DE69206812T2 - Überspannungsschutz - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit einem Stapel aus einer Vielzahl von zylindrischen Ableiterelementen, die vorzugsweise aus Metalloxyd-Varistor- Material hergestellt sind und die in axialer Richtung der Ableiterelemente hintereinander zwischen zwei Endelektroden angeordnet sind und von einem langgestreckten äußeren Gehäuse umgeben sind.
• Das äußere Gehäuse der gegenwärtig verwendeten Überspannungsableiter besteht gewöhnlich aus Porzellan. Ein Porzellangehäuse hat gute elektrische Isoliereigenschaften und hat auch genügend mechanische Festigkeit, um unter anderem die axiale Druckkraft auf die Ableiterelemente aufzunehmen, die durch Federn erzeugt wird und die erforderlich ist, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Elementen zu erhalten. Bei Ableitern mit einem Porzellangehäuse ist jedoch eine irgendwie beschaffene Überdruckablaßanordnung erforderlich, um ein explosionsartiges Versagen zu vermeiden, wenn, beispielsweise infolge eines Fehlers eines Ableiterelementes, im Ableiter ein Kurzschlußlichtbogen entsteht, durch den der Druck steigt.
• Für bestimmte Typen von Überspannungsableitern wurde in jüngster Zeit das Porzellangehäuse durch ein Schutzgehäuse aus Polymermaterial, beispielsweise EPDM-Gummi, ersetzt. Ein solches Gehäuse ist bedeutend billiger, und dank der Elastizität des Polymermaterials wird erreicht, daß die Explosionsgefahr im Falle eines Überspannungsableiterfehlers herabgesetzt ist. Ein aus Polymer bestehendes Isolationsgehäuse muß jedoch durch irgendeine mechanische Versteifungseinrichtung ergänzt werden, um eine ausreichende Festigkeit gegen Biegung und Zugspannungen zu erhalten.
• Aus der US-A-4 404 614 ist bereits ein Überspannungsableiter mit einem Polymergehäuse bekannt, in welchem eine mechanische Versteifung in Gestalt eines glasfaserverstärkten Kunststoffrohres vorhanden ist. Auch dieser Überspannungsableiter hat eine Überdruckablaßvorrichtung von im Prinzip gleicher Art, wie sie bei Überspannungsableitern mit Porzellangehäusen verwendet wird.
• Bei der Konstruktion von Überspannungsableitern mit Isolationsgehäusen aus Polymer und einem glasfaserverstärkten Rohr, aber ohne eine Überdruckablaßvorrichtung der oben genannten Art, bestehen widersprüchliche Anforderungen an das glasfaserverstärkte Rohr: Einerseits soll das Rohr genügende Festigkeit gegenüber Biegung und Zugspannungen haben, und andererseits soll das Rohr leicht aufbrechen im Falle eines Ableiterfehlers. Wenn kreuzgewickelte glasfaserverstärkte Rohre verwendet werden, erhält man eine zu große radiale Festigkeit des Rohres. Das gleiche gilt, wenn eine Faser direkt auf den Blockstapel gewickelt wird und anschließend mit einem aushärtbaren Harz imprägniert wird: Bei geeigneter Festigkeit in axialer Richtung erhält man eine für gute Fehlereigenschaften zu hohe Festigkeit in radialer Richtung. Versuche zur Lösung des Problems wurden durch Anbringung von Löchern im Rohr unternommen (siehe beispielsweise EP-A-0 335 480) oder durch in Längsrichtung geschwächte Abschnitte in Gestalt von geschliffener Rillen und so weiter, aber dies verkompliziert und verteuert die Herstellung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsableiter der eingangs genannten Art zu entwickeln, der ein Polymergehäuse hat und der nicht unter den obengenannten Nachteilen leidet. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß für die mechanische Verstärkung des Kunststoffgehäuses ein faserverstärktes Kunststoffrohr verwendet wird, welches durch Profilziehen, sogenannte Ziehtrusion ("Pultrusion") hergestellt ist, wobei alle Verstärkungsfasern in axialer Richtung des Rohres verlaufen.
• Ein zugtrudiertes faserverstärktes Rohr hat eine sehr hohe Zugfestigkeit. Die erforderliche Biegefestigkeit erhält man durch Wahl einer geeigneten Wanddicke und der Menge und Art der Verstärkungsfasern Trotz der hohen Zug- und Biegefestigkeit erhält man eine relativ geringe Festigkeit in radialer Richtung. Dies erlaubt einen günstigen Fehlerablauf, da das Rohr auch bei niedrigen Kurzschlußströmen leicht aufreißt. Außerdem sind zugtrudierte Rohre sehr preiswert.
• Die Erfindung wird nun genauer erläutert durch Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, die einen Überspannungsableiter gemäß der Erfindung im axialen Schnitt zeigt.
