DE102006003576B4

DE102006003576B4 - Überspannungsableiter mit Käfig-Design

Info

Publication number: DE102006003576B4
Application number: DE102006003576A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Klaube
Original assignee: Tridelta Ueberspannungsableiter GmbH
Current assignee: Tridelta Ueberspannungsableiter GmbH
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-01-26
Also published as: DE102006003576A1; US8064181B2; CN101336458B; MX2008009553A; US20090225487A1; AU2006336936A1; EP1977433B1; DE502006003917D1; HK1126311A1; KR20080080231A; ATE433190T1; AR059151A1; AU2006336936B2; CN101336458A; JP4865815B2; JP2009524261A; ZA200805316B; KR100995167B1; EP1977433A1; WO2007085325A1

Abstract

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;
mindestens einem Verankerungselement (13), das das Verstärkungselement (9) in einem Durchgangsloch (11) mindestens einer der Endarmaturen (3) hält;
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verankerungselement (13) ein Keil ist, der das Verstärkungselement (9) in dessen Längsrichtung spaltet und gegen die Außenwände des Durchgangslochs (11) verspannt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit Käfig-Design, wie er beispielsweise aus der JP 63-312602 A bekannt ist. 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 aus Varistorblöcken, 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 durch 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.
In 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 indem 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.
Obwohl auf diese Art ein Überspannungsableiter effektiv ausgebildet werden kann, besteht das Problem darin, Gewinde in die als Verstärkungselemente dienenden GFK-Stäbe zu schneiden, ohne diese zu beschädigen. Dies ist sehr aufwendig und teuer.
Aus dem europäischen Patent EP 0 646 276 B1 sind weitere Möglichkeiten bekannt, wie Verstärkungselemente an den Endarmaturen eines Überspannungsableiters verankert werden können. Insbesondere schlägt diese Druckschrift vor, die Verstärkungselemente durch einen Stift bzw. eine Schraube festzuhalten, die sich senkrecht zur Längsrichtung der Verstärkungselemente erstreckt und durch ein Durchgangsloch durch die Stäbe geführt wird. Der Stift bzw. die Schraube werden dann in einer entsprechenden Ausnehmung bzw. einem Gewindeloch in der Armatur gehalten.
Obwohl es wesentlich einfacher ist ein Loch in der Richtung senkrecht zur Ausdehnungsrichtung der als Glasverstärkungselemente dienenden GFK-Stäbe auszubilden als ein Gewinde in diese zu schneiden, besteht bei dieser Bauweise die Gefahr, die Verstärkungselemente im Bereich des Loches derart zu schwächen, dass sie reißen.
Das genannte europäische Patent zeigt darüber hinaus auch die Möglichkeit die Verstärkungselemente mit Keilen in der Endarmatur festzulegen. Hierzu wird ein in Richtung der Stapelmitte der Varistorblöcke zulaufender Keil zwischen ein jedes Verstärkungselement und eine entsprechend geneigte Fläche der Endarmatur gebracht und beide zusammen durch einen äußeren Teil der Endarmatur unter radialem Druck zusammengehalten. Bei Zugbeanspruchung auf die Verstärkungselemente werden durch Haftreibung die Keile mitgezogen und sorgen dafür, dass die Verstärkungselemente reib- bzw. kraftschlüssig zwischen dem zugehörigen Keil und der Endarmatur gehalten werden.
Bei diesem vorgeschlagenen Überspannungsableiter sind die Verstärkungselemente vorzugsweise dünne, im Querschnitt kreissegmentförmige Streifen aus glasfaserverstärktem Kunststoffmaterial, und zwar derart, dass die Krümmung des glasfaserverstärkten Verstärkungselements dem Krümmungsradius der Varistorblöcke entspricht.
Diese Bauweise führt bei der Ausbildung des Isoliergehäuses durch Gießen oder Umspritzen zu Schwierigkeiten, da zwischen dem glasfaserverstärktem Kunststoffelement und den Varistorblöcken leicht Hohlräume verbleiben. In derartigen Hohlräumen kann es zu Teilentladungen mit der damit verbundenen Gefahr der Schädigung der Isolation bei Dauerbeanspruchung durch von der Teilentladungsstelle aus sich entwickelnden Errosionsdurchschlagskanäle und durch zusätzliche Erwärmung kommen.
