UBERSPANNUNGSABLEITER
Die Erfindung betrifft einen Uberspannungsableiter mit Varistorblöcken, vorzugsweise mit Metalloxid-Varistorblöcken, und eine Druckentlastungsanordnung für einen solchen Uberspannungsableiter. EP-A-0 233 022 offenbart einen gattungsgemäßen Uberspannungsableiter, der einen Kern mit einem Stapel Anschlußblöcke, Varistorblöcke und wahlweise Wärmesenkenblöcke/ Abstandshalterblöcke, eine den Kern umgebende Hülle und ein mit Isolierglocken versehenes Kunststoffaußengehäuse auf- weist. Die Varistorblöck'e, Anschlußblöcke und die wahlweise vorhandenen Wärmesenke/Abstandshalterblöcke stehen miteinander in Kopf-an-Kopf-Kontakt und sind fest miteinander verbunden, beispielsweise durch Verkleben.
Uberspannungsableiter werden üblicherweise in Energie- versorgungsnetzwerken vorgesehen, um diese vor einer Überspannung aufgrund eines Blitzeinschlages oder ähnlichem zu schützen.
Die Varistorblöcke sind vorzugsweise zylindrische Blöcke aus gesinterter Keramik, s.g. Metalloxid-Varistoren, insbesondere Zinkoxid-Varistoren. Der Ausdruck Varistor (variable resistor) hat sich als Fachbegriff für nichtlineare Wiederstände eingebürgert. Zinkoxid-Varistoren bestehen aus n-dotierten Zinkoxidkeramiken mit elektrisch leitenden Kristalliten oder "Körnern" und Potenzialbarrieren an den Korngrenzen. Bis zu einer bestimmten Spannung, der "Varistorspannung" U0, sind die Varistorblöcke hochohmig, weil die Potentialbarrieren den Transport der Elektronen verhindern und die Spannung praktisch ausschließlich an den Korngrenzen abfällt. Oberhalb der Spannung von ca. 3,7 Volt pro Korngrenze brechen die Potentialbarrieren unter Beteiligung von "heißen" Endelektronen und Löchern zusammen, und der
keramische Varistorblock, wird elektrisch leitend. Die Varistorspannung hängt von der Anzahl der Korngrenzen zwischen- den Elektroden ab, also von der Dicke und deir Größe der Körner. Unterhalb der Varistorspannung, bei Wechsel- spannungsbetrieb, verhält sich ein derartiger Zinkoxid- Varistorblock aufgrund der Korngrenzenkapazität wie ein Kondensator. Seine Kapazität ist um so größer, je kleiner U0 ist. Die Strom/Spannungs-Kennlinie ist extrem nicht-linear mit differentiellen Widerständen dem MΩ-Bereich leicht unterhalb der Varistorspannung und im mΩ-Bereich gleich oberhalb der Varistorspannung.
Im Fall einer Überbelastung des Uberspannungsableiters, beispielsweise durch einen Blitzeinschlag, entstehen in einem sogenannten Lichtbogenkanal innerhalb der Varistorblöcke hochionisierte Gase, die einen hohen Druck entwickeln. In
Ergebnis besteht die Gefahr, dass der gesamte Uberspannungsableiter explosionsartig zerbirst.
Um dieser Gefahr entgegenzuwirken, ist die Hülle des Uberspannungsableiters der genannten EP-A-0 233 022 aus einem glasfaserverstärktes Kunststoffmaterial, das fest auf dem
Außenumfang dieser Blöcke, aufgebracht und mit diesen vernetzt ist. Auf diese' Art bildet sich ein starres Gebilde, das hohen inneren Drücken standhält .
