EP1603140A1 - Aktivteil für einen gekapselten Überspannungsableiter - Google Patents

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EP1603140A1
EP1603140A1 EP04405343A EP04405343A EP1603140A1 EP 1603140 A1 EP1603140 A1 EP 1603140A1 EP 04405343 A EP04405343 A EP 04405343A EP 04405343 A EP04405343 A EP 04405343A EP 1603140 A1 EP1603140 A1 EP 1603140A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
active part
field control
control element
varistor
column
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04405343A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hansjoerg Gramespacher
Bernhard Doser
Marlen Ljuslinder
Nils Weiss
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 Technology AG
Original Assignee
ABB Technology AG
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Filing date
Publication date
Application filed by ABB Technology AG filed Critical ABB Technology AG
Priority to EP04405343A priority Critical patent/EP1603140A1/de
Priority to JP2005155324A priority patent/JP4680680B2/ja
Priority to KR1020050046688A priority patent/KR101138941B1/ko
Priority to CN2005100735850A priority patent/CN1707704B/zh
Publication of EP1603140A1 publication Critical patent/EP1603140A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/02—Details
    • 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; Arresters

Definitions

  • the invention is based on an active part for an encapsulated Surge arrester according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a process for the preparation of such an active part and one of Voltage limiting in medium and high voltage networks serving encapsulated surge arrester containing the active part.
  • Such an active part is in the manufacture of the surge arrester in a Non-contact encapsulation used, which is generally made of metal consists of conductive, such as aluminum, an aluminum alloy or steel Plastic or made of insulating material, with an electrically conductive layer is covered.
  • the active part has one with high voltage and one with earth potential connectable electrode and one or more varistor columns, which are arranged between the two electrodes.
  • the varistor column generally contains several stacked ones cylindrical varistors based on doped zinc oxide. At least between two of the varistors can also heat absorption or be arranged an extension of the column serving metal body. Are two or more varistor columns provided, so can between two of the varistors also an insulating body can be provided. The varistors of the different columns can then be connected in series.
  • the encapsulation is with an insulating material, which solid, liquid or gaseous can be filled.
  • the encapsulation protects the arrester against contact reached. To keep the dimensions of the encapsulation low and around the To load individual varistors electrically evenly at the same time, takes the Encapsulation also connected to the high-voltage electrode element on which controls the operation of the arrester inside the enclosure acting electric field serves.
  • the active part To manufacture the active part, a stack of varistors and two Terminal electrodes, one of which is the high voltage electrode, under Forming a varistor column or a portion of this column containing Mounting unit braced and subsequently the field control on the Mounting unit is attached.
  • the surge arrester In the manufacture of the surge arrester are the thus created active part and the field control in the Encapsulation used,
  • This field control element homogenizes the electrical field acting inside the housing during operation of the arrester, so that the varistors arranged in the varistor column or in the varistor columns are loaded more or less uniformly.
  • the field control element can be formed by concentrically arranged to the column axis, electrically conductive capacitor pads, which are held in an insulating body (EP 0 036 046 B1), along the column axis arranged and spaced apart in the axial direction capacitor shields have (EP 0 050 723 B1) or may be formed by a shielded at high voltage potential shielding electrode having a spherically curved surface portion.
  • stress control tasks can be solved by means of stress-controlling material, in particular a polymer-based composite and a suitably-formed filler embedded in the polymer.
  • a polymer-based composite and a suitably-formed filler embedded in the polymer.
  • the filler is in this case formed by Mikrovaristoren, which consist of small, substantially spherical zinc oxide particles. These particles are doped with various metal oxides such as Sb 2 O 3 , Bi 2 O 3 , Cr 2 O 3 and Co 3 O 4 and are sintered at temperatures between 900 ° C and 1300 ° C.
  • the sintered particles Like a varistor, the sintered particles have nonlinear electric field strength dependent electrical properties. At low field strengths, the particles behave as an insulator, and as the field strength increases, the particles become more conductive. Because of these nonlinear electrical properties, the polymeric composite has good field control properties.
  • the object is based, an active part of the type mentioned for an encapsulated To provide surge arrester, which is simple and the Dimensions of encapsulation significantly reduced, and at the same time a procedure specify, with which this active part are easily and inexpensively manufactured can.
  • the field control element is on the varistor column and contains one of a polymeric matrix and one in the matrix embedded filler composite formed when loaded with a alternating electric field of up to 100Hz a dielectric constant between 5 and 45 and / or has a non-linear current-voltage characteristic. That from the Compound-fabricated field control element has opposite one usually made of metal or an electrically conductive plastic Field control on a low conductivity. Therefore, that can Field control be brought very close to the varistor column. Accordingly, the active part has a low across the varistor column Diameter and so can the dimensions of the encapsulation as well as Isolators, which are intended to hold the active part can be reduced.
  • the relatively high dielectric constant of the field control element and / or the non-linear Current-voltage characteristic also cause a homogenization of the electric field and thus prevent overloading of individual varistors Varistor.
  • a particularly high surge voltage resistance, as in Type tests of surge arresters are required, the active part after the Invention on when the field control a non-linear current-voltage characteristic having.
  • the filler is a material of high conductivity, in particular conductivity black, and / or high dielectric constant, e.g. a titanate, preferably barium titanate, contains and / or microvaristors.
  • the active part or a surge arrester containing this active part after Invention when at least a part of the filler contains microvaristors.
  • the electrical resistance is an intrinsic property of the microvaristors, and not - or only very slightly - the dispersion of the microvaristors in the Depending on the polymer matrix, this property of the microvaristors can therefore with great reproducibility can be set.
  • the good reproducibility becomes This additionally increases that a filled with micro varistors polymer in the A higher compared to an unfilled polymer or to an insulating gas Has thermal conductivity. The higher thermal conductivity causes stronger Load the varistor column a better heat transfer away from the Varistor.
  • the active part or a surge arrester according to the invention containing this active part Field control at least one with the high voltage electrode connected longitudinal portion which typically has a quarter of Total length of the varistor column is.
  • the field control element can conveniently on the extend the entire length of the varistor column.
  • Such a field control element has also manufacturing advantages, as it with one of the two electrodes the active part adjacent mold can be made very easy and Accordingly, the manufacturing cost of the active part reduced.
  • At least a portion of the field control may be on the field control
  • the lateral surface of the varistor column rest. Local field inhomogeneities in the area the varistor column are effectively prevented.
  • Such a trained Active part has manufacturing advantages, as by pouring one easily handling filler-free polymer on the varistor column or on several optionally provided varistor columns a solid cylinder is achieved on the the field control, for example, by winding or spraying the filler and polymer-containing composite are applied in a simple manner can.
