Ueberspannungsableiter

Abstract

 Der Überspannungsableiter enthält zwei längs einer Achse voneinander beabstandete Anschlussarmaturen (1, 2), zwischen denen mindestens ein zylinderförmiges Varistorelement (7) angeordnet ist. Die Anschlussarmaturen (1, 2) und das mindestens eine Varistorelement (7) sind miteinander unter Bildung von Kontaktkraft zu einem mechanisch stabilen Aktivteil des Überspannungsableiters verspannt. Das Aktivteil ist von einem Gussgehäuse (12) aus Isoliermaterial umhüllt.
Das Verspannen des Aktivteils wird durch mindestens zwei jeweils unabhängig voneinander auf die Anschlussarmaturen (1, 2) wirkende Schlaufen (5) erreicht. Die Schlaufen (5) sind mit Abstand zu dem mindestens einem Varistorelement (7) angeordnet. Die Anschlussarmaturen (1, 2) enthalten jeweils der Anzahl der Schlaufen (5) entsprechende und azimutal gleichmässig um die Achse verteilte Auflageflächen, auf denen jeweils ein Schlaufenende gelagert ist.
Der Überspannungsableiter weist trotz einfachen Aufbaus gute mechanische und elektrische Eigenschaften auf und kann in besonders kostengünstiger Weise hergestellt werden.

Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

[0001] Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Überspannungsableiter nach dem einleitenden Teil von Patentanspruch 1.

STAND DER TECHNIK

[0002] Die Erfindung nimmt dabei auf einen Stand der Technik Bezug, wie er sich beispielsweise aus EP 0335 480 B1 ergibt. Ein in diesem stand der Technik beschriebener Überspannungsableiter enthält mehrere übereinandergestapelte nichtlineare Widerstandselemente mit Varistorverhalten, welche zwischen zwei Stromanschlussarmaturen angeordnet sind. Eine um die Widerstandselemente und einen Teil der Anschlussarmaturen geführte Wicklung aus nichtleitendem Material verspannt die Anschlussarmaturen und die Widerstandselemente unter Bildung einer axial wirkenden Kraft. Diese Kraft ist zur Bildung eines Strompfades erforderlich, der beim Auftreten von Überspannung kurzzeitig hohe Ströme führen muss. Ein Gussgehäuse aus einem witterungsbeständigen Kunststoff umgibt die Widerstandselemente, die Wicklung und den überwiegenden Teil der Anschlussarmaturen.

[0003] Die Herstellung eines solchen Überspannungsableiters ist aufwendig, da die Widerstandselemente in einem Kunststoffrohr untergebracht sind, und da das Aufbringen der Wicklung zudem relativ kompliziert ist.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Der Erfindung, wie sie in Patentanspruch 1 angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsableiter zu schaffen, welcher trotz einfachen Aufbaus gute mechanische und elektrische Eigenschaften aufweist und welcher in besonders kostengünstiger Weise hergestellt werden kann.

[0005] Der Überspannungsableiter nach der Erfindung zeichnet sich gegenüber vergleichbaren Überspannungsableitern nach dem Stand der Technik dadurch aus, dass er trotz hervorragender mechanischer und elektrischer Eigenschaften einfach aufgebaut ist und daher in besonders wirtschaftlicher Weise hergestellt werden kann. Zu seiner Montage wird lediglich eine vorgefertigte und vorübergehend eine axiale Führung gewährleistende Schablone benötigt, in der die Anschlussarmaturen und das mindestens eine Varistorelement zunächst gestapelt und danach durch Anbringen der Schlaufen und Bilden einer Vorspannung zum mechanisch stabilen Aktivteil des Überspannungsableiters verbunden werden. Da hierbei die Schlaufen mit Abstand von dem mindestens einen Varistorelement angebracht sind, kann das Aktivteil bei der anschliessenden Herstellung des Gussgehäuses mit grosser Sicherheit spalt- und lunkerfrei umgossen werden. Daher weist der erfindungsgemässe Überspannungsableiter nicht nur gute mechanische, sondern auch gute elektrische Eigenschaften auf.

