DE2934832C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeübertragungseinrich­ tung für wenigstens eine Varistorscheibe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Wärmeübertragungsein­ richtung ist in der US-PS 40 92 694 beschrieben. Dort ist jede Varistor­ scheibe von einer elastischen isolierenden Hülse umgeben, die elastisch an die Gehäuseinnenwand des Ableitergehäuses gedrückt ist.

In Überspannungsableitern werden Varistoren, insbesondere Zink­ oxid-Varistoren, verwendet zum Ableiten von Überströmen, wäh­ rend man die Arbeitsfähigkeit unter Netzspannungsbedingungen auf­ recht erhält. Diese Varistoren haben einen hohen Expo­ nenten "n" im Spannungs/Strom-Verhältnis I = KV ⁿ eines Varistors, worin I den Strom durch den Varistor bedeutet, K eine Konstante ist und V die Spannung am Varistor be­ deutet. Zinkoxid-Varistoren mit hohem Exponenten können ausreichenden Widerstand bei normaler Netzspannung ha­ ben, so daß sie den Strom durch den Varistor auf einen niederen Wert begrenzen; der Widerstand bei hohen Strömen ist jedoch gering, so daß man die Varistorspannung bei flie­ ßendem Überstrom auf einem Niveau hält, das niedrig genug ist, daß man eine Beschädigung der Isolierung der ge­ schützten Vorrichtung durch die Spannung verhindert.

Weil die Varistoren ständig zwischen Netz und Erde an­ geschlossen sind, fließt ein kontinuierlicher Strom durch den Varistor, und der Strom bewirkt, daß eine geringe Energiemenge von den Varistoren bei normaler System­ spannung und bei normaler Arbeitstemperatur verbraucht wird. Sowohl die Größe des Stromes als auch die Größe des sich ergebenden Energieverbrauchs steigen, wenn die Varistortemperatur steigt. Man muß daher irgendeine Vor­ richtung vorsehen, die die Wärme vom Varistor abführt und ein thermisches Durchgehen verhindert. Die Vorrich­ tung muß nicht nur ein thermisches Durchgehen unter nor­ malen Bedingungen verhüten können, sondern sie muß auch die Wärme abführen können, die bei starken Überströmen entsteht. Bei einer wirksamen Vorrichtung zum Abführen der Wärme aus den Varistorkörpern verwendet man ein mit Aluminiumoxid gefülltes Silikonharz. Jede einzelne Vari­ storscheibe gießt man in eine dicke Harzmasse ein, ehe man die Scheibe in das Überspannungsschutzgehäuse ein­ führt. Die dicke Silikonmasse leitet die Wärme des Vari­ stors ab und führt die Wärme vom Varistor zu den Wänden des Überspannungsschutzkörpers ab. Die Verwendung einer Silikonkapselmasse zur Wärmeableitung in Zinkoxid-Vari­ storen ist in den US-PS 40 92 694 und 41 00 588 be­ schrieben.

Die Methode der Silikonkapselung ist außeror­ dentlich schwierig bei einer Herstellung in hoher Stück­ zahl durchzuführen. Die Varistorscheiben kapselt man in das Silikon mit einem Gieß- bzw. Formarbeitsgang, wobei einzelne Varistorscheiben oder ein Scheibenpaar in eine einzelne Form eingebracht werden müssen, bevor man die Silikonmasse zugibt. Nachdem ein ausreichender Zeit­ raum zum Härten der Silikonmasse verstrichen ist, muß man danach die gekapselten Scheiben manuell aus den Formen entfernen. Die hohen Materialkosten für die Menge der ver­ wendeten Silikonmasse, wie auch der übliche Arbeitsgang des Formens machten die Verwendung von Zinkoxid-Varistoren in Überspannungsableitern sehr teuer.

Weiterhin ist es aus den US-PS 10 63 303 oder 28 70 307 bekannt, bei Widerstandseinrichtungen Metallschei­ ben als Wärmesenke zwischen Widerstandsscheiben anzuordnen.

