DE3000394A1 - Waermeuebertragungsanordnung fuer ueberspannungsableiter und dafuer vorgesehenes gehaeuse - Google Patents

Description

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Wärmeübertragungsanordnung für überspannungsableiter und dafür vorgesehenes Gehäuse

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsanordnung für Überspannungsableiter sowie ein dafür vorgesehenes Gehäuse.

Zinkoxidvaristoren werden in Uberspannungsableitern benutzt, um einen Nebenschluß für Stoßströme zu bilden und dabei die Möglichkeit des Betriebes unter Netzspannungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Diese Varistoren haben einen großen Exponenten "n" in der Spannung-Strombeziehung I=KV für einen Varistor, wobei I der Strom durch den Varistor , K eine Konstante und V die Spannung an dem Varistor ist. Zinkoxidvaristoren mit großem Exponenten können einen ausreichenden Widerstand bei normaler Netzspannung haben, um dem Strom durch den Varistor auf einen niedrigen Wert zu begrenzen, wobei aber der Widerstand bei starken Strömen so ist, daß die Varistorspannung bei einem fließen-

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den Stoßstrom auf einem Wert gehalten wird, der niedrig genug ist, um die Beschädigung der Isolation der durch den Varistor geschützten Ausrüstung zu verhindern.

Da die Varistoren ständig zwischen Netz und Erde geschaltet sind, fließt ständig ein Strom durch den Varistor und dieser Strom bewirkt, daß bei normaler Systemspannung und normaler Betriebstemperatur eine kleine Energiemenge durch die Varistoren verbraucht wird. Die Größe sowohl des Stroms als auch der sich ergebenden Verlustleistung nimmt mit steigender Varistortemperatur zu. Es müssen deshalb Einrichtungen vorgesehen werden, um die Wärme von dem Varistor abzuführen, damit eine thermische Instabilität verhindert wird. Die Einrichtungen müssen nicht nur in der Lage sein, eine thermische Instabilität unter normalen Bedingungen zu verhindern, sondern auch die aus starken Stromstößen resultierende Wärme abzuführen. Bei einer wirksamen Einrichtung zum Abführen von Wärme von den Varistorkörpern wird ein mit Aluminiumoxid versetztes Siliconharz benutzt. Jede einzelne Varistorscheibe wird dick in das Harzmaterial eingegossen, bevor sie in das überspannungsableitergehäuse eingeführt wird. Das dicke Siliconmaterial dient als Wärmeableiter, über den die Wärme zu den Wänden des Überspannungsableiterkörpers gebracht wird. Die Verwendung einer Siliconvergußmasse als Wärmeableiter für Zinkoxidvaristoren ist in den US-PSen 4 092 694 und 4 100 588 beschrieben.

Ein weiteres Verfahren zum Kühlen von Zinkoxidvaristorscheiben ist in der DE-Patentanmeldung P 29 34 332.1 vorgeschlagen, wobei Zinkoxidvaristorscheiben mit einem Metallscheibenwärmeableiter versehen werden, der mittels einer flexiblen elastischen Hülse in seiner Lage festgehalten wird. Die Kombination aus Metallscheibe und Varistorkörper wird innerhalb des überspannungsableiterkörpers mittels eines elastischen Positionierteils und einer axial ausgeübten Federkraft in thermischem Kontakt gehalten. Die

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Metallscheibe führt während Stoßzuständen die Wärme schnell von dem Varistorkörper ab und überträgt die Wärme über die flexible elastische Hülse, die sowohl den Varistorkörper als auch die Metallscheibe umgibt, zu dem wärmeabstrahlenden überspannungsableitergehäuse. Die erforderliche Dicke der Metallscheiben führt zu einem Überspannungsableitergehäuse mit beträchtlich größerer Länge. Das Kontrollieren der Länge des Gehäuses ist eine wichtige Überlegung beim Bau von überspannungsableitern, weil die Wind- und Erdbebenfestigkeit stark von der Gehäuselänge abhängig sind. Darüber hinaus nehmen die Kosten und das Gewicht des Uberspannungsableiters mit zunehmender überspannungsableiterlänge zu.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine wirksame Wärmeübertragungsanordnung mit überspannungsableitergehäusen von annehmbarer Länge zu schaffen, die überlegene Wärmeübertragungseigenschaften hat.

