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PATENTANSPRÜCH E Überspannungsableiter mit einem hohlen, mit einem ersten elektrischen Anschluss und einem zweiten elektrischen Anschluss versehenen, aus Isolierstoff bestehenden Gehäuse ( 1), mit mehreren Metalloxyd-Varistoren (3), welche in mindestens einem Varistorstapel (2) im Gehäuse (1) angeordnet sind, und mit mindestens einem sich wenigstens annähernd vom ersten elektrischen Anschluss zum zweiten elektrischen Anschluss erstreckenden Ausdehnungsraum (6), dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Varistorstapel (2) peripher von einer dichtenden, elastischen Hülle umspannt ist.
2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dichtende, elastische Hülle ein Schrumpfschlauch (4) ist.
3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 mit scheibenförmigen Varistoren (3), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ausdehnungsraum (6) durch übereinanderliegende Bohrungen (5) in einen Varistorstapel (2) bildenden Metalloxyd-Varistoren (3) gebildet ist.
4. Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Gehäuses (1) mit einem Isoliermittel (12) aufgefüllt ist.
5. Überspannungsableiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Isoliermittel (12) im wesentlichen eine Mischung aus Öl und Quarzsand ist.
6. Überspannungsableiter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Ausdehnungsraum (6) gegen den mit dem Isoliermittel ( 12) gefüllten Teil des Gehäuseinneren abgedichtet ist.
7. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden des Gehäuses (1) je ein metallener, zugleich als elektrischer Anschluss dienender Flansch (8a, 8b) angebracht ist, welcher einen von einem Ende des mindestens einen Ausdehnungsraums (6) seitlich nach aussen führenden Kanal (lOa, 10b) aufweist.
8. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Gehäuses (1) rotationssymmetrisch ausgebildet ist und einen einzigen, koaxial angeordneten Varistorstapel (2) enthält.
9. Überspannungsableiter nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Metalloxyd-Varistor (3) genau eine, durch sein Zentrum verlaufende Bohrung (5) aufweist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Überspannungsableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem aus Metalloxyd-Varistoren ein Varistorstapel (2) aufgebaut und in einem Gehäuse (1) angeordnet und anschliessend das Innere des Gehäuses mit einem Isoliermittel ( 12) wenigstens teilweise aufgefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistorstapel (2) mit Hilfe einer Führungsvorrichtung aufgebaut wird und ein Schlauch aus durch Erhitzen schrumpfbarem Material über denselben gestülpt und aufgeschrumpft wird.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Überspannungsableiter mit Metalloxyd-Varistoren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Überspannungsableiter ermöglichen dank der stark nichtlinearen Strom-Spannungskennlinie der Metalloxyd-Varistoren mit oder ohne in Serie dazu geschaltete Funkenstrecken die Ableitung von Überspannungen, wie sie z.B.
durch Blitzschlag verursacht werden können, aus elektrischen Hochspannungsnetzen.
Überspannungsableiter gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 sind aus US-PS 4 100 588 bekannt.
Nach einer ersten dort beschriebenen Ausführungsart sind die in einem Varistorstapel im Gehäuse angeordneten Metalloxyd-Varistoren mit einer isolierenden Masse vergossen.
Damit dabei der aus Sicherheitsgründen notwendige Ausdehnungsraum für das bei einem eventuellen elektrischen Überschlag sich bildende Plasma ausgespart bleibt, wird der Überspannungsableiter vor dem Erstarren der Gussmasse in eine Lage gebracht, bei der der Stapel von Metalloxyd-Varistoren horizontal liegt. Dabei besteht die Gefahr, dass sich die Metalloxyd-Varistoren gegeneinander verschieben und z.T.
gegen die Wand des Gehäuses rutschen. Um dieser Gefahr zu b#egegnen, sind Vorkehrungen nötig, welche die Montage des Überspannungsableiters komplizieren und verteuern.
