EP0217021A1

EP0217021A1 - Ueberspannungsableiter und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: EP0217021A1
Application number: EP86109758A
Authority: EP
Inventors: Hans-Rudolf Dr. Beer; Helmut Britsch; Tomy Dr. Kaiser; Günther Maier; Alois Muff
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1985-09-02
Filing date: 1986-07-16
Publication date: 1987-04-08
Anticipated expiration: 2006-07-16
Also published as: US4805064A; JP2509575B2; DE3670544D1; EP0217021B1; JPS6254902A

Abstract

Dieser Ueberspannungsableiter weist zwei Anschlussarmaturen (3), mindestens einen mit diesen kontaktierten Widerstandskörper (1) aus spannungsabhängigem Widerstandsmaterial und ein den Widerstandskörper (1) spaltfrei umgebendes isolierendes Gehause (5) auf. Ein gattungsgemässer Ueberspannungsableiter soll geschaffen werden, der mit geringerem Energieaufwand, ohne zusätzlichen Montageaufwand und mit einem einfachen Verfahren hergestellt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass das Gehäuse (5) aus einer Kunststoffmatrix mit eingebettetem Füllstoff besteht, wobei der Füllstoff mehr als 80 Gewichtsprozent des Gehäuses ausmacht, und dass das Gehäuse (5) den mindestens einen Widerstandskörper (1) und den diesen kontaktierenden Bereich der Anschlussarmaturen (3) umgibt. Das Gehäuse (5) entsteht durch das Aushärten einer gegossenen Formmasse.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ueberspannungsableiter gemäss dem ersten Teil des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Aus der Patentschrift EP 0 004 349 ist bereits ein Ueberspannungsableiter bekannt, bei welchem ein Widerstandskörper aus spannungsabhängigem Widerstandsmaterial spaltfrei von einem Gehäuse umgeben ist. Dieses Gehäuse besteht aus einer Formmasse aus Porzellan, welche nur wenig unterhalb der Sintertemperatur des Widerstandskörpers mit diesem zusammengesintert wurde. Die Sintertemperatur lag bei über 1000 °C, sie kann nur mit hohem Energieaufwand erreicht werden. Die Anschlussarmaturen werden nach dem Sintervorgang mittels eines aufwendigen Klebe-und eines Schraubvorganges angebracht, wobei noch eine Dichtung eingebaut werden muss, welche die Anschlusszone des Widerstandskörpers gegen etwaige Verschmutzungen schützt.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Es ist Aufgabe der Erfindung einen gattungsgemässen Ueberspannungsableiter zu schaffen, der mit geringerem Energieaufwand, ohne zusätzlichen Montageaufwand für die Plazierung der Anschlussarmaturen und ohne zusätzlichen Dichtungseinbau hergestellt werden kann, und ein einfaches Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass auf einfache Weise eine Massenfertigung von Ueberspannungsableitern möglich ist. Der Ueberspannungsableiter ist einstückig und kann leicht so ausgelegt werden, dass er auch als Stützer eingesetzt werden kann. Ferner wirkt es sich vorteilhaft auf den Energieverbrauch aus, dass das Aushärten der Formmasse bei vergleichsweise niederen Temperaturen erfolgen kann.
Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Ueberspannungsableiters, und
Fig. 2 eine weitere Möglichkeit dessen Anschlusspartie zu gestalten.

