EP1355327B1 - Überspannungsableiter und Verfahren zur Herstellung eines solchen Überspannungsableiters - Google Patents

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EP1355327B1
EP1355327B1 EP02405343A EP02405343A EP1355327B1 EP 1355327 B1 EP1355327 B1 EP 1355327B1 EP 02405343 A EP02405343 A EP 02405343A EP 02405343 A EP02405343 A EP 02405343A EP 1355327 B1 EP1355327 B1 EP 1355327B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
surge arrester
electrodes
housing
arrester according
composite
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP02405343A
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English (en)
French (fr)
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EP1355327A8 (de
EP1355327A2 (de
EP1355327A3 (de
Inventor
Leopold Ritzer
Patrik Hitz
Felix Greuter
Petra Kluge-Weiss
Yvo Dirix
Reto Kessler
Ruzica Loitzl-Jelenic
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
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Publication date
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Publication of EP1355327A2 publication Critical patent/EP1355327A2/de
Publication of EP1355327A8 publication Critical patent/EP1355327A8/de
Publication of EP1355327A3 publication Critical patent/EP1355327A3/de
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Publication of EP1355327B1 publication Critical patent/EP1355327B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • 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
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H01C7/126—Means for protecting against excessive pressure or for disconnecting in case of failure

Definitions

  • the invention also relates to a method for producing such a surge arrester.
  • the surge arrester includes two fixedly held power terminals and a non-linear electrical resistance comprising two electrodes spaced apart in the direction of an axis and a polymer composite resistor body having a polymeric matrix and a varistor-loaded powdered filler embedded in the matrix.
  • the filler generally contains a sintered varistor granule with predominantly spherical particles of doped metal oxide. The particles are composed of crystalline grains separated by grain boundaries. Since over comparable comparable surge arresters with non-linear resistors based on a sintered ceramic eliminates additional processes, such surge can be made relatively simple and in great variety of forms.
  • a surge arrester of the aforementioned type can be described, for example, in DE 198 24 104 A1 or R. Straumpler, P.Kluge-Weiss and F.Greuter "Smart Varistor Composites", Proceedings of the 8th CIMTECH World Ceramic Congress and Forum on New Materials, Symposium VI (FIG. Florence, June 29 - July 4, 1994).
  • This surge arrester contains a non-linear electrical resistor having a resistor body made of a composite comprising a polymer matrix and a powder contained therein.
  • the powder used is a granulate which has been 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.
  • This granule has ball-shaped spherical particles with varistor behavior, which are composed of crystalline grains separated by grain boundaries. The diameters of these particles are up to 300 microns.
  • the electrical properties of the sintered granules such as the nonlinearity coefficient ⁇ B or the breakdown field strength U B [V / mm] can be adjusted over a wide range.
  • two electrodes are cast into the polymer composite during manufacture of the resistor body, or after the resistive body has been fabricated, a metal layer is applied 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.
  • the powder used is a granulate which has likewise been 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.
  • This granule has ball-shaped spherical particles with varistor behavior, which are composed of crystalline grains separated by grain boundaries. The particles have diameters of at most 125 ⁇ m and have a size distribution which follows a Gaussian distribution.
  • This material is used in cable connections and cable terminations and forms voltage-controlling layers there.
  • a surge arrester with a varistor based on doped zinc oxide microspheres first sintered and then pressed and then sintered is known from US 5,231,370 A. Since the microspheres are initially present in the form of a gel as starting material for the varistor, the production of the surge arrester is relatively complicated. In addition, it can not be ruled out that air spaces remain between the individual microspheres during sintering, which reduce the dielectric strength of the varistor and thus also of the surge arrester. It is also mentioned in the cited document that sintered microspheres are not only used as Varistors, but also can be used as a filler for electric rubber products.
  • US 5,955,936 A describes a PTC resistor made of a polymer composite containing a polymer matrix and an electrically conductive filler embedded therein. For contacting this resistor, two electrodes made of a metal foam are used, which are connected directly or via conductive layers with the composite electrically conductive.
  • the object of the invention is to provide a surge arrester of the type mentioned, which is easy to manufacture despite a good protection characteristic, and at the same time to provide a method with which in an economical way to the solution very various protection tasks required variety of surge arresters can be produced.
