SE432496B - Vermeoverforingsanordning for overspenningsavledare - Google Patents

Description

_ 7910320-6 Ett annat sätt för kylning av zinkoxidvaristorski- vor beskrivs i den svenska patentansökan 79 07268-2, varvid zinkoxidvaristorskivorna är försedda med en värmefälla i form av en metallskiva, som hålls på plats medelst en flexibel, elastisk hylsa. Kombinationen av metallskivan och varistorn hålls i termisk kontakt i avledarhöljet medelst ett elas- tiskt positionsorgan och en axiellt verkande fjäderkraft.

Metallskivan avlägsnar snabbt värme från varimmrkroppen under stötströmstillstånd och överför nämnda värme till det värme- strålande avledarhöljet via den flexibla hylsan, som omger både varistorkroppen och metallskivan. Den erforderliga tjockleken hos metallskivorna resulterar i ett avledarhölje med en förhållandevis stor längd. Det är emellertid av stort intresse att kunna hålla längden hos höljet för avledaran- ordningen liten, då vindbelastning och motstånd mot jord- skalv i hög grad är beroende på höljets längd. Dessutom ökar kostnaden och vikten för avledaren med dennas längd. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstade komma en effektiv värmeöverföringsanordning med överspän- ningsavledarhöljen med fördelaktig längd och överlägsna värmeöverföringsegenskaper.

Nämnda mål uppnås enligt uppfinningen medelst ett hölje med två radier för en överspänningsavledare, som under fullgörande av flera funktioner inrymmer ett flertal gink- oxidvaristorer och verkar som en värmefälla för varistorer- na under normal funktion, överspänningstillstånd och stöt- strömstillstånd. En flexibel, elastisk hylsa kan omge varje varistor för åstadkommande av effektiv termisk kontakt med en stor yta av avledarhöljets innervägg. I Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan under hänvisning till de såsom exempel på bifogade ritningar visa- de utföringsformerna.

Fig. l är en perspektivvy över en zinkoxidvaristor för användning i värmeöverföringsanordningen enligt uppfin- ningen.

Fig. 2 är en sidovy, delvis i sektion, över en tidiga- re känd överspänningsavledaranordning. 7910320-6 Fig. 3 är en tvärsektion genom överföringsanordningen enligt fig. 2.

Fig. 4 är en sidosektion genom en med hylsa försedd zinkoxidvaristor för användning tillsammans med värmeöver- föringsanordningen enligt uppfinningen.

Fig. 5 är en perspektivvy över varistorn enligt fig. 4.

Fig. 6 är en tvärsektion genom en utföringsform av värmeöverföringsanordningen enligt uppfinningen.

Fig. 7 är en tvärsektion genom ett med två kolumner försett avledarhölje enligt uppfinningen.

Fig. 7A är ytterligare en utföringsform av höljet enligt fig. 7 försett med en inre beläggning med kiselharts.

Fig. 8 är en tvärsektion genom avledarhöljet enligt fig. 7 innehållande ett par varistorer.

Fig. 9 är ytterligare en utföringsform av avledar- höljet enligt uppfinningen.

Fig. l0 är en tvärsektion genom utföringsformen enligt fig. 9 innehållande en med en hylsa försedd varistor.

Fig. 10A är en tvärsektion genom ett avledarhölje med en modifierad geometri enligt uppfinningen.

Fig. ll är en kurva representerande förhållandet mel- lan varistortemperatur och tid efter en transient strömstöt för olika kontaktvinklar med varistorhöljet.

Uppfinningen hänför sig allmänt till zinkoxidvaris- torer, såsom en varistorl0 enligt fig. l innefattande en sintrad skiva av zinkoxidmaterial ll med en isolerad kera- misk krage l3 anordnad runt skivans periferi och ett par topp- och bottenelektroder 12 på motstâende ytor. Då varis- torerna utnyttjas för överspänningsskydd ingår de vanligen i en avledare 14 enligt fig. 2, vilken innefattar ett por- slinshölje 15 med ett par topp- och bottenanslutningar 16, 17 för åstadkommande av elektrisk kontakt med ett flertal varistorer l0 i höljet. Avledaren är ur jämförelsesynpunkt visad med en värmeöverföringsanordning enligt uppfinningen.