• Der in der Figur gezeigte Überspannungsableiter ist in erster Linie für Verteilernetze mit Betriebsspannungen bis etwa 40 kV bestimmt. Jedoch kann das gleiche Konstruktionsprinzip auch mit Vorteil bei Überspannungsableitern für Betriebsspannungen in der Größenordnung von 100 kV und höher verwendet werden. Der gezeigte Ableiter besteht aus einem Stapel Ableiterelemente 1 in Gestalt kreiszylindrischer ZnO- Blöcke, eventuell mit wärmeabsorbierenden Abstandshaltern aus Metall sowie einer Endelektrode 2 in Gestalt einer Metalltablette an jedem Ende des Stapels. Die Endelektroden 2 und, falls vorhanden, die Distanzscheiben bestehen zweckmäßigerweise aus Aluminium. Der gesamte Stapel aus ZnO-Blöcken 1, Endelektroden 2 und, falls vorhanden, Distanzscheiben ist in einem langgestreckten Rohr 4 aus glasfaserverstärktem Kunststoff angeordnet, welches seinerseits von einem isolierenden Gehäuse 3 aus Polymermaterial umgeben ist. In axialer Richtung ist der Stapel mit dem Rohr 4 durch metallische Hauben 5 verbunden, welche den gesamten Endabschnitt des Rohres 4 umgeben und an dem Rohr dadurch befestigt sind, daß der zylindrische Mantelteil der betreffenden Haube in ringförmigen Rillen 6 des Rohres eingepreßt ist. Die Figur zeigt an gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie des Überspannungsableiters die metallische Haube 5 vor und nach dem Einpressen des Mantelteils in die ringförmigen Rillen.
• Die metallischen Hauben 5 haben einen Kragen 7, welcher den zugehörigen Endabschnitt des Polymerisolators 3 umgibt und an dem Isolator durch eine umlaufende Eindrückung 8 befestigt ist. Zwischen dem metallischen Kragen 7 und dem Isolator 3 befindet sich eine Dichtung 9, beispielsweise in Form eines O-Ringes. Das Einpressen der metallischen Haube 5 in das Kunststoffrohr 4 kann bei bestimmten Arten von plastischem Material ausgeführt werden, ohne daß das Rohr im voraus mit den umgebenden Rillen 6 versehen worden ist. In diesem Falle erfolgt die Formung der Rillen in dem Kunststoffmaterial direkt im Zusammenhang mit dem Pressen der metallischen Haube.
• Um sicherzustellen, daß ein genügender Kontaktdruck zwischen den einzelnen Ableiterelementen 1 und zwischen dem Stapel aus Ableiterelementen und den Endelektroden 2 aufrechterhalten wird, ist ein Federglied in Gestalt einer Scheibenfederanordnung 10 nahe den Endelektroden angeordnet.
• Die Endelektroden 2 sind mit Gewindelöchern 11 für Anschluß glieder versehen.
• Das Rohr 4 ist ein glasfaserverstärktes Rohr aus Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyester, Polyvinylester, Epoxyharz oder einem thermoplastischen Harz. Das Rohr wird durch Profilziehen, sogenannte Pultrusion, hergestellt. Hierunter versteht man ein Herstellungsverfahren für Faserverbundteile, bei welchen die beteiligten Rohmaterialien kontinu ierlich und automatisch unmittelbar in ein Fertigprodukt übergeführt werden. Bei Rohren, die nach diesem Verfahren hergestellt werden, verlaufen alle Verstärkungsfasern axial. Dies gibt dem Rohr sehr spezielle Eigenschaften, von denen eine hohe Zugfestigkeit in Verbindung mit einer niedrigen Festigkeit in radialer Richtung besonders wichtige Eigenschaften für die vorliegende Erfindung sind. Rohre dieser Art sind auf dem Markt erhältlich.
• Das äußere Isolationsgehäuse 3 kann aus einem Elastomer bestehen, zum Beispiel einem Ethylenpropylen-Terpolymer (EPDM Gummi), welches auf dem Rohr 4 angebracht wird. Es kann auch aus einem schrumpfenden Kunststoff bestehen, zum Beispiel einem vernetzten Ethylenpropylen-Polymer oder einem vernetzten HD-Polyethylen, welches durch Schrumpfen auf dem Rohr 4 aufgebracht wird. Das Isoliergehäuse 3 kann auch direkt durch Gießen oder Spritzgießen auf dem Rohr 4 geformt werden.
• Um eine luftfreie Verbindung zwischen dem Stapel aus ZnO Blöcken 1 und dem Rohr 4 zu erhalten, kann der Spalt zwischen dem Stapel und dem Rohr mit einer elektrisch isolierenden Verbindung ausgefüllt werden, zum Beispiel einer Epoxy- oder einer Siliconverbindung. Alternativ kann das Rohr 4 aus einem schrumpffähigen Kunststoffmaterial bestehen und auf dem ZnO-Stapel durch Schrumpfen aufgebracht werden.
• ZnO-Blöcke werden gewöhnlich mit einer großen Anzahl unterschiedlicher Querabmessungen (Durchmessern) hergestellt, um den Bau von Überspannungsableitern für verschiedene Strombereiche in wirtschaftlicher Weise herstellen zu können. Bei einem Überspannungsableiter gemäß der Erfindung kann es unter dem Gesichtspunkt der Herstellung ein Vorteil sein, wenn das zugtrodierte Rohr 4 mit ein- und demselben Außendurchmesser für alle Größen von ZnO-Blöcken hergestellt werden kann. Rohre, die für kleinere Blöcke bestimmt sind, werden dabei innen mit einer Anzahl Längsstegen zur Zentrierung des Blockes versehen, wobei die Zwischenräume zwischen den Stegen dann mit einer Siliconverbindung oder dergleichen ausgefüllt werden.
• Im Falle eines Fehlers im Inneren des Überspannungsableiters, der zu einem Kurzschluß führt, wird das Rohr 4 bei einem relativ niedrigen inneren Überdruck in kontrollierter Weise in Längsrichtung zerbersten. Das Risiko von Explosionen, die für Menschen gefährlich sind, wird dadurch ausgeschaltet.

