EP1355327A2 - Surge voltage arrester and method to produce such a surge voltage arrester - Google Patents
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- EP1355327A2 EP1355327A2 EP02405343A EP02405343A EP1355327A2 EP 1355327 A2 EP1355327 A2 EP 1355327A2 EP 02405343 A EP02405343 A EP 02405343A EP 02405343 A EP02405343 A EP 02405343A EP 1355327 A2 EP1355327 A2 EP 1355327A2
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- H01C—RESISTORS
- H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
- H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
- H01C7/102—Varistor boundary, e.g. surface layers
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- H01C7/12—Overvoltage protection resistors
- H01C7/126—Means for protecting against excessive pressure or for disconnecting in case of failure
Definitions
- the invention is based on a surge arrester according to the Preamble of claim 1.
- the invention also relates to a method for Manufacture of such a surge arrester.
- the surge arrester contains two fixed power connections and one non-linear electrical resistance, containing two in the direction of an axis from each other spaced electrodes and a resistance body from one Polymer composite with a polymeric matrix and one in the matrix embedded, powdery filler with varistor behavior.
- the filler contains generally a sintered varistor granulate with predominantly spherical Doped metal oxide particles. The particles are crystalline, through Grain boundaries separate grains. Over there comparable surge arresters with non-linear resistors Additional processes based on a sintered ceramic can be omitted Surge arrester relatively simple and in a wide variety of shapes getting produced.
- a surge arrester of the aforementioned type can be used, for example, in DE 198 24 104 A1 or R.Strümpler, P.Kluge-Weiss and F.Greuter "Smart Varistor Composites ", Proceedings of the 8th CIMTECH-World Ceramic Congress and Forum on New Materials, Symposium VI (Florence, June 29 - July 4, 1994) be removed.
- This surge arrester contains a non-linear one electrical resistance with a resistance body from a one Polymer matrix and a composite material contained therein powder.
- the powder used is a granulate which was produced by sintering a spray-dried varistor powder on the basis of a zinc oxide doped with oxides of Bi, Sb, Mn, Co, Al and / or other metals. These granules have spherical particles shaped like a soccer ball with varistor behavior, which are made up of crystalline grains separated by grain boundaries. The diameter of these particles is up to 300 ⁇ m.
- the electrical properties of the sintered granulate such as the non-linearity coefficient ⁇ B or the breakdown field strength U B [V / mm] can be set over a wide range.
- two electrodes are cast into the polymer composite during the manufacture of the resistance body or, after the resistance body has been manufactured, applied in the form of a metal layer to its surface.
- EP 0 875 087 B1 describes a composite material based on a polymeric in particular elastomeric, matrix and a powder embedded in this matrix described.
- a granulate is used as powder, which also by Sintering a spray-dried varistor powder based on one with oxides produced from Bi, Sb, Mn, Co, Al and / or other metals doped zinc oxide has been.
- These granules have a spherical shape shaped like a football Particles with varistor behavior, which consist of crystalline, through grain boundaries separate grains are constructed.
- the particles have diameters up to a maximum of 125 ⁇ m and have a size distribution, which one Gaussian distribution follows.
- This material is used in cable connections and Cable terminations used and forms voltage-controlling layers there.
- a surge arrester with a varistor based on microspheres doped zinc oxide, which is first sintered and then pressed or only pressed and then sintered is known from US 5,231,370 A. Since the microspheres as The initial product for the varistor is initially in the form of a gel Production of the surge arrester is relatively complex. Besides, it is not exclude that when sintering between the individual microspheres Air gaps remain, which are the dielectric strength of the varistor and thus also reduce the surge arrester. In the above Document also mentions that sintered microspheres are not only considered Varistors, but also used as a filler for electrical rubber goods can be.
- No. 5,955,936 A describes a PTC resistor made of a polymer composite, containing a polymer matrix and an electrically conductive embedded therein Filler. To contact this resistor, two electrodes are made a metal foam, which is used directly or via conductive layers are electrically conductively connected to the composite.
- the object of the invention is as set out in the claims based on specifying a surge arrester of the type mentioned in the introduction, which is easy to manufacture despite good protection characteristics, and at the same time to create a process with which to solve a very economical variety of surge arresters required for various protection tasks can be manufactured.
- the resistance body of formed a cold formable polymer composite and to form a non-linear electrical resistance pressed between two electrodes. Because of the cold deformability, the resistance body is more constant Surface pressure on the electrodes, so that inhomogeneities on the Interface between the resistance body and electrodes avoided and a low contact resistance is achieved.
- Current surges occurring as a result of switching operations or lightning strikes with high Current amplitudes can be due to the homogeneous and low-impedance Contact resistance between the electrodes and the resistance body be safely led in resistance without one leading to premature Failure of the surge arrester leading to local overheating non-linear resistance is to be feared.
- a particularly uniform surface pressure is achieved if the matrix of a polymer based on a liquid, a gel or an elastomer is formed and preferably contains a silicone or a mixture of silicones.
- suitable polymers are flexible polyurethanes, epoxies, fats or oils.
- the filler-containing surfaces of the resistance body lie to the electrodes. Due to the direct contact of the varistor property having filler particles with the electrodes Contact resistance and thus the ohmic resistance of the non-linear Resistance when discharging an overvoltage is kept low.
- the surge arrester preferably has a resistance body housing.
- the nonlinear resistance is not just that protected housed, but it is also the housing Surface pressure necessary force absorbed. This force can be particularly effectively by a preloaded spring or by pressing one precursor element of the cold-formable polymer composite Resistor body are generated between the electrodes. Because here the Resistance body because of the cold deformability of the polymer composite in generally with a lateral surface arranged between the two electrodes is supported on the housing, the dimensions of the precursor element still quite significantly from the definitive dimensions of the resistance body differ. Such a surge arrester according to the invention can be manufactured extremely inexpensively.
- the housing is elastic is deformable or shrinkable.
- the for pressing the Resistance body necessary force can be by tensioning or by Shrinkage of the housing are generated.
- the housing is stiffened in the direction of the axis and in the circumferential direction train elastically deformable.
- the longitudinal stiffening can, for example, by a predominantly axially directed, steep cross wrap can be achieved.
- the Longitudinal stiffeners are the dimensions of the resistance body in axial Direction kept constant. Those caused by warming Volume changes of the resistance body then act because of this Cold formability in changes in its radial dimensions. This Changes are made from the elastically deformable in the circumferential direction Housing added.
- the surge arrester developed in this way can adapt to the prevailing operating conditions through "breathing".
- the composite executed as a paste and then it has a polymer with a relatively low Viscosity, such as oil in particular, the polymer also reaches a Volume change of the resistance body or the polymer composite is not outward.
- the volume change of the resistance body can also be done electrically conductive, cold-formable and reversibly compressible intermediate layer be compensated for between the composite and one of the two Electrodes is arranged. This layer can also be used for the electrical Contact between the resistance body and the electrode can be improved.
- Surge arrester from at least one of the two electrodes is porous.
- the material of the resistance body then hugs when pressing particularly close to the porous and therefore rough surface of the Resistance body and then penetrates into the pores at the same time.
- To a Passing through the material of the resistance body especially when used a liquid matrix, to prevent and to form a uniform
- the size of the pores at least in one direction to the axis for example perpendicular or parallel to it, not be significantly larger than that average size of the filler particles.
- Suitable materials for a porous electrode are metal nonwovens, especially those based on stainless steel, copper or bronze, metal foams, advantageously those based on nickel or aluminum, or sintered bodies, preferably based on bronze, brass, copper, silver or nickel. These materials not only have good electrical properties, but can also be firmly integrated into the resistance body to form a low contact resistance. Boundary layer problems leading to the failure of the surge arrester are largely avoided in this way. The boundary layer between the electrode and the resistor does not become a power-limiting factor even with high current loads, so that power consumption of up to 200J / cm 2 is possible. If the porous electrode is designed as a metal fleece or as a metal foam, it can easily be deformed by pressing. The desired pore size can thus be generated in a particularly simple manner. By punching, embossing, grinding or other similar mechanical processing methods, the porous electrode can be given a predetermined desired geometric shape.
