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TECHNISCHES GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Überspannungsableiter und insbesondere
auf Überspannungsableiter,
die für
den Einsatz mit Starkstromleitungen, die mit weniger als 2 kV betrieben werden,
ausgelegt sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Überspannungsableiter
schützen
die mit den Energieverteilungsnetzen verbundene Ausrüstung vor
Schäden
durch Überspannungen,
die von Blitzschlägen,
Schaltüberspannungen,
falschen Anschlüssen
und sonstigen anomalen Bedingungen oder Fehlfunktionen herrühren. Das
aktive Element kann ein Varistor sein, der, weil er eine nichtlineare Strom-Spannungs-Beziehung
aufweist, auch als nichtlinearer Widerstand bezeichnet wird. Wenn
die angelegte Spannung kleiner ist als eine bestimmte Spannung (die
Schalt- oder Klemmspannung), ist der Varistor im Wesentlichen ein
Isolator und es fließt
nur ein kleiner Leckstrom durch ihn. Wenn die angelegte Spannung
die Schaltspannung überschreitet,
nimmt der Widerstand des Varistors ab, was einen erhöhten Stromfluss
gestattet. Das heißt,
dass ein Varistor sich unterhalb seiner Schaltspannung wie ein großer ohmischer
Widerstand verhält
und oberhalb von ihr im Wesentlichen leitend ist. Die Spannungs-Strom-Beziehung
wird beschrieben durch die Gleichung
wobei I der Strom ist, der
durch den Varistor fließt;
V die Spannung ist, die am Varistor anliegt; C eine Konstante ist,
die von den Abmessungen, der Zusammensetzung und dem Herstellungsverfahren
des Varistors abhängt;
und α (alpha)
eine Konstante ist, die ein Maß für die Nichtlinearität des Varistors
ist. Es ist ein großer
Wert für α, der gleichbedeutend
ist mit einem großen
Grad der Nichtlinearität,
erwünscht.
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Ein Überspannungsableiter
wird üblicherweise
an einem Elektrizitätsversorgungsnetz
in einer Parallelanordnung angeschlossen, wobei ein Anschluss (oder
eine Elektrode) der Vorrichtung mit einem Phasenleiter des Elektrizitätsversorgungsnetzes
und der andere Anschluss mit dem Erd- oder Neutralleiter verbunden
wird. Bei normalen Netzspannungen ist der Überspannungsableiter in Bezug
auf den Stromfluss (außer
für den
Leckstrom) widerstandsfähig. Aber
wenn ein Überspannungszustand
entsteht, bei dem die Schaltspannung überschritten wird, wird der Überspannungsableiter
leitfähig
und dadurch wird die Spannungsstoßenergie in Nebenschluss auf Erde
geschaltet, wobei gleichzeitig eine „Klemmung" oder Begrenzung der Netzspannung auf
einen Wert erfolgt, der von der zu schützenden Ausrüstung toleriert
werden kann.
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Starkstromleitungen,
die von Überspannungsableitern
geschützt
werden, liegen im Spannungsbereich von einigen hundert Kilovolt
bis zu einigen hundert Volt. Die Strombelastbarkeit und die Schaltspannung
eines Überspannungsableiters – und daher
dessen Baugröße – wird entsprechend dem
Typ der zu schützenden
Leitung ausgewählt. Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Überspannungsableiter für Leitungen
mit einer Spannung von weniger als 2 kV, normalerweise weniger als
1 kV, wie z.B. 440 oder 280 V, die im Allgemeinen auf dem Gebiet
der Energieverteilung als „Niederspannungs"-Leitungen bezeichnet
werden. Wichtige Faktoren für
solche Überspannungsableiter
sind neben ihren elektrischen Kenndaten, Kompaktheit, Herstellungskosten,
leichte Montage und Installation, Sicherheit bei inneren Fehlern
und Dauerfestigkeit trotz des Umstandes, dass sie harten Umgebungsbedingungen
ausgesetzt sind.
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Das
Varistorelement sollte gegen die Umwelt abgedichtet sein, weil das
Eindringen von Feuchtigkeit oder Schadstoffen einen Kurzschluss
verursachen kann. Außerdem
sollten, wenn der Varistor in seinem im Wesentlichen leitfähigen Zustand
betrieben wird, keine Oberflächen
vorhanden sein, die dem Kontakt mit einem ionisierbaren Medium,
wie z.B. Luft, ausgesetzt sind. Die dabei auftretenden Hochspannungen
können
einen Überschlag
verursachen, bei dem der Strom nicht durch den Körper des Varistormaterials,
sondern wegen der Ionisierung des Mediums längs der ausgesetzten Oberfläche geführt wird.
Außerdem
können
ausgesetzte Varistoroberflächen
mit ionischen oder leitfähigen
Arten von Medien verunreinigt werden, die einen Überschlag auslösen können. Es
ist üblich,
einen Varistor mit Hilfe der Insert-Technik oder dadurch, dass ein
Material, wie z.B. Silikon, um ihn herum gegossen oder vergossen wird,
zu kapseln. Die Insert-Technik erfordert jedoch eine Spezialausrüstung und
weist lange Zyklenzeiten auf, beides kann mit bedeutenden Kostenfaktoren verbunden
sein. Das Vergießen
oder Gießen
ist ineffizient, da die Fertigungszeiten um die Zeit verlängert werden,
die für
das Aushärten
des Silikons notwendig ist. Es ist wünschenswert, einen Überspannungsableiter
zu entwickeln, bei dem das Abdichten des Varistors weder von einem
Insert-Technik- oder einem Gieß-
oder Vergießschritt
abhängt,
der zum Kapseln des Varistors dient.