Bei beiden Figuren sind gleich wirkende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Figur 1 ist ein aus mehreren zylinderförmigen, an den jeweiligen Stirnflächen miteinander kontaktierten Widerstandskörpern 1 zusammengesetzter Ueberspannungsableiter dargestellt. Die Widerstandskörper 1 bestehen aus spannungsabhängigem Widerstandsmaterial. Auf den beiden Stirnseiten 2 des Stapels von Widerstandskörpern 1 liegt je eine Anschlussarmatur 3 aus Metall auf. Diese Anschlussarmaturen 3 weisen rillenartige Vertiefungen 4 auf. Die rillenartigen Vertiefungen 4 müssen nicht kantig ausgeführt sein_/wie dies dargestellt ist, ihre Konturen können auch gut abgerundet sein, um etwaige Kerbwirkungen sicher zu vermeiden. Ferner können in diesem Bereich Anflächungen vorgesehen werden, welche ein Verdrehen der Anschlussarmatur 3 verhindern. Ein isolierendes Gehäuse 5 umgibt spaltfrei den Stapel von Widerstandskörpern 1 und den jeweiligen Kontaktierungsbereich zwischen den Anschlussarmaturen 3 und den Stirnseiten 2.
Das Gehäuse 5 besteht aus einer ausgehärteten Kunststoffmatrix, in welche elektrisch isolierender anorganischer Füllstoff eingebettet ist. Der Füllstoffanteil im Gehäuse 5 beträgt mehr als 80 Gewichtsprozent. Das Gehäuse 5 kann, wie auf der linken Seite dargestellt, mit Rippen 6 für Freiluftanwendung versehen werden. Für Innenraumverhältnisse genügt die Ausführung ohne Rippen, wie sie auf der rechten Seite dargestellt ist.
Der isolierende Füllstoff besteht überwiegend aus handelsüblichem granuliertem Quarzgut. Im Füllstoff ist zusätzlich ein Gemenge aus Kugelkörpern enthalten, deren überwiegende Menge eine kleinere Teilchengrösse aufweist als die kleinsten Teilchen des granulierten Quarzgutes. Die Kugelkörper sind aus E-Glas gefertigt. Im Füllstoff beträgt das Verhältnis zwischen Granulat aus Quarzgut und den Kugelkörpern aus E-Glas in Gewichtsprozenten nahezu 2 : 1.
Die Anschlussarmaturen 3 werden vorteilhaft aus Stahl gefertigt. Die Ausdehnungskoeffizienten der Anschlussarmaturen 3, der Widerstandskörper 1 und des Gehäuses 5 sind dann einander so angeglichen, dass bei betriebsbedingter Erwärmung des Ueberspannungsableiters keine Rissbildung im Gehäuse 5 auftreten kann. Ferner können keine Ablösungserscheinungen zwischen dem Gehäuse 5 und den Widerstandskörpern 1 und auch zwischen dem Gehäuse 5 und den Anschlussarmaturen 3 auftreten. Ebenso wird die zwischen den Anschlussarmaturen 3 und den Stirnseiten 2 der Widerstandskörper 1 nötige Kontaktkraft über das Gehäuse 5 stets aufrechterhalten. Die Haftung zwischen den Anschlussarmaturen 3 und dem Gehäuse 5 wird durch diese rillenartigen Vertiefungen 4 verbessert, welche zudem die Aufnahmefähigkeit des Gehäuses 5 für axiale Kräfte steigern.
In Figur 2 ist eine Anschlusspartie eines Ueberspannungsableiters für den Innenraumbereich dargestellt, bei welcher die Anschlussarmatur 3 konusartig ausgebildet ist. Diese Form der Anschlussarmatur 3 gewährleistet eine besonders gute Uebertragung der axialen Kräfte von Gehäuse 5 auf die Widerstandskörper 1. Eine Anflächung 7 an der Anschlussarmatur 3 ist als Verdrehsicherung gedacht; es können auch mehrere Anflächungen angebracht werden.
Bei der Herstellung dieses Ueberspannungsableiters wird der Stapel von Widerstandskörpern 1 gemeinsam mit dem Kontaktierungsbereich der diesen Stapel an den Stirnseiten 2 kontaktierenden Anschlussarmaturen 3 mit einer Formmasse umgossen. Diese Formmasse ist aus dem Füllstoff und Giessharz im Verhältnis von mindestens 4 : 1 Gewichtsprozenten gemischt.
Der Füllstoff besteht überwiegend aus Granulat, welches Teilchen verschiedener Grösse in verschiedenen Fraktionen enthält. Ferner enthält der Füllstoff ein Gemenge aus Kugelkörpern in welchem ebenfalls Teilchen verschiedener Grössen in verschiedenen Fraktionen enthalten sind. Die Grössenbereiche der Teilchen der verschiedenen Fraktionen des Füllstoffes überlappen sich. Insbesondere sind die grössten Teilchen der Fraktion mit den grössten Kugelkörpern grösser als die kleinsten Teilchen der Fraktion mit den kleinsten Granulatteilchen. Die überwiegende Menge der Kugelkörper weist jedoch eine kleinere Teilchengrösse auf als die kleinsten Granulatteilchen. Beim Ausführungsbeispiel besteht das Granulat aus drei Fraktionen Quarzgut, wobei sich die mittleren Teilchengrössen dieser drei Fraktionen etwa verhalten wie 1 : 2 : 2,5. Das Gemenge aus Kugelkörpern besteht aus zwei Fraktionen E-Glas-Kugeln, deren mittlere Teilchengrössen sich etwa verhalten wie 1 : 4,5. Für die mechanische Festigkeit des Gehäuses ist es vorteilhaft, wenn die E-Glas-Kugelkörper mit einem Haftvermittler beschichtet werden.
Die Füllstoffkomponenten werden vor dem Mischen des Giessharzes mit dem Füllstoff gemischt, aufgeheizt und vorgetrocknet. Während des Mischens der Formmasse aus Giessharzes und Füllstoff wird diese bereits entgast.
Das für die Formmasse vewendete Giessharz kann aus einer der folgenden vier Gruppen stammen: anhydridgehärtete Epoxidharze, ungesättigte Polyesterharze, Acrylharze und Polyurethanharze. Besonders günstig lassen sich hier ungesättigte Polyesterharze und Acrylharze einsetzen, da diese Harze auch ohne zusätzliche Wärmezufuhr schnell aushärten.
Die Anschlussarmaturen 3 und die Widerstandskörper 1 werden in eine Giessform eingelegt und beispielsweise mittels Federn gegenseitig mechanisch vorgespannt, um eine gute und sichere Kontaktierung untereinander zu erreichen. Ferner wird durch dieses mechanische Verspannen erreicht, dass beim nachfolgenden Vergiessen mit der Formmasse keine Spalte zwischen den Widerstandskörpern 1 selbst und zwischen den Widerstandskörpern 1 und den Anschlussarmaturen 3 auftreten, in welche die Formmasse hineinfliessen könnte. Für den Vorgang des Umgiessens wird die Giessform mit senkrecht gestellter Längsachse in eine Vakuumkammer eingebracht. Der Unterdruck in dieser Kammer unterstützt das Einfliessen der Formmasse in die Giessform. Zusätzlich wird die Giessform mechanischen Vibrationen ausgesetzt, welche einerseits das Einfliessen der Formmasse unterstützen und andererseits das Ausfüllen aller Hohlräume der Giessform sicherstellen.
Beim Ausführungsbeispiel wird die Formmasse aus folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent gemischt:

6,5 % Epoxidharz, 6,5 % Härter, 0,01 K Beschleuniger, 26,7 % Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,355 bis 2 mm, 17,4 % Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,25 bis 0,71 mm, 13,4 % Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,125 bis 0,355 mm, 4,4 % E-Glas-Kugelkörper mit der Teilchengrösse 0,075 bis 0,15 mm, und 26,1 % E-Glas-Kugelkörper mit der Teilchengrösse 0 bis 0,05 mm. Hierbei werden zunächst die Füllstoffkomponenten gemischt, auf 120 °C bis 140 °C aufgeheizt und vorgetrocknet. Während des Mischens der Formmasse aus dem aufgeheizten Füllstoff, dem Epoxidharz, dem Härter und dem Beschleuniger für den Härtungsvorgang wird diese mindestens zehn Minuten entgast. Der Unterdruck in der Vakuumkammer beträgt 600 bis 1000 Pascal, und die dort auf die Giessform einwirkenden mechanischen Vibrationen liegen in einem Frequenzbereich von 100 bis 200 Hz und weisen Amplituden im Bereich von 0,1 bis 1 mm auf.

Nach dem Füllen der Giessform mit der Formmasse wird die Giessform aus der Vakuumkammer entnommen und in einen Ofen eingebracht. Während rund 20 Stunden bei wechselnden Temperaturen im Bereich von 80 °C bis 140 °C erfolgt nun der Aushärtevorgang der Formmasse. Nach dem Abschluss dieses Vorganges ist aus der Formmasse das Gehäuse 5 entstanden, welches nach dem Oeffnen der Giessform den Ueberspannungsableiter zusammenhält.
Es ist ferner denkbar eine derartige Formmasse auch bei der Herstellung weiterer elektrischer Geräte einzusetzen, wie z.B. bei Messwandlern, Spulenanordnungen für Drosselspulen und Transformatoren, Trag-, Stütz-und Abspannisolatoren, Schaltgeräten und Messgeräten; auch im Elektromaschinenbau sind Einsatzmöglichkeiten vorstellbar.

Claims

1. Ueberspannungsableiter mit zwei Anschlussarmaturen (3), mit mindestens einem, mit den Anschlussarmaturen (3) kontaktierten Widerstandskörper (1) aus spannungsabhängigem Widerstandsmaterial und mit einem elektrisch isolierenden, den Widerstandskörper (1) spaltfrei umgebenden Gehäuse (5), dadurch gekennzeichnet,

- dass das Gehäuse (5) aus einer ausgehärteten Kunststoffmatrix besteht, in welche isolierender anorganischer Füllstoff eingebettet ist,

- dass das Gehäuse (5) den mindestens einen Widerstandskörper (1) und den diesen kontaktierenden Bereich der Anschlussarmaturen (3) umgibt, und

- dass mehr als 80 Gewichtsprozent des Gehäuses aus Füllstoff bestehen.

2. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- dass der Füllstoff überwiegend als Granulat ausgebildet ist,

- dass im Füllstoff zusätzlich ein Gemenge aus Kugelkörpern enthalten ist, und

- dass die überwiegende Menge der Kugelkörper eine kleinere Teilchengrösse aufweist als die kleinsten Teilchen des Granulates.

3. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Granulat aus Quarzgut gebildet wird,

- dass die Kugelkörper aus E-Glas gefertigt sind, und

- dass das Verhältnis von Granulat aus Quarzgut zu den Kugelkörpern aus E-Glas in Gewichtsprozenten nahezu 2 : 1 beträgt.

4. Ueberspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussarmaturen (3) aus Stahl gefertigt sind und an den Verbindungsstellen mit dem Gehäuse (5) mindestens eine rillenartige Vertiefung (4) aufweisen.

5. Verfahren zur Herstellung des Ueberspannungsableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- dass aus dem Füllstoff und Giessharz im Verhältnis von mindestens 4 : 1 Gewichtsprozenten eine Formmasse gemischt wird, und

- dass der mindestens eine Widerstandskörper (1) gemeinsam mit dem diesen kontaktierenden Bereich der Anschlussarmaturen (3) mit der Formmasse umgossen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- dass vor dem Mischen der Formmasse der Füllstoff aus einem Granulat, in welchem Teilchen verschiedener Grösse in verschiedenen Fraktionen enthalten sind, und einem Gemenge aus Kugelkörpern, in welchem verschiedene Teilchengrössen in verschiedenen Fraktionen enthalten sind, gemischt wird, wobei die grössten Teilchen der Fraktion mit den grössten Kugelkörpern grösser sind als die kleinsten Teilchen der Fraktion mit den kleinsten Granulatteilchen, und die überwiegende Menge der Kugelkörper eine kleinere Teilchengrösse aufweist als das Granulat.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Granulat aus mindestens drei Fraktionen Quarzgut besteht, deren mittlere Teilchengrössen sich etwa verhalten wie 1 : 2 : 2,5, und

- dass das Gemenge aus Kugelkörpern aus mindestens zwei Fraktionen E-Glas-Kugeln besteht, deren mittlere Teilchengrössen sich etwa verhalten wie 1 : 4,5.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

- dass vor dem Mischen des Giessharzes mit dem Füllstoff die Füllstoffkomponenten gemischt, aufgeheizt und vorgetrocknet werden, und

- dass während des Mischens des Giessharzes mit dem Füllstoff die Formmasse entgast wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

- dass das für die Formmasse verwendete Giessharz aus einer der Gruppen der anhydridgehärteten Epoxidharze, der ungesättigten Polyesterharze, der Acrylharze und der Polyurethanharze stammt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

- dass der mindestens eine Widerstandskörper (1) vor dem Umgiessen mit der Formmasse gemeinsam mit den Anschlussarmaturen (3) unter gegenseitiger mechanischer Vorspannung in eine Giessform eingelegt wird,

- dass danach die Giessform mit senkrecht gestellter Längsachse in eine Vakuumkammer eingebracht wird, und

- dass deren Unterdruck und ein Vibrieren der Giessform das Einfliessen der Formmasse in die Giessform unterstützen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

- dass die Formmasse etwa aus folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent gemischt wird:

6,5 % Epoxidharz,

6,5 % Härter,

0,01 % Beschleuniger,

26,7 % Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,355 bis 2 mm,

17,4 % Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,25 bis 0,71 mm,

13,4 % Quarzgut mit der Teilchengrösse 0,125 bis 0,355 mm,

4,4 % E-Glas-Kugelkörper mit der Teilchengrösse 0,075 bis 0,15 mm, und

26,1 % E-Glas-Kugelkörper mit der Teilchengrösse 0 bis 0,05 mm,

- dass die Füllstoffe auf 120 °C bis 140 °C aufgeheizt und heiss weiterverarbeitet werden,

- dass die Formmasse mindestens zehn Minuten entgast wird,

- dass der Unterdruck beim Vergiessen der Formmasse 600 bis 1000 Pascal beträgt,

- dass die auf die Giessform einwirkenden Vibrationen im Bereich von 100 bis 200 Hz bei einer Amplitude von 0,1 bis 1 mm liegen, und

- dass die Aushärtung der Formmasse während rund 20 Stunden bei wechselnden Temperaturen im Bereich von 80 °C bis 140 °C erfolgt.