EP0217021B1

EP0217021B1 - Ueberspannungsableiter und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: EP0217021B1
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: 1990-04-18
Anticipated expiration: 2006-07-16
Also published as: JP2509575B2; EP0217021A1; JPS6254902A; US4805064A; DE3670544D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter gemäss dem ersten Teil des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Aus der Patentschrift GB-A-1 603 710 die zur Bildung des Oberbegriffs von Anspruch 1 herangezogen wurde, ist beispielsweise ein Stützer mit Anschlussarmaturen und mit Elektroden für eine Steuerung der Spannungsverteilung bekannt. Die Elektroden sind dabei spaltfrei in ein Gehäuse eingegossen, welches aus einer ausgehärteten Kunststoffmatrix besteht, in welche isolierender, anorganischer, überweigend als Granulat ausgebildeter Füllstoff eingebettet ist. Mehr als 80 Gewichtsprozent des Gehäuses bestehen dabei aus Füllstoff. Die Anschlussarmaturen sind als separate Baugruppen mit dem Gehäuse und den jeweiligen endseitigen Elektroden für die Steuerung der Spannungsverteilung verbunden.
Aus der Patentschrift EP 0 004 349 ist ferner ein Überspannungsableiter 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. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet, ist löst die Aufgabe, einen Überspannungsableiter zu schaffen, dessen Gehäuse mit einfachen Mitteln schneller und billiger hergestellt werden kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
Der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass auf einfache Weise die Massenfertigung von Überspannungsableitern beschleunigt werden kann. Der Überspannungsableiter bildet mit seinen Anschlussarmaturen eine einstückige Baugruppe und kann leicht so ausgelegt werden, dass er auch als Stützer eingesetzt werden kann.
Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindungen 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 verbindern. Ein isolierendes Gehäuse 5 umgibt spaltfrei den Stapel von Widerstandskörpern 1 und den jeweiligen Kontaktierungsbereich zwischen den Anschlussarmaturen 3 und den Stirnseiten 2.
Des 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 kleine Rissbildung im Gehäuse 5 auftreten kann. Ferner können keine Ablösungserscheinungen zwischen dem Gehäuse 5 und den Widerstandskörper 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 Gehäuse 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 diese 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 Grössenbereich 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 das die kleinsten Granulatteilchen. Beim Ausführungsbeispiel besteht das Granulat aus drei Fraktionen Quarzgut, wobei sich die mittleren Teilchengrössen dieser drei Fraktionen etwa verhalten wird 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 aus 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 % 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° 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.

Claims

1. Überspannungsableiter mit zwei Anschlussarmaturen (3), mit mindestens einem, mit den Anschlussarmaturen (3) kontaktierten Widerstand, mit einem elektrisch isolierenden, spaltfrei um den Widerstand gegossenen Gehäuse (5) aus einer ausgehärteten Kunststoffmatrix in welche isolierender, anorganischer, überwiegend als Granulat ausgebildeter Füllstoff eingebettet ist, wobei mehr als 80 Gewichtsprozent des Gehäuses (5) aus diesem Füllstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet,

dass der mindestens eine Widerstand als mindestens ein Stapel von Widerstandskörpern (1) aus spannungsabhängigem Widerstandsmaterial ausgebildet ist,

dass das Gehäuse (5) den mindestens einen Stapel von Widerstandskörpern (1) und den diesen kontaktierenden Bereich der Anschlussarmaturen (3) umgibt,

dass im Füllstoff zusätzliche ein Gemenge aus Kugelkörpern enthalten ist, und

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

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass das Granulat aus Quartzgut 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.

3. Überspannungsableiter 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.

4. Verfahren zur Herstellung des Überspannungsableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei aus dem Füllstoff und Giessharz im Verhältnis von mindestens 4:1 Gewichtsprozenten eine Formmasse gemischt wird, mit welcher der mindestens eine Wiederstand umgossen wird, 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.

5. Verfahren nach Anspruch 4, 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.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass vor dem Mischen des Giesharzes mit dem Füllstoff die Füllstoffkomponenten gemischt, ausgeheizt und vorgetrocknet werden, und

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

7. Verfahren nach Anspruch 4, 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.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass der mindestens eine Widerstand ausgebildet als mindestens ein Stapel von Widerstandskörpern (1) gemeinsam mit dem diesen kontaktierenden Bereich der Anschlussaramturen (3) mit der Formmasse umgossen wird.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

dass der mindestens eine Stapel von Widerstandskörpern (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.

10. 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.