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In
US 5583734 wird ein Überspannungsableiter
für den
Schutz einer Energieverteilungsausrüstung vor Überspannungen offenbart, der
einen Varistor als aktives, überspannungsableitendes
Bauelement aufweist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung stellt einen Überspannungsableiter
bereit, der Folgendes umfasst:
- (a) eine erste
Elektrode, die (i) eine erste Kontaktplatte mit einer Innen- und
einer Außenseite
und (ii) einen ersten Schaft aufweist, der von der Außenseite
der ersten Kontaktplatte aus hervorsteht;
- (b) eine zweite Elektrode, die (i) eine zweite Kontaktplatte
mit einer Innen- und einer Außenseite und
(ii) einen zweiten Schaft aufweist, der von der Außenseite
der zweiten Kontaktplatte aus hervorsteht;
- (c) ein im Wesentlichen scheibenförmiges Varistorelement, wobei
das Varistorelement zwischen die erste und die zweite Elektrode
eingelegt ist, wobei die Innenseiten der ersten und der zweiten Kontaktplatte
zum Varistorelement zeigen und einen elektrischen Kontakt mit demselben
herstellen, um eine Kernbaugruppe zu bilden;
- (d) eine topfförmige
Dichtung, die eine Seitenwand und einen im Wesentlichen kreisförmigen Boden
mit einer Durchgangsbohrung aufweist, wobei die Dichtung die Kernbaugruppe
enthält, die
Außenseite
der ersten Kontaktplatte zum Boden der Dichtung zeigt, der erste
Schaft durch die Durchgangsbohrung des Bodens hindurchgeht und der
zweite Schaft sich vom offenen Ende der Dichtung aus erstreckt;
- (e) ein Gehäuse,
das eine Seitenwand und einen Boden mit einer Durchgangsbohrung
aufweist; wobei das Gehäuse
die Kernbaugruppe und die Dichtung enthält, das offene Ende der Dichtung zum
Boden des Gehäuses
zeigt, der erste Schaft sich vom offenen Ende des Gehäuses aus
erstreckt und der zweite Schaft durch die Durchgangsbohrung im Boden
des Gehäuses
hindurchgeht;
- (f) ein Dichtungselement für
die Durchgangsbohrung im Boden des Gehäuses; und
- (g) einen Deckel mit einer Durchgangsbohrung, wobei der Deckel
das offene Ende des Gehäuses so
abdeckt, dass der erste Schaft durch die Durchgangsbohrung im Deckel,
der durch ein Eingriffsmittel an der Seitenwand des Gehäuses in Eingriff
gebracht und in seiner Position gehalten wird, hindurchgeht und
der Deckel eine Druckkraft an der Dichtung und der Kernbaugruppe
aufbringt;
wobei das Varistorelement von der äußeren Umgebung
durch Dichtungen abgeschlossen ist, und zwar zwischen dem Deckel
und dem Boden der Dichtung; zwischen dem Boden der Dichtung und der
ersten Kontaktplatte; zwischen der Seitenwand des Gehäuses und
der Seitenwand der Dichtung; zwischen der Durchgangsbohrung des Bodens
des Gehäuses
und dem Dichtungselement; und zwischen der zweiten Elektrode und dem
Dichtungselement.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung wird ein Teilesatz zum Erstellen eines Überspannungsableiters
bereitgestellt, der Folgendes umfasst:
- (a)
eine erste Elektrode, die (i) eine erste Kontaktplatte mit einer
Innen- und einer Außenseite
und (ii) einen ersten Schaft aufweist, der von der Außenseite
der ersten Kontaktplatte aus hervorsteht;
- (b) eine zweite Elektrode, die (i) eine zweite Kontaktplatte
mit einer Innen- und einer Außenseite und
(ii) einen zweiten Schaft aufweist, der von der Außenseite
der zweiten Kontaktplatte aus hervorsteht;
- (c) ein im Wesentlichen scheibenförmiges Varistorelement; mit
dem sich, in Kombination mit der ersten und der zweiten Elektrode,
eine Kernbaugruppe zusammenbauen lässt, bei der das Varistorelement
zwischen den Innenseiten der ersten und der zweiten Elektrode eingelegt
ist, wobei die Innenseiten der ersten und der zweiten Kontaktplatte
zum Varistorelement zeigen und den elektrischen Kontakt mit demselben
herstellen;
- (d) eine topfförmige
Dichtung, die eine Seitenwand und einen im Wesentlichen kreisförmigen Boden
mit einer Durchgangsbohrung aufweist; wobei die Dichtung die Kernbaugruppe
enthalten kann, die Außenseite
der ersten Kontaktplatte zum Boden der Dichtung zeigt, der erste
Schaft durch die Durchgangsbohrung des Bodens hindurchgeht und der
zweite Schaft sich vom offenen Ende der Dichtung aus erstreckt;
- (e) ein Gehäuse,
das eine Seitenwand und einen Boden mit einer Durchgangsbohrung
aufweist; wobei das Gehäuse
die Kernbaugruppe und die Dichtung enthalten kann, das offene Ende
der Dichtung zum Boden des Gehäuses
zeigt, der erste Schaft sich vom offenen Ende des Gehäuses aus
erstreckt und der zweite Schaft durch die Durchgangsbohrung im Boden
des Gehäuses hindurchgeht;
- (f) ein Dichtungselement für
die Durchgangsbohrung im Boden des Gehäuses; und
- (g) einen Deckel mit einer Durchgangsbohrung, wobei der Deckel
das offene Ende des Gehäuses so
abdecken kann, dass der erste Schaft durch die Durchgangsbohrung
im Deckel hindurchgeht, der Deckel durch ein Eingriffsmittel an
der Seitenwand des Gehäuses
in Eingriff gebracht und in seiner Position gehalten wird und der
Deckel eine Druckkraft an der Dichtung und der Kernbaugruppe aufbringt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG(EN)
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1 ist
eine Explosionsdarstellung eines Überspannungsableiters dieser
Erfindung. Die 2–4 sind unterschiedliche
Ansichten von verschiedenen Bauteilen des Überspannungsableiters von 1. 5 ist
eine Querschnittsdarstellung des Überspannungsableiters von 1 nach der
Montage.
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Die 6a–6j zeigen
alternative oder optionale Merkmale des gegenwärtigen Überspannungsableiters.
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Die 7a–7c und 8a–8b zeigen,
wie Überspannungsableiter
dieser Erfindung zur Verbesserung ihrer Wasserableitungsfähigkeiten konstruiert
werden können.
