EP1977434B1

EP1977434B1 - Überspannungsableiter mit käfig-design und herstellungsverfahren für diesen

Info

Publication number: EP1977434B1
Application number: EP06830827A
Authority: EP
Inventors: Hartmut Klaube
Original assignee: Tridelta Ueberspannungsableiter GmbH
Current assignee: Tridelta Ueberspannungsableiter GmbH
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2009-07-29
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: ZA200805315B; KR20080080204A; WO2007085338A1; EP1977434A1; RU2378727C1; CN101336459B; BRPI0621242A2; MX2008009191A; DE102006003579B4; KR101008134B1; AR059152A1; US20090046408A1; HK1126310A1; DE202006020436U1; CN101336459A; JP4865816B2; DE102006003579A1; DE502006004414D1; JP2009524262A; ATE438186T1

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit Käfig-Design wie er beispielsweise aus der JP 62-149511 (Anmeldenummer) bekannt ist, und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Überspannungsableiters.
Überspannungsableiter werden bei Stromversorgungssystemen zwischen stromführenden Leitungen und Masse geschaltet um im Fall einer Überspannung in der Leitung diese zur Masse abzuleiten und so andere Bauteile des Stromnetzes zu schützen. Ein derartiger Überspannungsableiter enthält einen Stapel Varistorblöcke, der zwischen zwei Anschlusselementen bzw. Endarmaturen gehalten ist. Diese Anordnung wird in einem Gehäuse aufgenommen.
Um sicherzustellen, dass auch bei mechanischen Belastungen die Varistorblöcke gut miteinander kontaktieren ist es erforderlich, den Stapel unter Druck zusammenzuhalten. Bei Überspannungsableitern mit Käfig-Design erfolgt dies über Verstärkungselemente, in der Regel Stäbe oder Seile, vorzugsweise glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe (GFK-Stäbe), die an den beiden Endarmaturen unter Zug gehalten sind.
Ein Problem bei derartigen Überspannungsableitern besteht darin, die Verstärkungselemente sicher an den Endarmaturen zu befestigen, so dass auch bei mechanischen Beanspruchungen, wie sie bei im Freien montierten Überspannungsableitern auftreten, die nötige Festigkeit erhalten wird.
Bei der genannten japanischen Patentanmeldung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass in den Endarmaturen Nuten in Stapelrichtung der Varistorblöcke vorgesehen sind, in die die Verstärkungselemente eingelegt werden und wobei das Ende der Verstärkungselemente mit einem Gewinde ausgestattet ist, auf das eine Mutter aufgeschraubt wird, die im Durchmesser größer als die Nut in der Endarmatur ist, und so das Verstärkungselement im wesentlichen durch Formschluss hält.
Gemäß einer weiteren bekannten Technik, wie sie in dem europäischen Patent EP 0646276 (Anmeldenummer 93 915 343.3 ) offenbart ist, können die glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe auch durch Stifte oder Schrauben, senkrecht zur Längsrichtung der Stäbe an den Endarmaturen gehalten werden.
Bei den beiden genannten Techniken besteht ein Problem darin, dass die vorspringenden Ecken der Muttern und Schrauben zu einer Konzentration des elektrischen Feldes und der Gefahr von Teilentladungen führt.
Die deutsche Patentanmeldung DE 199 40 939 zeigt eine weitere Möglichkeit, die Verstärkungselemente in den Endarmaturen zu halten. Hierzu wird in einer konischen Bohrung der Endarmatur eine in Richtung der Stapelmitte der Varistorblöcke konisch zulaufende Hülse mit beweglichen Seitenwänden eingesetzt, die als Klemmhülse, ähnlich einem Keil, das zugehörige Verstärkungselement unter Zug fest durch reib- bzw. kraftschlüssige Verbindung hält.
Mit dieser Technik können vorspringende Kanten von Schrauben oder Muttern vermieden werden, jedoch besteht ein Problem darin, dass durch die Durchgangslöcher in der Endarmatur, durch die die glasfaserverstärkten Stäbe laufen und in denen die Klemmhülsen eingesetzt sind, Feuchtigkeit bzw. Wasser in das Innere des Überspannungsableiters gelangt, und diesen auf Dauer schädigt.
Daher war es bei dieser Technik erforderlich, entweder die Endarmatur komplett bei der Ausbildung eines Außengehäuses mit in dieses zu integrieren, beispielsweise indem die Endarmatur mit umspritzt wurde, oder es mussten zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um die Endarmatur auf ihrer oberen Seite gegen das Eindringen von Feuchtigkeit zu schützen. Diese bekannten Techniken haben entweder den Nachteil, dass eine große Menge des relativ teuren Materials für das Außengehäuse, meistens niederviskoses Silikon, benötigt wird, um die gesamte Endarmatur zu umspritzen, oder ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich war, um die zusätzliche Abdichtung anzubringen.
Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Überspannungsableiter mit Käfig-Design bereitzustellen, der weder das Problem der Teilentladung aufgrund von vorspringenden Kanten von Schrauben oder Muttern hat, noch bei dem Probleme durch das Eindringen von Feuchtigkeit durch Durchgangslöcher der Endarmatur auftreten.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch einen Überspannungsableiter nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Überspannungsableiters nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere Vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des Überspannungsableiters unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1: eine Gesamtansicht eines Überspannungsableiters mit teilweise weggeschnittenem Außengehäuse;
Fig. 2: eine Aufsicht auf die Endarmatur des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters;
Fig. 3: eine Schnittansicht durch eine Endarmatur nach Fig. 2.

