CN114639526A - 具有绕组设计的电涌放电器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电涌放电器，该电涌放电器包括：两个相对的端部配件3；布置在端部配件3之间的一个或更多个压敏电阻器5；至少设置在至少一个压敏电阻器5上的绕组层9，其中，绕组层9是封闭层9；以及在端部配件3之间延伸并且将端部配件3保持处于张力下的加强元件7，其中，加强元件7是开放式交叉绕组13。此外，本发明涉及一种用于生产该电涌放电器的方法。

Description

具有绕组设计的电涌放电器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种具有绕组设计的电涌放电器及其制造方法。特别地，本发明涉及的电涌放电器包括由玻璃纤维增强塑料制成的开放式交叉绕组。

背景技术

关于电涌放电器的细节、特别是关于电涌放电器壳体的选择和设计的细节例如可从下述中获悉，即：“Metalloxid-Ableiter in Hochspannungsnetzen”，VolkerHinrichsen，第3版，出版商和版权所有

2012年:西门子AG能源部门Freyeslebenstraβe 191058埃尔兰根，德国(https://cache.industry.siemens.com/dl/files/132/109747132/att_918329/v1/Metalloxid-Ableiter_in_Hochspannungsnetzen_-_Grundlagen.pdf)。

如本文中所说明的，在具有塑料壳体的电涌放电器中发生短路的情况下，通常在所述壳体中没有限定的压力积聚，该压力可以致动压力释放装置--如从瓷放电器已知的--相反，产生的电弧直接穿过塑料壳体的壳体壁到达任意点或到达为此目的专门设计的点。

在这种放电器过载的情况下，必须确保塑料壳体不至于破裂，或者壳体碎片和弹出的部件落在电涌放电器周围的地面区域内，该区域的尺寸基于电涌放电器高度而定。

在该区域之外也仅可以分别找到低于给定重量限制例如重量为60g的部件。

在实践中已经建立了三种基本类型的塑料壳体。首先是，在所谓的管设计中具有封闭气体体积的那些塑料壳体；其次是，具有由玻璃纤维增强塑料棒制成的棒笼式塑料壳体，其中玻璃纤维增强塑料棒平行于压敏电阻器堆叠，优选地金属氧化物压敏电阻器堆叠，并且玻璃纤维增强塑料棒紧固至两个端部配件或端子(其优选地由铝制成)，并且玻璃纤维增强塑料棒在没有气体体积的情况下被铸造硅树脂壳体包围(笼设计)；以及最后是，具有由玻璃纤维线制成的绕组的那些塑料壳体(“绕组设计”)，绕组通常作为所谓的预浸料施用于压敏电阻器。

具有绕组设计的已知的电涌放电器的问题在于，该电涌放电器需要一定厚度的绕组以达到所需的机械强度，但是当发生短路时该厚度会造成不利，这是因为压力会在绕组的内部更多地积聚，导致压敏电阻器的碎片可能比在突然压力释放的情况下壳体破裂时可容许飞出的碎片飞得更远。

为了解决该问题，过去已经提出了开放式绕组，例如如US 5 042 838中所示。在这种情况下，绕组不形成封闭空间，而是保留多个没有绕组的菱形开口区域，所述多个菱形开口区域或多或少规则地分布在压敏电阻器的整个表面上，其中，仅外部硅树脂壳体将压敏电阻器与这些区域中的外部环境分开。这种结构可靠地防止内部压力的累积，并且仍然有助于良好的机械强度。如果没有绕组的菱形开口区域足够小，则还可以防止压敏电阻器的相对较大的碎片到达外部。

由于电涌放电器通常运行多年并且在该过程中暴露于环境影响例如雨、雾——包括咸海雾和极端温度变化，因此这些电涌放电器的长期行为变得特别重要。在该过程中，发现通常的塑料壳体、优选地硅树脂壳体在某些情况下是不足以防止水的进入，然后水会聚集在压敏电阻器的表面处，优选地聚集在开口区域中，并且甚至在绕组与压敏电阻器缺乏粘附的情况下在绕组下蠕流。这将导致功率损耗增加并且导致电涌放电器故障。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种上述类型的电涌放电器，该电涌放电器即使长期使用也具有优异的低功率损耗并且该电涌放电器允许可靠且安全的操作。