- the porous electrode made of such a material can optionally have a very small layer thickness, for example 0.1 mm.
- the electrode has a supporting body that holds it high mechanical strength. Typical layer thicknesses move between 0.1 and 10 mm.
- the connection between porous electrode and current-carrying body is advantageously by soldering, gluing with conductive Gluing, sintering (sintered electrodes) or ultrasonic welding.
- the surge arrester according to the invention can be particularly advantageous manufacture if from a starting body formed by the polymer composite a cold deformable precursor element is separated, and if that Precursor element with the formation of contact surfaces between two electrodes arranged and forming the nonlinear electrical resistance is pressed.
- the precursor element is in the form of a disc or have plate.
- the starting body is then expedient after kind of a sausage or a band. Then he can go through Extrusion can be produced continuously and the precursor element can be Separation of the pane or plate can be achieved very easily.
- the Surge arresters can not only be manufactured extremely cost-effectively, A control of the weight of the precursor elements can also be used constant quality of the surge arrester within a narrow Tolerance range can be reached. Due to the possibility of producing the Surge arrester the resistance body when pressing the Giving precursor elements different shapes can be done in very simple Instruct the electrical properties of the surge arrester different protection requirements can be adjusted.
- the polymer composite is in the form of a gel or paste, one can advantageous development of the inventive method Precursor element in one closable and two fixed Housing containing electrodes pressed and the housing after reaching a predetermined pressure value are closed. Through this Process steps are carried out with particularly simple means and without additional Machining a precisely adapted to practically any housing geometry Resistance body reached.
- this can Precursor element in a not necessarily closable Housing can be used, then the precursor element with two Electrodes contacted and then by moving one of the two Electrodes are pressed up to a predetermined pressure value. hereby can be a good enough for many applications in a particularly simple manner Surge arresters are manufactured.
- the surge arrester shown in Figure 1 has a hollow cylinder executed housing 1, in each of which at the upper and lower ends designated internal thread is embedded.
- the one at the top Internal thread works together with the external thread as a screw executed power connector 2, while the one provided at the lower end Internal thread also interacts with the external thread as Screw made power connector 3.
- a compression spring 4 is between the two Power connections 2 and 3 arranged along the cylinder axis, not designated are a compression spring 4 as well as in each case from top to bottom Circular disk executed a pressure body 5, an electrode 6 Resistor body 7 and an electrode 8.
- the housing 1 is made of a mechanically and electrically high-quality insulating material educated.
- a suitable insulating material is, for example, a ceramic, such as Porcelain, or a plastic based on a polymer, such as one preferably fiber-reinforced thermoset, in particular an epoxy, or one Thermoplastic, such as an acrylate, such as PMMA.
- a ceramic such as Porcelain
- a plastic based on a polymer such as one preferably fiber-reinforced thermoset, in particular an epoxy, or one Thermoplastic, such as an acrylate, such as PMMA.
- For outdoor use can provide the housing with ribs or shields that extend the creepage distance be made of a material suitable for outdoor use.
- the housing takes over especially support and support functions.
- the power connections 2 and 3, the pressure plate 5 and the electrodes 6 and 8 are each formed by an electrically highly conductive metal.
- Such metals are typically copper, nickel, aluminum, stainless steel and alloys on the Base copper, such as bronze or brass, and / or aluminum.
- Sintered bodies primarily made of bronze, brass, copper, nickel, are used as electrodes or silver, metal foam, such as fine-pored nickel foam or coarse-pored, uniaxially compressed aluminum foam, metal fleece or mesh, compressible graphite in layer or foil form, on solid bases sintered porous metal layers, such as bronze, or sandblasted Metal body, such as aluminum or copper, is used.
- the porous Metal layers can be sintered in one or more layers and thicker about 0.1 mm and up to a few centimeters.
- Electrodes 6, 8 are given a well-defined shape, with the Shaping especially make sure that the electrodes on their Have contact surface on the resistance body 7 rounded edges.
- the compression spring can be made of a highly conductive metal alloy, such as on the Base made of steel or bronze, but can also be made from a moderate or non-conductive material, such as plastic. In general it is Compression spring over several current conductor elements acting as a contact band bridged. These elements not shown in Fig.1 connect the Power connection 2 and the pressure plate 5 with each other in an electrically conductive manner.
- the resistance body is made from a cold-formable polymer composite a polymeric matrix and a powdery one embedded in the matrix Filler formed with varistor behavior.
- the polymer forming the matrix is in the generally a gel or an elastomer, preferably each based on Silicone, but can also be a liquid, such as preferably an oil, for example the base mineral or silicone oil.
- the filler contains varistor particles doped metal oxide with a predominantly spherical structure, the particles composed of crystalline grains separated by grain boundaries are. Production and properties of the filler are in the stated state of the Technology described. To improve the electrical contact between the individual varistor particles and thus the energy consumption of the Surge arrester, the filler can contain a few percent by weight of metal powder contain.
- This Intermediate layers generally consist of an electrically highly conductive, compressible polymer composite, preferably one with conductive powder, such as nickel or titanium diboride, and especially polymeric hollow microspheres (such as those sold under the trade name Expancel) filled polymeric gel, but can also be used as an electrically conductive foam or as another electrically conductive, compressible body with spring action (fleece, Tissue).
- the intermediate layers 12, 13 not only improve that electrical contact, but can also change the volume of the Compensate resistance body 7. In this way you prevent extremely effectively Overstretch a rigid housing.
- a resistor body typical of the surge arrester according to the invention had the following formulation in parts by weight (GT): SYLGARD 527 A 100 GT SYLGARD 527 B 100 GT filler 1000 GT
- SYLGARD is one of Dow Corning under this trade name distributed silicone resin.
- the filler corresponded to that in the prior art Filler described in DE 198 24 104 A1.
- the polymer composite was made by mixing the above Output components manufactured.
- the components were Mixed room temperature and then at a negative pressure of typically 50 vented up to 100 mbar.
- the filler is pre-evacuated at a pressure of approx. 1 mbar and then at a Pressure of approx. 100 mbar with that by mixing the two aforementioned Resin components formed silicone infiltrates.
- the infiltrated samples were spun in a centrifuge.
- a high degree of filling can be achieved by squeezing out excess Silicone resin can be achieved. After a curing time of approx. 24 hours at A cold-formable, rubber-like polymer material became room temperature educated.
- the polymer composite was in shape of a sausage-shaped body and was made from it as Precursor element for the resistance body 7 a substantially circular trained material disc separated.
- This precursor element was in the already housing 1 containing the power connection 3 and the electrode 8 brought. Thereafter, the electrode 6, the pressure body 5 and brought the compression spring 4 into the housing 1 and then the one thus formed
- the stack is screwed using the power connector 2.
- the compression spring 4 compressed.
- the pressure plate 5 loaded with compression force now presses the Electrodes 6 and 8 from above and from below against the precursor element. Because of its good cold formability, this element is used in one relatively low pressure of a few, for example 1 to 2, bar to Resistor body 7 pressed.
- This resistance body 7 has two Gaps without a gap on the electrodes 6 and 8 and one without gaps on the inner surface of the casing. By pressing becomes a nonlinear electrical inserted into the housing without a gap Resistance formed. The pressure is also a sufficiently high one and evenly distributed contact pressure between the Filler particles and the electrodes reached. A metallization of the face of the resistance body 7 can therefore be omitted.