  • a field control can be used which at least two by an electrically insulating layer from each other having separate field-controlling layers. These layers have an advantage different electrical properties and / or extend differently far over the length of the varistor column.
  • the thickness of the field control element transverse to the column axis is generally off manufacturing reasons over the length of the varistor column constant. to Solution of certain field control tasks, but it may be advantageous if the Thickness varies along the length of the varistor column. So it can be for example to Increasing the electrical conductivity at one end of the active column advantageous be there if there the area cross section of the field control element is higher and the Cross-sectional area decreases continuously over the length of the active part.
  • the inventive active part can reach after the onset of the Active part in the enclosure a remaining residual volume with solid, liquid and / or gaseous insulating material.
  • the surge arresters shown in Figures 1 to 5 have each one designed as an open pot cylindrically symmetric metal encapsulation 1, in which an active part 2 is arranged.
  • the active part contains a varistor column 3, an electrode 4 which can be led to high voltage, which can be led to earth potential Electrode 5 and one between the varistor column 3 and the encapsulation. 1 arranged and with the high voltage electrode 4 electrically conductive connected element 6 for controlling a in operation of the arrester inside the Encapsulation 1 effective electric field.
  • the varistor column 3 contains a plurality of stacked solid cylindrical Varistor elements 7 made of nonlinear resistance material, approximately on the basis of Metal oxide, in particular of suitably doped ZnO.
  • the varistor column 3 is mechanically stabilized by electrically insulating running loops 8, the forming a stable mounting unit with preload on the two Electrodes 4 and 5 ( Figures 1 to 3 and 5) or on any two electrodes one of which is the high voltage electrode 4 and the other the groundable electrode 5 may be (Fig.4).
  • the high voltage electrode 4 is through a through the opening of the pot guided current conductor 9 arranged with a outside of the enclosure 1 Plug contact 10 electrically connected.
  • the groundable electrode 5 is over a opening provided in the bottom of the pot with the aid of a relative to the Encapsulation 1 electrically insulated conductor 11 to an outside of the Encapsulation 1 arranged disposable power connector 12 out.
  • the field control element 6 is held directly or indirectly on the varistor column. It contains one of a polymeric matrix and one embedded in the matrix Filler formed composite that under load with an electric Alternating field of up to 100Hz a dielectric constant between 5 and 45, preferably between 8 and 30, and / or a non-linear current-voltage characteristic having.
  • the polymeric matrix is made from a solid silicone based elastomer but may also be derived from any other elastomer, e.g. an EPDM or a butyl rubber.
  • suitable for the polymeric matrix Polymers are thermoplastics, such as PE, PVC, PBT or EVA, duromers, for example based on epoxy or polyurethane, or thermoplastic elastomers.
  • the Polymeric matrix may also consist of copolymers or mixtures of various Polymer components exist.
  • Microvaristors As a material for the embedded in the polymeric matrix filler Microvaristors used. Another suitable filler is conductivity black, which is to be introduced into the polymer in such a high concentration that the Dielectric constants of the resulting composite at 50 Hz at about 10 to 30 lie. Also suitable as a filler is a ceramic with a high dielectric constant, like barium titanate.
  • the microvaristors are formed of doped and sintered zinc oxide particles. Typical compositions, particle sizes and sintering conditions are the referred to at the beginning of the prior art.
  • oxides of typically Bi, Co, Cr, Mn and Sb, and optionally other elements, such as Al, B, Fe, Ni, Si, doped ZnO granules were heated at temperatures between 900 ° C and sintered at 1300 ° C.
  • the microvaristor powder forming on sintering became sieved to a desired particle size fraction of, for example, 100 ⁇ m.
  • metallic filler fillers can be mixed into this powder fraction and are sintered to the micro varistors.
  • the sieved powder is z. B.
  • the volume fraction of the filler at Composite is typically between 20 and 45 percent.
  • the thus prepared composite was molded into the field control element 6 in FIG a conventional injection molding process on the Varistor Tarle 3 or a Section thereof or on an insulating body 14 surrounding the varistor column (Fig.3) applied. If the silicone is liquid, then the silicone filler mixture be applied by direct casting. After networking the Composite can in a second process step designed as silicone Insulating material of the body 13 are injection-molded.
  • the field control element 6 made of the composite faces usually a metal or an electrically conductive plastic produced field control on a low conductivity. Therefore it can be very can be brought close to the Varistorcicle 6 and can accordingly after installation of the active part 2 in the enclosure 1, the dimensions of the enclosure and insulators provided for holding the active part 2 are reduced become.
  • the relatively high dielectric constant of the field control element and / or the Non-linear current-voltage characteristic also cause when operating the arrester a uniformity of the electric field and prevent such a Overloading of individual varistors 7 of the varistor column 3.
  • Ceramic microvaristors will increase the thermal conductivity of the composite Field control element 6 substantially increased compared to a filler-free polymer.
  • a surge arrester having the active part according to the invention points to a surge arrester with a conventional built active part to a much higher surge voltage. Therefore Its dimensions can be reduced with comparable properties.
  • the field control element 6 is optionally using an adhesion-promoting coating on the outer surface of the High voltage electrode 4 and a lateral surface of a with the High voltage electrode connected portion of the varistor column 3 attached. Characterized in that the field control element 6 over the with high voltage potential stretches acted areas of the active part 2, the electric field in Homogenized this electrically particularly stressed areas.
  • the fact that the field control electrode is mounted on the varistor column is A space - saving design enables local field inhomogeneities in the field Area of Varistorkla 3 effectively prevented and at the same time becomes a particularly good dissipation of heat generated in the varistor column 3 to the outside causes.
  • this extends on the varistor column 3 applied field control element 6 from the high voltage electrode 4 via the entire varistor column 3 to the ground electrode 5. Therefore, is now above the entire varistor column homogenizes the electric field and so can all Varistors 7 of the varistor column are controlled with good accuracy. moreover can be equipped with such a field control active part be made very easy, as in the production of one of the two Electrodes 4 and 5 of the active part 2 fitting mold can be used.
  • the field control element 6 of the on Jacket surface of the varistor column held insulating 14 is supported.
  • Such a thing trained active part 2 has manufacturing advantages, as by Pouring an easy-to-use filler-free polymer on the Varistorcicle 3 a full cylinder is reached, on the field control element. 6 for example, by winding or spraying the composite or byshrinking a composite body holding the carrier in a simple manner can be applied.