Claims (6)

1. Überspannungsableiter mit einem Stapel aus einer Vielzahl von zylindrischen Ableiterelementen (1), die vorzugsweise aus Metalloxyd-Varistor-Material hergestellt sind und die in axialer Richtung der Ableiterelemente hintereinander zwischen zwei Endelektroden (2) angeordnet sind und von einem langgestreckten äußeren Gehäuse (3) umgeben sind, welches aus isolierendem Polymermaterial besteht, wobei zur mechanischen Verstärkung ein Rohr (4) aus faserverstärktem Kunststoff zwischen dem Stapel aus Ableiterelementen (1) und dem Isoliergehäuse (3) aus Polymer angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das faserverstärkte Kunststoffrohr (4) durch Zieh-Strangpressen, sogenannte Pultrusion, hergestellt ist, wobei alle Verstärkungsfasern sich in axialer Richtung des Rohres (4) erstrecken.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Isoliergehäuse (3) durch Aufschrumpfen auf dem faserverstärkten Kunststoffrohr (4) aufgebracht ist.

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Isoliergehäuse (3) auf dem faserverstärkten Kunststoffrohr (4) durch direktes Anformen an dem Rohr mittels Spritzgießen oder Gießen aufgebracht ist.

4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kunststoffrohr (4) und dem Stapel aus Ableiterelementen (1) ein Spalt vorhanden ist, der mit einer isolierenden Masse, zum Beispiel einer Epoxi- oder Siliconmasse, ausgefüllt ist.

5. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffrohr (4) durch Aufschrumpfen auf dem Stapel aus Ableiterelementen (1) aufgebracht ist.

6. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffrohr (4) innen mit einer Anzahl Längsstege zur Zentrierung der Ableiterelemente (1) versehen ist, wobei die Zwischenräume zwischen den Stegen mit einer isolierenden Masse, zum Beispiel einer Siliconmasse, ausgefüllt sind.