CH646552A5

CH646552A5 - Over voltage protection appliance having a heat transmission device

Info

Publication number: CH646552A5
Application number: CH790879A
Authority: CH
Inventors: Earl William Stetson; Eugene Clement Skashaug
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1979-08-31
Publication date: 1984-11-30
Also published as: DE2934832A1; MX153330A; DE2934832C2; JPS5548901A; JPS6325481B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zinkoxid-Varistoren verwendet man bei Überspannungsschutzvorrichtungen zum Ableiten von Überströmen, während man die Arbeitsfähigkeit unter Netzspannungsbedingungen aufrecht erhält. Diese Varistoren haben einen.hohen Exponenten «n» im Spannungs/Strom-Verhältnis I = KV" eines Varistors, worin I den Strom durch den Varistor bedeutet, K eine Konstante ist und V die Spannung am Varistor bedeutet. Zinkoxid-Varistoren mit hohem Exponenten können ausreichenden Widerstand bei normaler Netzspannung haben, 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 flies-sendem Überstrom auf einem Niveau hält, das niedrig genug ist, dass man eine Beschädigung der Isolierung der geschützten Vorrichtung durch die Spannung verhindert.

Weil die Varistoren ständig zwischen Netz und Masse angeschlossen sind, fliesst ein kontinuierlicher Strom durch den Varistor, und der Strom bewirkt, dass eine geringe Energiemenge von den Varistoren bei normaler Netzspannung 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 Vorrichtung vorsehen, die die Wärme vom Varistor entfernt und ein thermisches Durchgehen verhindert. Die Vorrichtung muss nicht nur ein thermisches Durchgehen unter normalen Bedingungen verhüten können, sondern sie muss auch die Wärme verbrauchen können, die bei starken Überströmen entsteht. Bei einer wirksamen Vorrichtung zum Entfernen der Wärme aus den Varistorkörpern verwendet man ein mit Aluminiumoxid gefülltes Silikonharz. Jede einzelne Varistorscheibe giesst man in eine dicke Harzmasse ein, ehe man die Scheibe in das Überspannungsschutzgehäuse einführt. Die dicke Silikonmasse leitet die Wärme des Varistors ab und führt die Wärme vom Varistor zu den Wänden des Überspannungsschutzkörpers ab. Die Verwendung einer Silikoneinschlussmasse für wärmeableitende Zinoxid-Varistoren ist in den US-PSen 4 092 694 und 4 100 588 beschrieben.

Die Methode des Einschliessens mit Silikon ist ausserordentlich schwierig bei einer Herstellung in hoher Stückzahl durchzuführen. Die Varistorscheiben schliesst man in das Silikon mit einem Giess- bzw. Formarbeitsgang ein, und man muss einzelne Varistorscheiben oder ein Scheibenpaar in eine einzelne Form einführen, bevor man die Silikon-Einschluss-masse zugibt. Nachdem ein ausreichender Zeitraum zum Härten der Silikonmasse verstrichen ist, muss man danach die eingeschlossenen Scheiben manuell aus den Formen entfernen. Die hohen Materialkosten für die Menge der verwendeten Silikonmasse, wie auch der übliche Arbeitsgang des Formens in einer Form (mold-forming opération) machten die Verwendung von Zinkoxid-Varistoren in Überspannungsschutzvorrichtungen sehr teuer.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Überspannungsschutzvorrichtung mit einer verbesserten Wärmeableitungsfähigkeit bei stark verminderten Herstellungskosten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung gelöst.

Nachstehend wird die Erfindung durch Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Ansicht einer Überspannungsschutzvorrichtung, die eine Vielzahl von scheibenförmigen Zinkoxid-Varistoren aufweist.

Fig. 2 eine vergrösserte perspektivische Ansicht von oben auf einen Zinkoxid-Varistor von Fig. 1, der teilweise geschnitten ist;

Fig. 3 eine Frontalansicht, die teilweise geschnitten ist, einer Überspannungsschutzvorrichtung, die eine Wärmeübertragungseinrichtung gemäss der Erfindung aufweist;

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

Fig. 5 eine geschnittene Ansicht der Überspannungsschutzvorrichtung von Fig. 3 durch die Ebene 5-5 ;

Fig. 6 eine geschnittene Seitenansicht einer Wärmeübertragungseinrichtung gemäss der Erfindung;

Fig. 7 eine Seitenansicht der Wärmeübertragungseinrichtung von Fig. 6;

Fig. 8 eine vergrösserte Ansicht eines Querschnitts der Wärmeübertragungseinrichtung des Varistors innerhalb der Überspannungsschutzvorrichtung von Fig. 3 ;

Fig. 9 eine Ansicht von oben einer weiteren Ausführungsform der Varistor-Wärmeübertragungseinrichtung gemäss der Erfindung;

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Fig. 10 eine perspektivische Ansicht von oben einer weiteren Ausführungsform der Varistor-Wärmeübertragungseinrichtung von Fig. 9, und

Fig. 11 eine geschnittene Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Wärmeübertragungseinrichtung gemäss der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Überspannungsschutzvorrichtung 10, die 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.