Darüber hinaus sind derart geformte glasfaserverstärkte Verstärkungselemente in der Herstellung aufwendig und teuer.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Überspannungsableiter mit Käfig-Design bereitzustellen, der die oben genannten Nachteile vermeidet und für eine preiswerte Massenfertigung geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung.
Im folgenden wird die Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
1 eine Gesamtansicht eines gattungsgemäßen Überspannungsableiters mit teilweise weggeschnittenem Außengehäuse;
2 eine Aufsicht auf die Endarmatur des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters;
3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 2;
4 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 2 mit eingesetztem Keil; und
5 eine Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 2 mit eingesetztem Keil gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Der in 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 Zinkoxid-Überspannungsableiter beschränkt, und auch andere Metalloxide und auch Siliziumcarbid können beispielsweise für die Varistorblöcke 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 die Varistorblöcke 1 zur weiteren Verbesserung der Kontaktierung ebenfalls nicht gezeigte dünne Aluminiumscheiben oder auch Federelemente zu legen.
Ein durch Aufeinanderstapeln derartiger Varistorblöcke 1 und eventueller Metallblöcke gebildeter Stapel ist bei dem in 1 gezeigten Überspannungsableiter zwischen zwei Endarmaturen 3 gehalten. Die Endarmaturen 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 Überspannungs ableiter 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, oft aus Silikon, umgeben. Das Gehäuse kann durch Spritzen oder Gießen gebildet werden.
Zur Vergrößerung des Kriechwegs des Stroms sind an der Außenseite des Gehäuses 5 Schirme 7 ausgebildet.
Überspannungsableiter sind, wenn sie in der freien Umgebung verwendet werden, aufgrund der Kraftübertragung durch die mit ihnen verbundenen elektrischen Leitungen erheblichen Biegemomenten ausgesetzt. 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 Verkannten zweier benachbarter Varistorblöcke vermieden wird. Um dies zu erreichen, werden 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. Des Weiteren werden gelegentlich noch Federelemente in den Stapel der Varistorblöcke 1 eingefügt, um so auch bei Temperaturschwankungen oder ähnlichem die Kontaktierung zu sichern.
Im Folgenden werden die Verankerungselemente als Stäbe 9 bezeichnet, ohne dass hierin eine Beschränkung der Erfindung zu sehen wäre.
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.
Die Durchgangslöcher 11 weichen zumindest in einem Teilabschnitt im Querschnitt von der Kreisform ab, vorzugsweise sind sie in Tangenten-Richtung auf der den Varistorblöcken abgewandten Seite der Endarmatur geweitet.
In der gezeigten Ausführungsform sind acht Durchgangslöcher gezeigt, aber auch jede andre Anzahl ist möglich, etwa drei oder vier Durchgangslöcher 11.
3 zeigt einen Querschnitt durch eine Endarmatur 3 entlang der Linie A-A in 2.
Eine Detailansicht eines derartigen Durchgangslochs 11 ist in einer Schnittansicht entlang der Linie B-B aus 2 in 4 gezeigt.
Wie hier zu erkennen ist, weist das Durchgangsloch 11 einen ersten konischen Abschnitt 11b und einen zweiten gerade verlaufenden Abschnitt 11a auf. Die Form des geraden Abschnitts 11a ist entsprechend dem glasfaserverstärkten Stab 9 ausgebildet, um diesen passgenau zu umgeben. Vorzugweise ist das Durchgangsloch im Bereich des zweiten Abschnitts im Querschnitt kreisförmig.
Der erste Abschnitt 11b ist in einer Richtung konisch geweitet. Als Neigungswinkel der konischen Flächen ist ein Winkel von ca. 5° bevorzugt.
Wie in 4 gezeigt ist, wird ein glasfaserverstärkter Kunststoffstab 9 in der Durchgangsbohrung 11 aufgenommen, und ein Keil 13 wird in den Stab 9 hineingetrieben, um diesen zu spalten.
Auf diese Art werden entlang des Umfangs der Varistorblöcke mehrere glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe sowohl an den Endarmatur 3 an beiden Seiten des Varistorblockstapels mit den Keilen 13 befestigt.
Um das Einsetzen der Keile zu erleichtern ist es möglich, die glasfaserverstärkten Stäbe an ihren Endflächen mit einer Kerbe zu versehen, in die die Keile bei der Herstellung eingetrieben werden.