Nach einer zweiten in der obengenannten Patentschrift beschriebenen Ausführungsart sind die einzelnen Metalloxyd-Varistoren mit Krägen aus elastischem Isoliermaterial umgeben und einzeln derart in des Gehäuse eingefüllt, dass ihre Krägen auf einer Seite an der Gehäusewand anliegen, während auf der gegenüberliegenden Seite jeweils ein Zwischenraum frei bleibt. Die Zwischenräume bilden einerseits den Ausdehnungsraum und nehmen andererseits elastische, der besseren Fixierung der einzelnen Metalloxyd-Varistoren dienende Bälle auf.
Da die Varistoren einzeln in das Gehäuse gelegt und ausserdem jeder Varistor durch einen in den Zwischenraum zwischen Gehäusewand und Kragen gestossenen Ball fixiert werden muss, ist die Montage des Überspannungsableiters zeitaufwendig, und durch die viele erforderliche Handarbeit teuer, zumal die Montage grosse Präzision erfordert, da die Varistoren genau übereinander liegen sollen. Letzteres ist bei derart aufgebauten Varistoren auch deshalb schwer zu erreichen, weil die gewöhnlich verwendeten Porzellangehäuse verhältnismässig grosse Toleranzen aufweisen. Zudem können durch Erschütterungen, etwa beim Transport, auch ursprünglich genau aufeinander gepasste Varistoren verschoben werden.
Eine dritte Ausführungsart zeigt einen ähnlichen Aufbau wie die zweite, aber mit zwei parallelen Stapeln von Varistoren.
Die nach einer der drei Methoden aufgebauten Überspannungsableiter weisen gleichermassen den Nachteil hoher Herstellungskosten auf. Desgleichen besteht jeweils die Gefahr gegenseitiger Verschiebungen der einzelnen Metalloxyd-Varistoren, durch welche Kanten entstehen, an denen hohe Feldstärken und als Folge derselben Glimmentladungen auftreten können, welche zu Schäden am Überspannungsableiter und unter Umständen zu dessen Versagen führen.
Weiterer einschlägiger Stand der Technik ergibt sich aus den Druckschriften US-PS 4298900 und DE-ÒS 2 907 985.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Überspannungsableiter mit Metalloxyd-Varistoren zu schaffen, der kostengünstig hergestellt werden kann und sich aufgrund einer homogenen Feldverteilung durch hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer auszeichnet.
Die Vorteile der Erfindung liegen einerseits in der Vereinfachung der Montage des Überspannungsableiters, andererseits darin, dass die jeweils einen Stapel bildenden Metalloxyd-Varistoren präzis übereinander angeordnet und in dieser Lage zuverlässig fixiert sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen entlang der Achse geführten Schnitt durch einen annähernd zylindrischen, einen einzigen Varistor stapel enthaltenden, erfindungsgemässen Uberspannungsableiter; und
Fig. 2 einen Schnitt längs ll-ll in Fig. 1.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen einen erfindungsgemässen Überspannungsableiter mit einem im wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildeten, vorzugsweise aus Porzellan bestehenden Gehäuse 1 und einem koaxial darin angeordneten Varistorstapel 2, welcher aus scheibenförmigen Metalloxyd Varistoren 3 besteht und von einem Schrumpfschlauch 4 umspannt ist. Jeder der Varistoren 3 ist mit einer zentralen Bohrung 5 versehen, so dass die übereinander liegenden Bohrungen einen Ausdehnungsraum 6 bilden. Oben und unten ist das Gehäuse 1 durch Deckel 7a und 7b sowie aufgeschraubte Flansche 8a und 8b verschlossen, welche z.B. aus Aluminium begossen sein können und auch als elektrische Anschlüsse dienen. Die Deckel 7a, 7b enthalten, jeweils im Zentrum, Berstscheiben 9a, 9b, welche den Ausdehnungsraum 6 von durch die Flansche 8a, 8b seitlich nach aussen führenden Kanälen 10a, 10b trennen.