  • the resistor body is formed of a cold-workable polymer composite and pressed between two electrodes to form a non-linear electrical resistance. Because of the cold workability of the resistor body is on the electrodes with a constant surface pressure, so that inhomogeneities at the interface between resistor body and electrodes avoided and a low contact resistance is achieved. Surges occurring at high current amplitudes during operation of the surge arrester due to switching operations or lightning strikes can be reliably guided in the resistor because of the homogeneous and low resistance contact resistance between the electrodes and the resistor body without fear of local overheating of the nonlinear resistor leading to premature failure of the surge arrester ,
  • a particularly uniform surface pressure is achieved when the matrix is formed by a polymer based on a liquid, a gel or an elastomer and preferably contains a silicone or a mixture of silicones.
  • suitable polymers are flexible polyurethanes, epoxies, fats or oils.
  • a liquid polymer such as a silicone oil, or a weakly crosslinked polymeric gel
  • a paste-like composite is achieved.
  • the filler-containing areas of the resistor body abut the electrodes.
  • the surge arrester has a housing accommodating the resistance body.
  • the non-linear resistor is thus not only housed protected, but it is at the same time also absorbed by the housing necessary for the surface pressure force.
  • This force can be generated in a particularly effective manner by a prestressed spring or by pressing in a precursor element of the resistance body formed between the cold-deformable polymer composite material and the electrodes. Since, in this case, the resistance body is supported on the housing due to the cold deformability of the polymer composite, generally with a lateral surface arranged between the two electrodes, the dimensions of the precursor element can still deviate considerably from the definitive dimensions of the resistance body.
  • Such an executed surge arrester according to the invention can be made extremely cost-effective.
  • the housing is formed elastically deformable or shrinkable.
  • the force required to compress the resistor body can be generated by tightening or shrinking the housing.
  • the housing longitudinally stiffened in the direction of the axis and form elastically deformable in the circumferential direction.
  • the longitudinal stiffening can be achieved for example by a predominantly axially directed, steep cross-wound. Due to the longitudinal stiffeners, the dimensions of the resistance body in the axial direction are kept constant. The heat caused by Volume changes of the resistor body then affect because of its cold workability in changes in its radial dimensions. These changes are absorbed by the circumferentially elastically deformable housing.
  • the surge arrester developed in this way can thus be adapted, as it were, by "breathing" to the prevailing operating conditions.
  • the composite is made as a paste and then has a polymer with a relatively low viscosity, such as in particular oil, so the polymer does not come to the outside even with a change in volume of the resistor body or the polymer composite.
  • the volume change of the resistor body can also be compensated by an electrically conductive, cold-formable and reversibly compressible intermediate layer, which is arranged between the composite and one of the two electrodes. At the same time, the electrical contact between resistor body and electrode can be improved by this layer.
  • the housing is made of several parts, and if the necessary force for pressing the resistor body by clamping two relatively movable parts of the housing is generated.
  • a surge arrester is characterized in which at least one of the two electrodes is made porous.
  • the material of the resistance body then snuggles during pressing particularly close to the porous and therefore rough surface of the resistor body and then penetrates at the same time in the pores.
  • the size of the pores should not be at least in one direction to the axis, for example perpendicular or parallel thereto be much larger than the 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 be firmly embedded in the resistor body to form a low contact resistance. To failure of the surge arrester leading boundary layer problems are largely avoided. The boundary layer between the electrode and the resistor thus 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, then it can be easily deformed by pressing. It can be generated in a particularly simple manner, the desired pore size. By punching, embossing, grinding or other similar mechanical processing methods, the porous electrode can be given a predetermined desired geometric shapes.
  • the porous electrode consisting of such a material may possibly have a very small layer thickness of, for example, 0.1 mm. Despite the small thickness, the electrode has a high mechanical strength due to the support body holding it. Typical layer thicknesses range between 0.1 and 10 mm.
  • the connection between porous electrode and current-carrying carrier body is advantageously achieved by soldering, gluing with conductive adhesives, sintering (sintered electrodes) or ultrasonic welding.
  • the surge arrester according to the invention can be produced particularly advantageously if a cold-formable precursor element is separated from a starting body formed from the polymer composite, and if the precursor element is arranged between two electrodes to form bearing surfaces and pressed to form the nonlinear electrical resistance.
  • the precursor element will be in the form of a disk or plate.
  • the starting body is then expediently formed in the manner of a sausage or a band. It can then be produced continuously by extrusion, for example, and the precursor element can be achieved very easily by separating the disc or the plate.