Durch die erfindungsgemäße Bauweise der Endarmaturen 3 mit ihren Durchgangslöchern 11 und dem konischen Abschnitt 11b in Zusammenwirken mit dem Keil 13 und den glasfaserverstärkten Stäben 9 wird erreicht, dass die beiden Hälften des glasfaserverstärkten Stabes 9 im Bereich, in dem dieser gespalten ist, fest gegen die schräg verlaufenden Seitenwände des konischen Abschnitts 11d angepresst werden. Unter Zugbelastung der glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe 9 zieht sich diese Keilverbindung immer weiter zu und hält den Glasfaserverstärkten Stab kraftschlüssig in dem Durchgangsloch 11 der Endarmatur 3. Versuche haben gezeigt, dass auf diese Art eine Befestigung der glasfaserverstärkten Stäbe 9 in den Endarmaturen 3 möglich ist, die einen sicheren Halt bis zur Zerreißgrenze der glasfaserverstärkten Stäbe 9 gewährleistet.
Um die Verbindung zwischen dem Keil 13 und den glasfaserverstärkten Stäben 9 zu erhöhen ist es möglich, auf den Keilflächen des Keils 13 Schneidkanten senkrecht zur Stabrichtung des glasfaserverstärkten Kunststoffstabs 9 auszubilden, die in den glasfaserverstärkten Stab 9 bei Belastung einschneiden.
Um die Keilverbindung und den gesamten Überspannungsableiter vor Feuchtigkeit zu schützen, ist es möglich, das Durchgangsloch 11 nach dem Einsetzen der Stäbe und der Keile mit Silikonmasse dicht zu verschließen.
Bei der Herstellung wird zunächst eine Endarmatur 3 mit glasfaserverstärkten Stäben 9 versehen und die Keile 13 eingesetzt. In dem so gebildeten "Käfig" werden von der offenen Seite her die Varistorblöcke 1 eingesetzt, wobei darauf zu achten ist, dass die Varistorblöcke zentrisch angeordnet sind und eine konstanten Abstand zwischen ihren Außenflächen und den glasfaserverstärkten Kunststoffstäben 9 beibehalten wird. In dem Stapel der Varistorblöcke kann eine oder mehrere Tellerfedern eingefügt werden. Ebenso können Steuerscheiben und Aluminiumblöcke die Länge des Stapels entsprechend dem geplanten Einsatz anpassen.
Nach dem Einführen der Varistorscheiben und der Tellerfeder wird die zweite Endarmatur 3 aufgebracht, wobei die glasfaserverstärkten Stäbe 9 durch die entsprechenden Durchgangslöcher 11 geführt werden. Anschließend werden, während der gesamte Stapel mit Kraft von außen zusammengepreßt wird, die Keile 13 in die Stäbe getrieben und die Schrauben 4 durch die Endarmaturen 3 zur Kontaktierung der Varistorblöcke 1 eingebracht.
Der so gebildete Käfig mit darin aufgenommenen Varistorblöcken 1 wird in eine Form gelegt und mit einem niederviskosen Silikon umgossen bzw. umspritzt, um das Außengehäuse 5 gegebenenfalls mit den Schirmen 7 zu bilden. Wie gezeigt, sind die erfindungsgemäßen glasfaserverstärkten Stäbe vorzugsweise im Querschnitt kreisförmig. Dies führt dazu, dass die Stäbe 9 relativ leicht und vollständig mit dem niederviskosen Silikon umgeben werden können, und dass das niederviskose Silikon auch in den Zwischenraum zwischen den glasfaserverstärkten Stäben 9 und der Außenfläche der Varistorblocke 1 vollständig eindringt. Im Vergleich mit dem kreissegmentförmigen Querschnitt des Stands der Technik bietet der kreisrunde Querschnitt den großen Vorteil, dass es nur einen sehr kleinen Bereich gibt, in dem der Abstand zwischen den Stäben 9 und den Varistorblöcken 1 minimal ist. Dieser kleine Bereich kann problemlos mit Hilfe der gängigen niederviskosen Silikone und bekannter Spritz- bzw. Gußtechniken gefüllt werden.
Glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe 9 mit kreisförmigem Querschnitt sind handelsüblich und preiswert in der Herstellung.
Eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform ist in 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform hat das Durchgangsloch 11 durchgehend einen ovalen Querschnitt. Die Aufteilung des Durchgangslochs 11 in einen geraden Abschnitt 11a und einen konischen Abschnitt 11b wird jedoch beibehalten. Die beiden Abschnitte 11a und 11b des Durchgangslochs dieser Ausführungsform unterscheiden sich nur in der Abmessung der längeren Achse des Ovals.