Ein Doppelradiusüberspannungsableitergehäuse erfüllt mehrere Funktionen, indem es mehrere Zinkoxidvaristoren aufnimmt und für die Varistoren während normalen Betriebsbedingungen, überspannungs- und Stoßstrombedingungen als Wärmesenke dient. Eine flexible elastische Hülse, die jeden Varistor umgibt, sorgt für einen wirksamen thermischen Kontakt mit einer großen Fläche der Innenwand des überspannungsableitergehäuses.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in Draufsicht einen Zinkoxidvaristor,

der in dem Wärmeübertragungssystem nach der Erfindung verwendbar ist.

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Fig. 2 in Seitenansicht und teilweise im

Schnitt einen bekannten überspannungsableiter,

Fig. 3 eine Querschnittansicht der Wärme

übertragungsanordnung des überspannungsableiter s von Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenschnittansicht eines mit

einer Hülse versehenen Zinkoxidvaristors / der in der Wärmeübertragungsanordnung nach der Erfindung verwendbar ist/

Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht von

oben den mit einer Hülse versehenen Varistor von Fig. 4,

Fig. 6 eine Querschnittansicht einer Ausfüh

rungsform der Wärmeübertragungsanordnung nach der Erfindung/

Fig. 7 eine Querschnittansicht eines zweisäu-

ligen Überspannungsableitergehäuses nach der Erfindung,

Fig. 7A eine weitere Ausführungsform des Ge

häuses von Fig. 7, das einen überzug aus Siliconharz aufweist,

Fig. 8 eine Querschnittansicht des überspan

nungsableitergehäuses von Fig. 7, welches zwei Varistoren enthält,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform des über

spannungsableitergehäuses nach der Erfindung,

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Fig. 10 eine Querschnittansicht der Ausfüh

rungsform von Fig. 9, die einen mit einer Hülse versehenen Varistor enthält,

Fig. 10A eine Querschnittansicht eines über-

spannungsableitergehäuses nach der Erfindung, das eine modifizierte Geometrie hat, und

Fig. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwi

schen der Varistortemperatur und der Zeit nach einem transienten Stromstoß für unterschiedliche Berührungswinkel mit dem Varistorgehäuse zeigt.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Zinkoxidvaristoren, wie den Varistor 10, der in Fig. 1 gezeigt ist und aus einer gesinterten Scheibe aus Zinkoxidmaterial 11 besteht, die auf ihrem Umfang mit einem isolierten Keramikring 13 versehen ist, und aus einer oberen und einer unteren Elektrode 12 auf entgegengesetzten Stirnflächen. Wenn die Varistoren für den Oberspannungsschutz benutzt werden, sind sie im allgemeinen in einem überspannungsableiter 14 enthalten, der in Fig. 2 gezeigt ist und aus einem Porzellangehäuse 15 besteht, das eine obere Anschlußklemme 16 und eine untere Anschlußklemme 17 aufweist, über die mehrere Varistoren 10 innerhalb des Gehäuses elektrisch zugänglich sind. Dieser überspannungsableiter ist für Vergleichszwecke mit der Wärmeübertragungsanordnung nach der Erfindung gezeigt. Der Wärmeübertragungsmechanismus von Fig. 2, wie er in der vorgenannten DE-Patentanmeldung bereits vorgeschlagen ist, enthält eine elastische Hülse 18, die den Varistor 10 und einen metallischen Wärmeableiter 20 umgibt und ein Positionierteil 19 auf einer Seite sowie die Innenwand des Porzellangehäuses 15 auf der anderen