[0006] Die Schlaufen können bereits vorgefertigt sein und brauchen bei der Montage dann nur noch auf die Auflageflächen der Anschlussarmaturen geschoben zu werden. Besonders stabile und dennoch klein bemessene Schlaufen enthalten ein schlaufenförmig gewickeltes Band, welches mit Vorteil in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist. Die mechanische Stabilität des Aktivteils kann dann durch nachträgliches Verspannen der bei der Montage in der Schablone gestapelten Elemente, etwa mittels einer in einer der beiden Anschlussarmaturen vorgesehenen Klemmvorrichtung, erreicht werden oder aber durch Federelemente, die in dem in der Schablone angeordneten Stapel eingebaut und beim Anbringen der Schlaufen unter Bildung der erwünschten Kontaktkraft und damit auch der notwendigen mechanischen Stabilität vorgespannt werden.

[0007] Eine zusätzliche Klemmvorrichtung bzw. zusätzliche Federelemente können eingespart werden, wenn die Schlaufen jeweils durch ein elastisch deformierbares Band, etwa aus Glasfasern, gebildet werden. Das Band wird dann unter Bildung der Kontaktkraft und damit auch der mechanischen Stabilität des Aktivteils mit einer durch die Kontaktkraft vorgegebenen Vorspannung um die Anschlussarmaturen gewickelt und hierbei auf je einer der Auflageflächen jeder beiden Anschlussarmaturen gelagert.

[0008] Zweckmässigerweise sollte das gewickelte Band in eine Kunststoffmatrix eingebettet sein, welche nach dem Auflegen der Schlaufen auf die Auflageflächen durch Aushärten von härtbarem Kunststoff gebildet ist. Das Band ist mit Vorteil mit einem vorgelierten Kunststoff, etwa auf der Basis von Epoxid, imprägniert (Prepreg), welcher nach dem unter Vorspannung ausgeführten Wickeln ausgehärtet wird. Da ein derartiges Band gute Hafteigenschaften aufweist, entfallen bei seiner Verwendung Befestigungsvorrichtungen für das Bandende.

[0009] Die Auflageflächen auf den Anschlussarmaturen sollten vorzugsweise einen Abschnitt mit halbkreisförmigem Oberflächenprofil von möglichst grossem Kreisdurchmesser aufweisen, da dann die vom Band ausgeübte Spannkraft besonders gleichmässig von den Anschlussarmaturen aufgenommen und als homogen wirkende Kontaktkraft auf das mindestens eine Varistorelement übertragen wird. Die Auflageflächen können auf Ansätzen bzw. in Ausnehmungen der Anschlussarmaturen angeordnet sein, welche als Schulter bzw als Nut ausgebildet sind. Die Ausbildung als Nut ist hierbei besonders vorteilhaft, da eine Nut problemlos in eine üblicherweise verwendete, zylinderförmige Anschlussarmatur eingeformt werden kann und gleichzeitig eine besonders sichere Lagerung der zugeordneten Schlaufe gewährleistet.

[0010] Für eine gute mechanische Stabilität des Aktivteils reichen im allgemeinen an jeder Anschlussarmatur zwei diametral zueinander angeordnete Auflageflächen aus, auf denen jeweils eine von zwei Schlaufen gelagert ist. Zusätzliche Stabilität wird durch Verwendung von drei um ca. 120° azimutal um die Achse versetzt angeordnete Auflageflächen erzielt, auf denen jeweils eine von drei Schlaufen gelagert ist. Die Stabilität wird durch vier oder mehr mehr Auflageflächen pro Anschlussarmaturen gegebenenfalls noch geringfügig verbessert, jedoch bedingt dies einen zusätzlichen fertigungstechnischen Aufwand.