- Example 4 relates to an embodiment of the invention Surge arrester, in which the polymer composite as a paste with approx. 85 Parts by volume of filler and approx. 15 parts by volume of silicone oil.
- the Electrodes were made of sintered bronze.
- the electrode 6 made of nickel foam and the Electrode 8 consist of a sintered bronze and can also be shown as both electrodes 6 and 8 by gluing, soldering, sintering or welding the pressure plate 5 or the power connection 3.
- you can both electrodes are made of the same material, such as sintered bronze, and can only one or neither of the two electrodes with the associated electrical conductive support body.
- surge arresters according to the invention though they were made much easier and cheaper, electrical Have properties that match the corresponding properties of a the surge arrester largely manufactured to match.
- the surge arrester designed according to sample 4 with a pasty polymer composite can perform particularly well take up. This surge arrester can be used anywhere where the surge arrester requires a high level of energy absorption.
- a paste designed Polymer composite liquid polymer that is highly filled with filler
- a weakly cross-linked, filled gel the one marked with arrows Precursor element through an opening 9 in a closable Housing 10 are pressed.
- the two electrodes 6 and 8 are fixed in the Housing arranged. Since they are guided through the housing wall, they can also be used as a power connection.
- the pressing force in Housing interior of the resistance body formed, which to the gapless Inside of the housing, in particular the two electrodes 6 and 8, is pressed.
- the opening 9 for example squeezing one Housing approach 11
- the surge arrester can be completed.
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- Electromagnetism (AREA)
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- Apparatuses And Processes For Manufacturing Resistors (AREA)
Abstract
Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Überspannungsableiter nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur
Herstellung eines solchen Überspannungsableiters. Der Überspannungsableiter
enthält zwei feststehend gehaltene Stromanschlüsse und einen nichtlinearen
elektrischen Widerstand, enthaltend zwei in Richtung einer Achse voneinander
beabstandete Elektroden und einen Widerstandskörper aus einem
Polymerverbundstoff mit einer polymeren Matrix und einem in die Matrix
eingebetteten, pulverförmigen Füllstoff mit Varistorverhalten. Der Füllstoff enthält
im allgemeinen ein gesintertes Varistorgranulat mit überwiegend kugelförmigen
Teilchen aus dotiertem Metalloxid. Die Teilchen sind aus kristallinen, durch
Korngrenzen voneinander getrennten Körner aufgebaut. Da gegenüber
vergleichbar wirkenden Überspannungsableitern mit nichtlinearen Widerständen
auf der Basis einer Sinterkeramik zusätzliche Prozesse entfallen, können derartige
Überspannungsableiter verhältnismässig einfach und in grosser Formenvielfalt
hergestellt werden.The invention is based on a surge arrester according to the
Preamble of
Ein Überspannungsableiter der vorgenannten Art kann beispielsweise DE 198 24 104 A1 oder R.Strümpler, P.Kluge-Weiss und F.Greuter "Smart Varistor Composites", Proceedings of the 8th CIMTECH-World Ceramic Congress and Forum on New Materials,Symposium VI (Florence, June 29 - July 4, 1994) entnommen werden. Dieser Überspannungsableiter enthält einen nichtlinearen elektrischen Widerstand mit einem Widerstandskörper aus einem eine Polymermatrix und einem darin enthaltenden Pulver bestehenden Verbundstoff. A surge arrester of the aforementioned type can be used, for example, in DE 198 24 104 A1 or R.Strümpler, P.Kluge-Weiss and F.Greuter "Smart Varistor Composites ", Proceedings of the 8th CIMTECH-World Ceramic Congress and Forum on New Materials, Symposium VI (Florence, June 29 - July 4, 1994) be removed. This surge arrester contains a non-linear one electrical resistance with a resistance body from a one Polymer matrix and a composite material contained therein powder.
Als Pulver wird ein Granulat verwendet, welches durch Sintern eines sprühgetrockneten Varistorpulvers auf der Basis eines mit Oxiden von Bi, Sb, Mn, Co, Al und/oder weiterer Metallen dotierten Zinkoxids erzeugt wurde. Dieses Granulat weist nach Art eines Fussballs geformte, kugelförmige Teilchen mit Varistorverhalten auf, welche aus kristallinen, durch Korngrenzen voneinander getrennten Körnern aufgebaut sind. Die Durchmesser dieser Teilchen betragen bis zu 300 µm. Durch Veränderung der Dotierstoffe und der Sinterbedingungen können die elektrischen Eigenschaften des Sintergranulats, wie der Nichtlinearitätskoeffizient αB oder die Durchbruchsfeldstärke UB [V/mm] über einen grossen Bereich eingestellt werden. Für Leistungsanwendungen in einem Überspannungsableiter werden bei der Herstellung des Widerstandskörpers in den Polymerverbundstoff zwei Elektroden eingegossen oder nach Fertigung des Widerstandskörpers in Form einer Metallschicht auf dessen Oberfläche aufgebracht.The powder used is a granulate which was produced by sintering a spray-dried varistor powder on the basis of a zinc oxide doped with oxides of Bi, Sb, Mn, Co, Al and / or other metals. These granules have spherical particles shaped like a soccer ball with varistor behavior, which are made up of crystalline grains separated by grain boundaries. The diameter of these particles is up to 300 µm. By changing the dopants and the sintering conditions, the electrical properties of the sintered granulate, such as the non-linearity coefficient α B or the breakdown field strength U B [V / mm], can be set over a wide range. For power applications in a surge arrester, two electrodes are cast into the polymer composite during the manufacture of the resistance body or, after the resistance body has been manufactured, applied in the form of a metal layer to its surface.
In EP 0 875 087 B1 ist ein Verbundwerkstoff auf der Basis einer polymeren, insbesondere elastomeren, Matrix und eines in diese Matrix eingebetteten Pulvers beschrieben. Als Pulver wird ein Granulat verwendet, welches ebenfalls durch Sintern eines sprühgetrockneten Varistorpulvers auf der Basis eines mit Oxiden von Bi, Sb, Mn, Co, Al und/oder weiterer Metalle dotierten Zinkoxids erzeugt wurde. Dieses Granulat weist nach Art eines Fussballs geformte, kugelförmige Teilchen mit Varistorverhalten auf, welche aus kristallinen, durch Korngrenzen voneinander getrennten Körnern aufgebaut sind. Die Teilchen haben Durchmesser bis höchstens 125 µm und weisen eine Grössenverteilung auf, welche einer Gaussverteilung folgt. Dieses Material wird in Kabelverbindungen und Kabelendverschlüssen eingesetzt und bildet dort spannungssteuernde Schichten.EP 0 875 087 B1 describes a composite material based on a polymeric in particular elastomeric, matrix and a powder embedded in this matrix described. A granulate is used as powder, which also by Sintering a spray-dried varistor powder based on one with oxides produced from Bi, Sb, Mn, Co, Al and / or other metals doped zinc oxide has been. These granules have a spherical shape shaped like a football Particles with varistor behavior, which consist of crystalline, through grain boundaries separate grains are constructed. The particles have diameters up to a maximum of 125 µm and have a size distribution, which one Gaussian distribution follows. This material is used in cable connections and Cable terminations used and forms voltage-controlling layers there.