  • the thickness of the field control element 6 transverse to the axis of the varistor column 3 is in general for manufacturing reasons over the length of the varistor column constant. To solve certain field control tasks, however, it is advantageous that the thickness of the field control element 6 varies over the length of the varistor column 3. So It may, for example, to increase the electrical conductivity of the with High voltage acted upon end (electrode 4) of the active column be advantageous if there the area cross section of the field control element 6 is higher and the Cross-sectional area continuously over a section or possibly over the entire Length of the active part 2 decreases. Such an embodiment of the active part is made 4 can be seen.
  • the varistor column 3 may consist of two assembly units 31 and 32, which each two Electrodes, an interposed stack of varistors 7 'and 7 "and loop-shaped clamping elements 8 'and 8 "respectively.
  • the two electrodes are at the mounting unit 31, the high voltage electrode 4 and a Intermediate electrode 15 and the mounting unit 32, the intermediate electrode 15 and the groundable electrode 5.
  • the intermediate electrode 15 may be separable, so that the two assembly units 31, 32 transported separately can be.
  • a field control element 6 used, which two by an electrically insulating layer 61 from each other having separate field controlling layers 62 and 63.
  • the layers 62 and 63 allow a very accurate field control and can be different have electrical properties and / or extend - as shown in the figure it can be seen - differently far over the length of the varistor column.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 6 shows that the Active part 2 not only contains a varistor column, but also two varistor columns 3 ', 3 "or optionally also three (indicated by a behind the columns 3 ', 3" arranged varistor column 3 '' ') and may contain more varistor columns.
  • the varistors 7 of both columns via power connector 16 in Series connected these columns contain in addition to the varistors 7 and two the Column front end electrodes 17 ', 17 ", 17' '' also insulating pieces 18, which arranged the electrical potentials of adjacent in the columns Varistors 7 or a varistor 7 and an electrode 17 '' 'separate.
  • the electrode 17 'with the High voltage electrode 4 electrically connected or integrated in this and over the electrically isolated by means of a feedthrough insulator 91 from the Encapsulation 1 guided conductor 9 with a high voltage source, such as a against overvoltages to be protected line electrically connected. Accordingly, the electrode 17 "with the groundable electrode 5 is electrically conductively connected or integrated into this and isolated from the enclosure 1 guided conductor 11 is placed on ground.
  • the field control element 6 consists of one of the electrodes 4, 17 'and 17' '' enclosing subfield control element 6 'and an adjoining thereto Subfield control 6 ", which has the highest electrical potential acted upon section of the varistor column 3 'encloses. As shown the two subfield control elements 6 ', 6 "consist of different ones Composites. The subfield control element 6 'may be cast by, the Subfield control 6 "applied by shrinking or winding become.
  • the field control element 6 consists of a single part, it can also be so be formed that it all Varistorklalen 3 ', 3 ", 3"' in the form of a jacket encloses together.
  • the residual volume 19 of the gas-tight enclosure 1 is filled with an insulating gas, typically SF 6 .

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Abstract

Das Aktivteil (2) weist eine Varistorsäule (3) auf sowie eine (4) an Hochspannung und eine an Erdpotential führbare Elektrode (5). Ferner enthält das Aktivteil ein mit der Hochspannungselektrode (4) verbundenes Feldsteuerelement (6), das nach Einbau des Aktivteils (2) in die Kapselung (1) des Ableiters zwischen Varistorsäule (3) und Kapselung (1) angeordnet ist und dem Steuern eines bei Betrieb des Ableiters im Inneren der Kapselung (1) wirkenden elektrischen Feldes dient. Das Feldsteuerelement (6) ist an der Varistorsäule (3) gehalten und enthält einen von einer polymeren Matrix sowie einem in die Matrix eingebetteten Füllstoff gebildeten Verbundstoff. Dieser Verbundstoff weist bei Belastung mit einem elektrischen Wechselfeld von bis zu 100Hz eine Dielektrizitätszahl zwischen 5 und 45 und/oder eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie auf.
Aufgrund seiner Struktur kann das Feldsteuerelement (6) sehr nahe an die Varistorsäule (3) herangeführt werden. Dementsprechend weist das Aktivteil (2) quer zur Varistorsäule (3) einen geringen Durchmesser auf und so können die Abmessungen der Kapselung (1) klein gehalten werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Aktivteil für einen gekapselten Überspannungsableiter nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Aktivteils sowie einen der Spannungsbegrenzung in Mittel- und Hochspannungsnetzen dienenden gekapselten Überspannungsableiter, enthaltend das Aktivteil.
Ein derartiges Aktivteil wird bei der Fertigung des Überspannungsableiters in eine berührungssichere Kapselung eingesetzt, welche im allgemeinen aus Metall besteht, wie Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder Stahl, aus leitfähigem Kunststoff oder aber aus Isoliermaterial, das mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen ist. Das Aktivteil weist eine mit Hochspannung und eine mit Erdpotential verbindbare Elektrode auf sowie eine oder mehrere Varistorsäulen, welche zwischen den beiden Elektroden angeordnet sind.
Die Varistorsäule enthält im allgemeinen mehrere übereinander gestapelte zylinderförmig ausgebildete Varistoren auf der Basis von dotiertem Zinkoxid. Zumindest zwischen zwei der Varistoren kann auch ein der Wärmeaufnahme oder einer Verlängerung der Säule dienender Metallkörper angeordnet sein. Sind zwei oder mehr Varistorsäulen vorgesehen, so kann zwischen zwei der Varistoren auch ein Isolierkörper vorgesehen werden. Die Varistoren der unterschiedlichen Säulen können dann in Serie geschaltet werden.
Die Kapselung ist mit einem Isoliermaterial, welches fest, flüssig oder gasförmig sein kann, gefüllt. Durch die Kapselung wird Berührungsschutz des Ableiters erreicht. Um die Abmessungen der Kapselung gering zu halten und um die einzelnen Varistoren zugleich elektrisch gleichmässig zu belasten, nimmt die Kapselung auch ein mit der Hochspannungselektrode verbundenes Element auf, welches dem Steuern eines bei Betrieb des Ableiters im Inneren der Kapselung wirkenden elektrischen Feldes dient.