  • the Surge arrester can thus not only be manufactured extremely cost-effectively, but also a constant quality of the surge arresters can be achieved within a narrow tolerance range by controlling the weight of the precursor elements. Due to the possibility of giving the resistive body different shapes during the production of the surge arrester when pressing the precursor element, the electrical properties of the surge arrester can be adapted to different protection requirements in a very simple manner.
  • the precursor element can be pressed into a closable housing containing two electrodes held in a fixed position and the housing closed after reaching a predetermined pressure value.
  • the precursor element When the polymer composite is formed as an elastomer, the precursor element can be inserted into a housing which is not necessarily closable, the precursor element can then be contacted with two electrodes and subsequently be pressed by displacing one of the two electrodes up to a predetermined pressure value. This can be made in a particularly simple manner sufficient for many applications surge arrester.
  • the surge arrester shown in Figure 1 has a designed as a hollow cylinder housing 1, in which at the top and bottom of an unnamed female thread is inserted in each case.
  • the provided at the upper end of the internal thread acts together with the external thread of a screw designed as power connector 2, while provided at the bottom of internal thread cooperates with the external thread of a likewise designed as a screw power connector 3.
  • a compression spring 4 and each designed as a circular disk, a pressure body 5, an electrode 6, a resistor body 7 and an electrode.
  • the housing 1 is formed by a mechanically and electrically high-quality insulating material.
  • a suitable insulating material is, for example, a ceramic, such as porcelain, or a polymer based on a polymer, such as a preferably fiber-reinforced duromer, in particular an epoxide, or a thermoplastic, such as an acrylate, such as PMMA.
  • the housing may be provided with creepage extending ribs or screens and may be made of an outdoor material.
  • the housing mainly handles supporting and supporting functions.
  • the power connections 2 and 3, the pressure plate 5 and the electrodes 6 and 8 are each formed by a metal with good electrical conductivity.
  • metals are typically copper, nickel, aluminum, stainless steel, as well as copper-based alloys such as bronze or brass, and / or aluminum.
  • the electrodes used are sintered bodies, in particular of bronze, brass, copper, nickel or silver, metal foam, such as fine-pored nickel foam or coarsely porous, uniaxially compacted aluminum foam, metal fleece or fabric, compressible graphite in layer or foil form, on solid supports sintered porous metal layers, such as bronze, or sandblasted metal body, such as aluminum or copper used.
  • the porous metal layers can be sintered on one or more layers and have thicknesses greater than about 0.1 mm and up to a few centimeters.
  • the electrodes 6, 8 can be given a well-defined shape, wherein in the shaping is especially important to ensure that the electrodes have rounded edges on their support surface 7 on the resistor body ,
  • the compression spring may be formed by a good conductive metal alloy, such as steel or bronze, but may also consist of a moderately or non-conductive material, such as plastic. In general, the compression spring is bridged over a plurality of acting as a contact band conductor elements. These elements not shown in FIG. 1 connect the power connection 2 and the pressure plate 5 to one another in an electrically conductive manner.
  • the resistor body is formed of a cold-workable polymer composite of a polymeric matrix and a powdered filler with varistor behavior embedded in the matrix.
  • the polymer forming the matrix is generally a gel or an elastomer, preferably each based on silicone, but may also be a liquid, such as preferably an oil, for example based on mineral or silicone oil.
  • the filler contains varistor particles of doped metal oxide of predominantly spherical structure, the particles being composed of crystalline grains separated by grain boundaries. Preparation and properties of the filler are described in the cited prior art. To improve the electrical contact between the individual varistor particles and thus the energy consumption of the surge arrester, the filler may contain a few percent by weight of metal powder.
  • two electrically conductive, cold-formed and elastically reversible compressible intermediate layers 12, 13 may be provided.
  • These intermediate layers generally consist of a highly electrically conductive, compressible polymer composite, preferably a conductive powder, such as nickel or titanium diboride, and in particular polymeric hollow microspheres (Such as those sold under the trade name Expancel) filled polymeric gel, but can also be designed as electrically conductive foam or as other electrically conductive, compressible body with spring action (fleece, fabric).
  • the intermediate layers 12, 13 not only improve the electrical contact, but can also compensate for volume changes of the resistor body 7 at the same time. They thus extremely effectively prevent overstretching of a rigidly executed housing.
