Überspannungsabieiter und Herstellungsverfahren für einen Überspannungsabieiter

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsabieiter nach Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren für einen

Überspannungsabieiter nach Anspruch 8. Überspannungsabieiter werden im Mittelspannungs- und Hochspannungsbereich eingesetzt, um sog. Überspannungen, also Spannungen weit oberhalb der im Betrieb vorgesehenen Nennspannungen, sicher zu Erde abzuleiten. Hierdurch werden Schäden an Betriebsmitteln wie z.B. Transformatoren vermieden. Beispielsweise kann ein Überspannungsabieiter für Hochspannung an einer Freileitung angeordnet werden und bei Blitzeinschlag oder Kurzschluss unzulässig hohe Ströme zur Erde hin ableiten. Überspannungsabieiter weisen im Wesentlichen ein Gehäuse und Metalloxid-Widerstände auf, sog. Varistoren. Va- ristoren sind elektrische Widerstände, deren elektrischer Wi ^¬ derstandswert bis zu einer bauartbedingten Schwellenspannung sehr hoch und oberhalb der Schwellenspannung stark vermindert ist, so dass der Überspannungsabieiter zu einem guten elektrischen Leiter wird. Es werden z.B. Metalloxidwiderstände in Scheibenform übereinander in einem Gehäuse angeordnet und an den jeweiligen Enden des Gehäuses mit dem Hochspannungspotential und dem Erdpotential verbunden. Dabei ist der Überspan ^¬ nungsabieiter im Regelbetrieb kaum leitend, so dass nur ein geringer Leckstrom zur Erde fließt. Im Fehlerfall dagegen fließt ein hoher Ableitstrom.

Das Gehäuse dient dem Schutz der Widerstände gegen äußere Einflüsse und mechanische Beanspruchungen. Unterschieden wird zwischen Porzellan- und Polymer-Geräten. Polymergehäuse be- stehen üblicherweise aus unterschiedlichen Materialien. Versteifungselemente im Inneren sorgen für die benötigte mecha ^¬ nische Festigkeit. Verschiedene Ausführungen der Verstei ^¬ fungselemente sind üblich: GFK-Stäbe, GFK-Rohre oder harzge- tränkte Glasfaserbänder oder -matten. Diese werden dann von einem weiteren Material, z.B. Silikon oder Ethylen-Propylen- Dien-Kautschuk (EPDM) , überzogen, um einen Schutz gegen Umwelteinflüsse sicherzustellen.

Aus der Druckschrift EP1436819B1 ist ein gattungsgemäßer Überspannungsabieiter bekannt. Der Überspannungsabieiter ist für die Mittelspannungsebene vorgesehen und weist mehrere Varistorenblöcke auf, die zu einer Ableitsäule übereinander gestapelt sind. Die Ableitsäule wird mechanisch stabilisiert, in dem Sie mit einem vorimprägnierten Fasermaterial umwickelt wird. Das Fasermaterial ist als ein Gewebe ausgeführt, d.h. dass sich einzelne Fasern des Materials alternierend über ^¬ kreuzen. Wenn das vorimprägnierte Fasermaterial ausgehärtet ist, wird ein herkömmliches Gehäuse aus Silikon mit Schirmen zur Verlängerung eines Kriechweges aufgebracht, z.B. durch ein Spritzgussverfahren.

Silikon ist durchlässig für Wasserdampf. Das führt im Betrieb dazu, dass ständig Wasserdampf in das Gehäuse hinein und aus dem Gehäuse heraus diffundieren kann. Angestautes Wasser kann zu Teilentladungen und/oder zur Erhöhung der Verlustleistung im Gerät führen. Beide Mechanismen verkürzen die Lebenszeit des Gerätes und führen zum vorzeitigen Ausfall. Besonders kritisch ist die Verhinderung des Eindringens von Feuchtig ^¬ keit bei Geräten, deren mechanische Verstärkung durch harzgetränkte Glasfaserbänder oder -matten hergestellt wird.