Zur Fertigung des Aktivteils werden ein Stapel von Varistoren und zwei Anschlusselektroden, von denen die eine die Hochspannungselektrode ist, unter Bildung einer die Varistorsäule oder einen Abschnitt dieser Säule enthaltenden Montageeinheit verspannt und nachfolgend das Feldsteuerelement an der Montageeinheit befestigt wird. Bei der Fertigung des Überspannungsableiters werden das solchermassen erstellte Aktivteil und das Feldsteuerelement in die Kapselung eingesetzt,
STAND DER TECHNIK
Aktivteile der eingangs genannten Art sind in den nachfolgend aufgelisteten Patentdokumenten EP 0 036 046 B1, EP 0 050 723 B1, EP 0 630 030 B1 und US 5,585,996 A beschrieben. Diese Aktivteile sind in Überspannungsableiter eingebaut, welche jeweils eine mit Isoliergas, wie SF6, oder gegebenenfalls mit Isolieröl gefüllte Metallkapselung aufweisen, in dem je nach Höhe der zu begrenzenden Spannung eine Varistorsäule oder mehrere in Serie geschaltete Varistorsäule angeordnet sind. Um die Abmessungen der Kapselung klein zu halten, ist bei jedem dieser Überspannungsableiter zwischen Varistorsäule resp. Varistorsäulen und Kapselungswand ein die Säule resp. die Säulen ringförmig umgebendes Feldsteuerelement angeordnet. Dieses Feldsteuerelement homogenisiert das bei Betrieb des Ableiters im Gehäuseinneren wirkende elektrische Feld, so dass die in der Varistorsäule bzw. in den Varistorsäulen angeordneten Varistoren mehr oder weniger gleichmässig belastet werden. Das Feldsteuerelement kann von konzentrisch zur Säulenachse angeordneten, elektrisch leitenden Kondensatorbelägen gebildet sein, welche in einem Isolierkörper gehalten sind (EP 0 036 046 B1), kann entlang der Säulenachse angeordnete und in axialer Richtung voneinander beabstandete Kondensatorabschirmungen aufweisen (EP 0 050 723 B1) oder kann von einer auf Hochspannungspotential gehaltenen Abschirmelektrode mit einem kugelförmig gekrümmten Oberflächenabschnitt gebildet sein.
Bei einem aus EP 1 083 579 A2 vorbekannten gekapselten Überspannungsableiter kann das Feldsteuerelement entfallen, da durch geeignete Ausbildung des Gehäuses die Vergleichmässigung des elektrischen Feldes in dem auf Hochspannungspotential befindlichen Abschnitt der Varistorsäule erreicht wird.
Es ist ferner bekannt, dass Spannungssteueraufgaben mit Hilfe von spannungssteuerndem Material, insbesondere eines Verbundstoffs auf der Basis eines Polymers und eines in das Polymer eingebetteten geeignet ausgebildeten Füllstoffs, gelöst werden können. Hierzu wird auf einen Aufsatz von R. Strümpler et al. "Smart Varistor Composites" Proceedings of the 8th CIMTEC Ceramic Congress and Forum on Materials Symposium (1994) verwiesen sowie auf US 6,124,549 A und EP 1 337 022 A1. Der Füllstoff wird hierbei von Mikrovaristoren gebildet, welche aus kleinen, im wesentlichen kugelförmigen Zinkoxid-Teilchen bestehen. Diese Teilchen sind mit verschiedenen Metalloxiden, wie z.B. Sb2O3, Bi2O3, Cr2O3 und Co3O4, dotiert und werden bei Temperaturen zwischen 900 °C und 1300 °C gesintert. Die gesinterten Teilchen besitzen wie ein Varistor nichtlineare, von der elektrischen Feldstärke abhängige, elektrische Eigenschaften. Bei kleinen Feldstärken verhalten sich die Teilchen wie ein Isolator und mit zunehmender Feldstärke werden die Teilchen leitfähiger. Aufgrund dieser nichtlinearen elektrischen Eigenschaften weist der polymere Verbundwerkstoff gute Feldsteuerungseigenschaften auf.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aktivteil der eingangs genannten Art für einen gekapselten Überspannungsableiter zu schaffen, welches einfach aufgebaut ist und die Abmessungen der Kapselung wesentlich reduziert, und zugleich ein Verfahren anzugeben, mit dem dieses Aktivteil einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.
Beim erfindungsgemässen Aktivteil ist das Feldsteuerelement an der Varistorsäule gehalten und enthält einen von einer polymeren Matrix sowie einem in die Matrix eingebetteten Füllstoff gebildeten Verbundstoff, der bei Belastung mit einem elektrischen Wechselfeld von bis zu 100Hz eine Dielektrizitätszahl zwischen 5 und 45 und/oder eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist. Das aus dem Verbundstoff hergestellte Feldsteuerelement weist gegenüber einem üblicherweise aus Metall oder einem elektrisch leitenden Kunststoff hergestellten Feldsteuerelement eine geringe Leitfähigkeit auf. Daher kann das Feldsteuerelement sehr nahe an die Varistorsäule herangeführt werden. Dementsprechend weist das Aktivteil quer zur Varistorsäule einen geringen Durchmesser aus und können so die Abmessungen der Kapselung sowie von Isolatoren, die zum Halten des Aktivteils vorgesehen sind, reduziert werden. Die relativ hohe Dielektrizitätszahl des Feldsteuerelements und/oder die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie bewirken zudem eine Vergleichmässigung des elektrischen Feldes und verhindern so eine Überlastung einzelner Varistoren der Varistorsäule. Eine besonders hohe Stossspannungsfestigkeit, wie sie in Typentests von Ableiterisolierungen gefordert werden, weist das Aktivteil nach der Erfindung dann auf, wenn das Feldsteuerelement eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist.
Eine für viele Anwendungen ausreichend gute Feldsteuerung wird erreicht, wenn der Füllstoff ein Material hoher Leitfähigkeit, wie insbesondere Leitfähigkeitsruss, und/oder hoher Dielektrizitätszahl, wie z.B. ein Titanat, vorzugsweise Bariumtitanat, enthält und/oder Mikrovaristoren.
Eine hervorragende Reproduzierbarkeit seiner elektrischen Eigenschaften weisen das Aktivteil bzw. ein dieses Aktivteil enthaltender Überspannungsableiter nach der Erfindung auf, wenn zumindest ein Teil des Füllstoffs Mikrovaristoren enthält. Dies ergibt sich daraus, dass die elektrischen Eigenschaften der Mikrovaristoren, insbesondere auf der Basis von dotiertem und gesintertem Zinkoxid, in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung und den Sinterbedingungen des Füllstoffs eingestellt werden können. Dementsprechend können so auch die elektrischen Eigenschaften des das Feldsteuerelement bildenden polymeren Verbundstoffs, wie insbesondere sein feldstärkeabhängiger elektrischer Widerstand, durch Wahl geeignet beschaffener Mikrovaristoren und Wahl einer geeigneten Konzentration der Mikrovaristoren im Polymer eingestellt werden. Da der elektrische Widerstand eine intrinsische Eigenschaft der Mikrovaristoren ist, und nicht - oder nur sehr schwach - von der Dispersion der Mikrovaristoren in der Polymermatrix abhängt, kann diese Eigenschaft der Mikrovaristoren demnach mit grosser Reproduzierbarkeit eingestellt werden. Die gute Reproduzierbarkeit wird dadurch noch zusätzlich erhöht, dass ein mit Mikrovaristoren gefülltes Polymer im Vergleich zu einem ungefüllten Polymer oder zu einem Isoliergas eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die höhere Wärmeleitfähigkeit bewirkt bei starker Belastung der Varistorsäule einen besseren Wärmetransport weg von der Varistorsäule.