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Bezugszeichen,
die von einer Figur zur nächsten übernommen
werden, bezeichnen gleiche oder vergleichbare Bauelemente.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es
wird jetzt die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene bevorzugte
Ausführungsformen beschrieben,
wie sie speziell in den Figuren dargestellt sind. Zuerst wird auf 1 eingegangen,
die eine Explosionsdarstellung eines bevorzugten Überspannungsableiters 1 ist,
der ein Varistorelement 30, eine erste Elektrode 35 und
eine zweite Elektrode 40 umfasst. Diese drei Bauelemente
bilden die Kernbaugruppe des Überspannungsableiters,
das heißt, den
Teil, der die tatsächliche überspannungsableitende
Funktion erfüllt.
Die Elektroden 35 und 40 weisen die jeweiligen
Kontaktplatten 36 und 41 auf, wobei jede Kontaktplatte
eine Außen-
und eine Innenseite aufweist. Die Kontaktplatten 36 und 41 sind
in einer bevorzugten, im Wesentlichen scheibenartigen Form dargestellt,
es sind jedoch andere Formen zulässig.
Das Varistorelement 30 ist zwischen die Elektroden 35 und 40 eingelegt,
wobei die Innenseiten der Kontaktplatten 36 und 41 zum
Varistorelement 30 zeigen und einen elektrischen Kontakt
mit demselben herstellen. Ein tatsächlicher direkter Kontakt zwischen
den Kontaktplatten 36 und 41 und den Seiten des
Varistorelementes 30 ist vorzuziehen, ist aber nicht erforderlich.
Varianten, bei denen die Kontaktplatten, beispielsweise, durch ein
metallisches Distanzstück
(nicht dargestellt) vom Varistorelement 30 getrennt sind,
sind im Schutzbereich dieser Erfindung enthalten, da es dennoch
einen elektrischen Kontakt gibt. Es können Distanzstücke verwendet werden,
um beispielsweise Fertigungsabweichungen hinsichtlich der Dicke
des Varistorelementes 30 so zuzulassen, dass die Abmessung
der Kernbaugruppe konstant bleibt. Jede der beiden Elektroden, 35 und 40,
weist außerdem
einen jeweiligen Schaft 37 und 42 auf, der jeweils
von ihrer Außenseite
aus hervorsteht und ungefähr
in der Mitte derselben positioniert ist. Bei der bevorzugten, dargestellten
Ausführungsform
hat die Elektrode 35 eine einteilige Form, wobei der Schaft 37 an
der Kontaktplatte 36 mit Hilfe eines schmelzbaren, elektrisch
leitenden Materials 38, wie z.B. Lot, befestigt ist. Im
Gegensatz dazu ist die Elektrode 40 vorzugsweise eine zweiteilige
Bauform, wobei die Kontaktplatte 41 ein vom Schaft 42 getrenntes
Teil bildet. Optional kann der Schaft 42 einen zylindrischen
Ansatz 42a aufweisen, der in ein passend bemessenes Loch 41a in
der Kontaktplatte 41 passt, um die Ausrichtung und/oder
den elektrischen Kontakt zu verbessern. Alternativ dazu kann, was
jedoch weniger vorzuziehen ist, die Elektrode 40 eine einteilige
Bauform aufweisen, wobei die Kontaktplatte 41 und der Schaft 42 aneinander
geklebt sind oder eine integrale Bauform bilden. Neben dem Bodenteil
des Schaftes 42 befindet sich eine Ringnut 43,
in die sich ein O-Ring 45 einlegen lässt.
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Bei
der Installation wird die Elektrode 40 normalerweise mit
dem Netz (d.h. der „spannungsführenden" Elektrode) verbunden,
während
die Elektrode 35 mit der Erde (d.h. der „Erd"-Elektrode) verbunden wird. Während die
beiden Elektroden 40 und 35 üblicherweise dadurch gekennzeichnet
sind, dass sie einen Schaftteil und einen Kontaktplattenteil aufweisen,
sind die Elektroden und ihre jeweiligen Bauteile in Bezug auf die
Größe und/oder
Form nicht notwendigerweise identisch und unterscheiden sich, in
der Praxis, gewöhnlich,
wie dies hier dargestellt ist. Die Schäfte 37 und 42 sind
zur Erleichterung der Verbindung mit anderen Betriebsmitteln vorzugsweise
mit einem Gewinde versehen.
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Das
Varistorelement 30 weist im Allgemeinen die Form einer
Scheibe oder eines abgeflachten Zylinders auf. Der Fachmann wird
einsehen, dass obwohl das Varistorelement 30 in 1 als
eine einzelne Varistorscheibe dargestellt ist, es aus einem Stapel
von mehreren Varistorscheiben gebildet werden kann, wie dies im
Fachgebiet üblicherweise
geschieht.
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Die
Kernbaugruppe aus den Elektroden 35 und 40 und
dem Varistorelement 30 ist in einer Dichtung 25 enthalten,
die im Allgemeinen topfförmig
ist und einen Boden 29, der normalerweise im Wesentlichen
hinsichtlich der Form kreisförmig
ist, sowie eine Seitenwand 28 aufweist. Der Boden 29 weist eine
Durchgangsbohrung 26 auf, und zwar ungefähr in der
Mitte desselben. Nachdem die Kernbaugruppe in der Dichtung 25 durch
Ineinandergreifen eingebaut ist, zeigt die Außenseite der Kontaktplatte 36 zur
Innenseite des Bodens 29 und der Schaft 37 geht durch
die Durchgangsbohrung 26 hindurch. Die Außenseite
der Kontaktplatte 41 ist vorzugsweise im Wesentlichen mit
der Oberkante der Seitenwand 28 bündig.
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Die
ineinander greifende Anordnung der Dichtung 25 und der
Kernbaugruppe ist ihrerseits in einem Gehäuse 10 enthalten,
das im Allgemeinen topfförmig
ist und einen im Wesentlichen kreisförmigen Boden 12 und
eine Seitenwand 11 aufweist, die vorzugsweise und nur optional,
wie dargestellt, konisch ist. Der Boden 12 weist, ungefähr in der
Mitte desselben, eine Durchgangsbohrung 15 auf (in 1 nicht
sichtbar; siehe 4). (Der Überspannungsableiter 1 wird
normalerweise so installiert, dass der Boden 12, wie hier
dargestellt, nach oben zeigt, so dass in Bezug auf das Gehäuse 10 gesagt werden
kann, dass es eine im Allgemeinen umgekehrte Topfform oder Kegelstumpfform
aufweist.) Die Dichtung 25 passt in das Gehäuse 10,
wobei das offene Ende der Dichtung 25 zum Boden 12 zeigt.