Die DE-OS 26 20 245 beschreibt eine Varistorscheibe mit einem das Varistormaterial umgebenden Kragen, und die US-PS 33 10 766 beschreibt das Vergießen von Varistorstapeln in einem äußeren Gehäuse.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeübertragungseinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit einfachen und billigen Mitteln ein großes Wärmeableitvermögen von den Va­ ristorscheiben auf das Gehäuse des Überspannungsableiters er­ halten wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß die elastische Hülse, die sowohl den Vari­ storkörper als auch die Metallscheibe (Wärmesenke) umgibt, auftretende Wärme rasch vom Varistorkörper auf das wärme­ abstrahlende Ableitergehäuse überträgt.

Hierbei kann man die Wärmeübertragungseigenschaften an die Erfordernisse von jedem speziellen Varistor nach Maß anpassen. Wenn man eine hohe Wärmekapazität zusammen mit einer guten Wärmeleitfähigkeit benötigt, kann man Metallegierungen an­ passen, die den speziellen thermischen Erfordernissen genügen.

Wichtig ist hierbei, daß die Wärme vom Varistor mit hoher Ge­ schwindigkeit abtransportiert wird und daß die Wärmespeicher­ kapazität der Wärmesenkenscheiben ausreicht, einen übermäßigen Temperaturanstieg des Varistors zu verhüten.

Die elastische Hülse sorgt insbesondere dafür, daß ein guter thermischer Kontakt zwischen dem Varistor bzw. der Wär­ mesenke und der Porzellangehäusewand erzielt wird.

Die äußere Oberfläche der Wärmesenken-Scheibe ist von der elastischen Hülse umschlossen, so daß ein guter ther­ mischer Kontakt zwischen dem Gehäuse und der Wärmesenke er­ zielt wird, ohne daß die ggf. elektrisch leitende Wärmesenke mit dem Gehäuse in direkten Kontakt kommt.

Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine geschnittene Ansicht eines Überspannungsableiters gemäß dem Stand der Technik, der eine Vielzahl von Varistorscheiben aufweist,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht von oben auf die Zinkoxid-Varistorscheibe von Fig. 1, die teilweise geschnitten ist;

Fig. 3 eine Frontalansicht, die teilweise geschnitten ist, eines Überspannungsschutzes, der die Wärme­ übertragungseinrichtung gemäß der Erfindung aufweist;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Energieabführung eines Zinkoxid-Varistors als Funktion der Varistortemperatur;

Fig. 5 eine geschnittene Ansicht des Überspannungs­ schutzes von Fig. 3 durch die Ebene 5-5;

Fig. 6 eine geschnittene Seitenansicht eines Teils der Wärme­ übertragungseinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine Seitenansicht der Wärmeübertra­ gungseinrichtung von Fig. 6;

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht eines Querschnitts der Wärmeübertragungseinrichtung des Varistors inner­ halb des Überspannungsschutzes von Fig. 3;

Fig. 9 eine Ansicht von oben einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Varistor-Wärmeübertragungseinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht von oben einer weiteren Ausführungsform der Varistor-Wärmeüber­ tragungseinrichtung von Fig. 9.

Fig. 1 zeigt einen typischen bekannten Überspannungsableiter 10, der aus einem Porzellangehäuse 11 mit einer Kappe 12 am oberen Ende und einem Anschluß 13 am oberen Ende besteht, der elektrisch mit einer Vielzahl von Zinkoxid- Varistoren 16 mit Hilfe einer Feder 15 verbunden ist.

Der Ableiter 10 enthält ferner einen Gasraum 17, der für das Freiwerden von Gas im Falle eines Versa­ gens des Varistors vorgesehen ist. Der Überspannungs­ ableiter 10 ist am unteren Ende mit Hilfe einer Bodenkappe 18 geschlossen, und elektrische Verbindungen zum Boden des Ableiters sind mit Hilfe eines Bodenanschlusses 14 vorgesehen. Die Varistoren, die in dem Ableiter 10 verwendet sind, bestehen aus einer ge­ sinterten Scheibe 19 einer Zinkoxidmasse, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, und je einer Elektroden­ schicht 20 auf der oberen und unteren Stirnfläche.

Der Varistor ist in einem Keramikring bzw. -kragen 21 ein­ geschlossen, der eine Entladung verhindert, die zwischen den Elektrodenschichten entlang des Umfangs des Vari­ stors und unter Umgehung der Zinkoxidmasse eintreten könnte.