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Seite berührt. Der metalische Wärmeableiter leitet Wärme von dem Varistor schnell ab und überträgt die Wärme über die Siliconhülse 18 zu dem Gehäuse, wo sie an die Umgebung abgegeben wird. Der Mechanismus der Wärmeübertragung von dem Varistor und dem Wärmeableiter auf das Porzellangehäuse wird anhand der Darstellung von Fig. 3 noch deutlicher. Das Positionierteil 19 drückt den Varistor und den metallischen Wärmeableiter, der an der Unterseite des Varistors befestigt ist, in thermischen Kontakt mit der Innenwand des Gehäuses 15. Die Wärme geht dann von dem Varistor 10 und dem Wärmeableiter 20 über die elastische Hülse 18 zu dem Gehäuse 15. Der Raum 21 zwischen dem Varistor und der Gehäusewand dient für den Durchgang von Gas, das durch die innere Anordnung bei einem Varistorversagen erzeugt wird. Da die in dem Varistor und in dem metallischen Wärmeableiter enthaltene Wärme schließlich zu dem Gehäuse übertragen werden muß, um von diesem aus abgestrahlt zu werden, wird die Grenze des Wärmeübertragungswirkungsgrades der in Fig. 3 gezeigten Konfiguration durch die kleine Kontaktfläche zwischen der Anordnung aus dem Varistor und dem metallischen Wärmeableiter und dem Gehäuseinneren bestimmt. Die Erfindung verbessert den Wärmeübertragungswirkungsgrad zwischen den Varistoren und dem Gehäuse durch Ändern der Konfiguration des inneren Gehäuses, durch die der Kontaktwinkel zwischen dem Varistor und dem Inneren des Gehäuses beträchtlich vergrößert wird.

Fig. 4 zeigt einen Varistor 10 eines Typs, der dem in Fig. 1 gezeigten gleicht und eine obere und eine untere Elektrode 12 auf einer gesinterten Scheibe aus Zinkoxidmaterial aufweist, die von einem Keramikring 13 umgeben ist. Der Varistor hat weiter eine auf seinem Umfang angeordnete Hülse 18 aus einem elastischen Material, wie Siliconkautschuk. Die Hülse dient dem Zweck, einen guten Wärmekontakt zwischen dem Varistor 10 und dem umgebenden Gehäusegebilde zu fördern. Da die Varistoren innerhalb des Porzellangehäuses

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ohne irgendeinen zwischengeschalteten metallischen Wärmeableiter angeordnet werden, darf sich die Hülse 18 nicht über die gesamte Dicke des Varistors erstrecken, so daß die obere und die untere Elektrode 12 eines Varistors nicht daran gehindert werden, Elektroden an benachbarten Varistoren zu berühren. Diese Konfiguration ist in Fig. 5 gezeigt.

Fig. 6 zeigt die Wärmeübertragungsanordnung nach der Erfindung, in der ein Doppelradiusporzellangehäuse 15 einen Varistor 10 enthält, der von der elastischen Hülse 18 umgeben ist und ein Positionierteil 19 berührt. Das Positionierteil 19, das zwischen einer Seite des Prozellangehäuses 15 und einer Seite des Varistors 10 angeordnet ist, drückt den Varistor in festen thermischen Kontakt mit einem anderen Teil des Gehäuses. Es sei angemerkt, daß die Hülse 18 aus einem flexiblen Material hergestellt ist, das sich leicht der Form des inneren Gehäuses anpaßt, wenn es zusammengedrückt wird, wie es an der Stelle 18' gezeigt ist* Das Vorsehen des mit doppeltem Radius versehenen Inneren des Porzellangehäuses 15 wird unten noch ausführlicher erläutert. Der Kontaktwinkel a zeigt, daß eine viel größere Fläche des modifizierten Porzellangehäuses als bei der in Fig. 3 gezeigten Anordnung gemäß dem älteren Vorschlag berührt wird. Dieser größere Kontaktwinkel, der zwischen dem Varistor und dem modifizierten Porzellangehäuse vorhanden ist, gestattet, die Varistoren zu betreiben, ohne daß ein zusätzlicher metallischer Wärmeableiter vorgesehen wird und ohne daß das längere Gehäuse, wie bei der bekannten Anordnung, erforderlich ist.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Doppelradiusüberspannungsableitergehäuses 15, das zur Verwendung mit dem Wärmeübertragungssystem nach der Erfindung vorgesehen ist. Ein erster Radius r.. ist gleich dem ungefähren Radius des mit einer Hülse versehenen Varistors, um einen guten Kon-

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takt mit dem Gehäuse zu fördern. Der erste Radius r.. legt einen ersten Bereich A₁ fest, in den der mit einer Hülse versehene Varistor eingeführt wird. Ein zweiter Radius r₂, der einen zweiten Bereich A„ festlegt, bildet den Durchlaß für Gas während eines Varistorausfalls. Ein Doppelradiusgehäuse 15/ das einen überzug aus Hülsenmaterial 9 hat, das zur Verwendung von nicht mit einer Hülse versehenen Varistoren auf die Innenoberfläche aufgebracht ist, ist in Pig. 7A gezeigt.