Der Schaft 42 geht durch die Durchgangsbohrung 15 hindurch,
während
der Schaft 37 vom offenen Ende des Gehäuses 10 aus hervorsteht.
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Um
das offene Ende des Gehäuses 10 abzudecken,
wird ein Deckel 20 bereitgestellt, der eine Durchgangsbohrung 21,
ungefähr
in der Mitte desselben, aufweist (wieder in 1 nicht
sichtbar; siehe 2). Der Deckel 20 schnappt
auf der Innenseite der Seitenwand 11 in eine Ringnut 13 ein
und wird somit in seiner Position gehalten. Nachdem sich der Deckel 20 in
seiner Position befindet, geht der Schaft 37 durch die
Durchgangsbohrung 21 hindurch.
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Jetzt
wird auch auf die 2 bis 4 Bezug
genommen, die unterschiedliche Ansichten der oben erwähnten Bauteile
zeigen, um Details zu offenbaren, die in der Ansicht von 1 nicht
sichtbar sind.
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2 ist
eine perspektivische Darstellung von der Unterseite des Deckels 20 (das
heißt,
von der Seite, die zur Dichtung 25 zeigt). Hier ist die Durchgangsbohrung 21 sichtbar,
sowie eine optionale, bevorzugte ringförmige Erhöhung 22, die die Durchgangsbohrung 21 umgibt.
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3 ist
eine perspektivische Darstellung der Dichtung 25, und zwar
vom offenen Ende derselben aus, die eine optionale, bevorzugte ringförmige Auskragung 27 am
Boden 29 offenbart, die die Durchgangsbohrung 26 umgibt.
Bei Betrachtung im Profil ist die Auskragung 27 im Allgemeinen
wie eine abgeflachte Hochebene oder ein Tafelberg geformt und weist
vorzugsweise geneigte Seiten auf.
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4 ist
eine Draufsicht von der Innenseite des Bodens 12, die eine
Durchgangsbohrung 15 offenbart. Die Durchgangsbohrung 15 ist
von einer flachen Ausnehmung bzw. Vertiefung 16 umgeben,
die bei dieser speziellen Ausführungsform
eine Sechskantform hat. Die Vertiefung 16 nimmt durch Ineinandergreifen
den komplementär
bemessenen und geformten Sechskantkopf des Schaftes 42 auf,
wobei der Kopf als Passelement fungiert, wodurch die Drehung des
Schaftes 42 verhindert wird. Normalerweise dient der Schaft 42 im
Einsatz als Befestigungsstelle für
elektrische oder sonstige Betriebsmittel. Zur Erleichterung einer
solchen Befestigung, bei der beispielsweise der Schaft 42 mit
Gewinde versehen ist und eine Mutter auf denselben geschraubt wird,
ist es wünschenswert,
die Drehung des Schaftes 42 in Bezug auf das Gehäuse 10 zu
verhindern, wie dies hier als Merkmal bereitgestellt wird. Der Fachmann
wird verstehen, dass Varianten der obigen Ausführungsform zulässig sind
und im Schutzbereich dieser Erfindung enthalten sind, wie z.B. Kombinationen
der Vertiefung und des Kopfes, die eine andere als die speziell
beschriebene Größe und/oder
Form aufweisen. Oder falls der Schaft 42 und die Kontaktplatte 41 eine einteilige
Bauform aufweisen, braucht die Vertiefung 16 nicht die
Durchgangsbohrung 15 zu umgeben, sondern kann gegenüber derselben
versetzt und so positioniert sein, dass ein Stift oder sonstiges
Passelement aufgenommen wird, der bzw. das von der Außenseite
der Kontaktplatte 41 aus hervorsteht.
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Wie
zuvor erwähnt
wurde, ist es wichtig, das Varistorelement 30 vor der Umwelt
zu schützen.
Obwohl während
des typischen Einsatzes der Überspannungsableiter 1 so
ausgerichtet ist, dass sein Boden 12 oben liegt, so dass
nur die Durchgangsbohrung 15 direkt dem fallenden Regen
zugewandt ist, kann der Überspannungsableiter 1 von
Winden gerüttelt
werden, wodurch bewirkt wird, dass auch seine Unterseite freiliegt.
Außerdem
kann sich auf jeder Fläche
Feuchtigkeit niederschlagen. Kondenswasser oder Dunst ist eine besonders
ernste Bedrohung in Küstengebieten
oder Gegenden, wo die Luft stark verschmutzt ist, weil das Kondenswasser
oder der Dunst dann darin Salz oder sonstige vom Wind getriebene,
ionenleitende Arten von Medien im gelösten Zustand enthalten kann.
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5 zeigt,
wie ein Überspannungsableiter dieser
Erfindung mit Dichtungen versehen ist, die verhindern, dass Wasser
von allen möglichen
Eintrittsstellen eindringt. (Es ist deutlich zu machen, dass sich
die folgende Erörterung
der Einfachheit halber auf die Abdichtung gegen den Eintritt von „Wasser" bezieht, dass jedoch
die beschriebenen Dichtungsprinzipien auch auf andere Umweltmedien anwendbar
sind.) Diese Figur ist eine vertikale Querschnittsdarstellung des Überspannungsableiters 1, und
zwar durch dessen Mitte. Wenn der Deckel 20 in die Nut 13 eingreift
und dadurch in derselben gehalten wird, drückt er auf die Dichtung 25 und
die Kernbaugruppe, wodurch eine Druckkraft auf sie aufgebracht wird.