Eine zwischen dem oberen Ende des Varistorstapels 2 und dem oberen Deckel 7a angeordnete Anpressfeder 11 gewährleistet guten elektrischen Kontakt zwischen benachbarten Varistoren. Der Zwischenraum zwischen der Innenwand des Porzellangehäuses 1 und dem Varistorstapel 2 ist zum grössten Teil mit einem Isoliermittel 12, z.B. Öl und Quarzsand, eine Mischung, die sich aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und ihres geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besonders gut eignet, gefüllt. Ein die Anpressfeder 11 umgebender, zwischen dem oberen Ende des Varistorstapels 2 und dem oberen Deckel 7a sich erstreckenden Faltenbalg 13 trennt den Ausdehnungsraum 6 von besagtem Zwischenraum und verhindert ein Eindringen von Isoliermittel in den ersteren.
Ausser der bereits erwähnten Sicherung des Varistorstapels 2 gegen gegenseitige Verschiebungen der einzelnen Varistoren 3, bietet der beschriebene Überspannungsableiter weitere Vorteile. Insbesondere bietet der von in axialer Richtung durch die Varistoren 3 geführten Bohrungen 5 gebildete Ausdehnungsraum 6 besondere Sicherheit gegen Explosion des Überspannungsableiters, wenn derselbe, z.B. durch Überlastung, versagt und es zur Ausbildung eines Lichtbogens entlang dem Varistorstapel 2 kommt, da sich der Lichtbogen innerhalb des Ausdehnungsraums 6 ausbildet, wodurch sowohl ein Verdampfen von Teilen der den Varistorstapel 2 umgebenden Isoliermasse 12 als auch direkten Kontakt des Lichtbogens mit dem Porzellangehäuse 1 vermieden ist.
Der durch das sich im Ausdehnungsraum 6 bildende Plasma in demselben verursachte Druckanstieg führt zum Bersten der Berstscheiben 9a, 9b, worauf das Plasma durch die Kanäle 10a und 10b entweichen kann und der Lichtbogen nach aussen kommutiert.
Im Normalbetrieb gewährleistet der durch die zentrale Anordnung des Ausdehnungsraums 6 gegebene streng rotationssymmetrische Aufbau des Überspannungsableiters eine gleichmässige Wärmeableitung vom Varistorstapel 2 nach aussen; desgleichen ist die Verteilung des elektrischen Feldes sehr homogen.
Die Montage des Überspannungsableiters ist gegenüber der bekannter Ableiter sehr vereinfacht. Der Varistorstapel 2 wird mit Hilfe einer Führungsvorrichtung aufgebaut d.h. die Metalloxyd-Varistoren 3 werden in ein Führungsrohr oder eine aus mehreren Führungsstangen gebildete Vorrichtung eingefüllt oder, vorzugsweise, unter Ausnützung der Boh- rungen 5 auf eine Führungsstange aufgefädelt. Anschliessend wird ein Schrumpfschlauch 4 über den Varistorstapel 2 gestülpt und durch Erhitzen aufgeschrumpft. Falls der Varistorstapel durch Auffädeln der Varistoren auf einer Führungsstange aufgebaut wurde, braucht letztere erst entfernt zu werden, wenn der Varistorstapel 2 bereits durch den Schrumpfschlauch 4 zusammengehalten wird. Gegenseitige Verschiebungen der Varistoren 3 vor oder bei der Montage des Schrumpfschlauchs 4 sind dann ausgeschlossen.
Durch das Aufschrumpfen des Schrumpfschlauchs 4 wird der Varistorstapel 2 zu einer kompakten und stabilen Einheit, die mit geringem Arbeitsaufwand im Porzellangehäuse 1 montiert werden kann. Das bei Überspannungsableitern herkömmlicher Konstruktion die Herstellung komplizierende Aussparen oder Erzeugen von Ausdehnungsräumen zwischen dem Varistorstapel und der Innenwand des Gehäuses kann entfallen.