Die Praxis hat jedoch gezeigt, daß eine derartige starre Umhüllung den heutigen Anforderungen nicht genügt, und insbesondere bei extremen Beanspruchungen kann es weiterhin zu, einer explosionsartigen Zerstörung des Uberspannungsableiters kommen, mit der zusätzlichen Gefahr von Folgeschäden in der näheren Umgebung. In der deutschen Offenlegungsschrift DE 34 26 054 AI ist vorgeschlagen worden, zwischen den Varistorblöcken, Anschlußblöcken und den wahlweise vorhandenen Wärmesenke/Abstands- halterblöcken dünne Aluminiumscheiben vorzusehen, die als Sollbruchstellen dienen. Bei einem Kurzschluß, bricht der Kern an den Nahtstellen zwischen Varistorblöcken und diesen als Kontaktscheiben bezeichneten Aluminiumscheiben auf, das. heiße hochionisierte Gas tritt in einer Ebene senkrecht zur
Längsrichtung des Abieiters nach außen aus, durchschlägt die Hülle und das Kunststoffaußengehäuse und leitet einen Außenkurzschluß ein. Auf diese Art wird eine vollständige Zerstörung des Uberspannungsableiters durch Explosion verhindert . Um die Flexibilität des Kerns an diesen "Sollbruchstellen" beizubehalten, schlägt die DE 34 26 054 AI vor, eine "Wärmeleitschicht" zwischen der Hülle und dem Kern vorzusehen.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 27 940 AI, die auf die gleiche Anmelderin wie die vorliegende Anmeldung zurückgeht, schlägt vor, im Bereich der Aluminiumkontaikt- scheiben ein zusätzliches Klebeband um den Kern anzuordnen, mit dem das Glasfasermaterial der Hülle nicht vernetzt, so daß zumindest dort Sollbruchstellen vorhanden sind.
Die oben beschriebenen Lösungen funktionieren zufrieden- stellend bei Überspannungsableitern mit geringem Durchmesser von ca. 30 mm für kleine geforderte Kurzschlußströme von ca. 5 kA. Bei größeren Durchmessern z.B. 50 mm für höhere Kurzschlußströme von 10 kA wächst jedoch die Gefahr, daß die Überlastung des Uberspannungsableiters explosionsartig erfolgt. In der Mitte des Kerns wächst der Druck an, weil eine Druckentlastung zwischen den Varistorblöcken .infolge ihres großen Durchmessers und des Anpreßdrucks nur langsam erfolgen kann. Es besteht also die Gefahr, daß trotz der vorhandenen Sollbruchstellen, der gesamte Überspannungs- ableiter explosionsartig zerbirst.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Uberspannungsableiter des oben genannten Typs bereitzustellen, der dieses Problem vermeidet und insbesondere ein explosionsartiges Zerbersten im Überlastungsfall ausschließt. Die Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Patentansprüchen beschriebene Erfindung gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung .
Insbesondere wird die Aufgabe durch eine Druckent- lastungsanordnung für einen Uberspannungsableiter gelöst, die die Form einer flachen Scheibe mit kammför ig von einer Seite ausgehenden Schlitzen hat.
Des weiteren wird die Aufgabe durch einen Uberspannungsableiter gelöst, dessen Kern mit einem oder einer Reitie in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Abieiters verlaufender Schlitzen ausgestattet ist. Der erfindungsgemäße Uberspannungsableiter enthält : einen Kern mit einem oder mehreren Varistorblöcken; ein Außengehäuse, das den Kern umgibt; und eine Druckentlastungsanordnung, die einen Duarch- lassweg für Gas von dem Inneren des Kerns hin zum Kernumfang aufweist.
Die erfindungsgemäße Druckentlastungsanordnung für einen Uberspannungsableiter kann die Form einer Scheibe haben, die einen Durchlassweg für Gas von dem Inneren der Scheibe hin zu deren Umfang aufweist und zwischen zwei Blöcken zwischen- liegt.
Die Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Fig. 1 zeigt einen Uberspannungsableiter mit der erfindungsgemäßen Druckentlastungsanordnung.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Druckentlastungs- anordnung .
Fig. 3 zeigt eine Aufsicht auf die Druckentlastungs- anordnung . Fig. 4 zeigt eine Druckentlastungsanordnung im eingebauten
Zustand.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Uberspannungsableiter in der Ebene einer Druckentlastungs- anordnung . Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Uberspannungsableiters ist in Fig. 1 gezeigt. Der Uberspannungsableiter weist zwei Anschlußblδcke 2 an seinen gegenüberliegenden Enden auf. Zwischen diesen Anschlußblöcken 2 sind ein Stapel Varistorblöcke 1 und, wahlweise Wärmesenken/ Abstandsblöcke 3 angeordnet.