Der Deckel 20 verhält
sich wie eine von den Innenbauteilen unter Druck stehende Membran und
ist daher etwas nach außen
ausgebeult. Weil der Schaft 37 locker in die Durchgangsbohrung 21 passt, kann
durch die Letztere leicht Wasser hindurchgelangen. Das weitere Eindringen
des Wassers wird jedoch einerseits durch eine Abdichtung unterbunden, die
mit Hilfe der Dichtung 25, die (vorzugsweise, wie dargestellt,
unter Mitwirkung der Auskragung 27) an die Kontaktplatte 36 drückt, geformt
wird, und zwar an der Stelle, die durch den Pfeil A angedeutet ist, und
andererseits durch eine Abdichtung, die durch den Deckel 20 gebildet
wird, der (vorzugsweise, wie dargestellt, unter Mitwirkung der Erhöhung 22)
gegen die Dichtung 25 drückt, und zwar an der Stelle,
die durch den Pfeil B angedeutet ist. Eine weitere Abdichtung zwischen
dem Deckel 20 und der Dichtung 25 wird an der
Schulter der Dichtung 25 geschaffen, die durch den Pfeil
C angedeutet ist, und zwar durch den Druck, der durch die Dichtung 25 auf
dieselbe ausgeübt
wird. Der durch den Deckel 20 und die Verjüngung in
der Seitenwand 11 aufgebrachte Druck drückt die Seitenwand 28 der
Dichtung 25 und die Seitenwand 11 des Gehäuses 13 aneinander.
Für den
Fall, dass das Wasser die zuvor erwähnten Abdichtungen umgehen
oder zwischen dem Deckel 20 und der Nut 13 eintreten
kann, drücken
die zwei Seitenwände
aneinander, um eine Abdichtung (Pfeil D) zu formen, die das weitere
Eindringen des Wassers verhindern. (Es ist eine gewisse Dichtwechselwirkung
zwischen dem Deckel 20 und der Nut 13 vorhanden,
aber weil sowohl das Gehäuse 10 als
auch der Deckel 20 aus einem ziemlich biegesteifen Werkstoff
gefertigt sind, ist diese Abdichtung nicht uneingeschränkt zuverlässig.) Die
letzte verbleibende, mögliche
Eintrittsstelle für
Wasser ist die Durchgangsbohrung 15 am Boden 12 des
Gehäuses 10. Der
Presssitz des O-Rings 45 zwischen den Wänden des Loches 15 und
der Nut 43 führt
dazu, dass der O-Ring 45 radial zusammengedrückt wird
und eine Abdichtung formt, die verhindert, dass Wasser durch die
Durchgangsbohrung 15 eintritt (Pfeil E). Somit wirkt der
O-Ring 45 als Dichtmittel, um zu verhindern, dass Wasser über die
Durchgangsbohrng 15 eindringt. Zusammenfassend lässt sich
feststellen, dass die Dichtungen alle Eintrittswege für das Eindringen von
Wasser absperren.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Überspannungsableiterkonstruktion
besteht darin, dass die Seitenwand 28 der Dichtung 25 fest
an die Seiten des Varistorelementes 30 gedrückt wird.
Andernfalls könnte
es zu einem Überschlag
kommen. Es ist im Fachgebiet üblich,
einen „Bund" (collar) aus einem Material
wie z.B. Epoxidharz auf die Seiten einer Varistorscheibe aufbringen,
um dazu beizutragen, einen Überschlag
zu verhindern. Bei der vorliegenden Erfindung lassen sich Varistorscheiben
ohne und mit Bund einsetzen, die Letzeren aus Zweckmäßigkeitsgründen, weil
die Varistorscheiben, die vom Hersteller verkauft werden, häufig schon
mit einem Bund versehen sind.
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Optional
sind die Innenseiten der Kontaktplatten 36 und 41,
wie in 5 dargestellt, in Bezug auf die Seiten des Varistorelementes 30 nicht
ganz längengleich.
Wenn die Dichtung 25 an das Gehäuse 10 gedrückt wird,
kann sie nach innen gequetscht werden. Wenn die Kontaktplatten hinsichtlich
ihrer Längsausdehnung,
wie dargestellt, nicht etwas kürzer
ausgeführt
sind, können
sie durch die Quetschwirkung angehoben werden, wodurch der elektrische
Kontakt mit dem Varistorelement 30 aufgehoben wird. Alternativ
dazu können
die Kanten der Kontaktplatten 36 und 41 (insbesondere
die der Letzteren) abgeschrägt
werden, wobei die Abschrägung vom
Varistorelement 30 weg zeigt.
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Jetzt
wird wieder auf 1 Bezug genommen, in der sonstige,
dargestellte Merkmale der Erfindung erörtert werden. Eine Erdleiterzuleitung 47 ist mit
Hilfe von Sechskantmuttern 46 mit dem Schaft 37 verbunden.
Das Gehäuse 10 weist,
an seinem Rand, ein vorstehendes Teil 14 auf, an dem das
andere Ende der Zuleitung 47 und ein Erdleiter (nicht dargestellt)
angeschlossen und mit Hilfe einer Durchsteckschraube 51 (die
durch eine Durchgangsbohrung im vorstehenden Teil 14 hindurchgeht),
eines Federrings 52 und eines Mutterblechstücks 53 befestigt sind.
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Bei
Auftreten einer andauernden Überspannung
oder sonstigen Fehlfunktion, die bewirkt, dass das Varistorelement 30 über eine
längere
Zeit größere Ströme führt, kann
das Varistorelement 30 sich überhitzen und in Form einer
Explosion ausfallen, was eine Gefahr für die in der Nähe befindliche
Ausrüstung
oder das sich dort befindende Personal darstellt. Deshalb verfügt der Überspannungsableiter 1 vorzugsweise über ein
Mittel zum Trennen der Verbindung zwischen dem Netz und der Erde,
bevor ein überhitztes
Varistorelement in Form einer Explosion ausfällt. Ein solches Mittel wird
im Folgenden beschrieben. Der Schaft 37 ist mit Hilfe eines
elektrisch leitenden, schmelzbaren Materials 38, wie z.B.
Lot, an der Kontaktplatte 36 befestigt. Ein Typenbezeichnungsschild 49 ist
mit einer Hutmutter 50 am Schaft 37 angebracht.