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PATENT CLAIMS Surge arrester with a hollow housing (1), provided with a first electrical connection and a second electrical connection, made of insulating material, with several metal oxide varistors (3), which are arranged in at least one varistor stack (2) in the housing (1) and with at least one expansion space (6) extending at least approximately from the first electrical connection to the second electrical connection, characterized in that the at least one varistor stack (2) is peripherally covered by a sealing, elastic sleeve.
2. Surge arrester according to claim 1, characterized in that the sealing, elastic sheath is a shrink tube (4).
3. Surge arrester according to claim 1 with disk-shaped varistors (3), characterized in that at least one expansion space (6) is formed by bores (5) one above the other in a varistor stack (2) forming metal oxide varistors (3).
4. Surge arrester according to claim 3, characterized in that the interior of the housing (1) is filled with an insulating means (12).
5. Surge arrester according to claim 4, characterized in that the insulating means (12) is essentially a mixture of oil and quartz sand.
6. Surge arrester according to claim 4 or 5, characterized in that the at least one expansion space (6) is sealed against the part of the housing interior filled with the insulating means (12).
7. Surge arrester according to one of claims 1 to 6, characterized in that at both ends of the housing (1) a metal, at the same time serving as an electrical connection flange (8a, 8b) is attached, which one of one end of the at least one expansion space (6) laterally leading channel (10a, 10b).
8. Surge arrester according to one of claims 1 to 7, characterized in that the interior of the housing (1) is rotationally symmetrical and contains a single, coaxially arranged varistor stack (2).
9. surge arrester according to claims 3 and 8, characterized in that each metal oxide varistor (3) has exactly one, through its center hole (5).
10. A method for producing a surge arrester according to one of claims 1 to 9, in which a varistor stack (2) is built up from metal oxide varistors and arranged in a housing (1) and the interior of the housing is then at least partially filled with an insulating agent (12) is characterized in that the varistor stack (2) is built up with the aid of a guide device and a tube made of material that can be shrunk by heating is placed over it and shrunk on.
The invention relates to a surge arrester with metal oxide varistors according to the preamble of claim 1.
Such surge arresters, thanks to the highly non-linear current-voltage characteristic of the metal oxide varistors, with or without spark gaps connected in series, enable surge voltages to be dissipated, e.g.
can be caused by lightning strikes from high voltage electrical networks.
Surge arresters according to the preamble of claim 1 are known from US-PS 4 100 588.
According to a first embodiment described there, the metal oxide varistors arranged in a varistor stack in the housing are cast with an insulating compound.
So that the expansion space necessary for safety reasons for the plasma formed in the event of an electrical flashover is left out, the surge arrester is brought into a position before the casting compound solidifies, in which the stack of metal oxide varistors lies horizontally. There is a risk that the metal oxide varistors move against each other and sometimes
slide against the wall of the housing. In order to counter this danger, precautions are required which complicate and make the installation of the surge arrester more expensive.
According to a second embodiment described in the above-mentioned patent specification, the individual metal oxide varistors are surrounded by collars made of elastic insulating material and individually filled into the housing in such a way that their collars rest on one side on the housing wall, while a space remains free on the opposite side . The gaps on the one hand form the expansion space and on the other hand accommodate elastic balls which serve to better fix the individual metal oxide varistors.
Since the varistors are placed individually in the housing and each varistor must also be fixed by a ball pushed into the space between the housing wall and the collar, the installation of the surge arrester is time-consuming and expensive due to the many manual labor involved, especially since the installation requires great precision, since the varistors should lie exactly one above the other. The latter is also difficult to achieve with varistors constructed in this way because the porcelain housings usually used have relatively large tolerances. In addition, vibrations, such as during transport, can also cause varistors that were originally exactly matched to be displaced.
A third embodiment shows a structure similar to the second, but with two parallel stacks of varistors.
The surge arresters constructed according to one of the three methods also have the disadvantage of high manufacturing costs. Likewise, there is a risk of mutual displacements of the individual metal oxide varistors, through which edges arise, on which high field strengths and, as a result, the same glow discharges can occur, which can damage the surge arrester and possibly lead to its failure.