  • a resistance 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 a silicone resin sold by Dow Corning under this trade name.
  • the filler corresponded to the filler described in the prior art according to DE 198 24 104 A1.
  • the polymer composite was prepared by mixing the aforementioned starting components. In this case, the components were mixed at room temperature and then vented at a reduced pressure of typically 50 to 100 mbar. Alternatively, in another manufacturing process, the filler was pre-evacuated at a pressure of about 1 mbar and then infiltrated at a pressure of about 100 mbar with the silicone formed by mixing the two aforementioned resin components. To achieve a high degree of filling, the infiltrated samples were spun in a centrifuge. Alternatively, a high degree of filling can be achieved by pressing out excess silicone resin. After a curing time of about 24 hours at room temperature, a cold-formable, rubber-like polymer material was formed.
  • the polymer composite was prepared in the form of a sausage-shaped starting body and was separated therefrom as a precursor element for the resistance body 7 a substantially circular material disc formed.
  • This precursor element was in the already the current terminal 3 and the electrode 8 containing housing. 1 brought.
  • the electrodes 6, the pressure body 5 and the compression spring 4 were brought into the housing 1 in rows and then screwed the thus formed stack using the power connector 2 in rows.
  • the compression spring 4 is compressed.
  • the pressure plate 5 applied with compressive force now presses the electrodes 6 and 8 from above or from below against the precursor element.
  • this element is compressed even at a relatively low pressure of a few, for example 1 to 2, bar to the resistance body 7.
  • this resistance body 7 has two end surfaces lying gap-free on the electrodes 6 and 8, as well as a lateral surface lying gap-free on the inside of the housing.
  • a nonlinear electrical resistance inserted without gaps into the housing is formed.
  • the breakthrough field strength U B [V / mm], the non-linearity coefficient ⁇ B, and the break-even field strength U B [V / mm] were determined on two such embodiments 1 and 2 of the surge arrester according to the invention having a cylindrically shaped resistance body 7 of approximately 40 mm diameter and a height of approximately 15 mm maximum absorbed power P [J / cm 3 ] determined.
  • the determined values are listed in the following table.
  • sintered bronze electrodes 7 and in the embodiment 2 sandblasted aluminum electrodes were used.
  • Comparative Example 3 the electrodes were poured into the polymer composite.
  • Example 4 relates to an embodiment of the surge arrester according to the invention, in which the polymer composite is designed as a paste with about 85 parts by volume filler and about 15 parts by volume silicone oil.
  • the electrodes were in this case formed of sintered bronze.
  • the electrode 6 of nickel foam and the electrode 8 consist of a sintered bronze and, as also shown both electrodes 6 and 8 by gluing, soldering, sintering or welding firmly connected to the pressure plate 5 and the power connector 3 , Alternatively you can both electrodes are made of the same material, such as sintered bronze, and only one or both electrodes can not be connected to the associated electrically conductive support body.
  • surge arresters of the invention although much simpler and cheaper to manufacture, have electrical characteristics that are broadly consistent with the corresponding characteristics of a surge arrester made in accordance with the prior art.
  • the surge arrester designed according to sample 4 with a pasty polymer composite can absorb particularly high powers. This surge arrester can be used anywhere where a high energy absorption capacity is required by the arrester.
  • the precursor element marked with arrows can be pressed through an opening 9 into a closable housing 10 become.
  • the two electrodes 6 and 8 are arranged fixed in the housing. Since they are led through the housing wall, they can at the same time be used as a power connection.
  • the resistance body is formed, which is pressed gaplessly on the inside of the housing, in particular the two electrodes 6 and 8.

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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • 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.
    • STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    • BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
    WEG ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein für den erfindungsgemässen Überspannungsableiter typischer Widerstandskörper wies folgende Rezeptur in Gewichtsteilen (GT) auf:
    SYLGARD 527 A 100 GT
    SYLGARD 527 B 100 GT
    Füllstoff 1000 GT
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    Probe UB[V/mm] αB P [J/cm3]
    1 229 41 62
    2 233 44 80
    3 220 30 77
    4 159 55 201
  • 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.