Gemäß der zweiten Ausführungsform werden in jedes Durchgangsloch 11 zwei halbkreisförmige glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe 9 eingesetzt. Zwischen zwei Stäben 9 eines Durchgangslochs bleibt über die gesamte Länge des Überspannungsableiters ein Spalt. Die Größe dieses Spaltes kann etwa 5 mm betragen, wobei auch größere oder kleinere Spaltweiten möglich sind.
Derartige glasfaserverstärkte Stäbe 9 mit halbkreisförmigem Querschnitt können durch Wahl eines geeigneten Werkzeuges bei der Herstellung der Stäbe durch Ziehen relativ einfach gebildet werden. Erfindungsgemäß sind bei dieser Ausführungsform die Stäbe 9 und der zugehörige Keil 13 so angeordnet, dass der Spalt zwischen den beiden Stäben 9 eines Durchgangslochs 11 radial in Bezug auf den Stapel der Varistorblöcke 1 verläuft.
Dies hat den Vorteil, dass beim Ausbilden des Außengehäuses das niederviskose Silikon besser und effektiver in den Zwischenraum zwischen den Stäben 9 und den Varistorblöcken 1 eindringen kann.
Wie bei der ersten Ausführungsform ist es möglich, auch bei dieser Ausführungsform den Keil 13 mit entsprechenden Schneidkanten zu versehen, um die Verbindungskraft zwischen dem Keil 13 und den glasfaserverstärkten Stäben 9 zu erhöhen.
Tests haben auch bei dieser Ausführungsform ergeben, dass die Keilverbindung der glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe 9 mit der Endarmatur 3 bis zur Zerreißgrenze der glasfaserverstärkten Stäbe 9 hält. Die Ausbildung in zwei halbkreisförmige glasfaserverstärkte Kunststoffstäbe 9 im Voraus, gegenüber den Spalten eines einzelnen Stabes 9 mit einem Keil gemäß der ersten Ausführungsform, bietet den Vorteil, dass eine Beschädigung der Stäbe 9 vermieden werden kann.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vorangehend beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere besteht keine Notwendigkeit, die glasfaserverstärkten Kunststoffstäbe 9 in beiden Endarmaturen 3 auf die gleiche Art und Weise zu befestigen. Beispielsweise können anstelle von glasfaserverstärkten Stäben 9 auch "Seile" verwendet werden, wobei diese bei einer der Endarmaturen zur Verankerung über eine Schulter geführt werden, und nur bei der gegenüberliegenden Endarmatur mit den erfindungsgemäßen Verankerungselementen befestigt werden.

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; mindestens einem Verankerungselement (13), das das Verstärkungselement (9) in einem Durchgangsloch (11) mindestens einer der Endarmaturen (3) hält; dadurch gekennzeichnet, dass das Verankerungselement (13) ein Keil ist, der das Verstärkungselement (9) in dessen Längsrichtung spaltet und gegen die Außenwände des Durchgangslochs (11) verspannt.
Überspannungsableiter mit: mindestens einem Varistorblock (1); zwei Endarmaturen (3), die auf gegenüberliegenden Seiten des Varistorblocks (1) angeordnet sind; mindestens zwei Verstärkungselementen (9), die den Varistorblock (1) und die Endarmaturen (3) zusammenhalten; mindestens einem Verankerungselement (13), das die Verstärkungselemente (9) in einem Durchgangsloch (11) mindestens einer der Endarmaturen (3) hält; dadurch gekennzeichnet, dass in dem Durchgangsloch (11) der einen Endarmatur (3) mindestens zwei Verstärkungselemente (9) aufgenommen sind, wobei das Verankerungselement (13) ein gemeinsamer Keil ist, der die Verstärkungselemente (9) in einem Durchgangsloch (11) gegeneinander und gegen die Außenwände des Durchgangslochs (11) verspannt.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Varistorblöcke aus einem Metalloxid, vorzugsweise aus ZnO gebildet sind.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Endarmaturen (3) aus einem Metall, vorzugsweise aus Aluminium gebildet sind.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überspannungsableiter ein Gehäuse (5) mit Schirmen (7) aufweist.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengehäuse (5) durch Spritzen oder Gießen mit einem niederviskosen Silikon ausgebildet wird.
Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden glasfaserverstärkten Verstärkungselementen (9) eines Durchgangslochs (11) über die gesamte Länge des Überspannungsableiters ein Spalte vorhanden ist.