Eine Feder 48 wird zwischen dem Deckel 20 und
dem Typenbezeichnungsschild 49 zusammengedrückt, wodurch
das Letztere der Feder 48 einen Halt gibt, um an den Schaft 37 zu
drücken. Die
Feder 48 übt
eine Vorspannkraft aus, die tendenziell den Schaft 37 weg
von der Kontaktplatte 36 verschiebt und die zwei Teile
elektrisch voneinander trennt (und somit die Verbindung im Überspannungsableiter 1 zwischen
dem Netz und der Erde löst),
aber die Kraft ist erst dann zum Verschieben des Schaftes 37 ausreichend,
wenn sich das schmelzbare Material 38 in seinem geschmolzenen Zustand
befindet. Wenn ein ausreichend großer Strom durch das Varistorelement 30 fließt, erhöht sich
die lokale Temperatur in ausreichendem Maße, um das schmelzbare Material 38 so
zu schmelzen, dass die Feder 48 den Schaft 37 weg
von der Kontaktplatte 36 drücken kann, wodurch die elektrische Verbindung
unterbrochen wird. Es ist deutlich zu machen, dass wenn hier erwähnt wird,
dass das schmelzbare Material 38 aufschmilzt oder schmilzt oder
sich in einem geschmolzenen Zustand befindet, dies nicht nur den
Zustand bezeichnet, in dem es tatsächlich geschmolzen ist, sondern
auch all jene Zustände,
in denen ein schmelzbares Material 38 erweicht oder sonst
wie schwächer
wird, so dass es nicht länger
der Kraft, die von der Feder 48 aufgebracht wird, standhalten
und den Schaft 37 und die Kontaktplatte 36, die
miteinander verbunden sind, halten kann. Die Bewegung des Schaftes 37,
der aus dem Hauptkörper
des Überspannungsableiters 1 herausgeschleudert
wird, stellt eine deutliche Anzeigevorrichtung für die Trennung bereit, was
eine einfache visuelle Kontrolle aus einer Entfernung gestattet, wobei
die Notwendigkeit, den Überspannungsableiter 1 berühren oder
das Netz abschalten zu müssen, entfällt. Da
der Überspannungsableiter 1 häufig an Freileitungen
installiert wird, die immer gefährliche hohe
Spannungen führen,
ist dies ein wesentlicher Vorteil. Außerdem werden im Gegensatz
zum Fall eines explosiven Ausfalls, in denen der gesamte Überspannungsableiter
zersplittern kann und die Teile, mit einer schrapnellähnlichen
Wirkung, in allen Richtungen herausgeschleudert werden, nur wenige
Teile herausgeschleudert (und zwar in einer vorgegebenen Richtung,
gerade nach unten).
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Das
Typenbezeichnungsschild 49 stellt einen zweckmäßigen Ort
zur Anzeige von Informationen, wie z.B. den Kenndaten des Herstellers,
der Teilenummer und/oder den technischen Daten des Produkts, bereit.
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Im
Folgenden werden zusätzliche
optionale Merkmale oder alternative Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben.
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Als
Alternative zum Abschrägen
der Kontaktplatte 41 kann, wie dies oben erörtert wurde,
die Innenseite des Endes der Seitenwand 28, wie in 6a dargestellt,
abgeschrägt
werden.
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Die
Dichtung 25 muss nicht aus einem einzigen, integralen Teil
des Materials gefertigt werden, obwohl eine solche Ausführungsform
bevorzugt wird. Wie in 6b dargestellt, kann die Dichtung 25 eine mehrteilige
Bauform aufweisen und beispielsweise aus einem kurzen, flachen rohrförmigen Teil 28' und einem separaten
scheibenförmigen
Bodenteil 29' bestehen.
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6c zeigt
eine alternative Ausführungsform,
in der die Elektrode 40 eine einteilige Bauform aufweist.
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Das
Gehäuse 10 muss
keine konische Seitenwand 11 haben, wie sie in 1 dargestellt
ist. 6d zeigt, wie stattdessen die
Außenfläche der Seitenwand 11 im
Wesentlichen gerade, d.h. in Bezug auf den Boden senkrecht, ausgeführt sein
kann, wohingegen die Innenfläche
konisch ist. Da die Dichtung 25 in das Gehäuse 10 geschoben
bzw. in demselben untergebracht ist, wie dies durch den Pfeil H angedeutet
ist, stellt der Innenkonus den Presssitz für eine Dichtung bereit. Optional
kann die Dichtung 25 auch konisch sein.
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Eine
wieder andere alternative Konstruktion ist in 6e dargestellt,
bei der sowohl die Innen- als auch die Außenseite der Seitenwand 11 gerade
ausgeführt
sind, aber trotzdem eine wirksame Abdichtung geformt wird, weil
die Seitenwand 28 der Dichtung 25 eine umlaufende
Erhöhung 61 in
Form eines Umfangswulsts umfasst, wodurch ein fester Presssitz bereitgestellt
wird.
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Das
Eingriffsmittel, das dazu dient, den Deckel 20 in seiner
Position zu halten, muss keine Nut 13, wie sie oben im
Dokument erörtert
wurde, sein. Der Fachmann wird einsehen, dass sonstige Mittel zur
Anwendung kommen können.
Beispielsweise kann eine Vielzahl von Widerhaken 62 zum
Einsatz kommen, wie dies in der Querschnittsdarstellung des Gehäuses 10 in 6f dargestellt
ist. 6g zeigt eine Teilansicht im
Längsschnitt
einer weiteren alternativen Ausführungsform,
bei der der Deckel 20 durch pilzförmige Einsteckteile 63,
die durch die Umfangslöcher 64 im
Deckel 20 hindurchgehen, in Eingriff gebracht und in seiner
Position gehalten wird. Oder die Innenfläche der Seitenwand 11 kann
anfangs glatt ausgeführt
sein und es wird erst, wenn der Deckel 20 mit Hilfe eines
Einsetzwerkzeuges in das Gehäuse 10 eingesetzt
wird, durch das Einsetzwerkzeug Material längs des Innenraumes der Seitenwand 11 so
verformt, dass ein Eingriffsmittel geformt wird.