Das Vorsehen von entgegengesetzten Flächen des Gehäuses mit einem Radius, der ungefähr gleich dem Radius eines mit einer Hülse versehenen Varistors ist, gestattet, zwei Varistoren in Parallelanordnung innerhalb des Gehäuses zu stapeln. Das ist in Fig. 8 gezeigt, gemäß welcher zwei mit einer Hülse versehene Varistoren 10 in dem Gehäuse 15 angeordnet und mit einem Positionierteil 19 versehen sind, das die Varistoren gegen das Gehäuse drückt. Jeder Varistor hat eine eigene Hülse 18, die die Wärmeübertragung zwischen den Varistoren und dem Gehäuse durch Ausfüllen der Zwischenräume, die zwischen dem Außenumfang des Varistors und dem Gehäuse vorhanden sind, fördert. Der Raum 21 ist, wie weiter oben beschrieben, für den Durchtritt von Gas vorgesehen, das durch beide Varistoren im Fall eines Varistorversagens erzeugt wird.

Fig. 9 zeigt ein modifiziertes überspannungsableitergehäuse 15 für einen einzelnen Varistor, das einen ersten Radius r₁ und einen zweiten Radius r₀ hat. Die Wärmeübertragungsanordnung für das Gehäuse von Fig. 9 ist in Fig. 10 gezeigt und enthält einen Varistor 10, eine elastische Hülse 18 und ein Distanzstück 19. Das Distanzstück 19 hält den Varistor 10 in gutem Wärmekontakt mit demjenigen Teil , des Varistorgehäuses, der durch den Radius r> festgelegt ist. Die in den Porzellangehäusen der Fig. 6-9 gezeigten Konfigurationen können veränderliche Grade des Berührungswinkels a je nach den thermischen Erfordernissen der Vari-

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stören haben. Je größer der Berührungswinkel ist, umso wirksamer ist die Wärmeübertragung zwischen den Varistoren und dem Gehäuse. Das ist in Fig. 11 gezeigt, in welcher repräsentative Varistorkühlkurven gezeigt sind, die durch Auftragen der Varistortemperatur über der Zeit im Anschluß an einen transienten Stromstoß erhalten worden sind. Die Temperatur eines Varistors in dem Uberspannungsableitergehäuse, das einen Kontaktwinkel von 10° zwischen dem Varistor und dem Gehäuse ergibt, ist bei A gezeigt. Es ist zu erkennen, daß die Varistortemperatur nach einem Stoß, der innerhalb der thermischen Fähigkeiten des Varistors liegt, sich einer konstanten Dauertemperatur nähert. Die Netzspannung an dem Varistor bestimmt in Verbindung mit dem Varistorstrom die Varistorverlustleistung im Dauerzustand, die ihrerseits die Varistortemperatur bestimmt.

Gemäß dem älteren Vorschlag in der eingangs erwähnten DE-Patentanmeldung beinhaltet die kritische Betriebsfolge eines ZnO-Überspannungsableiters einen transienten Stromstoß gefolgt von der Dauersystemspannung. Da der überspannungsableiter der zusätzlichen Energieeingabe aufgrund des Stoßvorganges ausgesetzt ist, muß er in der Lage sein, eine erhöhte Wattzahl und eine erhöhte Temperatur nach Rückkehr zu der Systemspannung auszuhalten. Wenn keine Wärmeübertragungseinrichtung vorgesehen wäre, könnten die Temperatur und die Wattzahl des Varistors ständig ansteigen, und zwar soweit, daß der Varistor einen thermischen Instabilitätszustand erreicht. Je schneller deshalb die Wärme von dem Varistor abgeführt wird, umso getinger ist die Wahrscheinlichkeit, daß es zur thermischen Instabilität kommt. Varistoren, die einen Kontaktwinkel von 90° haben, wie es bei B gezeigt ist, kühlen schneller ab als Varistoren, die einen Kontaktwinkel von 10° haben. Varistoren, die einen Kontaktwinkel von 180° haben, wie es bei C gezeigt ist, nähern sich der Dauerbetriebstemperatur mit