Ein Überspannungsableiter mit einem Varistor auf der Basis von Mikrokugeln aus dotiertem Zinkoxid, die erst gesintert und dann gepresst bzw. erst gepresst und dann gesintert wurden, ist aus US 5,231,370 A bekannt. Da die Mikrokugeln als Ausgangsprodukt für den Varistor zunächst in Form eines Gels vorliegen, ist die Herstellung des Überspannungsableiters relativ aufwendig. Zudem ist nicht auszuschliessen, dass beim Sintern zwischen den einzelnen Mikrokugeln Luftzwischenräume verbleiben, welche die dielektrische Festigkeit des Varistors und damit auch des Überspannungsableiters herabsetzen. Im genannten Dokument wird auch erwähnt, dass gesinterte Mikrokugeln nicht nur als Varistoren, sondern auch als Füllstoff für elektrischen Gummiwaren verwendet werden können.A surge arrester with a varistor based on microspheres doped zinc oxide, which is first sintered and then pressed or only pressed and then sintered is known from US 5,231,370 A. Since the microspheres as The initial product for the varistor is initially in the form of a gel Production of the surge arrester is relatively complex. Besides, it is not exclude that when sintering between the individual microspheres Air gaps remain, which are the dielectric strength of the varistor and thus also reduce the surge arrester. In the above Document also mentions that sintered microspheres are not only considered Varistors, but also used as a filler for electrical rubber goods can be.
US 5,955,936 A beschreibt einen PTC-Widerstand aus einem Polymerkomposit, enthaltend eine Polymermatrix und einen darin eingebetten, elektrisch leitfähigen Füllstoff. Zur Kontaktierung dieses Widerstands werden zwei Elektroden aus einem Metallschaum eingesetzt, welche unmittelbar oder über leitfähige Schichten mit dem Komposit elektrisch leitend verbunden sind.No. 5,955,936 A describes a PTC resistor made of a polymer composite, containing a polymer matrix and an electrically conductive embedded therein Filler. To contact this resistor, two electrodes are made a metal foam, which is used directly or via conductive layers are electrically conductively connected to the composite.
Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsableiter der eingangs genannten Art anzugeben, welcher trotz einer guten Schutzcharakteristik einfach zu fertigen ist, und zugleich ein Verfahren zu schaffen, mit dem in wirtschaftlicher Weise eine zur Lösung sehr verschiedener Schutzaufgaben benötigte Vielfalt an Überspannungsableitern hergestellt werden kann.The object of the invention is as set out in the claims based on specifying a surge arrester of the type mentioned in the introduction, which is easy to manufacture despite good protection characteristics, and at the same time to create a process with which to solve a very economical variety of surge arresters required for various protection tasks can be manufactured.
Beim Überspannungsableiter nach der Erfindung ist der Widerstandskörper von einem kaltverformbaren Polymerverbundstoff gebildet und unter Bildung eines nichtlinearen elektrischen Widerstands zwischen zwei Elektroden verpresst. Wegen der Kaltverformbarkeit liegt der Widerstandskörper mit konstanter Flächenpressung auf den Elektroden auf, so dass Inhomogenitäten an der Grenzfläche zwischen Widerstandskörper und Elektroden vermieden und ein geringer Kontaktwiderstand erreicht wird. Im Betrieb des Überspannungsableiters infolge Schalthandlungen oder Blitzschlag auftretende Stromstösse mit hohen Stromamplituden können wegen des homogenen und niederohmigen Übergangswiderstandes zwischen den Elektroden und dem Widerstandskörper sicher im Widerstand geführt werden, ohne dass eine zu einem vorzeitigen Versagen des Überspannungsableiters führende lokale Überhitzung des nichtlinearen Widerstands zu befürchten ist.In the surge arrester according to the invention, the resistance body of formed a cold formable polymer composite and to form a non-linear electrical resistance pressed between two electrodes. Because of the cold deformability, the resistance body is more constant Surface pressure on the electrodes, so that inhomogeneities on the Interface between the resistance body and electrodes avoided and a low contact resistance is achieved. During operation of the surge arrester Current surges occurring as a result of switching operations or lightning strikes with high Current amplitudes can be due to the homogeneous and low-impedance Contact resistance between the electrodes and the resistance body be safely led in resistance without one leading to premature Failure of the surge arrester leading to local overheating non-linear resistance is to be feared.
Eine besonders gleichmässige Flächenpressung wird erreicht, wenn die Matrix von einem Polymer auf der Basis einer Flüssigkeit, eines Gels oder eines Elastomers gebildet ist und vorzugsweise ein Silicon oder eine Mischung von Siliconen enthält. Andere geeignete Polymere sind flexible Polyurethane, Epoxide, Fette oder Öle. A particularly uniform surface pressure is achieved if the matrix of a polymer based on a liquid, a gel or an elastomer is formed and preferably contains a silicone or a mixture of silicones. Other suitable polymers are flexible polyurethanes, epoxies, fats or oils.
Geeignet sind auch andere weitmaschig vernetzte Polymere sowie feinporige Schäume. Durch das Füllen eines flüssigen Polymers, etwa eines Siliconöls, oder eines nur schwach vernetzten polymeren Gels mit dem Füllstoff, wird ein als Paste ausgeführter Verbundstoff erreicht.Other wide-meshed polymers and fine-pored polymers are also suitable Foams. By filling a liquid polymer, such as a silicone oil, or of a weakly cross-linked polymeric gel with the filler becomes a paste executed composite reached.
Im allgemeinen liegen die Füllstoff enthaltenden Flächen des Widerstandskörpers an den Elektroden an. Durch den unmittelbaren Kontakt der Varistoreigenschaft aufweisenden Füllstoffteilchen mit den Elektroden werden so der Übergangswiderstand und damit der ohmsche Widerstand des nichtlinearen Widerstands beim Ableiten einer Überspannung klein gehalten.In general, the filler-containing surfaces of the resistance body lie to the electrodes. Due to the direct contact of the varistor property having filler particles with the electrodes Contact resistance and thus the ohmic resistance of the non-linear Resistance when discharging an overvoltage is kept low.
Vorzugsweise weist der Überspannungsableiter ein den Widerstandskörper aufnehmendes Gehäuse auf. Der nichtlineare Widerstand ist so nicht nur geschützt untergebracht, sondern es wird so zugleich auch vom Gehäuse die zur Flächenpressung notwendige Kraft aufgenommen. Diese Kraft kann in besonders wirkungsvoller Weise durch eine vorgespannte Feder oder durch Einpressen eines aus dem kaltverformbaren Polymerverbundstoff gebildeten Vorläuferelements des Widerstandskörpers zwischen die Elektroden erzeugt werden. Da hierbei der Widerstandskörper wegen der Kaltverformbarkeit des Polymerverbundstoffs im allgemeinen mit einer zwischen den beiden Elektroden angeordneten Mantelfläche auf dem Gehäuse abgestützt ist, können die Abmessungen des Vorläuferelements noch ganz erheblich von den definitiven Abmessungen des Widerstandskörpers abweichen. Ein derart ausgeführter Überspannungsableiter nach der Erfindung kann so äusserst kostengünstig gefertigt werden.The surge arrester preferably has a resistance body housing. The nonlinear resistance is not just that protected housed, but it is also the housing Surface pressure necessary force absorbed. This force can be particularly effectively by a preloaded spring or by pressing one precursor element of the cold-formable polymer composite Resistor body are generated between the electrodes. Because here the Resistance body because of the cold deformability of the polymer composite in generally with a lateral surface arranged between the two electrodes is supported on the housing, the dimensions of the precursor element still quite significantly from the definitive dimensions of the resistance body differ. Such a surge arrester according to the invention can be manufactured extremely inexpensively.
Für viele Anwendungen ausreichend ist es, wenn das Gehäuse elastisch verformbar oder schrumpfbar ausgebildet ist. Die zur Pressung des Widerstandskörpers notwendige Kraft kann durch Spannen oder durch Schrumpfen des Gehäuses erzeugt werden.For many applications it is sufficient if the housing is elastic is deformable or shrinkable. The for pressing the Resistance body necessary force can be by tensioning or by Shrinkage of the housing are generated.