Zur Lösung schwieriger Feldsteueraufgaben reicht es aus, wenn beim Aktivteil bzw. einem dieses Aktivteil enthaltenden Überspannungsableiter nach der Erfindung das Feldsteuerelement sich zumindest über einen mit der Hochspannungselektrode verbundenen Längsabschnitt erstreckt, der typischerweise ein Viertel der Gesamtlänge der Varistorsäule beträgt.
Um auch die verbleibenden Abschnitte der Varistorsäule mit guter Genauigkeit steuern zu können, kann sich das Feldsteuerelement zweckmässigerweise über die gesamte Länge der Varistorsäule erstrecken. Ein solches Feldsteuerelement weist auch fertigungstechnische Vorteile auf, da es mit einer an den beiden Elektroden des Aktivteils anliegenden Gussform besonders einfach gefertigt werden kann und dementsprechend die Herstellkosten des Aktivteils verringert.
Aus Gründen der Platzersparnis und einer besonders hohen Wirksamkeit des Feldsteuerelements kann zumindest ein Abschnitt des Feldsteuerelements auf der Mantelfläche der Varistorsäule aufliegen. Lokale Feldinhomogenitäten im Bereich der Varistorsäule werden so wirkungsvoll unterbunden.
Im allgemeinen werden ausreichend gute Feldsteuereigenschaften aber auch dann erreicht, wenn das Feldsteuerelement von einem auf der Mantelfläche der Varistorsäule gehaltenen Isolierkörper getragen ist. Ein derart ausgebildetes Aktivteil weist fertigungstechnische Vorteile auf, da durch Aufgiessen eines leicht zu handhabenden füllstofffreien Polymers auf die Varistorsäule oder auf mehrere gegebenenfalls vorgesehene Varistorsäulen ein Vollzylinder erreicht wird, auf den das Feldsteuerelement beispielsweise durch Wickeln oder Aufspritzen des Füllstoff und Polymer enthaltenden Verbundstoffs in einfacher Weise aufgebracht werden kann.
Für bestimmte Feldsteuerungen kann ein Feldsteuerelement verwendet werden, welches mindestens zwei durch eine elektrisch isolierende Schicht voneinander getrennte feldsteuernde Schichten aufweist. Diese Schichten weisen mit Vorteil unterschiedliche elektrische Eigenschaften auf und/oder erstrecken sich unterschiedlich weit über die Länge der Varistorsäule.
Die Dicke des Feldsteuerelements quer zur Säulenachse ist im allgemeinen aus fertigungstechnischen Gründen über die Länge der Varistorsäule konstant. Zur Lösung bestimmter Feldsteueraufgaben kann es aber vorteilhaft sein, wenn die Dicke über die Länge der Varistorsäule variiert. So kann es zum Beispiel zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit an einem Ende des Aktivsäule vorteilhaft sein, wenn dort der Flächenquerschnitt des Feldsteuerelements höher ist und die Querschnittsfläche kontinuierlich über die Länge des Aktivteils abnimmt.
Bei dem zur Herstellung des erfindungsgemässen Aktivteils vorgesehenen Verfahren werden ein Stapel von Varistoren und zwei Anschlusselektroden unter Bildung einer die Varistorsäule oder einen Abschnitt dieser Säule enthaltenden Montageeinheit verspannt. Nachfolgend wird das Feldsteuerelement an der Montageeinheit befestigt, indem das Feldsteuerelement auf die Varistorsäule oder einen die Varistorsäule umgebenden Isolierkörper aufgetragen wird. Da das Auftragen mit Vorteil durch Giessen oder Spritzgiessen des gefüllten Polymers oder durch Schrumpfen oder Wickeln eines das gefüllte Polymer haltenden Tragkörpers erfolgt, kann das Aktivteil preiswert und in einem für eine Massenfertigung geeigneten Verfahren hergestellt werden.
Um eine hohe dielektrische Festigkeit eines das erfindungsgemässe Aktivteil enthaltenden Überspannungsableiters zu erreichen, kann nach dem Einsetzen des Aktivteils in die Kapselung ein verbleibendes Restvolumen mit festem, flüssigem und/oder gasförmigem Isoliermaterial aufgefüllt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig.1
eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch einen Überspannungsableiter mit einer zylindersymmetrischen Kapselung und mit einem in der Kapselung angeordneten Aktivteil nach der Erfindung, enthaltend ein Feldsteuerelement, welches eine Hochspannungselektrode und einen an die Hochspannungselektrode anschliessenden Abschnitt einer Varistorsäule überdeckt,
Fig.2
eine Aufsicht entsprechend Fig.1 auf einen Überspannungsableiter, bei dem das Feldsteuerelement im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig.1 die gesamte Varistorsäule und einen Teil einer auf Erdpotential befindlichen Elektrode überdeckt,
Fig.3
eine Aufsicht entsprechend Fig.1 auf einen Überspannungsableiter, bei dem das Feldsteuerelement im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen auf einem die Varistorsäule umgebenden Isolierkörper angeordnet ist,
Fig.4
eine Aufsicht entsprechend Fig.1 auf einen Überspannungsableiter, bei dem im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen die Dicke des Feldsteuerelements quer zur Achse der Varistorsäule ausgehend von der Hochspannungselektrode über die Säulenachse abnimmt,
Fig.5
eine Aufsicht entsprechend Fig.1 auf einen Überspannungsableiter, bei dem im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsformen das Feldsteuerelement zwei durch eine isolierende Schicht voneinander getrennte feldsteuernde Schichten aufweist, welche sich unterschiedlich weit über die Länge der Varistorachse erstrecken, und
Fig.6
eine Aufsicht auf einen axial geführten Schnitt durch einen Überspannungsableiter mit einer zylindersymmetrischen Kapselung, mit einem in der Kapselung angeordneten Aktivteil nach der Erfindung mit zweialternativ mit drei Varistorsäulen - und mit einem Feldsteuerelement.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In allen Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auch auf gleichwirkende Teile. Die in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Überspannungsableiter weisen jeweils eine als geöffneter Topf ausgeführte zylindersymmetrische Metallkapselung 1 auf, in der ein Aktivteil 2 angeordnet ist. Das Aktivteil enthält eine Varistorsäule 3, eine an Hochspannung führbare Elektrode 4, eine an Erdpotential führbare Elektrode 5 sowie ein zwischen der Varistorsäule 3 und der Kapselung 1 angeordnetes und mit der Hochspannungselektrode 4 elektrisch leitend verbundenes Element 6 zum Steuern eines bei Betrieb des Ableiters im Inneren der Kapselung 1 wirkenden elektrischen Feldes.