Zur Übertragung der Wärme, die im Varistorkörper während des Betriebes in einem Überspannungsableiter der in Fig. 1 gezeigten Art er­ zeugt wird, verwendet man die Wärmeübertragungseinrichtung von Fig. 3. Die Wärmesen­ kenscheiben 23 mit einer hohen Wärmekapazität und die Varistoren 16 sind von flexiblen elastischen Hülsen 22 umgeben; man hält die Varistoren in engem thermischen und elektrischen Kontakt miteinander und mit den Endkap­ pen mit Hilfe der Feder 15. Die flexible elastische Hülse 22 hält man in thermischem Kontakt mit dem Porzel­ langehäuse 11 mit Hilfe eines Positioniermittels (Einstellers) 24, das man zwischen das Gehäuse 11 und die Wärmeübertra­ gungseinrichtung einführt, die aus der elastischen Hülse 22 und der Wärmesenkenscheibe 23 auf dem Varistor 16 be­ steht. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 kann die Wär­ mesenken-Scheibe 23 aus einem Stoff mit hoher Wärmekapa­ zität bestehen, z. B. aus Stahl.

Wenn ein Überstrom durch einen typischen Zinkoxid-Vari­ stor fließt, steigt die Temperatur des Varistors gleich­ sinnig mit der Energiemenge, die vom Varistor ab­ sorbiert wird, und gegensinnig sowohl mit der Masse als auch der spezifischen Wärme des Varistors. Wenn die Temperatur desVaristors ansteigt, steigt die Energieableitung des Varistors bei normaler Spannung, wie in Fig. 4 gezeigt, worin das Wärmeableitungsvermögen A des Ableiters mit der Energieableitung B des Varistors pro Belastungseinheit bei Betriebsspannung verglichen wird. Nach dem Durchfluß eines großen Überstromes kann die erforderliche Energieableitung der Varistoren derart ansteigen, daß die Energie­ ableitung B der Varistoren das Ableitungsvermögen A des Überspannungsableiters übersteigt, wie es bei C gezeigt ist, so daß sich ein thermisches Durchgehen er­ gibt. Wenn man die Wärmesenke 23 verwendet, die gemeinsam mit dem Varistor von der flexiblen elastischen Hülse 22 umgeben ist, wie in der Ausführungsform von Fig. 3 gezeigt ist, steigt die Temperatur des Varistors gleichsin­ nig mit der Energiemenge, die vom Varistor absorbiert wird, und gegensinnig zu der Gesamtmasse und der spezifischen Gesamtwärme des Varistors 16 und der Wärmesenke 23 wegen des raschen Wärmeflusses vom Varistor in die Wärmesenke. Den Temperaturanstieg des Varistors hält man nun auf einem ausreichend niederen Niveau, so daß der Wärmefluß, der durch die Hülse 22 mög­ lich ist, größer als die Energieableitung des Varistors ist, damit sich der Varistor wirksam auf eine normale Betriebstemperatur abkühlt. Die funktionale Relation zwischen dem Einsteller 24 und dem Varistor 16 ist in Fig. 5 gezeigt. Ein Gasraum 9 ist für eine Gas­ ausdehnung im Fall eines Versagens des Varistors vorge­ sehen. Die Wärmeübertragungseinrichtung von Fig. 3 ist genauer in den Fig. 6 und 8 zu sehen, worin der Vari­ stor 16 je eine obere und untere Elektrodenschicht 20 auf der oberen bzw. unteren Stirnfläche der Zinkoxidmasse und einen Keramikring 21 rund um den Umfang der Zinkoxidmas­ se aufweist und ferner eine Metallscheibe 23 aufweist, die man in thermischem Kontakt mit dem Varistor mit Hil­ fe der elastischen Hülse 22 hält. Die Masse, die man für die elastische Hülse auswählt, ist ein Silikonharz mit einer hohen Flexibilität und einer guten Wärmeleitung. Wie beschrieben, weist die Metallscheibe 23 eine Stahl­ zusammensetzung auf, aber man kann auch andere Metalle, wie z. B. Eisen, Aluminium oder Kupfer, und andere Metallegie­ rungen, wie auch andere wärmeleitende Massen mit einer relativ hohen Wärmekapazität verwenden.