Der in Fig. 1 gezeigte Überspannungsableiter mit Käfig-Design enthält mindestens einen Varistorblock 1. Als Varistorblöcke 1 können bekannte Keramikscheiben mit einem spannungsabhängigen Widerstand (variable resistor) verwendet werden. Bei niedrigen Spannungen arbeiten sie als nahezu perfekte Isolatoren, während sie bei hoher Spannung eine gute Leitfähigkeit haben. Handelsübliche Varistorblöcke werden auf Grundlage von Zinkoxid (ZnO) hergestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Zinkoxidüberspannungsableiter beschränkt, und auch andere Metalloxide und auch Siliziumkarbid können beispielsweise für den Varistorblock verwendet werden. Außerdem können zusätzlich zu Varistorblöcken 1 noch weitere Blöcke, etwa Metallblöcke, oder Funkenstreckenblöcke, in dem Stapel enthalten sein, um so die Länge des Überspannungsableiters an die Erfordernisse des jeweiligen Einsatzes anzupassen.
Gängige Varistorblöcke 1 sind als Kreiszylinder mit einem Durchmesser von beispielsweise 5 cm und einer Höhe von etwa 4 cm ausgebildet. An beiden Seiten der Varistorblöcke 1 sind nicht detailliert gezeigte Aluminiumelektroden aufgebracht, um eine bessere Kontaktierung sicherzustellen. Auch ist es üblich, zwischen den Varistorblöcken 1 zur weiteren Verbesserung der Kontaktierung ebenfalls nicht gezeigte dünne Aluminiumscheiben oder Federelemente zu legen.
In dem Stapel der Varistorblöcke kann außerdem eine Tellerfeder oder ähnliches vorhanden sein, um im Fall von Temperaturschwankungen die Kontaktierung sicher beizubehalten.
Ein durch Aufeinanderstapeln derartiger Varistorblöcke 1 und eventueller Metallblöcke gebildeter Stapel ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Überspannungsableiter zwischen zwei Endarmaturen 3 gehalten. Die Endarmaturen 3 sind üblicherweise aus Aluminium oder Edelstahl gebildet und derart ausgestaltet, dass sie leicht in bestehende elektrische Installationen bzw. Stromversorgungsnetze eingebunden werden können, beispielsweise durch eine aus dem Überspannungsableiter herausragende zentrale Schraube 4, die elektrisch mit den Varistorblöcken 1 gut kontaktiert.
Zum Schutz gegenüber der Umwelt werden diese Überspannungsableiter mit einem äußeren Gehäuse 5 aus Silikon umgeben. Das Gehäuse wird durch Spritzen oder Gießen gebildet.
Zur Vergrößerung des Kriechweges des Stroms sind an der Außenseite des Gehäuses 5 Schirme 7 ausgebildet.
Überspannungsableiter sind erheblichen Biegemomenten ausgesetzt, wenn sie in der freien Umgebung verwendet werden. Es ist daher erforderlich, sicherzustellen, dass auch bei größeren mechanischen Beanspruchungen die Kontaktierung der Varistorblöcke 1 untereinander und zu den Endarmaturen beibehalten und ein Kantenbruch der Varistorblöcke durch ein inneres Verkannter zweier benachbarter Varistorblöcke vermieden wird. Um dies zu erreichen, werden regelmäßig glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe oder Seile 9 als Verstärkungselemente zwischen den beiden Endarmaturen 3 eingespannt. Diese halten die Varistorblöcke 1 zwischen den beiden Endarmaturen 3 unter Zugbeanspruchung zusammen.
Im folgenden werden die Verankerungselemente als Stäbe 9 bezeichnet, ohne dass hierin eine Beschränkung der Erfindung zu sehen wäre.
Fig. 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Endarmatur eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters. Die Endarmatur 3 ist im wesentlichen als kreis-zylindrischer Block ausgebildet, dessen Durchmesser größer als der der Varistorblöcke ist: In dem radialen Bereich der Endarmatur, der über die Varistorblöcke hinausragt sind entlang des Umfangs der Endarmatur in Staplerichtung verlaufende Durchgangslöcher 11 ausgebildet. In der Mitte der Endarmatur in ein weiteres Durchgangsloch 25 für die zentrale Schraube 4, vorzugweise mit einem Innengewinde, ausgebildet.
Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter sind die glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe 9 in Durchgangslöchern 11 durch die Endarmaturen 3 aufgenommen. In diesen Durchgangslöchern sind die glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe durch geeignete Mittel, etwa Keile, Keilhülsen, Klebung, Krimphülsen oder ähnliches festgehalten.