Um Volumenänderungen des Widerstands zu kompensieren, die bei Betrieb des Überspannungsableiters durch Erwärmen hervorgerufen werden, empfiehlt es sich, das Gehäuse in Richtung der Achse längsversteift und in Umfangsrichtung elastisch verformbar auszubilden. Die Längsversteifung kann beispielsweise durch einen vorwiegend axial gerichteten, steilen Kreuzwickel erreicht werden. Durch die Längsversteifungen werden die Abmessungen des Widerstandskörper in axialer Richtung konstant gehalten. Die durch Erwärmen hervorgerufenen Volumenänderungen des Widerstandskörpers wirken sich dann wegen dessen Kaltverformbarkeit in Änderungen seiner radialen Abmessungen aus. Diese Änderungen werden vom dem in Umfangsrichtung elastisch verformbaren Gehäuse aufgenommen. Der derart weitergebildete Überspannungsableiter kann sich so quasi durch "Atmen" an die herrschenden Betriebsbedingungen anpassen.In order to compensate for changes in volume of the resistance which occur when the Surge arresters caused by heating, it recommends itself, the housing is stiffened in the direction of the axis and in the circumferential direction train elastically deformable. The longitudinal stiffening can, for example, by a predominantly axially directed, steep cross wrap can be achieved. Through the Longitudinal stiffeners are the dimensions of the resistance body in axial Direction kept constant. Those caused by warming Volume changes of the resistance body then act because of this Cold formability in changes in its radial dimensions. This Changes are made from the elastically deformable in the circumferential direction Housing added. The surge arrester developed in this way can adapt to the prevailing operating conditions through "breathing".
Es empfiehlt sich, den Verbundstoff in einem - etwa mittels Dichtungsringen-nach aussen abgedichteten Teil des Gehäuses vorzusehen. Ist der Verbundstoff als Paste ausgeführt und weist er dann ein Polymer mit einer relativ geringen Viskosität, wie insbesondere Öl, auf, so gelangt das Polymer auch bei einer Volumenänderung des Widerstandskörpers bzw. des Polymerverbundstoffs nicht nach aussen.It is advisable to re-use the composite in one - for example using sealing rings part of the housing sealed on the outside. Is the composite executed as a paste and then it has a polymer with a relatively low Viscosity, such as oil in particular, the polymer also reaches a Volume change of the resistance body or the polymer composite is not outward.
Die Volumenänderung des Widerstandskörpers kann auch durch eine elektrisch leitende, kaltverformbare und reversibel komprimierbare Zwischenschicht kompensiert werden, welche zwischen dem Verbundstoff und einer der beiden Elektroden angeordnet ist. Durch diese Schicht kann zugleich auch der elektrische Kontakt zwischen Widerstandskörper und Elektrode verbessert werden.The volume change of the resistance body can also be done electrically conductive, cold-formable and reversibly compressible intermediate layer be compensated for between the composite and one of the two Electrodes is arranged. This layer can also be used for the electrical Contact between the resistance body and the electrode can be improved.
Insbesondere für Nieder- und Mittelspannungsanwendungen ist es fertigungstechnisch von Vorteil, wenn das Gehäuse mehrteilig ausgeführt ist, und wenn die zur Pressung des Widerstandskörpers notwendige Kraft durch Verspannen zweier relativ zueinander bewegbarer Teile des Gehäuses erzeugt wird.It is especially for low and medium voltage applications Manufacturing technology advantageous if the housing is made of several parts, and when the force necessary to press the resistance body through Bracing two relatively movable parts of the housing generated becomes.
Durch einen besonders geringen Kontaktwiderstand zeichnet sich ein Überspannungsableiter aus, bei dem mindestens eine der beiden Elektroden porös ausgeführt ist. Das Material des Widerstandskörpers schmiegt sich dann beim Verpressen besonders eng an die poröse und daher rauhe Oberfläche des Widerstandskörpers an und dringt dann zugleich in die Poren ein. Um ein Durchtreten des Materials des Widerstandskörpers, insbesondere bei Verwendung einer flüssigen Matrix, zu verhindern und um einen gleichförmig ausgebildeten Widerstandskörper mit einer homogenen Stromführung zu gewährleisten, sollte jedoch die Grösse der Poren wenigstens in einer Richtung zur Achse, beispielsweise senkrecht oder parallel dazu, nicht wesentlich grösser sein als die mittlere Grösse der Füllstoffteilchen. It has a particularly low contact resistance Surge arrester from at least one of the two electrodes is porous. The material of the resistance body then hugs when pressing particularly close to the porous and therefore rough surface of the Resistance body and then penetrates into the pores at the same time. To a Passing through the material of the resistance body, especially when used a liquid matrix, to prevent and to form a uniform To ensure resistance bodies with a homogeneous current flow however the size of the pores at least in one direction to the axis, for example perpendicular or parallel to it, not be significantly larger than that average size of the filler particles.
Geeignete Materialien für eine poröse Elektrode sind Metallvliese, vor allem solche auf der Basis Edelstahl, Kupfer oder Bronze, Metallschäume, vorteilhafterweise solche auf der Basis Nickel oder Aluminium, oder Sinterkörper, vorzugsweise auf der Basis Bronze, Messing, Kupfer, Silber oder Nickel. Diese Materialien weisen nicht nur gute elektrische Eigenschaften auf, sondern lassen sich unter Bildung eines geringen Kontaktwiderstands fest in den Widerstandskörper einbinden. Zum Versagen des Überspannungsableiters führende Grenzschichtprobleme werden so weitgehend vermieden. Die Grenzschicht zwischen Elektrode und Widerstand wird so selbst bei Hochstrombelastungen nicht zum leistungsbegrenzenden Faktor, so dass Leistungsaufnahmen bis zu 200J/cm2 möglich sind. Ist die poröse Elektrode als Metallvlies oder als Metallschaum ausgeführt, so kann sie durch Pressen leicht verformt werden. Es kann so die erwünsche Porengrösse in besonders einfacher Weise erzeugt werden. Durch Stanzen, Prägen, Schleifen oder weitere ähnliche mechanische Bearbeitungsverfahren kann der porösen Elektrode eine vorgebenene erwünschte geometrische Formen gegeben werden.Suitable materials for a porous electrode are metal nonwovens, especially those based on stainless steel, copper or bronze, metal foams, advantageously those based on nickel or aluminum, or sintered bodies, preferably based on bronze, brass, copper, silver or nickel. These materials not only have good electrical properties, but can also be firmly integrated into the resistance body to form a low contact resistance. Boundary layer problems leading to the failure of the surge arrester are largely avoided in this way. The boundary layer between the electrode and the resistor does not become a power-limiting factor even with high current loads, so that power consumption of up to 200J / cm 2 is possible. If the porous electrode is designed as a metal fleece or as a metal foam, it can easily be deformed by pressing. The desired pore size can thus be generated in a particularly simple manner. By punching, embossing, grinding or other similar mechanical processing methods, the porous electrode can be given a predetermined desired geometric shape.
Sind Metallvlies, Metallschaum oder Sinterkörper auf einem Stromanschluss oder einem anderen stromleitenden Teil des Überspannungsableiters aufgebracht, so kann die aus einem solchen Material bestehende poröse Elektrode gegebenenfalls eine sehr geringe Schichtdicke, von beispielsweise 0,1 mm, aufweisen. Die Elektrode weist trotz der geringen Dicke wegen des sie haltenden Tragkörpers eine hohe mechanische Festigkeit auf. Typische Schichtdicken bewegen sich zwischen 0,1 und 10 mm. Die Verbindung zwischen poröser Elektrode und stromleitendem Tragkörper wird mit Vorteil durch Löten, Kleben mit leitfähigen Klebern, Sintern (aufgesinterte Elektroden) oder Ultaschallschweissen erzielt.Are metal fleece, metal foam or sintered body on a power connection or another current-conducting part of the surge arrester applied, so the porous electrode made of such a material can optionally have a very small layer thickness, for example 0.1 mm. The Despite its small thickness, the electrode has a supporting body that holds it high mechanical strength. Typical layer thicknesses move between 0.1 and 10 mm. The connection between porous electrode and current-carrying body is advantageously by soldering, gluing with conductive Gluing, sintering (sintered electrodes) or ultrasonic welding.