[0011] Im Strompfad zwischen den Anschlussarmaturen ist zweckmässigerweise mindestens ein bei der Bildung der Kontaktkraft verformbares Stromübergangselement vorgesehen. Hierdurch ist eine besonders sichere Kontaktierung und damit eine gute Stromtragfähigkeit des Stromüberganges zwischen zwei Varistorelementen oder der Anschlussarmatur und einem Varistorelement oder einer möglicherweise im Strompfad vorgesehenen Druckplatte gewährleistet. Als sehr günstig hat es sich herausgestellt, dass das Stromübergangselement als Scheibe ausgebildet ist und konzentrisch um die Achse geführte und in Stirnflächen der Scheibe eingeformte Rillen aufweist. Ein derart ausgebildetes Stromübergangselement dichtet nämlich die Stromübergangszonen im Aktivteil gegen das Eindringen von flüssigem Isolierstoff beim Giessen des Gehäuses des Überspannungsableiters ab.

[0012] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und die damit erzielbaren weiteren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0013] In den Zeichnungen sind die Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig.1

in Seitenansicht eine erste Ausführungsform des Überspannungsableiter nach der Erfindung, bei der das dem Betrachter zugewandte Teil des Gussgehäuses entfernt ist,

Fig.2

eine Aufsicht auf einen längs II-II geführten Schnitt durch die Ausführungsform des Überspannungsableiter gemäss Fig.1,

Fig.3

eine Draufsicht auf eine Anschlussarmatur der in Fig.1 dargestellten Ausführungsform des Überspannungsableiters nach der Erfindung,

Fig.4

eine Draufsicht auf eine Anschlussarmatur einer zweiten Ausführungsform des Überspannungsableiters nach der Erfindung,

Fig.5

eine Draufsicht auf eine Anschlussarmatur einer dritten Ausführungsform des Überspannungsableiters nach der Erfindung, und

Fig.6

eine Draufsicht auf eine Anschlussarmatur einer vierten Ausführungsform des Überspannungsableiters nach der Erfindung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0014] Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte, im wesentlichen zylindersymmetrisch ausgebildete Überspannungsableiter weist zwei vorzugsweise aus Aluminium bestehende und voneinander längs der Zylinderachse beabstandete Anschlussarmaturen 1, 2 auf. Die Anschlussarmatur 1 ist mit einer nicht dargestellten Befestigungsvorrichtung für einen elektrischen Leiter versehen. In der erdbaren Anschlussarmatur 2 ist eine axial ausgerichtete Gewindebohrung 3 vorgesehen, in der eine Druckschraube 4 in axialer Richtung verschiebbar geführt ist. 5 bezeichnet zwei Schlaufen aus gewickeltem, glasfaserverstärktem und in eine Kunststoffmatrix eingebetteten Band. Die Schlaufen sind mit ihren Enden in Nuten 6 geführt, welche in die Anschlussarmaturen 1 und 2 eingeformt sind. Die Nuten 6 bilden im Nutengrund jeweils Auflageflächen mit einem Abschnitt von halbkreisförmigem Oberflächenprofil, an den sich jeweils zwei axial erstreckte Abschnitte anschliessen (Fig. 2).

[0015] Zwischen den Anschlussarmaturen 1, 2 sind zylinderförmige Varistorelemente 7 aus nichtlinearem Widerstandsmaterial, etwa auf der Basis von Metalloxid, wie insbesondere von ZnO, angeordnet. In einer Aussparung der Anschlussarmaturen 1 ist eine scheibenförmige Druckplatte 8 aus Aluminium eingelegt. Zwischen dieser Platte und dem benachbarten Varistorelement 7, zwischen benachbarten Varistorelementen 7 und zwischen einer weiteren Druckplatte 9 aus Aluminium und einem weiteren Varistorelement 7 sind Stromübergangselemente angeordnet, welche jeweils als Scheibe 10 mit konzentrisch um die Achse geführten und in den beiden Stirnflächen der Scheibe eingeformten Rillen ausgebildet sind. Die Scheiben 10 sind mit Vorteil aus weichgeglühtem Aluminium gebildet.