Die Varistorsäule 3 enthält mehrere übereinandergestapelte vollzylindrische Varistorelemente 7 aus nichtlinearem Widerstandsmaterial, etwa auf der Basis von Metalloxid, wie insbesondere von geeignet dotiertem ZnO. Die Varistorsäule 3 ist mechanisch stabilisiert durch elektrisch isolierend ausgeführte Schlaufen 8, die unter Bildung einer stabilen Montageeinheit mit Vorspannung auf den beiden Elektroden 4 und 5 (Figuren 1 bis 3 und 5) oder auf zwei beliebigen Elektroden abgestützt sind, von denen die eine die Hochspannungselektrode 4 und die andere die erdbare Elektrode 5 sein kann (Fig.4).
Die Hochspannungselektrode 4 ist über einen durch die Öffnung des Topfs geführten Stromleiter 9 mit einem ausserhalb der Kapselung 1 angeordneten Steckkontakt 10 elektrisch leitend verbunden. Die erdbare Elektrode 5 ist über eine im Boden des Topfs vorgesehene Öffnung mit Hilfe eines gegenüber der Kapselung 1 elektrisch isolierten Stromleiters 11 an einen ausserhalb der Kapselung 1 angeordneten erdbaren Stromanschluss 12 geführt. Ein Isolierkörper 13, etwa auf der Basis eines Silikon, isoliert den durchgeführten Leiter 9 und das Aktivteil 2 gegenüber der Kapselung 1.
Das Feldsteuerelement 6 ist direkt oder indirekt an der Varistorsäule gehalten. Es enthält einen von einer polymeren Matrix sowie einem in die Matrix eingebetteten Füllstoff gebildeten Verbundstoff, der bei Belastung mit einem elektrischen Wechselfeld von bis zu 100Hz eine Dielektrizitätszahl zwischen 5 und 45, vorzugsweise zwischen 8 und 30, und/oder eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist.
Die polymere Matrix wird von einem Elastomer auf der Basis eines festen Silikons gebildet, kann aber auch von irgendeinem anderen Elastomer, z.B. einem EPDM oder einem Butylkautschuk gebildet sein. Andere für die polymere Matrix geeignete Polymere sind Thermoplaste, wie etwa PE, PVC, PBT oder EVA, Duromere, etwa auf der Basis Epoxid oder Polyurethan, oder thermoplastische Elastomere. Die polymere Matrix kann auch aus Copolymeren oder Mischungen verschiedener Polymerkomponenten bestehen.
Als Material für den in die polymere Matrix eingebetteten Füllstoff werden Mikrovaristoren verwendet. Ein weiterer geeigneter Füllstoff ist Leitfähigkeitsruss, der in so hoher Konzentration ins Polymer einzubringen ist, dass die Dielektrizitätszahlen des resultierenden Verbundstoffs bei 50 Hz bei ca. 10 bis 30 liegen. Gut geeignet als Füllstoff ist auch eine Keramik mit hoher Dielektrizitätszahl, wie etwa Bariumtitanat.
Die Mikrovaristoren sind von dotierten und gesinterten Zinkoxidteilchen gebildet. Typische Zusammensetzungen, Teilchengrössen und Sinterbedingungen sind dem eingangs genannten Stand der Technik entnehmbar. Ein mit Oxiden von typischerweise Bi, Co, Cr, Mn und Sb und wahlweise weiteren Elementen, wie etwa Al, B, Fe, Ni, Si, dotiertes ZnO-Granulat wurde bei Temperaturen zwischen 900 °C und 1300 °C gesintert. Das sich beim Sintern bildende Mikrovaristor-Pulver wurde auf eine gewünschte Teilchengrössenfraktion von beispielsweise 100 µm gesiebt. Wahlweise können in diese Pulverfraktion metallische Zusatzfüllstoffe eingemischt und an die Mikrovaristoren angesintert werden. Das gesiebte Pulver wird z. B. auf einem Walzwerk in die polymere Matrix (z. B. in ein HTV Silikon) eingearbeitet. Je nach Elastomertyp können hier weitere Additive (wie z. B. Vernetzungshilfsmittel, Stabilisatoren) zugegeben werden. Der Volumenanteil des Füllstoffs am Verbundstoff beträgt typischerweise zwischen 20 und 45 Prozent.
Der so hergestellte Verbundstoff wurde unter Bildung des Feldsteuerelements 6 in einem konventionellen Spritzgussverfahren auf die Varistorsäule 3 oder einen Abschnitt davon oder auf einen die Varistorsäule umgebenden Isolierkörper 14 (Fig.3) aufgebracht. Ist das Silikon flüssig, so kann die Silikon-Füllstoff-Mischung durch direktes Vergiessen aufgebracht werden. Nach dem Vernetzen des Verbundstoffs kann in einem zweiten Prozessschritt das als Silikon ausgebildete Isoliermaterial des Körpers 13 spritzvergossen werden.