该目的通过根据所附权利要求的电涌放电器以及通过在此说明的用于生产电涌放电器的方法来实现。

根据本发明，提供了一种电涌放电器，该电涌放电器包括：两个相对的端部配件；布置在端部配件之间的一个或更多个压敏电阻器；至少设置在至少一个压敏电阻器上的绕组层，其中，绕组层是至少部分封闭的层；以及在端部配件之间延伸并且将端部配件保持处于张力下的加强元件，其中，加强元件是开放式交叉绕组。

优选地，在电涌放电器中用于经树脂浸渍的玻璃纤维线、或用于玻璃纤维线束或粗纱的树脂是阳离子交联环氧树脂，所述玻璃纤维线、玻璃纤维线束或粗纱将用于绕组。

进一步优选地，阳离子交联环氧树脂含有UV引发剂和/或热引发剂。

特别地，阳离子交联环氧树脂优选地粘附于至少一个压敏电阻器的表面。

在优选实施方式中，加强元件具有比绕组层厚5倍至10倍、优选地7倍的横截面。

优选地，根据本发明的电涌放电器具有硅树脂外部壳体。

交叉绕组还优选地在经树脂浸渍的玻璃纤维线之间留下开放的菱形区域，这些菱形区域的角度在20°至160°之间。

根据本发明，还提供了一种用于生产上述电涌放电器的方法，该方法包括以下步骤：提供一种堆叠，其具有两个相对的端部配件和布置在两个相对的端部配件之间的至少一个压敏电阻器；用经树脂浸渍的玻璃纤维线包绕该堆叠以形成至少部分封闭的绕组层；以及在供应经树脂浸渍的玻璃纤维线的同时，通过所述堆叠的相对旋转以及堆叠在纵向方向上的同时来回移动来部分地轴向包绕该堆叠以形成开放式交叉绕组。

附图说明

下面将参照附图且基于优选实施方式对本发明进行描述，在附图中：

图1示出了根据本发明的电涌放电器的视图；

图2示出了图1的电涌放电器，其中，该电涌放电器没有硅树脂壳体；以及

图3示出了图2的电涌放电器的详细视图。

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的电涌放电器具有塑料外部壳体15，优选地是硅树脂外部壳体，该外部壳体形成多个屏蔽件17，以延长电流的爬电路径并且避免在电涌放电器的两个端部之间由粘附的水或污染物引起的连续导电连接。

所示的电涌放电器具有两个相对的端部配件或端子3和一个或更多个压敏电阻器5，所述两个相对的端部配件或端子3优选地由铝制成，所述一个或更多个压敏电阻器5优选地由金属氧化物制成，特别是由氧化锌制成，所述一个或更多个压敏电阻器5在两个端子3之间形成堆叠。

这些压敏电阻器5具有在阈值电压以下是非常好的绝缘体的特性，但是一旦达到阈值电压，这些压敏电阻器5就非线性地但可逆地将它们的电阻改变为小值，使得可以令适当的电流穿过电涌放电器来减小电涌放电器的一个端部处的电涌。以这种方式，接地电涌放电器保护电网的其他电气部件免受电涌。

然而，在穿过电涌放电器的电流非常高的情况下，例如在电涌放电器附近有雷击的情况下，电涌放电器可能会过载，如开头所描述的那样。在这种情况下，在电涌放电器中形成有电离气体，随后在该电涌放电器中可以形成电弧。在该过程中会出现高温，并且如果没有实施适当的措施，则也可能出现高压并导致电涌放电器爆裂。

图1中所示的电涌放电器包含位于塑料壳体15下方的模块19，该模块具有所描述的由一个或更多个压敏电阻器5和两个端部配件3构成的堆叠以及加强元件9，如图2和图3中更详细地示出的。