Die Endarmatur weist zusätzlich zumindest ein zweites Durchgangsloch 15 auf. Dieses Durchgangsloch 15, in dem kein Verstärkungselement aufgenommen wird, dient als Durchflussverbindung zwischen den beiden Seiten der Endarmatur während des Ausbildens des Außenghäuses durch Spritzne oder Gießen.
Außerdem ist bei der gezeigten Endarmatur die dem Stapel der Varistorblöcke abgewandte Seite der Endarmatur mit einer unlaufenden Nut oder Rille 17 versehen, in der die ersten und zweiten Durchgangslöcher 11 und 15 münden. Die Nut wird von einem vorspringenden äußeren Rand 19 und einem inneren Rand 21 begrenzt.
Um zu verhindern, dass von außen durch diese Durchgangsbohrung Feuchtigkeit in das Innere des Überspannungsableiters eindringt, ist es erforderlich Maßnahmen zu ergreifen, um die Durchgangslöcher 11 gegen Wasser zu versiegeln.
Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter wird zunächst der Käfig aus zwei Endarmaturen 3, den Varistorblöcken 1 und den glasfaserverstärkten Stäben 9, in fester Verbindung mit den Endarmaturen 3 gebildet. Dieser Käfig wird dann in ein Formwerkzeug gelegt, das an jeweiligen Schultern 23 der Endarmatur, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, dicht abschließt. Das Formwerkzeug kann so ausgebildet sein, dass gleichzeitig mit dem Außengehäuse 5 auch die Schirme 7 durch Spritzen bzw. Gießen von Silikon gebildet werden.
Niederviskoses Silikon, wie es für diese Anwendung bevorzugt ist, ist relativ teuer. Daher ist, wie es in Fig. 1 zu sehen ist, das Gehäuse im Bereich der Varistorblöcke 1 eingezogen, d.h. weist einen geringeren Querschnitt auf, als im Bereich der Überlappung mit der Endarmatur 3.
Erfindungsgemäß sind in den Endarmaturen 3 zusätzlich zu den ersten Durchgangslöchern 11, in denen die glasfaserverstärkten Stäbe 9 aufgenommen sind, noch die zweiten Durchgangslöcher 15 ausgebildet. Das der Außenseite des Überspannungsableiters zugewandte Ende dieser Löcher ist, wie ausgeführt wurde, in der Nut 17 angebracht. Vorzugsweise sind mehrere zweite Durchgangslöcher vorgesehen. Auch ist es möglich, anstelle der durchgehenden Umfangsnut 17 mehrere Teilsegmentnuten vorzusehen, die sich jeweils nur über ein Segment des Umfangs erstrecken, wobei jedes erste Durchgangsloch 11 zusammen mit zumindest einem zweiten Durchgangsloch 15 in einer der Teilsegmentnuten 17 mündet.
Bei der Herstellung des Überspannungsableiters wird eine Platte 27 mittels einer zentralen Schraube 4 in die mittlere Bohrung mit Innengewinde 23 der Endarmatur 3 gehalten. in Fig. 1 gezeigte Platte 27 schließt am Rand der Endarmatur 3 flächig mit dem Rand 19 dicht ab, wobei ein Hohlraum im Bereich der Nut 17 verbleibt. Nach Bedarf können in der Platte einzelne Entlüftungslöcher vorgesehen werden.
Beim Gießen des Außengehäuses sind üblicherweise eine oder mehrere Einlassöffnungen für das niederviskose Silikon im Bereich der Schirme 7 und korrespondierende Belüftungslöcher, ebenfalls im Bereich der Schirme 7, vorgesehen. Das Silikon dringt in die Form ein, bildet das Außengehäuse 5 mit den Schirmen 7, läuft dabei durch die Durchgangslöcher 15 und die Nuten 17 und von weiter in die Durchgangslöcher 11 mit den glasfaserverstärkten Stäben. Auf diese Art werden die Durchgangslöcher 11 mit den glasfaserverstärkten Kunststoffstäben 9 von außen hermetisch verschlossen und gegen Feuchtigkeit in einem Arbeitsgang mit der Ausbildung des Außengehäuses geschützt.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist es bevorzugt ein zweites Durchgangsloch 15 für zwei erste Durchgangslöcher 11 vorzusehen. Dies ist nicht zwingend erforderlich und es kann für jedes erste Durchgangsloch 11 ein zweite Durchgangsloch 15 vorgesehen sein, oder es kann ein einziges zweites Durchgangsloch 15 für alle ersten Durchgangslöcher 11 ausgebildet sein.
Der Innendurchmesser der zweiten Durchgangslöcher 15 ist derart zu wählen, dass das niederviskose Silikon bei dem Gießvorgang gut hindurchströmen kann.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Endarmatur entlang der Linie A-A in Fig. 2. Wie zu sehen ist, sind die zweiten Durchgangslöcher 15 im Querschnitt deutlich kleiner ausgebildet als die ersten Durchgangslöcher 11.
Obwohl die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 7 definiert.