Zumindest zwischen zwei Blöcken 1, 3 ist eine Druckentlastungsanordnung 11 vorgesehen, die weiter unten
detailliert beschrieben wird. Verteilt über die Länge des Uberspannungsableiters können mehrere Druckentlastungsanordnung vorhanden sein.
An den Kontaktstellen von zwei in Kopf-an-Kopf-Kontakt stehenden Blöcken bzw. im Bereich der Druckentlastungs-
'anordnung 11 ist ein Kunststoffband 15 um den Kern gewickelt.
Der Kern mit dem Kunststoffband 15 wird in eine Hülle 5 aufgenommen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird diese "Hülle 5 gebildet, indem der Kern mit dem Kunststoffband 15 mit einem vorimprägnierten Material, etwa einer Prepreg-
Matte, umwickelt wird, das dann bei höheren Temperaturen mit dem Kern vernetzt wird. Prepreg ist ein generischer Begriff für ein glasfaserverstärktes Kunststoffmaterial . Prepregs bieten eine der präzisesten Möglichkeiten ein Verstärkungs- material mit- einer Harzmatrix zu kombinieren. Diese Technologie erlaubt es außerdem die stärksten und besten Matrixsysteme mit allen Fasertypen, die heutzutage in Polymer- Verbundbauteilen zur Anwendung kommen, zu kombinieren .
Nach dem Umwickeln des Kerns mit dem Prepreg wird das so hergestellte "Modul" in einem Ofen erwärmt, so daß das Kunststoffmaterial des. Prepregs verflüssigt und mit den Außen- flächen der Blöcke im Kern vernetzt. Das Kunststoffband 15 ist so gewählt, daß kein Vernetzen des Prepregs mit dem Kunststoffband 15 auftritt . Darüber hinaus verhindert das Kunststoffband 15, daß' während der Herstellung, beim Erwärmen verflüssigter Kunststoff des Prepregs in die Zwischenräume zwischen Varistorblöcken 1, Anschlußblöcken 2 und Wärmesenke/ Abstandshalterblöcken oder in die Druckentlastungsanordnung 11 eindringt . Das gesamte Modul wird dann in ein Außengehäuse 7 eingebracht, das daran ausgeformte Isolierglocken 9 hat, oder auf das derartige Isolierglocken 9 später angebracht werden. Dieses Außengehäuse 7 kann beispielsweise aus einem Wärmeschrumpfmaterial gebildet sein,, wie es in dem deutschen Gebrauchsmuster DE-U-75 31 935 oder der britischen Patentanmeldung GP-2073965-A gezeigt ist.
Alternativ zu diesen Wärmeschrumpfmaterialien kann das- Außengehäuse 7 auch aus' einem mechanisch entspannbaren Elastomermaterial gebildet sein, das auf die Hülle 5 hin entspannt wird. Entsprechend einer weiteren Alternative, kann das Außengehäuse 7 vor Ort angegossen oder angespritzt werden. -
Fig. 2 und 3 zeigen detailliert die Druckentlastungs- anordnung 11 dieses Uberspannungsableiters. Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, weist bei einer bevorzugten Ausführungs- form die Druckentlastungsanordnung 11 eine flache Scheibe 11' auf, beispielsweise eine 2 mm starke Aluminiumscheibe. Die Scheibe 11' hat den gleichen Durchmesser und die gleiche Außenform wie die Varistorblöcke 1, ist jedoch sehr viel dünner. In der Scheibe 11' sind kammartige Aussparungen oder Ausschnitte 13 vorgesehen, die sich zu parallel zueinander erstrecken und in eine Richtung hin offen sind. Diese Aussparungen bilden Durchlasswege, die sich vom inneren der Scheibe zu ihrem Umfang erstrecken.