Värmeöverföringsmekanismen enligt fig. 2 innefattar, såsom beskrivs i den ovan nämnda svenska patentansökan, en elas- tisk hylsa 18 omgivande varistorn 10 och den av metall ut- 7910320-6 4 förda värmefällan 20 och står vid ena sidan i kontakt med ett positionsorgan 19 och vid den andra sidan i kontakt med den inre väggen hos porslinshöljet 15. Värmefällan av metall avlägsnar snabbt värme från varistorn och överför denna via kiselhylsan 18 till höljet, där den avleds till omgivningen.

Mekanismen för värmöverföringen från varistorn och värme- fällan till porslinshöljet kommer nu att beskrivas under hänvisning till fig. 3. Positionsorganet 19 tvingar varis- torn och värmefällan av metall, som är förbunden med varis- torns bottenyta, till termisk kontakt med höljets 15 inner- vägg. Värme passerar därvid från varistorn 10 och värmefäl- lan genom den elastiska hylsan l8 till höljet 15. Utrymmet 21 mellan varistorn och höljets vägg tjänar som passage för gas som alstras vid varistorfel. Eftersom värme som inne- hålls i varistorn och värmefällan slutligen måste överföras till höljet för avledningsändamål bestäms gränsen för värme- överföringseffektiviteten hos en anordning enligt fig. 3 av den lilla kontaktytan mellan värmefällan av metall och höljets inneryta. Föreliggande uppfinning åstadkommer en ' förbättring av värmeöverföringseffektiviteten mellan varis- torerna och höljet genom ändring av den inre formen hos höljet för att väsentligt öka kontaktvinkeln mellan varis- torn och höljets inneryta.

I fig. 4 visas en varistor 10 av liknande slag som den som tidigare visats i fig. l och innehållande topp- och bottenelektroder 12 på en sintrad skiva av zinkoxidmaterial ll samt omgiven av en keramisk krage 13. varistorn innefat- tar vidare en omgivande hylsa 18 tillverkad av ett elastiskt _ material, såsom kiselgummi. Ändamålet med denna hylsa är att bidra till god termisk kontakt mellan varistorn 10 och den omgivande höljesstrukturen. Eftersom varistorerna är an- ordnade i porslinshöljet utan någon mellanliggande värme- fälla av metall får hylsan 18 ej sträcka sig över hela va- ristorns tjocklek, så att topp- och bottenelektroderna hos en varistor förhindras att komma i kontakt med elektroderna hos intilliggande varistorer. Detta utförande visas i fig. 5 .

Fig. 6 visar värmeöverföringsanordningen enligt upp- finningen, varvid ett porslinshölje med dubbla radier inne- 79110320-6 håller en varistor 10, som är omgiven av den elastiska hyl- san l8 och står i kontakt med ett positionsorgan 19. Nämnda positionsorgan är anordnat mellan en sida av porslinshöljet l5 och en sida av varistorn 10 och tvingar varistorn till tät termisk kontakt med ett annat parti av höljet. Det bör noteras, att hylsan 18 är tillverkad av ett flexibelt ma- terial, som enkelt anpassar sin form till höljets inneryta, då det komprimeras sásom'visas vid l8'. Utnyttjandet av dubbla radier för porslinshöljets 15 inneryta kommer att diskuteras i detalj nedan. Kontaktvinkeln a visas sträcka sig över en mycket större yta hos det modifierade porslins- höljet än vid den tidigare kända anordningen enligt fig. 3.