Dieses Design wird auch als „Wrap" bezeichnet. Im ersten Fer ^¬ tigungsschritt wird das Band oder die Matte um die Säule der Metalloxid-Widerstände gewickelt. Anschließend wird das umwickelte Aktivteil für eine definierte Zeit und bei einer definierten Temperatur (Herstellervorgabe für spezifisches Band, z.B. 3 h bei 150 °C) ausgehärtet. Dadurch wird die benötigte Festigkeit erreicht. Das ausgehärtete Aktivteil wird abschließend mit Silikon umgössen.

Ausgehend von dem bekannten Überspannungsabieiter stellt sich an die Erfindung die Aufgabe, einen Überspannungsabieiter an- zugeben, der vergleichsweise besonders witterungsbeständig, lange haltbar und kostengünstig herstellbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Überspannungs- ableiter gemäß Anspruch 1.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass bei Verwendung von Glasfasern mit höchstens 8 [im Durchmesser ein besonders witterungsbeständiger und lange haltbarer Überspannungsabieiter konstruiert werden kann. Das Problem des Ansammeins von Was ^¬ ser im Gehäuse von Überspannungsableitern mit umwickeltem Aktivteil lässt sich durch die Verkleinerung des Durchmessers der einzelnen Glasfasern verhindern. Versuche haben gezeigt, dass ein Durchmesser von 8 μιη oder weniger erforderlich ist. Dabei ist es unerheblich ob die Fasern im Band unidirektional verlaufen oder verwoben sind.

Bei der Herstellung des Bandes werden zunächst einzelne Glas ^¬ fasern (beispielsweise jeweils 4 Stück) zu Bündeln verdrillt. Je kleiner der Durchmesser der Fasern, umso stärker lassen sich die Fasern verdrillen und umso kleiner sind die verbleibenden Hohlräume. Diese Bündel werden im Anschluss verwendet um das Band herzustellen. Dabei bewirken die erfindungsgemäß vergleichsweise dünneren

Fasern, dass die Hohlräume zwischen den Fasern keine geeigne ^¬ te Durchtrittsfläche für Wasser mehr darstellen. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die dünneren Fasern besser verdrillen und Hohlräume damit vermieden bzw. klein gehalten werden. Da- durch wird die Verarbeitung einfacher und kostengünstiger, da das Umwickeln und Aushärten des Bandes unter Luft stattfinden kann .

Eine mögliche alternative Lösung ist das Aushärten des Bandes unter Vakuum, wodurch dem Band die Luft entzogen wird. Allerdings hat dies den gravierenden Nachteil, dass dadurch der Verarbeitungsprozess komplizierter und wesentlich teurer wird . Besonders bevorzugt ist es, wenn das Glasfasermaterial Glas ^¬ fasern mit einem Durchmesser von höchstens 7 [im aufweist. Dies bewirkt eine noch weiter verbesserte Haltbarkeit des Abieiters.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters ist der Überspannungsabieiter für Mittelspannungsanwendungen ausgebildet. Dies ist ein Vor- teil, weil gerade bei Mittelspannungsableitern ein besonders hohen Kostendruck auf den Herstellern lastet, weil Kunden sehr preisbewusst einkaufen. Aus diesem Grund ist der erfindungsgemäße Ableiter bei Mittelspannung besonders gut ein ^¬ setzbar, weil er lange haltbar ist und außerdem in der Her- Stellung kostengünstig, weil der teure und aufwendige Ar ^¬ beitsschritt der Vakuumierung zur Entfernung von Luftbläschen eingespart wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs- gemäßen Überspannungsabieiters weist das Glasfasermaterial einen Harzanteil von mehr als 21 Gewichtsprozent auf. Dies ist ein Vorteil, weil Versuche gezeigt haben, dass ein sol ^¬ ches Glasfasermaterial in Verbindung mit erfindungsgemäß dün ^¬ nen Glasfasern eine besonders gute Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweist. Ein hoher Harzanteil bedeutet ein stabiles Aushärten und auch Verschließen von Hohlräumen. Ein höherer Harzgehalt verringert außerdem die im ausgehärteten Band enthaltene Luft. Ein Harzanteil von mehr als 21 Ge ^¬ wichtsprozent kann z.B. nach dem chinesischen Standard JB/T 6236-2015 eingestellt werden, beispielsweise für ein Glasfa ^¬ sermaterial des Typs „2845-W". Dabei handelt es sich um ein Band, bei dem die Glasfasern unidirektional in Längsrichtung verlaufen . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters weist das Glasfasermaterial einen Anteil an flüchtigen Substanzen im Harz von weniger als 4 Gewichtsprozent auf. Dies ist ein Vorteil, weil Versuche gezeigt haben, dass ein solches Glasfasermaterial in Verbin ^¬ dung mit erfindungsgemäß dünnen Glasfasern eine besonders gu ^¬ te Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit aufweist. Flüchtige Substanzen sind Stoffe, die entweder bei bereits bei Raumtem- peratur oder beim Erwärmen des Glasfasermaterials zum Aushärten des Harzes verdampfen. Dies bewirkt Gaseinschlüsse im ausgehärten Glasfasermaterial, die unbedingt vermieden oder stark vermindert werden müssen, um eine gute Witterungsbe ^¬ ständigkeit zu erreichen. Ein Anteil an flüchtigen Substanzen im Harz von weniger als 4 Gewichtsprozent kann z.B. nach dem siehe chinesischen Standard JB/T 6236-2015 eingestellt wer ^¬ den, beispielsweise für ein Glasfasermaterial des Typs „2845- W" . In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters ist das Glasfasermaterial durch Umwickeln der Ableitersäule aufgebracht. Dies ist ein Vorteil, weil dies eine einfache und kostengünstige Herstel ^¬ lung des Ableiters ermöglicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters ist das Glasfasermaterial als ein Band ausgebildet, das eine geringere Breite als die Länge der Ableitersäule aufweist. Dies ist ein Vorteil, weil dies eine einfache und kostengünstige Herstellung des Ableiters ermöglicht. Ein solches Band kann einfach manuell durch einen Arbeiter oder eine entsprechende Wickelmaschine auf die