Das aus dem Verbundstoff hergestellte Feldsteuerelement 6 weist gegenüber einem üblicherweise aus Metall oder einem elektrisch leitenden Kunststoff hergestellten Feldsteuerelement eine geringe Leitfähigkeit auf. Daher kann es sehr nahe an die Varistorsäule 6 herangeführt werden und können dementsprechend nach Einbau des Aktivteils 2 in die Kapselung 1 die Abmessungen der Kapselung sowie von Isolatoren, die zum Halten des Aktivteils 2 vorgesehen sind, reduziert werden. Die relativ hohe Dielektrizitätszahl des Feldsteuerelements und/oder die nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie bewirken bei Betrieb des Ableiters zudem eine Vergleichmässigung des elektrischen Feldes und verhindern so eine Überlastung einzelner Varistoren 7 der Varistorsäule 3. Durch die Verwendung von keramischen Mikrovaristoren wird die Wärmeleitfähigkeit des Verbundstoffs des Feldsteuerelements 6 gegenüber einem füllstofffreien Polymer wesentlich erhöht. Es wird daher vermehrt Wärme von der Varistorsäule 2 nach aussen abgeführt. Dementsprechend können die einzelnen Varistoren thermisch stärker belastet werden. Ein das erfindungsgemässe Aktivteil aufweisender Überspannungsableiter weist gegenüber einem Überspannungsableiter mit einem konventionell aufgebauten Aktivteil eine wesentlich höhere Stossspannungsfestigkeit auf. Daher können seine Abmessung bei vergleichbaren Eigenschaften verringert werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig.1 ist das Feldsteuerelement 6 gegebenenfalls unter Verwendung einer haftvermittelnden Beschichtung auf der Aussenfläche der Hochspannungselektrode 4 und einer Mantelfläche eines mit der Hochspannungselektrode verbundenen Abschnitts der Varistorsäule 3 angebracht. Dadurch, dass das Feldsteuerelement 6 sich über die mit Hochspannungspotential beaufschlagten Bereiche des Aktivteils 2 erstreckt, wird das elektrische Feld in diesen elektrisch besonders stark beanspruchten Bereichen homogenisiert. Dadurch, dass die Feldsteuerelektrode auf der Varistorsäule angebracht ist, wird eine raumsparende Bauform ermöglicht, werden lokale Feldinhomogenitäten im Bereich der Varistorsäule 3 wirkungsvoll unterbunden und wird zugleich eine besonders gute Ableitung von in der Varistorsäule 3 erzeugter Wärme nach aussen bewirkt.
Bei der Ausführungsform nach Fig.2 erstreckt sich das auf der Varistorsäule 3 aufgebrachte Feldsteuerelement 6 von der Hochspannungselektrode 4 über die gesamte Varistorsäule 3 zur erdbaren Elektrode 5. Daher wird nun über der gesamten Varistorsäule das elektrische Feld homogensiert und können so alle Varistoren 7 der Varistorsäule mit guter Genauigkeit gesteuert werden. Zudem kann ein mit einem derartigen Feldsteuerelement ausgestattetes Aktivteil besonders einfach gefertigt werden, da bei der Fertigung eine an den beiden Elektroden 4 und 5 des Aktivteils 2 anliegende Gussform verwendet werden kann.
Bei einem Überspannungsableiter mit einem gemäss Fig.2 ausgeführten Aktivteil wurde die Spannungsfestigkeit nach den IEC-Vorschriften 60099-4 und 60071-1 geprüft und verglichen mit der entsprechend geprüften Spannungsfestigkeit eines entsprechend ausgebildeten Ableiters, welcher jedoch kein Feldsteuerelement aufwies. Hierbei wurden beide Überspannungsableiter jeweils mit 15 aufeinanderfolgenden wellenförmigen 1,2/50-Hochspannungsimpulsen mit positiver und mit 15 entsprechenden Impulsen mit negativer Polarität belastet. Die Form der Impulse ist bestimmt durch eine Anstiegszeit von 1,2 µs auf das Impulsmaximum und eine Abfallszeit von 50 µs auf die Hälfte des Impulsmaximums. Hierbei zeigte es sich, dass der Ableiter mit dem erfindungsgemäss ausgebildeten Aktivteil mit einer mindestens 1,7-fach höheren Hochspannung belastet werden konnte als der Ableiter ohne Feldsteuerelement.
Bei der Ausführungsform nach Fig.3 ist das Feldsteuerelement 6 von dem auf der Mantelfläche der Varistorsäule gehaltenen Isolierkörper 14 getragen. Ein derart ausgebildetes Aktivteil 2 weist fertigungstechnische Vorteile auf, da durch Aufgiessen eines leicht zu handhabenden füllstofffreien Polymers auf die Varistorsäule 3 ein Vollzylinder erreicht wird, auf den das Feldsteuerelement 6 beispielsweise durch Wickeln oder Aufspritzen des Verbundstoffs oder durch Aufschrumpfen eines den Verbundstoffs haltenden Tragkörpers in einfacher Weise aufgebracht werden kann.
Die Dicke des Feldsteuerelements 6 quer zur Achse der Varistorsäule 3 ist im allgemeinen aus fertigungstechnischen Gründen über die Länge der Varistorsäule konstant. Zur Lösung bestimmter Feldsteueraufgaben ist es jedoch vorteilhaft, dass die Dicke des Feldsteuerelements 6 über die Länge der Varistorsäule 3 variiert. So kann es zum Beispiel zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit an dem mit Hochspannung beaufschlagten Ende (Elektrode 4) der Aktivsäule vorteilhaft sein, wenn dort der Flächenquerschnitt des Feldsteuerelements 6 höher ist und die Querschnittsfläche kontinuierlich über einen Abschnitt oder ggfs. über die gesamte Länge des Aktivteils 2 abnimmt. Eine solche Ausführungsform des Aktivteils ist aus Fig.4 ersichtlich. Aus dieser Figur ist auch zu erkennen, dass die Varistorsäule 3 aus zwei Montageinheiten 31 und 32 bestehen kann, welche jeweils zwei Elektroden, einen dazwischen angeordneten Stapel von Varistoren 7' bzw. 7" und schlaufenförmige Spannelemente 8' bzw. 8"aufweisen. Die beiden Elektroden sind bei der Montageeinheit 31 die Hochspannungselektrode 4 und eine Zwischenelektrode 15 und bei der Montageeinheit 32 die Zwischenelektrode 15 und die erdbare Elektrode 5. Die Zwischenelektrode 15 kann trennbar ausgebildet sein, so dass die beiden Montageeinheiten 31, 32 voneinander getrennt transportiert werden können. Bei sehr lang erstreckten Varistorsäulen 3 sind Montageeinheiten vorgesehen, die als Elektroden lediglich Zwischenelektroden aufweisen.
Bei der in Fig.5 dargestellten Ausführungsform ist ein Feldsteuerelement 6 eingesetzt, welches zwei durch eine elektrisch isolierende Schicht 61 voneinander getrennte feldsteuernde Schichten 62 und 63 aufweist. Die Schichten 62 und 63 ermöglichen eine besonders genaue Feldsteuerung und können unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen und/oder erstrecken sich - wie aus der Figur ersichtlich ist - unterschiedlich weit über die Länge der Varistorsäule 3.
Dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig.6 kann entnommen werden, dass das Aktivteil 2 nicht nur eine Varistorsäule enthält, sondern auch zwei Varistorsäulen 3', 3" oder gegebenenfalls auch drei (angedeutet durch eine hinter den Säulen 3', 3" angeordnete Varistorsäule 3''') und mehr Varistorsäulen enthalten kann. Da bei dieser Ausführungsform die Varistoren 7 beider Säulen über Stromverbinder 16 in Serie geschaltet sind, enthalten diese Säulen neben den Varistoren 7 und zwei die Säulen stirnseitig abschliessenden Elektroden 17', 17", 17''' auch Isolierstücke 18, welche die elektrischen Potentiale von in den Säulen benachbart angeordneten Varistoren 7 bzw. eines Varistors 7 und einer Elektrode 17''' trennen. Ersichtlich ist von den vorgenannten Elektroden die Elektrode 17' mit der Hochspannungselektrode 4 elektrisch leitend verbunden oder in diese integriert und über den mit Hilfe eines Durchführungsisolators 91 elektrisch isoliert aus der Kapselung 1 geführten Stromleiters 9 mit einer Hochspannungsquelle, etwa einer vor Überspannungen zu schützenden Leitung, elektrisch leitend verbunden. Entsprechend ist auch die Elektrode 17" mit der erdbaren Elektrode 5 elektrisch leitend verbunden oder in diese integriert und über den isoliert aus der Kapselung 1 geführten Stromleiter 11 an Erde gelegt.
Das Feldsteuerelement 6 besteht hierbei aus einem die Elektroden 4, 17' und 17''' umschliessenden Teilfeldsteuerelement 6' und einem daran anschliessenden Teilfeldsteuerelement 6", welches den mit dem höchsten elektrischen Potential beaufschlagten Abschnitt der Varistorsäule 3' umschliesst. Wie dargestellt bestehen die beiden Teilfeldsteuerelemente 6', 6" aus unterschiedlichen Verbundstoffen. Das Teilfeldsteuerelement 6' kann durch Giessen, das Teilfeldsteuerelement 6" durch Aufschrumpfen oder Aufwickeln aufgebracht werden.
Besteht das Feldsteuerelement 6 aus einem einzigen Teil, so kann es auch so ausgebildet sein, dass es alle Varistorsäulen 3', 3", 3"' in Form eines Mantels gemeinsam umschliesst.
Das Restvolumen 19 der gasdicht abgeschlossenen Kapselung 1 ist mit einem Isoliergas, typischerweise SF6, gefüllt.
Bezugszeichenliste
1
Kapselung
2
Aktivteil
3, 3', 3", 3'''
Varistorsäulen
4
Hochspannungselektrode
5
erdbare Elektrode
6, 6', 6"
Feldsteuerelement
7, 7', 7"
Varistoren
8, 8', 8"
Spannschlaufen
9, 11
Stromleiter
10
Steckkontakt
12
Stromanschluss
13, 14
Isolierkörper
15
Zwischenelektrode
16
Stromverbindung
17, 17', 17", 17"'
Elektroden
18
Isolierstücke
19
Restvolumen
31,32
Montagekörper
61
Isolierkörper
62, 63
feldsteuernde Schichten
91
Durchführungsisolator

Claims (14)

  1. Aktivteil (2) für einen gekapselten Überspannungsableiter mit mindestens einer Varistorsäule (3, 3', 3", 3'''), einer (4) an Hochspannung und einer an Erdpotential führbaren Elektrode (5), und mit einem nach Einbau des Aktivteils (2) in die Kapselung (1) des Ableiters zwischen Varistorsäule (3, 3', 3", 3''') und Kapselung (1) angeordneten und mit der Hochspannungselektrode (4) verbundenen Element (6, 6', 6") zum Steuern eines bei Betrieb des Ableiters im Inneren der Kapselung (1) wirkenden elektrischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsteuerelement (6, 6', 6") an der mindestens einen Varistorsäule (3, 3', 3", 3''') gehalten ist und einen von einer polymeren Matrix sowie einem in die Matrix eingebetteten Füllstoff gebildeten Verbundstoff enthält, der bei Belastung mit einem elektrischen Wechselfeld von bis zu 100Hz eine Dielektrizitätszahl zwischen 5 und 45 und/oder eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist.
  2. Aktivteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff ein Material hoher elektrischer Leitfähigkeit und/oder hoher Dielektrizitätszahl und/oder Mikrovaristoren enthält.
  3. Aktivteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Feldsteuerelement (6, 6', 6") Leitfähigkeitsruss oder ein Titanat, insbesondere Bariumtitanat, enthält, und dass zumindest ein Teil der Mikrovaristoren von dotiertem und gesintertem Zinkoxid gebildet ist.
  4. Aktivteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsteuerelement (6, 6', 6") sich zumindest über einen mit der Hochspannungselektrode (4) verbundenen Längsabschnitt der Varistorsäule (3, 3', 3", 3''') erstreckt.
  5. Aktivteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsteuerelement über die gesamte Länge der Varistorsäule erstreckt ist.
  6. Aktivteil nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des Feldsteuerelements auf der Mantelfläche der Varistorsäule aufliegt.
  7. Aktivteil nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsteuerelements von einem auf der Mantelfläche der Varistorsäule gehaltenen Isolierkörper (14) getragen ist.
  8. Aktivteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsteuerelement mindestens zwei durch eine elektrisch isolierende Schicht (61) voneinander getrennte feldsteuernde Schichten (62, 63) aufweist.
  9. Aktivteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die feldsteuernden Schichten (62, 63) unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen und/oder sich unterschiedlich weit über die Länge der Varistorsäule erstrecken.
  10. Aktivteil nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Feldsteuerelements quer zur Säulenachse über die Länge der Varistorsäule variiert.
  11. Verfahren zur Herstellung des Aktivteils (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein Stapel von Varistoren (7, 7', 7") und zwei Anschlusselektroden (4, 5, 15, 17, 17', 17", 17''') unter Bildung einer die Varistorsäule (3, 3', 3", 3''') oder einen Abschnitt dieser Säule enthaltenden Montageeinheit (31, 32) verspannt werden und nachfolgend das Feldsteuerelement (6, 6', 6") an der Montageeinheit (31, 32) befestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsteuerelement (6, 6', 6") auf die Varistorsäule (3, 3', 3", 3''') oder einen die Varistorsäule umgebenden Isolierkörper (14) aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldsteuerelement durch Giessen oder Spritzgiessen des gefüllten Polymers oder durch Schrumpfen oder Wickeln eines das gefüllte Polymer haltenden Tragkörpers aufgebracht wird.
  13. Gekapselter Überspannungsableiter mit einer das Aktivteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufnehmenden, berührungssicher ausgeführten Kapselung (1).
  14. Ableiter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Kapselung verbleibendes Restvolumen (19) zwischen Kapselung (1) und Aktivteil (2) mit festem, flüssigem und/oder gasförmigem Isoliermaterial aufgefüllt ist.
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