Die Wärmeübertragungseinrichtung gemäß dem Schnitt in Fig. 6 ist in Fig. 7 als Ansicht gezeigt, wobei die elastische Hülse 22 den Varistor 16 und die Wärmsenke 23 umgibt. Eine elektrische Verbindung erzielt man zwischen allen Varistoren in einer Serienan­ ordnung einer Vielzahl von Varistoren mit Hilfe der Elektrodenschicht 20 des einen Varistors und der Me­ tallscheibe 23 des nächsten nachfolgenden Varistors in der Serie. Bei einigen Anwendungsformen kann man auf den Keramikring 21 verzichten, und die elastische Hülse 22 sorgt einerseits für die elektrische Isolierung zwischen den Elektrodenschichten der Scheibe und hält andererseits die Metallscheibe und den Varistor in gutem Körperkon­ takt.

Der Einsteller 24, der über die Hülse 22 den Varistor und die Metall­ wärmesenke in thermischem Kontakt mit dem Gehäuse innerhalb des Ableiters von Fig. 3 hält, ist genauer in Fig. 8 ge­ zeigt. Sobald die elastische Hülse 22 um den Varistor und die Metallscheibe angepaßt ist, setzt man die Kombination aus der Metallscheibe und dem Varistor in das Ableiter­ gehäuse 11 ein. Der Einsteller 24 hat die Form eines "Hundeknochens", den man durch Anwendung von Zug auf beide Enden streckt und damit den Mittelteil des Einstellers länger werden läßt. Sobald man den Va­ ristor, die Metallscheibe und die elastische Hülse inner­ halb des Ableitergehäuses angeordnet hat, ent­ spannt man den Zug an den Enden des Einstellers und drückt das Varistorsystem direkt gegen das Gehäuse. Den Einsteller 24 kann man zweckmäßig aus einem flexiblen Polymeren herstellen, z. B. aus Silikonharz oder einem anderen gut wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Material.

Fig. 9 zeigt die elastische Hülse 22 und den Einsteller 24, wobei der Einsteller zwischen dem Varistor 16 und der Hülse gehalten wird. Fig. 10 zeigt eine Kombination aus der elastischen Hülse 22′ und einem Fortsatz 24′, die in einer einzigen einheitlichen Vorrich­ tung ausgebildet sind. Der Fortsatz 24′ hält ähnlich wie der Einsteller 24 auch diese Vorrichtung gegen das Gehäuse.

Claims (11)

1. Wärmeübertragungseinrichtung für wenigstens eine Va­ ristorscheibe, die innerhalb eines Ableitergehäuses angeordnet ist, eine Elektrodenschicht auf jeder Stirnfläche aufweist und von der wenigstens eine Stirn­ fläche mit einer Wärmesenke in thermischem Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (23) und die zugehörige Varistorscheibe (16) von einer elastischen Hülse (22) aus elektrisch isolierendem Material umschlossen sind, die in thermischem Kontakt mit dem Ableitergehäuse (11) steht.

2. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke (23) eine kreisförmige Scheibe aus einem Material mit einer hohen Wärmekapazität ist.

3. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Hülse (22) aus Silikonharz besteht.

4. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Scheibe aus Metall besteht.

5. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Kupfer, Aluminium oder Eisen ist.

6. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positioniermittel (24) unmittelbar neben der elastischen Hülse (22) angeordnet ist, daß die elastische Hülse (22) an die Gehäuseinnenwand andrückt.

7. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Positioniermittel (24) einen Körper aus einer Harzmasse aufweist, der zwischen die elastische Hülse (22) und das Ableitergehäuse (11) einsetzbar ist.

8. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Positioniermittel (24) aus Silikonharz besteht.

9. Wärmeübertragungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Positioniermittel (24) einteilig mit der ela­ stischen Hülse (22) ausgebildet ist und die Varistor­ scheibe (16) und die Wärmesenke (23) über die Hülse (22) in thermischem Kontakt mit der Gehäuseinnenwand hält.

10. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmesenke (23) Scheiben mit einem Durchmesser verwendet werden, der gleich dem Durchmesser der Varistorscheibe (16) ist.

11. Wärmeübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Varistoren Zinkoxid-Varistoren sind.