[0016] Die Anschlussarmaturen 1, 2 sind teilweise, die Varistorelemente 7, die Druckplatten 8, 9 und die Schlaufen 5 sind vollständig von einem mit Schirmen 11 versehenen Gussgehäuse 12 aus Isoliermaterial umschlossen.

[0017] Zur Herstellung dieses Überspannungsableiters werden der Reihe nach die Anschlussarmatur 2, die Druckplatte 9, wechselweise die Scheiben 10 und die Varistorelemente 7, die Druckplatte 8 und die Anschlussarmatur 1 in einer Schablone übereinandergestapelt. Die Nuten 6 der beiden Anschlussarmaturen 1, 2 werden hierbei so ausgerichtet, dass sie miteinander fluchten (Fig.1). Sodann werden zwei vorgefertigte Schlaufen 6, welche vorzugsweise jeweils aus einem gewickelten, bandförmigen Prepreg bestehen, welches nach dem Wickeln ausgehärtet wurde, in die miteinander fluchtenden Nuten 6 eingehängt und durch Verdrehen der Druckschraube 4 Kraft auf die Druckplatte 9 und damit über die sich spannenden Schlaufen 5 auch auf alle übrigen Teile des Ableiteraktivteils ausgeübt.

[0018] Anstelle von zwei vorgefertigten Schlaufen können auch zwei Schlaufen verwendet werden, die während der Herstellung des Überspannungsableiters gebildet werden. Zur Bildung dieser Schlaufen werden zwei jeweils mit einer Vorspannkraft beaufschlagte Bänder um die beiden Anschlussarmaturen 1, 2 gewickelt und auf den Auflageflächen der beiden fluchtenden Nuten 6 abgelegt. Hierbei werden die beiden Anschlussarmaturen 1, 2 unter Bildung von Kontaktkraft fest miteinander verspannt und dadurch ein mechanisch stabiler Aktivteil des herzustellenden Überspannungsableiters gebildet. Für eine gute mechanische Festigkeit des Ableiteraktivteils reicht diese Verspannung im allgemeinen bereits vollständig aus. Bei der Verwendung von Bändern mit ausreichender Elastizität, wie sie etwa bereits aus Glasfasern gefertigte Bänder aufweisen, kann das Ableiteraktivteil daher lediglich aus den beiden Anschlussarmaturen 1, 2, dem mindestens einem Varistorelement 7 und den Schlaufen 5 bestehen.

[0019] Vorzugsweise sind diese Bänder Prepregs, insbesondere auf der Basis von Glasfasern und Epoxid. Prepregs weisen eine gute Haftwirkung auf. Aus den vorgespannten Prepregs gewickelte Schlaufen sind daher nach dem Wickeln auch ohne zusätzliche Befestigungsvorrichtung stabil und können nun bei erhöhten Temperaturen ausgehärtet werden. Hierbei bilden sich nun die Schlaufen 5, welche die Kontaktkraft und damit auch die mechanische Stabilität des Aktivteils bewirken und die aus dem gewickelten Band und einer das Band einbettenden, gehärteten Kunststoffmatrix bestehen.

[0020] Bei der Verwendung der Scheiben 10 wird durch die Verspannung der beiden Anschlussarmaturen 1, 2 neben einer guten Kontaktierung der einzelnen im Strompfad zwischen den beiden Anschlussarmaturen befindlichen Teile zugleich auch ein Anschmiegen der Rillen der Scheiben 10 an die Stirnflächen der Varistorelemente 7 und der Anschlussarmaturen 1, 2 sowie der gegebenenfalls vorgesehenen Druckplatten 8, 9 erreicht. Beim nachfolgenden Umgiessen des Ableiteraktivteils mit Isoliermaterial, vorzugsweise auf der Basis von Silikon, wird das Eindringen von flüssigem Isolierstoff zwischen die einzelnen im Strompfad befindlichen Teile so weitgehend vermieden.