Denna större kontaktyta mellan varistorn och det modifi- erade porslinshöljet medger varistorerna att arbeta utan utnyttjandet av en extra värmefälla av metall och utan att kräva en förlängning av höljet, såsom var fallet vid den tidigare utformningen. _ Fig. 7 visar en utföringsform med ett avledarhölje 15 med dubbla radier för användning vid en värmeöverförings- anordning enligt uppfinningen. En första radie betecknad rl är i huvudsak anpassad till radien hos den med en hylsa försedda varistorn, för att bidra till god kontakt med höljet. Den första radien rl definierar en första yta Al inom vilken den hylsförsedda varistorn införes. En andra radie r2 definierar en andra yta A2, som medger passage av gas vid varistorfel. Ett hölje 15 med dubbla radier med en beläggning av hylsmaterial 9 anordnad på innerytan för användning tillsammans med vædstorer utan hylsor visas i fig. 7A.

Utförandet av motstående ytor hos höljet med en radie väsentligen överstämmande med radien för en varistor med hylsa medger att två varistorer kan anordnas paral- lellt i höljet. Detta visas i fig. 8, i vilken ett par med hylsor försedda varistorer 10 är anordnade i höljet 15, som innehåller ett positionsorgan 19 för att pressa varis- torerna mot höljet. Varje varistor innehåller en individuell hylsa 18, som förbättrar värmeöverföringen mellan varisto- 79110320-6 rerna och höljet genom att fylla tomrummen som förekommer mellan den yttre periferin hos varistorn och höljet. Ett utrymme 21 är anordnat såsom beskrivits tidigare för pas- sage av gas, som alstras av båda varistorerna i händelse av varistorfel.

Fig. 9 visar ett modifierat avledarhölje 15 för en enda varistor med en första radie rl och en andra radie r Värmeöverföringsanordningen för höljet enligt fig. 9 visas i fig. 10 och innefattar en varistor 10, en elastisk hylsa 18 och ett distansorgan 19. Distansorganet håller varistorn i god termisk kontakt med den del av varistor- höljet som definieras av radien rl. Utförandena av por-. slinshöljena enligt fig. 6-9 kan ha varierande grad av kontaktvinkel a beroende på termiska krav för varistorer- na. Ju större kontaktvinkel ju effektivare värmeöverföring erhålles mellan varistorerna och höljet. Detta visas i fig. ll, i vilken representativa varistorkylningskurvor visar varistortemperatur i förhållande till tid efter en tran- sient strömstöt. Temperaturen för en varistor i avledar- höljet med en kontaktvinkel på 100 mellan varistorn och höljet visas vid A. Det framgår att varistortemperaturen, efter en strömstöt som ligger inom den termiska kapaciteten för varistorn, närmar sig en konstant temperatur. Lednings- spänningen över varistorn i kombination med varistor- strömmen bestämmer varistorns wattförlust under stationära tillstånd, vilket i sin tur bestämmer varistortemperaturen.

Såsom beskrivs i den ovan nämnda svenska patent- ansökan innefattar den kritiska funktionssekvensen för en zinkoxidavledare en transient strömstöt följd av stationär systemspänning. Eftersom avledaren utsätts för ytterligare energitillförsel från strömstöten, måste den kunna motstå en förhöjd wattförbrukning och temperatur vid återgång till systemspänningen. Om inga värmeöverföringsorqan ut- nyttjades skulle varistortemperaturen och wattalet kon- tinuerligt öka i sådan utsträckning, att varistorn när ett termiskt lavinartat tillstånd. Ju snabbare värme avlägsnas från varistorn ju mindre blir således risken för att ett 79Ä1032Û-6 lavinartat termiskt tillstånd skall uppstå. Varistorer med en kontaktvinkel på 900, såsom visas vid B, avkyls snabbare än varistorer med en kontaktvinkel på 100. Varistorer med en kontaktvinkel på 1800, som visas vid C, närmar sig den stationära funktionstemperaturen än snabbare.