在这种情况下，加强元件9形成为开放式交叉绕组13。

为了制造该交叉绕组13，玻璃纤维线，优选地玻璃纤维线束被引导通过树脂浴并用树脂浸渍。然后将该经树脂浸渍的玻璃纤维线围绕由一个或更多个压敏电阻器5和两个端部配件3构成的堆叠缠绕。为此，玻璃纤维线的一个端部优选地紧固至所述堆叠，然后该堆叠围绕其纵向轴线旋转，同时该堆叠相对于玻璃纤维线的供给点沿着其纵向轴线移动。

在本申请涉及玻璃纤维线的范围内，这也总可以被理解为是指玻璃纤维线束或粗纱。

每当玻璃纤维线由于堆叠沿着纵向轴线的移动而到达堆叠端部中的其中一个端部时，堆叠将沿着纵向轴线的移动方向反向，并且玻璃纤维线被引导越过相应的端部配件的肩部，同时堆叠继续围绕其纵向轴线旋转。

由于这两个运动的速度彼此匹配，因此可以形成如图2和图3所示的开放式交叉绕组。在这样做时，也可以在端部配件处具有偏移的情况下工作。也就是说，当玻璃纤维线到达端部配件3时，沿纵向轴线方向的移动停止，但是堆叠旋转了一预定角度。随后，在纵向轴线的方向上的移动重新开始，但是带有相反的符号，使得玻璃纤维线被放置于在先前迭代期间形成的轨道上。

在该生产过程中，该生产过程也被称为细丝缠绕方法，玻璃纤维线穿过树脂浴，并且然后绕主轴旋转，至少一个压敏电阻器5和所述端部配件3被夹持在主轴中，其中，玻璃纤维线被施用成使得通过沿堆叠的纵向轴线方向安装滑架带来的附加平移运动而产生交叉图案。层相互堆叠的精确定位和绕组的角度由绕组程序中的数学关系产生。在这种情况下，有针对性地使用开放式交叉绕组，这是因为在短路的情况下在电涌放电器中产生的气体因此可以容易地逸出，并且产生的电弧快速地从压敏电阻器5到达壳体15之外。

由于玻璃纤维线包括相对于堆叠的纵向轴线呈10°至89°、优选地30°至70°并且特别优选地45°的角度，因此玻璃纤维线能够牢固地且在张力下保持两个端部电枢3和至少一个压敏电阻器5。在这种情况下，开放式交叉绕组可以承受平行于纵向轴线的轴向力以及还有弯曲力和扭转力，因此开放式交叉绕组可以确保堆叠的高机械强度。

在优选实施方式中，多个平行玻璃纤维线被同时使用作为例如具有特克斯(tex)为2400的所谓的粗纱。

在图2和图3所示的交叉绕组13中，在每种情况下，将7层这种粗纱以相互叠置的方式布置，使得绕组的横截面厚度为2mm至10mm。横截面厚度可以根据所需的机械强度来设定。更大的横截面厚度增加了机械强度，但是之后需要更多的硅树脂用于形成塑料壳体15，并且需要更多的材料用于形成加强元件，从而使得电涌放电器更昂贵。

根据本发明，阳离子交联环氧树脂被用于浸渍玻璃纤维线。这种树脂的示例包括来自Panacol-Elosol GmbH的

粘合剂和灌封化合物。这种树脂的示例是基于丙烯酸酯或环氧树脂的单组分体系，其在UV或可见光下能在非常短的时间内固化并且可以根据需要进行热后固化。根据应用，通过高能照射可以实现0.5秒至60秒的固化时间。作为热后固化的结果，粘合剂也可以在光固化后在阴影区中固化。

特别地，阳离子交联环氧树脂优选地含有UV引发剂和/或热引发剂，以通过UV照射或通过加热实现固化。

在优选实施方式中，如图3中更详细地示出的，在端部配件3的区域中设置有附加的纯径向绕组，以便于在开放式交叉绕组13与端部配件3之间实现固定机械的稳定连接并且以便于提供防水密封。