Claims

Überspannungsableiter mit:
mindestens einem Varistorblock (1);

zwei Endarmaturen (3), die auf gegenüberliegenden Seiten des Varistorblocks (1) angeordnet sind;

mindestens einem Verstärkungselement (9), das den Varistorblock (1) und die Endarmaturen (3) zusammenhält und welches durch ein erstes Durchgangsloch (11) durch mindestens eine der Endarmaturen (3) läuft;

einem Außengehäuse (5) aus:Silikon, das durch Gießen oder Spritzen um den Varistorblock (1), das Verstärkungselement (9) und Teile der Endarmaturen (3) ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet, dass
in mindestens einer Endarmatur (3) zweite Durchgangslöcher (15) ausgebildet sind, die in einer Nut (17) auf der dem Varistorblock (1) abgewandten Seite der Endarmatur (3) münden, wobei die Nut (17) sich von einem zweiten Durchgangsloch (15) zu einem ersten Durchgangsloch (11) erstreckt, und wobei das zweite Durchgangsloch (15), die Nut (17) und das erste Durchgangsloch (11) auf der dem Varistorblock (1) abgewandten Seite der Endarmatur (3) mit Silikon versiegelt sind.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der oder die Varistorblöcke (1) aus einem Metalloxid, vorzugsweise ZnO gebildet sind.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Endarmatur (3) aus Metall, vorzugsweise Aluminium, gebildet sind.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) des Überspannungsableiters mit Schirmen (7) ausgerüstet ist.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Verstärkungselement (9) ein glasfaserverstärkter Kunststoffstab oder Seil ist, der/das unter Zugbelastung die Endarmatur (3) und den Varistorblock (1) zusammenhält.
Überspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verankerungselement.in Form eines Keils oder einer Keilhülse den glasfaserverstärkten Kunststoffstab (9) im Durchgangsloch (11) hält.
Verfahren zum Herstellen eines Überspannungsableiters nach Anspruch 1 mit den Schritten:
Befestigen von mindestens einem Verstärkungselement (9) in einem ersten Durchgangsloch (11) einer ersten Endarmatur (3);

Anordnen eines Stapels von Varistorblöcken (1) auf der Endarmatur (3) und neben dem Verstärkungselement (9);

Anbringen einer zweiten Endarmatur auf dem Stapel von Varistorblöcken und den Verstärkungselemente (9) derart, dass die Varistorblöcke (1) zwischen den beiden Endarmaturen (3) liegen;

Befestigen des Verstärkungselements (9) in einem ersten Durchgangsloch (11) der zweiten Endarmatur (3);

Umspritzen bzw. Umgießen von Teilen der beiden Endarmaturen (3), der Varistorblöcke (1) und des Verstärkungselements (9) zur Ausbildung eines Außengehäuses (5) aus Kunststoff, wobei der Kunststoff durch die zweiten Durchgangslöcher (15) und die Nut (17) in den Endarmaturen (3) fließt und die ersten Durchgangslöcher (11) auf der den Varistorblöcken (1) abgewandten Seite der Endarmaturen (3) versiegelt.