Further relevant prior art results from the publications US-PS 4298900 and DE-ÒS 2 907 985.
The invention seeks to remedy this. The invention, as characterized in the claims, solves the problem of creating a surge arrester with metal oxide varistors, which can be manufactured inexpensively and is characterized by high reliability and service life due to a homogeneous field distribution.
The advantages of the invention lie, on the one hand, in the simplification of the assembly of the surge arrester, and, on the other hand, in the fact that the metal oxide varistors forming a stack are arranged precisely one above the other and are reliably fixed in this position.
The invention is explained in more detail below with the aid of drawings which illustrate only one embodiment. Show it
Figure 1 is a section along the axis through an approximately cylindrical, a single varistor stack containing inventive surge arrester. and
2 shows a section along ll-ll in Fig. 1st
Fig. 1 and Fig. 2 show a surge arrester according to the invention with a substantially cylindrical, preferably made of porcelain housing 1 and a coaxially arranged varistor stack 2, which consists of disc-shaped metal oxide varistors 3 and is spanned by a shrink tube 4. Each of the varistors 3 is provided with a central bore 5, so that the bores lying one above the other form an expansion space 6. The housing 1 is closed at the top and bottom by covers 7a and 7b and screwed-on flanges 8a and 8b, which e.g. can be cast from aluminum and also serve as electrical connections. The covers 7a, 7b each contain, in the center, rupture disks 9a, 9b which separate the expansion space 6 from channels 10a, 10b leading laterally outwards through the flanges 8a, 8b.
A pressure spring 11 arranged between the upper end of the varistor stack 2 and the upper cover 7a ensures good electrical contact between adjacent varistors. The space between the inner wall of the porcelain housing 1 and the varistor stack 2 is largely covered with an insulating agent 12, e.g. Oil and quartz sand, a mixture that is particularly suitable due to its high thermal conductivity and its low coefficient of thermal expansion. A bellows 13 which surrounds the pressure spring 11 and extends between the upper end of the varistor stack 2 and the upper cover 7a separates the expansion space 6 from said intermediate space and prevents the penetration of insulating agent into the former.
In addition to securing the varistor stack 2 against mutual displacement of the individual varistors 3, the surge arrester described offers further advantages. In particular, the expansion space 6 formed by bores 5 guided in the axial direction through the varistors 3 offers particular security against explosion of the surge arrester, if the same, e.g. due to overloading, failure and the formation of an arc along the varistor stack 2 occurs because the arc forms within the expansion space 6, thereby avoiding both evaporation of parts of the insulating compound 12 surrounding the varistor stack 2 and direct contact of the arc with the porcelain housing 1 is.
The pressure increase caused by the plasma forming in the expansion space 6 causes the rupture disks 9a, 9b to burst, whereupon the plasma can escape through the channels 10a and 10b and the arc commutates outwards.
In normal operation, the strictly rotationally symmetrical structure of the surge arrester given by the central arrangement of the expansion space 6 ensures uniform heat dissipation from the varistor stack 2 to the outside; likewise the distribution of the electric field is very homogeneous.
The installation of the surge arrester is very simplified compared to the known arrester. The varistor stack 2 is constructed using a guide device, i.e. the metal oxide varistors 3 are filled into a guide tube or a device formed from a plurality of guide rods or, preferably, are threaded onto a guide rod using the bores 5. A shrink tube 4 is then placed over the varistor stack 2 and shrunk on by heating. If the varistor stack was built up by threading the varistors onto a guide rod, the latter only needs to be removed when the varistor stack 2 is already held together by the shrink tube 4. Mutual displacements of the varistors 3 before or during the assembly of the shrink tube 4 are then excluded.
By shrinking the shrink tube 4, the varistor stack 2 becomes a compact and stable unit that can be assembled in the porcelain housing 1 with little effort. In the case of surge arresters of conventional design, the manufacture of complex recesses or the creation of expansion spaces between the varistor stack and the inner wall of the housing can be omitted.