enden der nebeneinander angeordneten Bauteile werden fest miteinander auf den Stiften verschraubt, um eine im wesentlichen spaltfreie Anlage zwischen den gegenüberliegenden planaren, axial gerichteten äußeren Enden der Endteile herzustellen. Dies sorgt für eine vorteilhafte elektrische und mechanische Grenzfläche durch ein Reduzieren einer möglichen Trennung während des Biegens der Einrichtung. Wenn mehrere Bauteile verwendet werden, werden zusätzliche Stifte hinzugenommen, um diese zu verbinden, unter weiterer Verwendung irgendwelcher erforderlicher Wetterschutzgehäuseabschnitte oder der Verwendung eines größeren einstückigen Gehäuses.
Um eine Abdichtung gegen ein Eindringen von Wasser zu schaffen, ist vorzugsweise ein Neoprendichtring zwischen jede aneinandergrenzende Endschulter und Endplatte geordnet, und Silikonschmiere ist zwischen jede aneinandergrenzende Endplatte und Endbauteil, zwischen angrenzende Endbauteile und zwischen die Außenflächen der elektrischen Bauteile und die inwärts gerichteten Flächen der Durchgangsbohrungen in jedem Wetterschutzgehäuseabschnitt gebracht. Die Verwendung von Schmiere zwischen dem Wetterschutzgehäuseabschnitt und dem elektrischen Bauteil hilft beim Zusammenbau und der Montage durch Reduzieren der Reibung und reduziert ebenso irgendwelche dazwischen befindliche radiale Spalten.
Wie den Fig. 1 und 2 zu entnehmen ist, sind die Längsachsen der Stifte 90, 104 und 98, die elektrischen Teile in jedem Bauteil 52, 54 und 56 und das Wetterschutzgehäuse 58 koaxial ausgerichtet. Vorzugsweise stehen die ebenen Enden der Endteile rechtwinklig zu diesen ausgerichteten Längsachsen.
Bezüglich der elektrischen Einrichtung 50 beträgt die Axiallast auf die elektrischen Teile vor dem Wickeln ungefähr 5 MPa (750 Pfund pro square inch), und der Faden oder das gedrehte Faserelement ist eine nasse epoxid-beschichtete Glasfaser, die ungefähr 100 mal gewickelt ist und für ungefähr zwei Stunden bei 150ºC ausgehärtet ist.

Claims

1. Modular auf gebautes elektrisches Bauteil, umfassend:

eine Mehrzahl leitfähiger elektrischer Komponenten 5(60, 62), die in einer Reihe längs einer Achse angeordnet und elektrisch miteinander an ihren axialen Enden (76, 78, 80) verbunden sind, ein leitfähiges Teil (72, 84) an jedem Ende des Bauteils, und eine nichtleitende rohrförmige Fadenwicklung (64), welche die elektrischen Teile und die Endteile einschließt, um eine axial gerichtete Kompressionskraft auf die Teile auszuüben und die elektrische Verbindung zwischen Ihnen aufrechtzuerhalten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennfolie aus Kunststoff (110) die elektrischen Teile (60, 62) seitlich umfaßt und diese Teile vom rohrförmigen Fadengehäuse (64) trennt.

2. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei Einrichtungen an jedem Endteil (72, 84) vorgesehen sind, um dieses Endteil mit einem Endteil eines benachbarten elektrischen Bauteils zu verbinden.

3. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endteile (72, 84) eine mit Innengewinde versehene Sackbohrung (86, 88) aufweisen, in welche ein Gewindeverbindungsstück einsetzbar ist, um so die benachbarten elektrischen Bauteile miteinander zu verbinden.

4. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einem Gewinde versehene Verbinder ein Gewindestift ist.

5. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Kunststoffolie (110) aus Polypropylen besteht.

6. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Trennfolie aus Kunststoff (110) aus zwei Schichten (111, 112) besteht.

7. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei die Dicke jeder Schicht etwa 0,0127 mm beträgt.

8. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die rohrförmige Fadenumhüllung (64) eine Wicklung aus nassen epoxydharzbeschichteten Glasfasern ist.

9. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Trennfolie (110) 20 sich über einen Teil jedes leitfähigen Endteils (72, 84) erstreckt und dieses umgibt.

10. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 91 bei dem die Endteile (72, 84) periphere Nuten (73, 85) aufweisen, die eine Fadenwicklung aufnehmen, um so die rohrförmige Fadenumhüllung zu bilden und die genannte Kompressionskraft anzuwenden.

11. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, eingeschlossen in der durchgehenden Bohrung eines elastomeren wasserabstoßenden Gehäuses (58).

12. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach Anspruch 11, dessen Außendurchmesse etwa 2 % bis 9 % größer ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung.

13. Modular aufgebautes e1ektrisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Teile Varistoren sind.

14. Modular aufgebautes elektrisches Bauteil nach Anspruch 13, mit einem Überspannungsschutz.