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noch größerer Geschwindigkeit. Fig. 11 zeigt deshalb, daß, je größer der Kontaktwinkel zwischen dem mit einer Hülse versehenen Varistor und dem überspannungsableitergehäuse ist, umso wirksamer die Wärmeübertragung von dem mit einer Hülse versehenen Varistor zu dem überspannungsableitergehäuse ist. Es ist, wie weiter oben beschrieben, äußerst wichtig, den Varistor schnell zu kühlen, weil es notwendig ist, die Zeit zu verringern, während der der Varistor einer Temperatur ausgesetzt ist, die nahe bei dem Zustand thermischer Instabilität liegt. Das ist weiter von Wichtigkeit, weil die Möglichkeit besteht, daß wiederholte transiente Stöße auftreten, während der Varistor noch auf einer erhöhten Temperatur ist. Eine ideale Situation wären Varistoren mit einem Kontaktwinkel von 360°. Das ist jedoch nicht machbar, weil es erforderlich ist, einen gewissen Raum für das Freisetzen von Gasen vorzusehen, die im Falle eines Varistorversagens erzeugt werden.

Die Doppelradiusmodifizierungen des Überspannungsableitergehäuses wurden zwar an Porzellanüberspannungsableitern vorgenommen, es können jedoch auch andere Isoliermaterialien zum Herstellen des Überspannungsableitergehäuses benutzt werden. Das Gehäuse kann aus Siliconharz oder aus anderen elektrisch isolierenden Harzen, wie Epoxy, gegossen oder extrudiert werden. Weiter kann im Rahmen der Erfindung die innere Geometrie eines gleichmäßig kreisförmigen Standardüberspannungsableitergehäuses modifiziert werden, indem durch Anbringen eines Überzuges oder Einführen eines Belages für große Berührungswinkel zwischen den mit einer Hülse versehenen Varistoren und dem Gehäuseinneren gesorgt wird. Ein Gehäuse 15, das ein Siliconmaterial 8 auf der Innenfläche zum Modifizieren der inneren Geometrie trägt, ist in Fig. 10A gezeigt. Die in den Fig. 6, 8 und 10 gezeigten Distanzstücke bestehen zwar aus einem Siliconharz ähnlich dem für die Hülsen benutzten, es können jedoch auch andere elektrisch isolierende und flexible Materia-

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lien benutzt werden. In einigen Verwendungsfällen kann es zweckmäßiger sein, einen Überzug aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material auf den gesamten Umfang des Varistors anstelle der elastischen Hülse aufzubringen oder das Material nur in der Nähe des Varistors, der mit dem Überspannungsableitergehäuse in Berührung ist, aufzubringen.

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Claims (11)

1. Patentansprüche :

   ( 1.jWärmeübertragungsanordnung für überspannungsableiter, gekennzeichnet durch ein elektrisch isoliertes Gehäuse (15) mit einem Durchlaß, der sich durch das Gehäuse erstreckt und durch eine Doppelradiuskonfiguration (r.₍ r₂) festgelegt ist, wobei der erste Radius (r..) dem Radius eines Zinkoxidvaristors (10) in dem Gehäuse angepaßt ist, während der zweite Radius (r~) einen Gasdurchlaßraum (21) schafft, und

   durch eine Wärmeübertragungseinrichtung (18) zwischen dem Varistor und einer Gehäusewand zum Ableiten von Wärme von dem Varistor in die Gehäusewand.
2. 2. Anordnung nach, Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Distanzstück (19), welches den Varistor (10) und die Wärmeübertragungseinrichtung (18) in Berührung mit der Gehäusewand drückt.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einander gegenüberliegende Flächen des Inneren des Gehäuses (15) mit dem ersten Radius (^₁) versehen sind.

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4. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung eine flexible Hülse (18) aufweist, die den Varistor (10) umgibt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible Hülse (18) ein Siliconharz aufweist.
6. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (19) ein Körper aus Siliconharz ist.
7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster und ein zweiter Varistor (10) innerhalb der einander gegenüberliegenden Flächen an dem Inneren des Gehäuses (15), die mit dem ersten Radius (r,.) versehen sind, angeordnet sind.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Varistoren (10) das Gehäuse (15) mit einem Kontaktwinkel (a) berühren, der von 10° bis 180° reicht.
9. 9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung (18) ein überzug aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material auf einem Teil des Varistors (10) aufweist.
10. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtung (9) eine Schicht aus thermisch leitendem und elektrisch isolierendem Material aufweist, die auf das Innere des überspannungsableitergehäuses (15) aufgebracht ist.
11. 11. Gehäuse für eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Porzellan, Silicon oder Epoxy ist.

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