Der Überspannungsableiter nach der Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft fertigen, wenn aus einem vom Polymerverbundstoff gebildeten Ausgangskörper ein kaltverformbares Vorläuferelement abgetrennt wird, und wenn das Vorläuferelement unter Bildung von Auflageflächen zwischen zwei Elektroden angeordnet und unter Bildung des nichtlinearen elektrischen Widerstands verpresst wird. Im allgemeinen, insbesondere jedoch bei Hochspannungsanwendungen, wird das Vorläuferelement die Form einer Scheibe oder Platte aufweisen. Der Ausgangskörper ist dann zweckmässigerweise nach Art einer Wurst oder eines Bandes ausgebildet. Er kann dann etwa durch Extrusion kontiniuerlich hergestellt werden und das Vorläuferelement kann durch Abtrennen der Scheibe oder der Platte sehr einfach erreicht werden. Der Überspannungsableiter kann so nicht nur äusserst kostengünstig gefertigt werden, über eine Kontrolle des Gewichts der Vorläuferelemente kann zugleich eine gleichbleibende Qualität der Überspannungsableiter innerhalb eines schmalen Toleranzbereichs erreicht werden. Durch die Möglichkeit, bei der Fertigung des Überspannungsableiters dem Widerstandskörper beim Verpressen des Vorläuferelements unterschiedliche Formen zu geben, können in sehr einfacher Weise die elektrischen Eigenschaften des Überspannungsableiter an unterschiedliche Schutzanforderungen angepasst werden.The surge arrester according to the invention can be particularly advantageous manufacture if from a starting body formed by the polymer composite a cold deformable precursor element is separated, and if that Precursor element with the formation of contact surfaces between two electrodes arranged and forming the nonlinear electrical resistance is pressed. In general, but especially in High voltage applications, the precursor element is in the form of a disc or have plate. The starting body is then expedient after Kind of a sausage or a band. Then he can go through Extrusion can be produced continuously and the precursor element can be Separation of the pane or plate can be achieved very easily. The Surge arresters can not only be manufactured extremely cost-effectively, A control of the weight of the precursor elements can also be used constant quality of the surge arrester within a narrow Tolerance range can be reached. Due to the possibility of producing the Surge arrester the resistance body when pressing the Giving precursor elements different shapes can be done in very simple Instruct the electrical properties of the surge arrester different protection requirements can be adjusted.
Ist der Polymerverbundstoff als Gel oder Paste ausgebildet, so kann in einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens das Vorläuferelement in ein verschliessbares und zwei feststehend gehaltene Elektroden enthaltendes Gehäuse gepresst und das Gehäuse nach Erreichen eines vorgegebenen Druckwerts verschlossen werden. Durch diese Verfahrensschritte wird mit besonders einfachen Mitteln und ohne zusätzliche Bearbeitung ein an praktisch beliebige Gehäusegeometrien exakt angepasster Widerstandskörper erreicht.If the polymer composite is in the form of a gel or paste, one can advantageous development of the inventive method Precursor element in one closable and two fixed Housing containing electrodes pressed and the housing after reaching a predetermined pressure value are closed. Through this Process steps are carried out with particularly simple means and without additional Machining a precisely adapted to practically any housing geometry Resistance body reached.
Bei Ausbildung des Polymerverbundstoffs als Elastomer kann das Vorläuferelement in ein nicht notwendigerweise verschliessbar ausgebildetes Gehäuse eingesetzt werden, kann das Vorläuferelement sodann mit zwei Elektroden kontaktiert und nachfolgend durch Verschieben einer der beiden Elektroden bis zu einem vorgegebenen Druckwert verpresst werden. Hierdurch kann in besonders einfacher Weise ein für viele Anwendungen ausreichend guter Überspannungsableiter gefertigt werden.When the polymer composite is formed as an elastomer, this can Precursor element in a not necessarily closable Housing can be used, then the precursor element with two Electrodes contacted and then by moving one of the two Electrodes are pressed up to a predetermined pressure value. hereby can be a good enough for many applications in a particularly simple manner Surge arresters are manufactured.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
- Fig.1
- eine Aufsicht auf einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines Überspannungsableiters nach der Erfindung,
- Fig.2
- eine Aufsicht auf einen Schnitt durch ein Gehäuse einer zweiten Ausführungsform des Überspannungsableiters nach der Erfindung während des Füllens mit einem als Gel ausgeführten Polymerverbundstoff.
- Fig.1
- 2 shows a plan view of a section through a first embodiment of a surge arrester according to the invention,
- Fig.2
- a plan view of a section through a housing of a second embodiment of the surge arrester according to the invention during filling with a polymer composite designed as a gel.
Der in Fig.1 dargestellte Überspannungsableiter weist ein als Hohlzylinder
ausgeführtes Gehäuse 1 auf, in das am oberen und unteren Ende jeweils ein nicht
bezeichnetes Innengewinde eingelassen ist. Das am oberen Ende vorgesehene
Innengewinde wirkt zusammen mit dem Aussengewinde eines als Schraube
ausgeführten Stromanschlusses 2, während das am unteren Ende vorgesehene
Innengewinde zusammenwirkt mit dem Aussengewinde eines ebenfalls als
Schraube ausgeführten Stromanschlusses 3. Zwischen den beiden
Stromanschlüssen 2 und 3 längs der nicht bezeichneten Zylinderachse angeordnet
sind der Reihe nach von oben nach unten eine Druckfeder 4 sowie jeweils als
Kreisscheibe ausgeführt ein Druckkörper 5, eine Elektrode 6, ein
Widerstandskörper 7 und eine Elektrode 8.The surge arrester shown in Figure 1 has a hollow cylinder
executed
Das Gehäuse 1 ist vom einem mechanisch und elektrisch hochwertigen Isolierstoff
gebildet. Ein geeigneter Isolierstoff ist beispielsweise eine Keramik, wie etwa
Porzellan, oder ein Kunststoff auf der Basis eines Polymers, wie etwa eines
vorzugsweise faserverstärkten Duromers, insbesondere eines Epoxids, oder eines
Thermoplasts, etwa eines Acrylats, wie etwa PMMA. Zur Verwendung in Freiluft
kann das Gehäuse mit kriechwegverlängernden Rippen oder Schirmen versehen
sein und aus einem freilufttauglichen Material bestehen. Das Gehäuse übernimmt
vor allem Trag- und Stützfunktionen.The
Die Stromanschlüsse 2 und 3, die Druckplatte 5 und die Elektroden 6 und 8 sind
jeweils von einem elektrisch gut leitenden Metall gebildet. Solche Metalle sind
typischerweise Kupfer, Nickel, Aluminium, Edelstahl sowie Legierungen auf der
Basis Kupfer, wie etwa Bronze oder Messing, und/oder Aluminium.The
Als Elektroden werden Sinterkörper, vor allem aus Bronze, Messing, Kupfer, Nickel
oder Silber, Metallschaum, wie etwa feinporiger Nickelschaum oder grobporiger,
uniaxial verdichteter Aluminiumschaum, Metallvlies oder-gewebe,
komprimierbares Graphit in Schicht- oder Folienform, auf massive Unterlagen
aufgesinterte poröse Metallschichten, etwa aus Bronze, oder sandgestrahlte
Metallkörper, etwa aus Aluminium oder Kupfer, verwendet. Die porösen
Metallschichten können ein- oder mehrlagig aufgesintert sein und Dicken grösser
ca. 0,1 mm und bis zu einigen Zentimetern aufweisen. Durch mechanisches