Pig. ll visar således att ju större kontaktvinkeln mellan den med en hylsa försedda varistorn och avledar- höljet är ju effektivare blir värmeöverföringen från varis- torn till höljet. Såsom beskrivits tidigare är det av stor betydelse att kyla varistorn snabbt, eftersom det är nöd- vändigt att reducera den tid som varistorn är exponerad för en temperatur nära den som leder till ett termiskt lavin- artat tillstånd. Detta är vidare betydelsefullt, eftersom risken för upprepade transienta strömstötar uppstår, då varistorn alltjämt befinner sig vid en förhöjd temperatur.

En ideal situation skulle erhållas för varistorer med en kontaktvinkei på 3eo°. Detta är emeiiertia ej möjligt till följd av kraven på att utnyttja en viss del av volymen för avledning av gaser som denereras i händelse av varistorfel.

Modifieringen av avledarhöljen med dubbla radier har utförts på avledaranordningar av porslinstyp fastän även andra isoleringsmaterial kan utnyttjas för bildande av av- ledarhöljen. Höljet kan gjutas eller strängsprutas av kiselharts eller av annat elektriskt isolerande harts¿ såsom epoxi. Det ligger vidare inom uppfinningens ram att modi- fiera innergeometrin hos ett likformigt cirkulärt standard- hölje genom beläggning eller införing av vissa organ för â- stadkommande av en större kontaktvinkel mellan med hylsor försedda varistorer och höljets inneryta. Ett hölje 15 med en viss mängd kiselmaterial 8 anordnat på innerytan för att modifiera innergeometrin visas i fig. 10A. Fastän utfyll- nadsorganen visade i fig. 6, 8 och l0 innefattar ett kisel- harts liknande det som utnyttjas för hylsorna kan även andra elektriskt isolerande och flexibla material utnyttjas. I vissa tillämpningar kan det vara lämpligare att anbringa en beläggning av termiskt ledande och elektriskt isolerande material runt hela varistorns omkrets i stället för den 7910320-6 elastiska hylsan eller att endast pålägga nämnda material över den del av varistorn, som står i kontakt med avledar- höljet.

Claims (11)

7910320-6 9 Patentkrav

1. Värmeöverföringsanordning för överspänningsavledare, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar ett elek- triskt isolerande hölje (15) med en passage sträckande sig därigenom som definieras av dubbla radier (rl, r2), att den första radien (rl) är anpassad efter radien hos en i höljet (15) anordnad zinkoxidvaristor (10) och den andra radien (rz) ger upphov till en gastransportkanal, samt att värmeöverföringsorgan (18; 8; 9) är anordnade mellan varis- torn (10) och en vägg hos höljet (15) för bortledning av värme från varistorn till höljesväggen.

2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar ett positionsorgan (19) för att tvinga varistorn (10) och nämnda värmeöverföringsorgan (18) till kontakt med höljesväggen.

3. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att motstående innerytor hos höljet (15) är utförda med den första radien (rl)_

4. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a,d av att nämnda värmeöverföringsorgan (18) innefattar en flexibel hylsa omgivande varistorn (10).

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av att den flexibla hylsan (18) innefattar ett kiselharts.

6. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a~d av att nämnda positionsorgan innefattar en kropp (19) av kiselharts.

7. Anordning enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att ett par första och andra varistorer (10) är anord- nade vid de motstående innerytorna hos höljet (15), som är utförda med nämnda första radie (rl).

8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att varistorerna (ll) står i kontakt med höljet (15) över en kontaktvinkel på 10-1800.

9. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda värmeöverföringsorgan innefattar en belägg- ning (18) av termiskt ledande, elektriskt isolerande material på en del av varistorn (l0). 7910320-6 10

10. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda värmeöverföringsorgan innefattar ett skikt (8; 9) av termiskt ledande, elektriskt isolerande material pâlagt på innerytan hos avledarhöljet (15).

11. ll. Anordning enligt något av krav 1-10, k ä n n e- t e c k n a d av att materialet i höljet (15) är valt från gruppen innefattande porslin, kisel och epoxi.