Die Anzahl und Breite der kammartigen Aussparungen ist nicht erfindungsrelevant, solang sowohl eine gute elektrische
Kontaktierung der beiden Blöcke, die flächig an die Druck-- entlastungsanordnung angrenzen, als auch eine hinreichend , gute Druckabführung des im Inneren des Kerns entstehenden Gases gewährleistet ist. Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch den Kern mit Kunststoffband 15 und Hülle 5 eines erfindungsgemäßen Uberspannungsableiters, wobei detailliert gezeigt ist, wie zwei Varistorblöcke 1, mit einer dazwischenliegenden Druckentlastungsanordnung 11 in Form einer Scheibe 11' in dem Kern enthalten sind.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt in der Ebene senkrecht zu der Darstellung aus Fig. 4 durch die Druckentlastungsanordnung 11.
Im folgenden wird kurz die Funktionsweise der Druck- entlastungsanordnung 11 beschrieben.
Im Fall einer Überbelastung des Uberspannungsableiters entwickelt sich im Inneren der Varistorblöcke 1 hoch-
ionisiertes Gas, das zu einem Druckaufbau im Inneren führt. Durch die kammartigen Aussparungen 13 der Druckentlastungsanordnung 11 schießt dieses Gas nach außen, durchschlägt das Kunststoffband 15, die Hülle 5 und das angrenzende Außen- gehäuse 7, wodurch eine Druckentlastung des Kerns bewirkt wird. Außerdem leitet dieses heiße hochionisierte Gas einen Außenkurzschluß zwischen den beiden Anschlußblöcken 2 ein. Auf diese Art wird verhindert, daß weiteres Gas im Inneren entsteht, und der Uberspannungsableiter wird davor geschützt, explosionsartige zu zerbersten. Das Kunststoffband 15 sorgt dafür, 'dass im Bereich der Druckentlastungsanordnung 11 der Kern die nötige Flexibilität hat, da das Kunststoffband 15 nicht mit der steifen Hülle 5 verklebt ist. Beispiele für derartige Kunststoffbänder sind dem Fachmann bekannt und u.a. von der Firma 3M erhältlich. Auch ein Teflonband kann verwendet werden .
Bei Überspannungsableitern mit größeren Längen, wie sie beispielsweise im Hochspännungsbereich verwendet werden, kann es sinnvoll sein, mehrere Druckentlastungsanordnungen 11 verteilt über die Länge des Uberspannungsableiters anzubringen. In diesem Fall sind die kammartigen Aussparungen 13 aller Druckentastungsanordnungen 11 annähernd parallel zueinander ausgerichtet .
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist es möglich, die Druckentlastung durch in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Abieiters verlaufende Löcher bzw. Aussparungen in den Varistorblδcken 1 selbst herbeizu ühren. Beispielsweise können in den Kreisflächen der Varistorblδcke 1 kammartige Aussparungen vorgesehen sein. Um bei dieser Anordnung allerdings zu verhindern, daß in den sich so ergebenden Gaseinschlüssen Luftdurchschlage beim regulären Betrieb des Uberspannungsableiters auftreten, ist es hilfreich, diese Lufteinschlüsse elektrisch kurz zu schließen, beispielsweise indem die Oberflächen der Aus- sparungen 13 bzw. Durchlasswege mit Aluminium beschichtet werden. •
Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform eine Hülle 5 aus einem Prepreg-Material um den gesamten Kern mit Varistor- blocken 1, Anschlussblöcken 2, Wärmesenkenblöcken/Abstandshalter-Blöcken 2 und Druckentlastungsanordnung 11 gewickelt ist, können auch andere Kunststoffhüllen 5 für den Kern verwendet werden, beispielsweise in Form von Schrumpf— Schläuchen oder auch vorgefor-mte Kunststoffröhre, in (denen der Kern aufgenommen und eingegossen ist .
Zusätzlich können aus dem Stand der Technik bekannte KontaktScheiben, beispielsweise aus Aluminium, zwischen benachbarten Blöcken des Kerns vorhanden sein.