Ableitersäule aufgebracht werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters ist das Band ausgebildet mehr ^¬ fach um die Ableitersäule gewickelt. Dies ist ein Vorteil, weil eine besonders dichte Schicht um die Ableitersäule aus ^¬ gebildet wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters ist ein Gehäuse aus einem Ma ^¬ terial vorgesehen, dass zumindest anteilig Silikon aufweist. Dies ist ein Vorteil, weil Silikon ein kostengünstiges und lange erprobtes Gehäusematerial ist.

Ferner stellt sich ausgehend von bekannten Herstellungsver- fahren für Überspannungsabieiter an die Erfindung die Aufgabe, ein Herstellungsverfahren für einen Überspannungsabieiter anzugeben, das eine vergleichsweise kostengünstige Herstel ^¬ lung eines besonders witterungsbeständigen und lange haltba ^¬ ren Überspannungsabieiters ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen 9 bis 15 beschrieben. Es ergeben sich sinngemäß die gleichen Vorteile wie eingangs für den er- findungsgemäßen Überspannungsabieiter erläutert.

Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden eine bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsge ^¬ mäßen Überspannungsabieiters anhand von drei schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 einen Schnitt durch einen

Überspannungsabieiter, und Figur 2 zwei unterschiedliche Glasfasermaterialien, und

Figur 3 einen Zwischenschritt bei der Herstellung eines Überspannungsabieiters.

Die Figur 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Überspannungsabieiter 1. Der Überspannungsabieiter 1 weist ein Gehäuse 2 aus Silikon auf. Das Gehäuse 2 weist eine Be ^¬ schirmung 3 auf. Im Inneren des Gehäuses 2 befindet sich eine Ableitsäule, bestehend aus mehreren übereinander gestapelten Varistorscheiben 8. Am oberen und unteren Ende der Ableitsäule befindet sich jeweils eine Endarmatur 6. An der Endarmatur 6 ist ein Gewindebolzen 4 mittels einer Mutter 5 festgelegt. Die Ableitsäule mit Varistorscheiben 8 ist mit einem Glasfa ^¬ sermaterial 7 umwickelt, das Glasfasern mit höchstens 8 μιη Durchmesser aufweist. Das Glasfasermaterial 7 weist ein aus- gehärtetes Harz auf, so dass das Glasfasermaterial 7 die Ab ^¬ leitsäule mit Varistorscheiben 8 mechanisch stabilisiert und außerdem das Eindringen von Wasser durch das Gehäuse 2 zu den Varistorscheiben 8 wesentlich vermindert. Das Glasfasermaterial 7 ist besonders wasserundurchlässig, weil es einen Harzanteil von mehr als 21 Gewichtsprozent auf ^¬ weist. Dieser Effekt wird noch weiter dadurch verbessert, dass das verwendete Harz weniger als 4 Gewichtsprozent flüch ^¬ tige Substanzen aufweist.