如开头所述，对于电涌放电器的实际使用起决定性的是，电涌放电器即使在相对长的时间内并且在变化的环境条件下也需保持其电特性。关于这点，在水扩散通过塑料壳体15并且聚集在至少一个压敏电阻器5的表面处的交叉绕组13的开口部位中时，会存在风险。这增加了电涌放电器的功率损耗。

为了解决该问题，根据本发明，在开放式交叉绕组13与至少一个压敏电阻器5之间设置有由经树脂浸渍的玻璃纤维线制成的基本上单层的绕组9，使得在至少一个压敏电阻器5的整个外表面上形成封闭层。阳离子交联环氧树脂用作粘合剂并且在至少一个压敏电阻器5的表面上提供良好的粘附性。

为了形成该层(其形成为绕组层9)，经树脂浸渍的玻璃纤维线或粗纱在已经紧固至待缠绕的堆叠之后基本上径向地围绕该堆叠包绕，也就是说，经树脂浸渍的玻璃纤维线或粗纱以在纵向轴线的方向上的移动速度低于堆叠绕其纵向轴线的旋转速度的方式进行缠绕，使得每次旋转造成的绕组的偏移等于或最小程度小于玻璃纤维线或粗纱的宽度。

该层在横截面中的厚度优选地为0.1mm至0.5mm，但不限于此。

也可以使用封闭式交叉绕组代替基本径向的绕组。也就是说，在纵向轴线的方向上以更大的移动速度进行缠绕，并且接着当到达端部配件3中的其中一个端部配件时，移动方向将反向，如同在开放式交叉绕组的情况下。此时，在这种情况下，在纵向轴线的方向上的旋转速度和移动速度以这样的方式选择，即，玻璃纤维线以彼此相邻一偏移或具有小重叠的方式布设，并且封闭层以这种方式形成。然而，由于交叉的玻璃纤维线，该层的厚度以比基本上径向绕组的厚度更明显的方式变化。然而，在这种情况下应当观察到，首先，出现封闭层，并且后者在很大程度上是“单层”。

考虑到所使用的树脂，以上述方式形成的层能够很好地粘附于至少一个压敏电阻器5的表面。然而，由于玻璃纤维线的低厚度和可选的径向对准，该层对机械稳定性没有提供显著的贡献。

环氧树脂形成具有非常显著的水密性的层，因此可以防止水聚集在至少一个压敏电阻器5的表面处。在这方面，绕组层用作防潮屏蔽层。

因此，为了在短路以及内部压敏电阻器密封的情况下同时获得压力释放，开放式交叉绕组7下方的薄层9被“径向地”缠绕或者作为“封闭式交叉绕组”缠绕。首先，薄层9足够弱以在短路的情况下像膜一样被打开。其次，如果使用非常不透水的树脂，则提供显著改进的紧密性。

借助于UV照射的固化有助于在施用绕组之后在用于形成绕组的机器处直接完全硬化。然后，模块19可以以尺寸稳定的方式移除，并且可以在烘箱中后固化，使得即使保留在UV照射的阴影中的区域也被固化。

在本文中优选使用的具有UV引发剂和热引发剂的阳离子交联环氧树脂能够非常好地粘附到至少一个压敏电阻器5的表面。换句话说，树脂的特定强度还在于其作为粘合剂具有比作为树脂更多的性能。这防止了水分在压敏电阻器5的表面上聚集，并且此外大大减缓了水(蒸汽)的吸入。

在短路的情况下，封闭层9的低厚度不代表对于产生的等离子体是耐压的屏障--尽管也使用玻璃纤维线--因此避免了内部压力积聚。

这可以在一系列测试中得到证实，所述一系列测试是指生产具有开放式交叉绕组的电涌放电器、具有开放式交叉绕组和位于开放式交叉绕组下方的封闭层的电涌放电器、以及具有完全封闭式交叉绕组的电涌放电器，并且对这些电涌放电器进行产品典型的储水测试(沸腾测试，其中，电涌放电器放置在浸泡盐水中持续预定的时间段)和短路测试。具有开放式交叉绕组但不具有封闭层的电涌放电器通过了短路测试但未通过储水测试。具有封闭式交叉绕组的电涌放电器通过了储水测试但未通过短路测试。具有开放式交叉绕组和位于开放式交叉绕组下方的封闭层的电涌放电器两种测试都通过了。