Die Überspannungsschutzvorrichtung enthält ferner einen Gasraum 17, der für das Freiwerden von Gas im Falle eines Versagens des Varistors vorgesehen ist. Die Überspannungsschutzvorrichtung ist am unteren Ende mit Hilfe einer Bodenkappe 18 geschlossen, und elektrische Verbindungen zum Boden der Überspannungsschutzvorrichtung sind mit Hilfe eines Bodenanschlusses 14 vorgesehen. Die Varistoren 16, die man in dieser Vorrichtung verwendet, sind vom Typ, der aus einer gesinterten Scheibe 19 einer Zinkoxidmasse besteht, wie in Fig. 2 gezeigt ist, und der mit je einer Elektrodenschicht 20 auf der oberen und unteren Stirnfläche versehen ist.

Der Varistor 16 ist in einem Keramikring bzw. -kragen 21 eingeschlossen, der eine Entladung verhindert, die zwischen den Elektrodenschichten entlang des Umfangs des Varistors und unter Umgehung der Zinkoxidmasse eintreten könnte.

Zur Übertragung der Wärme, die im Varistorkörper während des Betriebes in einer Überspannungsschutzvorrichtung erzeugt wird, die derjenigen von Fig. 1 ähnelt, verwendet man die Wärmeübertragungseinrichtung von Fig. 3. Die Vorrichtung 10 von Fig. 3 ähnelt derjenigen von Fig. 1, und gleiche Bezugsziffern werden zur Bezeichnung ähnlicher Elemente verwendet. Wärmesenkenscheiben 23 mit einer hohen Wärmekapazität und die Varistoren 16 sind von flexiblen elastischen Hülsen 22 umgeben, so dass man die Varistoren in engem thermischen und elektrischen Kontakt miteinander und mit den Endkappen mit Hilfe der Feder 15 hält. Die flexible elastische Hülse 22 hält man in thermischem Kontakt mit dem Porzellangehäuse 11 mit Hilfe eines Füllkörpers 24, den man zwischen das Gehäuse 11 und die Wärmeübertragungseinrichtung einführt, die aus der elastischen Hülse 22 und der Wärmesenkenscheibe 23 auf dem Varistor 16 besteht. Bei der Ausführungsform von Fig. 3 kann die Wärmesenkenscheibe 23 aus einem Stoff mit hoher Wärmekapazität bestehen, z.B. aus Stahl.

Wenn ein Überstrom durch einen typischen Zinkoxid-Varistor fliesst, steigt die Temperatur des Varistors gleichsinnig mit der Energiemenge, die vom Varistor absorbiert wird, und gegensinnig sowohl mit der Masse als auch der spezifischen Wärme des Varistors. Wenn die Temperatur des Varistors ansteigt, steigt der Energieverbrauch des Varistors bei normaler Spannung, wie in Fig. 4 gezeigt, worin die Fähigkeit A zum Wärmeverbrauch der Überspannungsschutzvorrichtung mit dem Energieverbrauch B des Varistors pro Belastungseinheit bei Betriebsspannung verglichen wird. Nach dem Durchfluss eines Hochüberstromes kann der benötigte Energieverbrauch der Varistoren derart ansteigen, dass der Energieverbrauch B des Varistors die Fähigkeit A zum Wärmeverbrauch des Überspannungsschutzes übersteigt, wie bei C gezeigt ist, so dass sich ein thermisches Durchgehen ergibt. Wenn man die Wärmesenke 23 verwendet, die man an den Varistor mit Hilfe der flexiblen elastischen Hülse 22 hält, wie in der Ausführungsform von Fig. 3 gezeigt ist, steigt die Temperatur des Varistors gleichsinnig 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 Wärme-flusses vom Varistor in die Wärmesenke. Den Temperaturanstieg des Varistors hält man nun auf einem ausreichend niederen Niveau, dass der Wärmefluss, der durch die Hülse 22 möglich ist, grösser als der Energieverbrauch des Varistors ist, so dass sich der Varistor wirksam auf eine normale Betriebstemperatur abkühlt. Das Funktionsverhältnis zwischen Füllkörper 24 und Varistor 16 ist in Fig. 5 gezeigt und umfasst einen Gasraum 9, der für eine Gasausdehnung im Fall eines Versagens des Varistors vorgesehen ist. Das Wärmeübertragungssystem von Fig. 3 ist genauer in den Figuren 6 und 8 zu sehen, worin der Varistor 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 Zinkoxidmasse aufweist und ferner eine Metallscheibe 23 aufweist, die man in thermischem Kontakt mit dem Varistor mit Hilfe 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 Stahlzusammensetzung auf, aber man kann auch andere Metalle, wie z.B. Eisen, Aluminium oder Kupfer, und andere Metallegierungen, wie auch andere wärmeleitende Massen mit einer relativ hohen Wärmekapazität verwenden.

Das Wärmeübertragungssystem von Fig. 6 ist in Fig. 7 gezeigt, worin die elastische Hülse 22 den Varistor 16 und die Wärmesenke 23 umgibt. Eine elektrische Verbindung erzielt man zwischen allen Varistoren in einer Serienanordnung einer Vielzahl von Varistoren mit Hilfe der Elektrodenschicht 20 des einen Varistors und der Metallscheibe 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 Körperkontakt.