Die Figur 2 zeigt zwei unterschiedliche Typen von Glasfaser ^¬ materialien 9, 10. Das Glasfasermaterial 9 weist einen Faser ^¬ durchmesser von 7 μιη auf. Das Glasfasermaterial 10 weist ei ^¬ nen Faserdurchmesser von 9 μιη. An den Enden 11 und 12 ist deutlich erkennbar, dass das Fasermaterial 9 mit dem ver ^¬ gleichsweise kleineren Faserdurchmesser von 7 μιη eine wesentlich feinere Faserstruktur aufweist. Diese feinere Faser ^¬ struktur wird durch eine bessere Verdrillung der einzelnen Glasfasern zu dem dargestellten Bandmaterial 9 bewirkt.

Die Figur 3 zeigt einen Zwischenschritt bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Überspannungsabieiters. Mehrere

Varistorscheiben 8 werden übereinander gestapelt, so dass eine Ableitsäule ausgebildet wird. An den Enden der Ableitsäule ist jeweils eine Endarmatur 6, 13 vorgesehen. Die Endarmatu ^¬ ren werden durch Druck in Richtung der Pfeile 16 zusammengedrückt. Hierdurch wird eine für die weitere Verarbeitung not ^¬ wendige Stabilität der Ableitsäule für das Umwickeln mit dem Glasfasermaterial 9 in Bandform bereitgestellt. Die Endarma- turen 6, 13 weisen jeweils eine ringförmige Einbuchtung 14 auf. Die ringförmige Einbuchtung 14 ermöglicht es, das Glas ^¬ fasermaterial-Band 9 fest um die Endarmatur zu wickeln und anschließend in leicht angeschrägter Form die gesamte Länge der Ableitsäule mit dem Band 9 zu umwickeln. Dargestellt ist ein Zwischenschritt, bei dem von links nach rechts ca. ein Viertel der Länge der Ableitsäule bereits mit dem Band 9 um ^¬ wickelt wurde.

Das Umwickeln erfolgt durch Drehung der Ableitsäule mit End ^¬ armaturen 6, 13 um die Achse 15 im Uhrzeigersinn. Wenn durch die Drehung und das gleichmäßige Umwickeln eine vollständige Lage des Bandes 9 über der Ableitsäule ausgebildet wurde, er- reicht das Band 9 auf der rechten Seite die Ausbuchtungen 14 der Endarmatur 13. Hier kann das Band wiederum fest eingerollt werden, so dass es in der Ausbuchtung 14 zu liegen kommt. Anschließend kann bei weiterer Drehung der Ableitsäule mit Endarmaturen 6, 13 um die Achse 15 das Band 9 in entge- gengesetzter Richtung, also in Richtung der Endarmatur 6, wiederum leicht angeschrägt gewickelt werden. Die nun in der anderen Richtung angeschrägte Wicklung kommt wiederum in der Einbuchtung 14 der Endarmatur 6 zu liegen. Durch das Umwickeln mit dem Band in einerseits nach rechts und andererseits nach links angeschrägter Wicklung wird eine besonders hohe mechanische Stabilität erzielt. Je nach gewünschter Dicke und mechanischer Stabilität der Glasfaserschicht 7 kann auch eine weitere oder mehrere weitere Wicklungen durchgeführt werden. In diesem Fall würden beispielsweise in alternierender Folge eine nach rechts angeschrägte, und eine nach links

angeschrägte, eine nach rechts angeschrägte und wiederum eine nach links angeschrägte Wicklung des Glasfaserbandes 9 auf der Ableitsäule zu liegen kommen.