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Das
Dichtungselement für
die Durchgangsbohrung 15 ist nicht auf den O-Ring 45 eingeschränkt. Beispielsweise
kann das Dichtmittel eine axial zusammengedrückte Dichtung 65 sein,
die, wie in 6h dargestellt, zwischen der
Elektrode 40 und dem Boden 12, angeordnet ist.
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Der Überspannungsableiter
der gegenwärtigen
Erfindung kann optional, in Kombination mit dem oben erörterten
Trennmerkmal, mit einem noch weiteren Sicherheitsmerkmal bereitgestellt
werden. Wie angemerkt wurde, hat das Trennmerkmal das Herausschleudern
von Bauteilen aus dem Gehäuse 10, und
zwar direkt nach unten, zur Folge. Das Gehäuse 10 kann ein Mittel
zum Fangen der so herausgeschleuderten Bauteile umfassen, damit
verhindert wird, dass diese Bauteile Personen verletzen oder Ausrüstungen
beschädigen,
die sich direkt unter dem Überspannungsableiter
befinden. Ein solches Mittel kann ein Netz oder Netzgewebe 66 sein,
das, wie in 6i dargestellt, unter dem Gehäuse 10 aufgehängt ist.
Oder es kann anstelle eines Netzes oder Netzgewebes eine massive
Konstruktion, z.B. ein tellerförmiges
Teil, sein. Das Fangmittel kann als separates Teil hergestellt und
anschließend
an das Gehäuse 10 angebaut
werden, oder es kann mit dem Gehäuse 10 als
integrale Einheit geformt werden. Ein weiteres Fangmittel umfasst
mehrere Sätze
von Widerhaken 62, die, wie in 6j dargestellt,
in einer ratschenartigen Folge so angeordnet sind, dass der erste
Satz von Widerhaken 62 den Deckel 20 in Form eines
festen Sitzes am Gehäuse 20 hält, aber
wenn der Trennmechanismus betätigt
wird, der zweite Satz von Widerhaken den Deckel 20 fängt und
gleichzeitig die Druckentlastung zulässt.
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Kriechwegbildung
und/oder Erosion sind Anliegen für Überspannungsableiter,
die der Feuchtigkeit ausgesetzt sind, wie dies z.B. in Freiluftanlagen der
Fall ist. Der Grad der Empfindlichkeit in Bezug auf Kriechwegbildung
und Erosion hängt
von den Konstruktionswerkstoffen, der Kriechweglänge und der Konstruktion des Überspannungsableiters
ab. Im Überspannungsableiter 1 ist
die Kriechweglänge
der Abstand zwischen der Durchgangsbohrung 15 (wo der Schaft 42 vom
Gehäuse
aus hervorsteht) und dem vorstehenden Teil 14 (wo die Zuleitung 47 angebracht
ist). Falls sich irgendwelche Wasserlachen um eine der beiden Stellen
oder irgendwo zwischen den beiden Stellen gebildet haben, wird die
Kriechweglänge
um ein Maß verringert,
dass der Abmessung der Lachen entspricht. Es ist deshalb vorzuziehen, dass
der Überspannungsableiter
mit einem Wasserableitungsmittel bereitgestellt wird, um die Ansammlung
von Wasser an den Außenflächen des
Gehäuses
zu verringern.
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Die
Konstruktionen zum Angehen dieses Problems sind in den 7a–7c und 8a–8b dargestellt.
Die 7a–7c zeigen
im Querschnitt den Boden 12 des Gehäuses 10. Der Boden 12 kann
einen optionalen Tafelberg 17 aufweisen, der mittig um
die Durchgangsbohrung 15 herum angeordnet ist, um eine
ebene Fläche
bereitzustellen, damit sich elektrische oder sonstige Betriebsmittel
am Überspannungsableiter 1 durch
Anschrauben oder auf eine andere Weise befestigen lassen. Wenn der
Tafelberg 17, wie in 7a dargestellt,
senkrechte Seiten aufweist, kann das Wasser sich an diesen unten
ansammeln, wie dies durch den Pfeil F angedeutet ist. Wenn aber
die Außenfläche des
Bodens 12, wie in den 7b und 7c (Pfeil F)
dargestellt, mit einer radial nach außen verlaufenden Schräge, d.h.
mit einer Außenneigung,
ausgeführt
ist, dann kann das Wasser anstatt sich anzusammeln ablaufen. Die
Außenneigung
kann sich längs
des gesamten Radius des Bodens 12, wie in 7c dargestellt,
oder längs
eines Teils von ihm, wie in 7b dargestellt,
erstrecken. Die 8a–8b zeigen,
wie das vorstehende Teil 14 von Verstärkungsstrebepfeilern 18 getragen
wird. Die Übergänge zwischen
den Strebepfeilern 18 und dem Hauptkörper des Gehäuses 10 können außerdem Ecken
enthalten, wo sich Wasser ansammeln kann (Pfeil G). Dieses Problem
wird beseitigt, indem Ausrundungen 19 vorgesehen werden,
damit die Ecken so abgerundet sind, dass das Wasser einfach abgeleitet
wird (Pfeil G').
Zusammenfassend lässt
sich feststellen, dass es wünschenswert
ist, scharfe Ecken oder kleine Radien zu vermeiden, die als Stellen
für entstehende
Wasserlachen fungieren, die die Kriechweglänge verkürzen und den Überspannungsableiter
in Bezug auf die Kriechwegbildung und/oder Erosion anfälliger machen.
Obwohl die Konstruktionen von 7a und 8a aus
der Sicht der Wasserableitung weniger bevorzugt werden, ist deutlich
zu machen, dass sie trotzdem im Schutzbereich dieser Erfindung enthalten
sind.
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Die
Elektroden 35 und 40 können aus einem geeigneten Metall
oder einer geeigneten Metalllegierung, wie z.B. Aluminium, Kupfer,
Messing, Stahl, Nickel und dergleichen, hergestellt werden. Ein
korrosionsbeständiges
Metall oder eine derartige Legierung ist natürlich dort vorzuziehen, wo
es bzw. sie der äußeren Umgebung
ausgesetzt ist.