[0021] Wie aus Fig.4 ersichtlich ist, können die Anschlussarmaturen anstelle von zwei Nuten auch zwei als Schultern 13 ausgebildete Ansätze aufweisen. Solche Ansätze können leicht in die Anschlussarmaturen 1, 2 eingeformt werden und erleichtern das Aufbringen der Schlaufen 5.

[0022] Aus den Figuren 5 und 6 ist ersichtlich, dass die Anschlussarmaturen gegebenenfalls auch drei jeweils um 120° versetzt angeordnete Nuten 6 oder Schultern 13 aufweisen können. Durch den Einbau solcher Anschlussarmaturen 1, 2 kann die mechanische Stabilität der Ableiteraktivteile bei vorgegebener Kontaktkraft zusätzlich erhöht werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0023] 

1, 2

Anschlussarmaturen

3

Gewindebohrung

4

Druckschraube

5

Schlaufen

6

Nuten

7

Varistorelemente

8, 9

Druckplatten

10

Scheiben

11

Schirme

12

Gussgehäuse

13

Schultern

Ansprüche

1. Überspannungsableiter mit zwei längs einer Achse voneinander beabstandeten Anschlussarmaturen (1, 2), mindestens einem zwischen den beiden Anschlussarmaturen (1, 2) angeordneten, zylinderförmigen Varistorelement (7), einer die Anschlussarmaturen (1, 2) und das mindestens eine Varistorelement (3) unter Bildung von Kontaktkraft verspannenden Vorrichtung aus Isolierstoff und einem die Anschlussarmaturen (1, 2), das mindestens eine Varistorelement (7) und die Spannvorrichtung zumindest teilweise umhüllenden Gussgehäuse aus Isoliermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung mindestens zwei jeweils unabhängig voneinander auf die Anschlussarmaturen (1, 2) wirkende und jeweils als Schlaufe (5) ausgebildete Spannelemente aufweist, dass die Schlaufen (5) mit Abstand zu dem mindestens einem Varistorelement (7) angeordnet sind, und dass die Anschlussarmaturen (1, 2) jeweils der Anzahl der Schlaufen (5) entsprechende und azimutal gleichmässig um die Achse verteilte Auflageflächen enthalten, auf denen jeweils ein Schlaufenende gelagert ist.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen jeweils einen Abschnitt mit halbkreisförmigem Oberflächenprofil aufweisen.

3. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen auf als Schulter (13) ausgebildeten Ansätzen mindestens einer der beiden Anschlussarmaturen (1, 2) angeordnet sind.

4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen in als Nut (6) ausgebildeten Ausnehmungen mindestens einer der beiden Anschlussarmaturen (1, 2) angeordnet sind.

5. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der beiden Anschlussarmaturen (1, 2) zwei diametral zueinander angeordnete Auflageflächen vorgesehen sind.

6. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der beiden Anschlussarmaturen (1, 2) drei um ca. 120° azimutal um die Achse versetzt angeordnete Auflageflächen vorgesehen sind.

7. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schlaufen (5) ein gewickeltes Band enthält.

8. Überspannungsableiter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gewickelte Band in eine Kunststoffmatrix eingebettet ist.

9. Überspannungsableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix vor dem Auflegen der Schlaufe (5) auf die Auflageflächen durch Aushärten von härtbarem Kunststoff gebildet ist.

10. Überspannungsableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix nach dem Auflegen der Schlaufen (5) auf die Auflageflächen durch Aushärten von härtbarem Kunststoff gebildet ist.

11. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Strompfad zwischen den beiden Anschlussarmaturen (1, 2) mindestens ein bei der Bildung der Kontaktkraft verformbares Stromübergangselement vorgesehen ist.

12. Überspannungsableiter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromübergangselement als Scheibe (10) ausgebildet ist und konzentrisch um die Achse geführte und in Stirnflächen der Scheibe eingeformte Rillen aufweist.

Zeichnung