Bearbeiten, etwa Stanzen, Prägen, Schleifen und/oder Drehen, kann den
Elektroden 6, 8 eine wohldefinierte Form gegeben werden, wobei bei der
Formgebung vor allem darauf zu achten ist, dass die Elektroden an ihrer
Auflagefläche am Widerstandskörper 7 abgerundete Kanten aufweisen.Sintered bodies, primarily made of bronze, brass, copper, nickel, are used as electrodes
or silver, metal foam, such as fine-pored nickel foam or coarse-pored,
uniaxially compressed aluminum foam, metal fleece or mesh,
compressible graphite in layer or foil form, on solid bases
sintered porous metal layers, such as bronze, or sandblasted
Metal body, such as aluminum or copper, is used. The porous
Metal layers can be sintered in one or more layers and thicker
about 0.1 mm and up to a few centimeters. By mechanical
Editing, such as punching, embossing, grinding and / or turning, can do that
Die Druckfeder kann von einer gut stromleitenden Metallegierung, etwa auf der
Basis Stahl oder Bronze, gebildet sein, kann aber auch aus einem mässig oder
nicht stromleitenden Material, etwa Kunststoff, bestehen. Im allgemeinen ist die
Druckfeder über mehrere als Kontaktband wirkende Stromleiterelemente
überbrückt. Diese in Fig.1 nicht bezeichneten Elemente verbinden den
Stromanschluss 2 und die Druckplatte 5 miteinander in elektrisch leitender Weise.The compression spring can be made of a highly conductive metal alloy, such as on the
Base made of steel or bronze, but can also be made from a moderate or
non-conductive material, such as plastic. In general it is
Compression spring over several current conductor elements acting as a contact band
bridged. These elements not shown in Fig.1 connect the
Der Widerstandskörper wird von einem kaltverformbaren Polymerverbundstoff aus einer polymeren Matrix und einem in die Matrix eingebetteten, pulverförmigen Füllstoff mit Varistorverhalten gebildet. Das die Matrix bildende Polymer ist im allgemeinen ein Gel oder ein Elastomer, vorzugsweise jeweils auf der Basis von Silicon, kann aber auch eine Flüssigkeit sein, wie vorzugsweise ein Öl, etwa auf der Basis Mineral- oder Siliconöl. Der Füllstoff enthält Varistorteilchen aus dotiertem Metalloxid mit überwiegend kugelförmiger Struktur, wobei die Teilchen aus kristallinen, durch Korngrenzen voneinander getrennten Körnern aufgebaut sind. Herstellung und Eigenschaften des Füllstoffs sind im genannten Stand der Technik beschrieben. Zur Verbesserung des elektrischen Kontakts zwischen den einzelnen Varistorteilchen und damit der Energieaufnahme des Überspannungsableiters kann der Füllstoff einige Gewichtsprozent Metallpulver enthalten.The resistance body is made from a cold-formable polymer composite a polymeric matrix and a powdery one embedded in the matrix Filler formed with varistor behavior. The polymer forming the matrix is in the generally a gel or an elastomer, preferably each based on Silicone, but can also be a liquid, such as preferably an oil, for example the base mineral or silicone oil. The filler contains varistor particles doped metal oxide with a predominantly spherical structure, the particles composed of crystalline grains separated by grain boundaries are. Production and properties of the filler are in the stated state of the Technology described. To improve the electrical contact between the individual varistor particles and thus the energy consumption of the Surge arrester, the filler can contain a few percent by weight of metal powder contain.
Zur Verbesserung des Kontakts zwischen dem aus Polymerverbundstoff
bestehenden Widerstandskörper 7 und den Elektroden 6, 8 können - wie in Fig.1
dargestellt ist - zusätzlich zwei elektrisch leitfähige, kaltverformbare und elastisch
reversibel komprimierbare Zwischenschichten 12, 13 vorgesehen sein. Diese
Zwischenschichten bestehen im allgemeinen aus einem elektrisch gut leitenden,
komprimierbaren Polymerverbundstoff, vorzugsweise einem mit leitfähigen Pulver,
wie etwa Nickel oder Titandiborid, und insbesondere polymeren Mikrohohlkugeln
(etwa solche, wie sie unter dem Handelsnamen Expancel vertrieben werden)
gefüllten polymeren Gel, können aber auch als elektrisch leitender Schaum oder
als anderer elektrisch leitender, komprimierbarer Körper mit Federwirkung (Vlies,
Gewebe) ausgeführt sein. Die Zwischenschichten 12, 13 verbessern nicht nur den
elektrischen Kontakt, sondern können zugleich auch Volumenänderungen des
Widerstandskörpers 7 kompensieren. Sie verhindern so äusserst wirksam ein
Überdehnen eines starr ausgeführten Gehäuses.To improve the contact between the polymer composite
existing
Ein für den erfindungsgemässen Überspannungsableiter typischer
Widerstandskörper wies folgende Rezeptur in Gewichtsteilen (GT) auf:
SYLGARD ist ein von der Firma Dow Corning unter diesem Handelsnamen vertriebenes Silikonharz. Der Füllstoff entsprach dem im Stand der Technik nach DE 198 24 104 A1 beschriebenen Füllstoff.SYLGARD is one of Dow Corning under this trade name distributed silicone resin. The filler corresponded to that in the prior art Filler described in DE 198 24 104 A1.
Der Polymerverbundstoff wurde durch Mischen der vorgenannten Ausgangskomponenten hergestellt. Hierbei wurden die Komponenten bei Raumtemperatur vermischt und dann bei einem Unterdruck von typischerweise 50 bis 100 mbar entlüftet. Alternativ wurde in einem anderen Herstellungsverfahren der Füllstoff bei einem Druck von ca. 1 mbar vorevakuiert und dann bei einem Druck von ca 100 mbar mit dem durch Mischen der beiden vorgenannten Harzkomponenten gebildeten Silicon infiltriert. Zur Erzielung eines hohen Füllgrades wurden die infiltrierten Proben in einer Zentrifuge geschleudert. Alternativ kann ein hoher Füllgrad durch Auspressen von überschüssigem Siliconharz erreicht werden. Nach einer Aushärtzeit von ca. 24 Stunden bei Raumtemperatur wurde ein kaltverformbarer, gummiartiger Polymerwerkstoff gebildet.The polymer composite was made by mixing the above Output components manufactured. Here, the components were Mixed room temperature and then at a negative pressure of typically 50 vented up to 100 mbar. Alternatively, in another manufacturing process the filler is pre-evacuated at a pressure of approx. 1 mbar and then at a Pressure of approx. 100 mbar with that by mixing the two aforementioned Resin components formed silicone infiltrates. To achieve a high Filling levels, the infiltrated samples were spun in a centrifuge. Alternatively, a high degree of filling can be achieved by squeezing out excess Silicone resin can be achieved. After a curing time of approx. 24 hours at A cold-formable, rubber-like polymer material became room temperature educated.
Bei der Ausführungsform gemäss Fig.1 wurde der Polymerverbundstoff in Form
eines wurstförmigen Ausgangskörper hergestellt und wurde hieraus als
Vorläuferelement für den Widerstandskörper 7 eine im wesentlichen kreisförmig
ausgebildete Werkstoffscheibe abgetrennt. Dieses Vorläuferelement wurde in das
bereits den Stromanschluss 3 und die Elektrode 8 enthaltende Gehäuse 1
gebracht. Danach wurden der Reihen nach die Elektrode 6, der Druckkörper 5 und
die Druckfeder 4 ins Gehäuse 1 gebracht und anschliessend der so gebildete
Stapel mit Hilfe des Stromanschlusses 2 verschraubt. Durch das Verschrauben
der beiden Stromanschlüsse 2 und 3 relativ zueinander wird die Druckfeder 4
komprimiert. Die mit Kompressionskraft beaufschlagte Druckplatte 5 presst nun die
Elektroden 6 bzw. 8 von oben bzw. von unten gegen das Vorläuferelement.