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Das
Gehäuse 10 und
der Deckel 20 sind aus einem geeigneten gefüllten oder
ungefüllten
Polymer hergestellt. Beispiele dafür sind: Epoxidharz, Polyester,
Polyamid (z.B. Nylon-6, Nylon-6,6, Nylon-6,12), Polyethylen hoher
Dichte, aliphatisches Polyketon (z.B. CarilonTM von
Shell Chemical) und Polypropylen. Das Polymer kann mit Additiven
gefüllt
werden, die im Fachgebiet üblich
sind, einschließlich,
aber ohne Beschränkung
auf, UV-Stabilisatoren, Antioxidationsmittel, Farbstoffe, verstärkende Füllstoffe
wie z.B. Glasfasern und dergleichen.
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Die
bei dieser Erfindung verwendeten Dichtungen, O-Ringe und vergleichbaren
Dichtmittel werden aus einem geeigneten Elastomer, wie z.B. Silikonkautschuk,
Butylkautschuk, Ethylen-Propylen-Kautschuk
(EPR), EPDM- (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) Kautschuk, Polyurethan,
Polybutadien, Butadien-Styrol-Copolymerisat und dergleichen hergestellt.
Silikon wird bevorzugt. Das Elastomer kann Füllstoffe und/oder Additive
enthalten, die im Fachgebiet üblich
sind.
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Das
Varistorelement 30 wird aus einem Varistormaterial hergestellt,
und zwar vorzugsweise einer polykristallinen gesinterten Keramik
aus Zinkoxid (dem Primärmetalloxid),
das zusätzlich
geringfügige Mengen
von Oxiden anderer Metalle (den Zusatzmetalloxiden), wie z.B. Al2O3, B2O3, BaO, Bi2O3, CaO, CoO, Co3O4, Cr2O3,
FeO, In2O3, K2O, MgO, Mn2O3, Mn3O4,
MnO2, NiO, PbO, Pr2O3, Sb2O3,
SiO2, SnO, SnO2,
SrO, Ta2O5, TiO2, oder Kombinationen davon, enthält.
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Bei
einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung von Varistormaterialien
für den
Einsatz bei dieser Erfindung werden lösliche Salzvorläufer der Zusatzmetalloxide
bei Vorhandensein von Zinkoxidpulver mittels eines Fällungsmittels,
gewöhnlich
Ammoniumhydroxid, in die jeweiligen Oxide und Hydroxide umgewandelt.
Die Zusatzmetalloxide oder deren Vorläufer werden mit dem Zinkoxid
kombiniert und danach wird das Fällungsmittel
zum Gemisch hinzugegeben, obwohl die umgekehrte Mischungsreihenfolge
auch verwendet werden kann. Die Zusatzmetalloxide werden auf dem
Zinkoxid oder um dasselbe herum ausgefällt, um ein Vorläuferpulver
zu formen, das ein inniges Gemisch aus Zinkoxid und den Zusatzmetalloxiden
ist. Das Vorläuferpulver
wird gesammelt, getrocknet und in eine gewünschte Form (so genannter Grünkörper) gebracht
und bei einer erhöhten
Temperatur (normalerweise 1.000–1.400 °C) gesintert,
um das charakteristische polykristalline Mikrogefüge zu entwickeln,
das für
die Varistoreigenschaften verantwortlich ist. Beim Sintern werden sämtliche
Hydroxide in die entsprechenden Oxide umgewandelt. In der japanischen
Offenlegungsschrift Nr. 56-101711 (1981) von Eda et al. und in
US 5,039,452 (1991) von
Thompson et al. werden geeignete Fällungsverfahren offenbart.
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Andere
Offenbarungen, die sich auf Varistormaterialien beziehen, die verwendet
werden können, umfassen
die folgenden Dokumente:
US 3,496,512 (1970)
von Matsuoka et al.,
US 4,551,268 (1985)
von Eda et al. und
US 4,184,984 (1980)
von Levinson. Zusätzlich
können
Varistormaterialien auf der Basis von anderen Materialien als Zinkoxid
verwendet werden. Beispiele dafür
sind: Varistoren aus Siliciumkarbid, Titanoxid, Strontiumoxid oder
Strontiumtitanat.
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Die
Varistorscheiben können
Elektroden aufweisen, die zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes
an deren Stirnflächen
aufgebracht sind. Die Elektroden können durch Plasmaspritzen eines
Leiters (z.B. Aluminium), Siebdruck einer leitfähigen Tinte (z.B. Silbertinte),
Vakuumaufdampfen eines Leiters, stromloses Abscheiden, Flammspritzen
und dergleichen aufgebracht werden.
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Der Überspannungsableiter
der vorliegenden Erfindung ist insbesondere für den Einsatz im Bereich von
Starkstromleitungen mit einer Nennspannung von 2 kV oder weniger,
geeignet, und zwar beispielsweise auf der Sekundärseite eines Transformators,
in einem Anschlusskasten, auf einer Hausanschlusstafel oder auf
einer Verteilertafel.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf verschiedene bevorzugte
Ausführungsformen beschrieben.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die dargestellten und beschriebenen
Ausführungsformen
beschränkt.
Stattdessen wird der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Patentansprüche definiert.
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Außerdem umfasst
die vorangehende detaillierte Beschreibung der Erfindung Passagen,
die hauptsächlich
oder ausschließlich
mit bestimmten Teilen oder Aspekten der Erfindung zu tun haben.
Es ist deutlich zu machen, dass dies der besseren Erläuterung
und einfacheren Darlegung dient und dass ein bestimmtes Merkmal
in mehr als nur der einen Passage, in der es offenbart wird, relevant
sein kann und dass die Offenbarung alle entsprechenden Kombinationen
von Informationen umfasst, die man in den verschiedenen Passagen
findet. Ebenso ist deutlich zu machen, dass, obwohl sich die verschiedenen
Figuren und die Beschreibungen derselben auf spezifische Ausführungsformen
der Erfindung beziehen, sich ein spezifisches Merkmal, das im Zusammenhang
mit einer speziellen Figur offenbart wird, als solches Merkmal auch,
in einem angemessenen Maße, im
Zusammenhang mit einer anderen Figur, entweder in Kombination mit
einem anderen Merkmal oder bei der Erfindung ganz allgemein, verwenden
lässt.