已经发现，具有封闭层9的电涌放电器具有显著更好的性能，并且经过储水测试或沸腾测试造成的损害也较小。

尽管上面基于示例对本发明进行了详细描述，但是本发明不限于此。优选地，封闭层9的施用设备与所述封闭层上的开放式交叉绕组7的绕组实现设备相同，简单地，通过在施用封闭层9之后改变在纵向轴线的方向上的移动速度和/或旋转速度和/或端部配件3处的偏移来实现。然而，该两种绕组也可以在不同的机器中实现，并且可以在施用开放式交叉绕组13之前通过UV辐射或加热来固化封闭层。

另一替代方案包括在端部端子与压敏电阻器5之间或者在堆叠的两个压敏电阻器5之间的过渡区域中提供仅用于密封目的的径向绕组。这可以通过以下方式实现，即，当绕组层被包绕时，玻璃纤维线被引导成基本上平行于堆叠的纵向轴线直到到达过渡区域为止，随后纵向移动基本上停止，并且只执行堆叠的旋转直到过渡区域被绕组层覆盖为止，并且随后纵向移动重新开始直到下一过渡区域为止。在这种情况下，必须注意的是，当移动方向改变时，树脂在压敏电阻器的表面上的粘合效果足以保持已经施用的玻璃纤维线。

虽然这仅实现了过渡区域的密封，但是这也已经对储水测试或沸腾测试具有积极影响。

Claims (10)

1.一种电涌放电器，包括：

两个相对的端部配件(3)；

一个或更多个压敏电阻器(5)，所述一个或更多个压敏电阻器(5)布置在所述端部配件之间；

绕组层(9)，所述绕组层(9)至少设置在至少一个所述压敏电阻器(5)上，其中，所述绕组层(9)是至少部分封闭的层(9)；以及

加强元件(7)，所述加强元件(7)在所述端部配件(3)之间延伸并且将所述端部配件(3)保持处于张力下，其中，所述加强元件(7)是开放式交叉绕组(13)。

2.根据权利要求1所述的电涌放电器，其中，用于经树脂浸渍的玻璃纤维线的树脂是阳离子交联环氧树脂。

3.根据权利要求2所述的电涌放电器，其中，所述阳离子交联环氧树脂含有UV引发剂和/或热引发剂。

4.根据权利要求2或3所述的电涌放电器，其中，所述阳离子交联环氧树脂粘附至所述压敏电阻器(5)的表面。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的电涌放电器，其中，所述加强元件(7)具有比所述绕组层(9)厚5倍至10倍、优选地7倍的横截面。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的电涌放电器，其中，所述电涌放电器具有硅树脂外部壳体(15)。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的电涌放电器，其中，在所述交叉绕组中的所述经树脂浸渍的玻璃纤维线之间保留有开放的菱形区域，其中，这些菱形的角度在20°至160°之间。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的电涌放电器，其中，所述绕组层至少在端部配件(3)与压敏电阻器(5)之间的过渡区域中以及在多个压敏电阻器(5)之间的过渡区域中是封闭层。

9.根据前述权利要求1至7中的任一项所述的电涌放电器，其中，所述绕组层是连续封闭层，所述连续封闭层覆盖所述至少一个压敏电阻器(5)的整个外表面。

10.一种用于生产电涌放电器的方法，所述方法包括下述步骤：

提供一个堆叠，所述堆叠具有两个相对的端部配件和布置在所述两个相对的端部配件之间的至少一个压敏电阻器；

用经树脂浸渍的玻璃纤维线包绕所述堆叠以形成至少部分封闭的绕组层；以及

在供应所述经树脂浸渍的玻璃纤维线的同时，通过所述堆叠的相对旋转以及堆叠在纵向方向上的同时来回移动来部分地轴向包绕所述堆叠以形成开放式交叉绕组。

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