Wegen seiner guten Kaltverformbarkeit wird dieses Element schon bei einem
verhältnismässig geringem Druck von wenigen, beispielsweise 1 bis 2, bar zum
Widerstandskörper 7 verpresst. Dieser Widerstandskörper 7 weist zum einen zwei
spaltfrei an den Elektroden 6 und 8 anliegende Stirnflächen sowie eine spaltfrei an
der Innenseite des Gehäuses anliegende Mantelfläche auf. Durch das Verpressen
wird so ein spaltfrei ins Gehäuse eingesetzter nichtlinearer elektrischer
Widerstands gebildet. Durch die Pressung wird zugleich ein ausreichend hoher
und über die Stirnflächen gleichmässig verteilter Kontaktdruck zwischen den
Füllstoffteilchen und den Elektroden erreicht. Eine Metallisierung der Stirnfläche
des Widerstandskörpers 7 kann daher entfallen.In the embodiment according to FIG. 1, the polymer composite was in shape
of a sausage-shaped body and was made from it as
Precursor element for the resistance body 7 a substantially circular
trained material disc separated. This precursor element was in the
already housing 1 containing the
An zwei derart gefertigten Ausführungsformen 1 und 2 des Überspannungsableiter
nach der Erfindung mit einem zylinderförmig ausgebildeten Widerstandskörper 7
von ca. 40 mm Durchmesser und einer Höhe von ca. 15 mm wurden die
Durchbruchsfeldstärke UB [V/mm], der Nichtlinearitätskoeffizient αB und die
maximal aufgenommene Leistung P [J/cm3] ermittelt. Die ermittelten Werte sind in
der nachfolgenden Tabelle eingetragen. Bei der Ausführungsform 1 wurden
Elektroden aus Sinterbronze 7 und bei der Ausführungsform 2 Elektroden aus
sandgestrahltem Aluminium verwendet. Beim Vergleichsbeispiel 3 wurden die
Elektroden in den Polymerverbund eingegossen.The breakthrough field strength U B [V / mm], the nonlinearity coefficient α B and the. Were produced on two
Beispiel 4 bezieht sich auf eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Überspannungsableiters, bei der der Polymerverbundstoff als Paste mit ca. 85 Volumenteilen Füllstoff und ca. 15 Volumenteilen Siliconöl ausgeführt ist. Die Elektroden waren hierbei von Sinterbronze gebildet.Example 4 relates to an embodiment of the invention Surge arrester, in which the polymer composite as a paste with approx. 85 Parts by volume of filler and approx. 15 parts by volume of silicone oil. The Electrodes were made of sintered bronze.
Wie in Fig.1 dargestellt ist, können alternativ auch andere Elektroden verwendet
werden. So kann wie dargestellt, etwa die Elektrode 6 aus Nickelschaum und die
Elektrode 8 aus einer Sinterbronze bestehen und können wie ebenfalls dargestellt
beide Elektroden 6 bzw. 8 durch Kleben, Löten, Sintern oder Schweissen fest mit
der Druckplatte 5 bzw. dem Stromanschluss 3 verbunden sein. Alternativ können
beide Elektroden aus dem gleichen Material, etwa Sinterbronze bestehen, und
kann lediglich eine oder keine beider Elektroden mit dem zugeordneten elektrisch
leitfähigen Tragkörper verbunden sein.As shown in FIG. 1, other electrodes can alternatively be used
become. For example, as shown, the
Zur Bestimmung von UB und α wurden die DC-Strom-Spannungs-Kennlinien ermittelt der drei Proben ermittelt und wurde hieraus die Durchbruchsfeldstärke UB des zugeordneten Widerstandes bei einer Stromdichte von 1x10-4 [A/cm2] ermittelt. αB wurde für jeden der drei Überspannungsableiter aus der Steigung der Tangente an die doppelt logarithmisch dargestellte, zugeordnete Strom-Spannungs-Kennlinie in dem durch die Durchbruchsfeldstärke UB bestimmten Punkt entnommen.To determine U B and α, the DC current-voltage characteristic curves of the three samples were determined and from this the breakdown field strength U B of the associated resistance was determined at a current density of 1x10 -4 [A / cm 2 ]. For each of the three surge arresters, α B was taken from the slope of the tangent to the assigned, logarithmic, assigned current-voltage characteristic curve at the point determined by the breakdown field strength U B.
P wurde aus Stromimpulsversuchen ermittelt, bei denen die Widerstände in einer
Prüfvorrichtung mehreren 8/20 µs Stromimpulsen mit Stromdichteamplituden bis
zu 1 [kA/cm2] bei elektrischen Feldstärken bis zu 800 [V/mm] ausgesetzt waren.
Hieraus ist ersichtlich, dass Überspannungsableiter nach der Erfindung, obwohl
sie wesentlich einfacher und kostengünstiger gefertigt wurden, elektrische
Eigenschaften aufweisen, die mit den entsprechenden Eigenschaften eines nach
dem Stand der Technik hergestellten Überspannungsableiter weitgehend
übereinstimmen. Der gemäss Probe 4 ausgeführte Überspannungsableiter mit
einem pastösen Polymerverbundstoff kann besonders grosse Leistungen
aufnehmen. Dieser Überspannungsableiter kann überall dort angewendet werden,
wo vom Ableiter ein hohes Energieabsorptionsvermögen gefordert wird.From this it can be seen that surge arresters according to the invention, though
they were made much easier and cheaper, electrical
Have properties that match the corresponding properties of a
the surge arrester largely manufactured
to match. The surge arrester designed according to
Wie aus Fig.2 ersichtlich ist, kann bei Verwendung eines als Paste ausgeführten
Polymerverbundstoffs (flüssiges Polymer, welches hoch mit Füllstoff gefüllt ist)
oder eines schwach vernetzten, gefüllten Gels das mit Pfeilen gekennzeichnete
Vorläuferelement durch eine Öffnung 9 in ein verschliessbar ausgeführtes
Gehäuse 10 gepresst werden. Die beiden Elektroden 6 und 8 sind feststehend im
Gehäuse angeordnet. Da sie durch die Gehäusewand geführt sind, können sie
zugleich als Stromanschluss eingesetzt werden. Durch die Presskraft wird im
Gehäuseinneren der Widerstandskörper gebildet, welcher spaltlos an die
Gehäuseinnenseite, insbesondere die beiden Elektroden 6 und 8, angepresst ist.
Durch Verschliessen der Öffnung 9, beispielsweise Abquetschen eines
Gehäuseansatzes 11, kann so der Überspannungsableiter fertiggestellt werden.As can be seen from Fig. 2, when using a paste designed
Polymer composite (liquid polymer that is highly filled with filler)
or a weakly cross-linked, filled gel, the one marked with arrows
Precursor element through an
- 11
- Gehäusecasing
- 2, 32, 3
- Stromanschlüssepower connectors
- 44
- Druckfedercompression spring
- 55
- Druckkörperpressure vessels
- 6, 86, 8
- Elektrodenelectrodes
- 77
- Widerstandskörperresistance body
- 99
- Öffnungopening
- 1010
- Gehäusecasing
- 1111
- Gehäuseansatzhousing extension
- 12, 1312, 13
- Zwischenschichteninterlayers
Claims (20)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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EP02405318 | 2002-04-18 | ||
EP02405343A EP1355327B1 (en) | 2002-04-18 | 2002-04-25 | Surge voltage arrester and method to produce such a surge voltage arrester |
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EP1355327A2 true EP1355327A2 (en) | 2003-10-22 |
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