  • 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.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Gehäuse
    2, 3
    Stromanschlüsse
    4
    Druckfeder
    5
    Druckkörper
    6, 8
    Elektroden
    7
    Widerstandskörper
    9
    Öffnung
    10
    Gehäuse
    11
    Gehäuseansatz
    12, 13
    Zwischenschichten

Claims (20)

  1. Überspannungsableiter mit zwei feststehend gehaltenen Stromanschlüssen (2, 3) und mit einem nichtlinearen elektrischen Widerstand, enthaltend zwei in Richtung einer Achse voneinander beabstandete Elektroden (6, 8) und einen Widerstandskörper (7) aus einer Matrix und einem in die Matrix eingebetteten, pulverförmigen Füllstoff mit Varistorverhalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (7) von einem kaltverformbaren Verbundstoff gebildet und unter Bildung des nichtlinearen elektrischen Widerstands zwischen den beiden Elektroden (6, 8) verpresst ist.
  2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix von einem Polymer auf der Basis einer Flüssigkeit, eines Gels oder eines Elastomers, vorzugsweise auf der Basis von Silicon, gebildet ist.
  3. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Füllstoff enthaltende Flächen des Widerstandskörpers (7) an den Elektroden (6, 8) anliegen.
  4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (7) in einem Gehäuse (1,10) angeordnet ist, welches die zur Verpressung des Widerstandskörpers (7) notwendige Kraft aufnimmt.
  5. Überspannungsableiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskörper (7) mit einer zwischen den beiden Elektroden (6, 8) angeordneten Mantelfläche auf dem Gehäuse (1, 10) abgestützt ist.
  6. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft durch eine Feder (4) erzeugt ist.
  7. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 4 oder 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden feststehend im Gehäuse gehalten sind, und dass die Kraft beim Einpressen eines aus dem kaltverformbaren Verbundstoff gebildeten Vorläuferelements des Widerstandskörpers zwischen die Elektroden erzeugt ist.
  8. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1,10) elastisch verformbar oder schrumpfbar ausgebildet ist, und dass die Kraft durch Entspannen des vorgespannten Gehäuses oder durch Schrumpfen des Gehäuses erzeugt ist.
  9. Überspannungsableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1, 10) in Richtung der Achse längsversteift und in Umfangsrichtung elastisch verformbar ausgebildet ist.
  10. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mehrteilig ausgeführt ist, und dass die Kraft durch Verspannen zweier relativ zueinander bewegbarer Teile des Gehäuses erzeugt ist.
  11. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden Elektroden (6, 8) porös ausgeführt ist.
  12. Überspannungsableiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse der Poren in einer vorgegebenen Richtung zur Achse nicht grösser ist als die mittlere Grösse der Füllstoffteilchen.
  13. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (6, 8) als Metallvlies, Metallschaum oder Sinterkörper ausgeführt ist.
  14. Überspannungsableiter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Metallvlies, Metallschaum oder Sinterkörper auf einen als Stromanschluss (3) oder Druckplatte (5) ausgeführten Tragkörper des Überspannungsableiters aufgebracht sind.
  15. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verbundstoff und einer der beiden Elektroden (6, 8) eine elektrisch leitende, kaltverformbare und reversibel komprimierbare Zwischenschicht (12, 13) angeordnet ist.
  16. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundstoff in einem nach aussen abgedichteten Teil des Gehäuses (1) vorgesehen ist.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Überspannungsableiters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von einem aus einem Polymerverbundstoff gebildeten Ausgangskörper ein kaltverformbares Vorläuferelement abgetrennt wird, und dass das Vorläuferelement unter Bildung von Auflageflächen zwischen zwei Elektroden (6, 8) angeordnet und unter Bildung des nichtlinearen elektrischen Widerstands verpresst wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Polymerverbundstoffs als Gel oder Paste das Vorläuferelement in ein verschliessbares und zwei feststehend gehaltene Elektroden (6, 8) enthaltendes Gehäuse (10) gepresst wird, und dass nach Erreichen eines vorgegebenen Druckwerts das Gehäuse (10) verschlossen wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Polymerverbundstoffs als Elastomer das Vorläuferelement in ein Gehäuse (1) eingesetzt, mit zwei Elektroden (6, 8) kontaktiert und nachfolgend durch Verschieben einer (6) der beiden Elektroden (6, 8) bis zu einem vorgegebenen Druckwert verpresst wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorläuferelement in Form einer Scheibe oder Platte von einem wurst- oder bandförmig ausgebildeten Ausgangskörper abgetrennt wird.
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