Der Füllkörper 24, der den Varistor und die Metallwärmesenke in thermischem Kontakt innerhalb der Schutzvorrichtung von Fig. 3 hält, ist genauer in Fig. 8 gezeigt. 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 Schutzvorrichtungsgehäuse ein. Der Füllkörper 24 hat die Form eines «Hundeknochens», den man durch Anwendung von Zug auf beide Enden streckt und damit den Mittelteil des Füllkörpers länger werden lässt. Sobald man den Varistor, die Metallscheibe und die elastische Hülse innerhalb des Schutzvorrichtungsgehäuses angeordnet hat, entspannt man den Zug an den Enden des Füllkörpers und drückt das Varistorsystem direkt gegen das Gehäuse. Den Füllkörper 24 kann man zweckmässig aus einem flexiblen Polymeren herstellen, z.B. aus Silikonharz oder einem anderen gut wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Stoff.

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

Bei der erfindungsgemässen Wärmeübertragungseinrichtung kann man die Wärmeübertragungseigenschaften für jede . spezielle Varistor-Bedingung nach Mass anfertigen. Wenn man eine hohe Wärmekapazität zusammen mit einer guten Wärmeleitfähigkeit benötigt, kann man Metallegierungen nach Mass anfertigen, die den speziellen thermischen Bedingungen angepasst sind.

Die wichtigste Bedingung besteht darin, dass die Wärme vom Varistor weg mit hoher Geschwindigkeit abgeführt wird, und dass die Wärmespeicherkapazität der Wärmesenken-

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Scheiben ausreicht, einen übermässigen Temperaturanstieg des Varistors zu verhüten.

Der Zweck der elastischen Hülse ist der, dass man einen guten thermischen Kontakt sowohl zwischen dem Varistor und der Wärmesenke als auch mit der Porzellangehäusewand erzielt. Wenn man die elastische Hülse weglässt und die Wärmesenke mit einem hochschmelzenden Stoff, z.B. einer Metallegierung, haftend befestigt, kann man die Geometrie der Wärmesenke derart anpassen, dass sie besser der inneren Geometrie des Porzellangehäuses entspricht und wirksam die Wärme überträgt. Bei einigen Anwendungsformen kann man den Klebstoff weglassen und die Wärmesenke direkt den

Varistor berühren lassen. Die äussere Oberfläche der Wärmesenkenscheibe kann man mit der elastischen Hülse umfassen, so dass man einen guten thermischen Kontakt zwischen dem Gehäuse und der Wärmesenke erzielt, ohne dass man die 5 elektrisch leitende Wärmesenke direkt das Gehäuse berühren lässt.

Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, bei der die elastische Hülse 22 die Wärmesenkenscheibe 23 umgibt und der Varistor leicht innerhalb der Wärmesenke zum Einstellen zurück-10 versetzt ist. Die Wärmesenkenscheibe hat im Vergleich zum Varistor einen grösseren Durchmesser, so dass man eine Geometrie erzielt, die eng an die innere Geometrie des Gehäuses für eine wirksame Wärmeübertragung angepasst ist.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Überspannungsschutzvorrichtung mit Wärmeübertragungseinrichtung die aus mindestens einem scheibenförmigen Zinkoxid-Varistor innerhalb eines Schutzvorrichtungsgehäuses besteht, welcher Varistor auf jeder Stirnfläche eine Elektrodenschicht aufweist, gekennzeichnet durch :

a) eine Wärmesenke (23) in thermischem Kontakt mit mindestens einer Stirnfläche des Varistors (16), die die Wärme von dem Varistor ableitet, und b) eine elastische Hülse (22), die die Wärmesenke (23) und den Varistor (16) umfasst, thermischen Kontakt mit dem Gehäuse (11) herstellt und die Wärmesenke in Kontakt mit dem Varistor hält.

2. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Wärmesenke mit einer kreisförmigen Scheibe aus einem Stoff mit einer hohen Wärmekapazität.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine elastische Hülse aus einem Silikonharz.

4. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine kreisförmige Scheibe aus einem Metall.

5. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Metall aus der aus Kupfer, Aluminium und Eisen bestehenden Gruppe.

6. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine elastische Hülse aus einem flexiblen elektrisch isolierenden Stoff.

7. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Füllkörper (24) unmittelbar an der elastischen Hülse (22) enthält, der den Varistor (16) und die Wärmesenke in enger Nachbarschaft zum Gehäuse (11) hält.

8. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllkörper aus einer Harzmasse besteht, der zwischen die elastische Hülse und das Gehäuse eingeführt ist.

9. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Füllkörper aus einem Silikonharz.

10. Überspannungsschutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner einen Füllkörper aus einem Silikonharz enthält, der einteilig mit der elastischen Hülse (22') ausgebildet ist und den Varistor (16) und die Wärmesenke (23) in thermischem Kontakt mit der Gehäusewand (11) hält.