Obwohl die Druckentlastungsanordnung 11 hier mit im Zusammenhang mit einem Uberspannungsableiter ohne eine Funkenstrecke gezeigt ist, kann sie auch bei Überspannungs- abieitern verwendet werden, die zusätzlich zu einem Stapel
Varistorblöcke 1 auch eine Funkenstrecke aufweisen. Anstelle von Zinoxid-Varistorblöcken sind auch andere nichtlineare Blöcke, beispielsweise herkömmlich Siliziumcarbid-Varistor- blöcke, möglich. Die Druckentlastungsanordnung 11 der bevorzugten
Ausführungsform ist als Aluminiumscheibe 11' mit kammartigen Aussparungen ausgeführt . Jedoch sind auch andere Formen möglich, beispielsweise sternförmige Aussparungen oder ähnliches. Wichtig ist hierbei, das eine Durchlaßweg von dem Inneren des Kerns zu dessen Umfang gebildet wird, während gleichzeitig ein guter eklektischer Kontakt der angrenzenden Blöcke gewahrt wird. Es ist auch möglich, die Durchlasswege 13 nicht zum Umfang des Kerns ganz zu öffnen, sondern einen dünnen verschließenden Rand vorzusehen, der bei Druckent- wicklung im Inneren aufbricht. In diesem Zusammenhang sei klargestellt, dass unter einem Durchlassweg für Gas von dem Inneren des Kerns hin zum Kernumfang auch ein solcher Durchlaßweg zu verstehen ist, der sich erst oberhalb eines vorgegebenen Drucks oder einer vorgegebenen Temperatur öffnet.
Der Fachmann wird erkennen, daß obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in dieser Beschreibung und im
Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen dargelegt wurde, dies nicht als Beschränkung sondern nur als Beispiel gedacht ist. Verschiedene Abwandlungen, die dem Fachmann aus, der vorangehenden Beschreibung ersichtlich sind, sollen vom Schutzumfang mit umfaßt sein. Beispielsweise kann anstelle eines Stapels Varistorblöcke 1 auch zwei parallel angeordnete Stapel in einem Außengehäuse 7 aufgenommen sein, wobei in diesem Fall kammartigen Aussparungen der Druckentlastungsanordnung 11 jeweils nach außen gerichtet sind. Außer dem Kunststoffband 15, der Hülle 5 und dem Außengehäuse 7 können weitere Schichten in dem Uberspannungsableiter vorgesehen sein, etwa in Form einer Klebstoffschicht zwischen Hülle 5 und Außengehäuse 7. Auch zur thermischen Isolation des Außengehäuses 7 gegenüber dem Kern und/oder zum Ableiten von Wärme aus dem Kern können zusätzliche Schichten eingebracht sein.
Die Druckentlastungsanordnung 11 der Erfindung kann auch im Zusammenhang mit Überspannungsableitern mit einem Porzellangehäuse verwendet werden, wobei in diesem Fall zwischen dem Kern und dem Porzellan-Außengehäuse ein in Längsrichtung des Uberspannungsableiters durchgehender Luftspalt vorgesehen ist, in den das heiße . Plasma aus dem Kern austritt. Zusätzlich ist in einem solchen Fall in vorteilhafter Weise an den beiden Enden des Porzellan- keramikgehäuses eine Membran oder eine Berstscheibe vorgesehen, durch die das heiße Plasma nach außen treten kann.
Obwohl bei der gezeigten erfindungsgemäßen Ausführungs- form ein Kunststoffband 15 an den Stoßstellen aneinander- grenzender Blöcke des Kerns bzw. bei den Druckentlastungs- anordnungen vorgesehen ist, ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Alternativ kann beispielsweise der gesamte Kern mit einem solchen Klebeband umgeben sein, oder das Klebeband kann ganz weggelassen sein.
Zusätzlich kann auch die Hülle 5 und/oder das Außenge- h use 7 an den der Druckentlastungs.anordnung 11 entsprechenden Stellen mit zusätzlichen Sollbruchstellen versehen sein, beispielsweise .mit Perforationen bzw. Teilperforationen.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist das Außengehäuse 7, ohne dazwischen liegender Hülle 5, direkt auf dem Kern aufgebracht .