CH630204A5 - Overvoltage protection apparatus - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzgerät mit mes aufgrund von nahen Blitzeinschlägen, aushalten kann, einem Varistor und einem dazu elektrisch parallel geschalteten Darüber hinaus soll sich die Erfindung durch eine kompakte Funkenstrecken-Überspannungsableiter mit im Abstand von- und damit raumsparende und induktivitätsarme, sowie in der einander angeordneten Elektroden. 60 Herstellung preisgünstige Bauweise auszeichnen. Die Span-

Unter einem Varistor versteht man einen spannungsabhän- nung am Verbraucher und am Varistor soll immer auf einen gigen Widerstand, dessen Widerstandswert mit zunehmender nahezu konstanten Wert begrenzt werden.

Spannung abnimmt. In der Regel haben Varistoren eine Zur Lösung dieser Aufgabe ist mit der Erfindung vorgese-

geknickte Spannungs-Widerstands-Kennlinie derart, dass zwi- hen, dass als Funkenstrecken-Überspannungsableiter eine blitz-schen dem Spannungswert Null und einem bestimmten Span- es stromtragfähige Luft-Überschlag-Funkenstrecke dient, deren nungswert der Widerstand sehr hoch und oberhalb des Luft-Überschlagstelle sich ausserhalb des Zwischenraumes bestimmten Spannungswertes sehr klein ist. zwischen den gegenüberliegenden Elektrodenflächen befindet

Funkenstrecken-Überspannungsableiter mit Luft- oder und dass der Varistor in einem Raum zwischen Teilen der bei-

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den Elektroden angeordnet ist und mit diesen in einer stromlei- auftretenden Stromkräfte zu bewältigen. Nachteiligerweise ist tenden Verbindung steht. Das erfindungsgemässe Überspan- aber auch diese Anordnung sehr raumaufwendig und teuer, nungsschutzgerät sichert bei Beibehaltung der ausserordent- Ausserdem verhindert, zumindest verzögert die Kunstharzlich kurzen Ansprechzeit des Varistors durch die Luft-Über- Vergussmasse die Abfuhr der im Überspannungsfall entstehen-schlag-Funkenstrecke die Ableitung auch sehr hoher Ströme, 5 den Stromwärme, insbesondere der Stromwärme am Varistor, wie sie bei Blitzeinschlägen auftreten. Im Gegensatz zum Auch diese Nachteile sind mit dem erfindungsgemässen Über-

Gasentladungsableiter fliesst bei einer Luft-Überschlag-Fun- spannungsschutzgerät vermieden.

kenstrecke der Strom als Überschlag aussen. Daher kann eine In einer bevorzugten und besonders einfachen Ausfüh-

Luft-Überschlag-Funkenstrecke ohne weiteres den hohen rungsform der Erfindung ist die Luft-Überschlag-Funken-

Strom aufgrund eines nahen Blitzeinschlages, z.B. in ein io strecke als Luft-Scheiben-Funkenstrecke ausgebildet.

Gebäude, und gegebenenfalls auch weitere Teilblitzströme Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung multipler Blitze ableiten, wobei der Varistor weitgehend von sieht vor, dass die beiden Elektroden der Luft-Überschlag-Fun-Strömen entlastet, d.h. nicht überlastet wird. Ein Zerreissen wie kenstrecke den Varistor umschliessen und dass als stromlei-bei den bekannten Gasentladungsableitern oder auch ein Ver- tende Verbindung die Stromleitung zum einen etwa in Rich-schweissen der Funkenstrecke findet nicht statt. Beim Auftre- is tung der Längsachse des Überspannungsschutzgerätes durch ten geringerer Überspannungen und entsprechend weniger die Elektroden und den Varistor hindurch, oder zum anderen hoher abzuleitenden Strömen spricht nur der Varistor als erste über beide Elektroden und deren Luft-Überschlagstellen und Schutzstufe an. In solchen Fällen ist der an ihm auftretende etwa in Richtung der Längsachse des Überspannungsschutzge-Spannungsabfall nicht hoch genug, um die Luft-Überschlag-Fun- rätes durch die Elektroden und den Varistor hindurch geht. Mit kenstrecke zum Überschlag zu bringen. Erst bei grösseren 20 dieser Anordnung umgeben die beiden Elektroden den Vari-Belastungen wird die Luft-Überschlag-Funkenstrecke als zweite stor in Art eines Gehäuses. Dies verstärkt nicht nur den erläu-Schutzstufe (Überlastschutz für den Varistor) wirksam. Luft- terten Vorteil der Kompaktheit, sondern auch den Vorteil einer Überschlag-Funkenstrecken haben eine praktisch horizontal möglichst direkten, gradlinigen Stromführung ohne die Bildung verlaufende Stosskennlinie, da ihre Ansprechspannungen zu von Schleifen und Induktivitäten. Auf Verdrahtungen zwischen kurzen Durchschlagszeiten hin nur geringfügig ansteigen. Hier- 25 Varistor und Überspannungsabieiter kann vollständig verzich-durch ist ein stets guter Schutz des Verbrauchers und des zu tet werden.

dieser Funkenstrecke parallel geschalteten Varistors möglich, Die vorstehend erläuterte Anordnung kann gemäss einer denn bei der erfindungsgemässen Anordnung begrenzt die weiteren Ausbildung der Erfindung dadurch verbessert wer-Luft-Überschlag-Funkenstrecke die Spannung am Verbraucher den, dass der Varistor zentrisch innerhalb der Elektroden und am Varistor immer auf einen nahezu konstanten Wert, d.h. 30 angeordnet ist, wobei als stromleitende Verbindung Kontakt-diese Spannung wird nicht oder nur sehr geringfügig von der platten oder -federn zwischen den Elektroden und dem Vari-jeweiligen Durchschlagszeit beeinflusst. Hinzu kommt der Vor- stor vorgesehen sind.

teil, dass eine Luft-Überschlag-Funkenstrecke als Hochlei- Auch sieht die Erfindung eine Ausführungsmöglichkeit vor,

stungs-Funkenstrecke von zum Beispiel 100 kA, 8/20 ausgeführt die gekennzeichnet ist durch Elektroden mit einem hohlzylin-werden kann. Sie ist also mit hohen Strömen belastbar. Dabei 35 drischen Innenraum, in dem sich der zylindrisch ausgebildete bedeutet 8/20 eine genormte Wellenform mit 8 jxs Stirnan- Varistor befindet und wobei die Kontaktplatten oder -federn stiegszeit und 20 |is Rückenhalbwertzeit. zwischen den Stirnflächen des Varistors und den Stirnflächen

Das Überspannungsschutzgerät nach der Erfindung ist also der hohlzylindrischen Innenräume der Elektroden vorgesehen allgemein einsetzbar, wobei sein bevorzugtes Anwendungsge- sind und unter einem Anpressdruck stehen. Dies ist eine herbiet jedoch der Bereich ist, in dem mit direkten Blitzeinschlä- 40 stellungsmässig und auch in der räumlichen Gestaltung vorteil-gen zu rechnen ist. Diese Überspannungsschutzgeräte werden hafte Anordnung.

z.B. in Gebäuden einzusetzen sein, die mit einer Blitzschutzan- Die Erfindung erlaubt ferner gemäss einer weiteren Ausfüh-

lage versehen sind und bei denen erhebliche Blitzstromanteile rungsform, dass mehrere, jeweils aus einer Luft-Überschlag-über die zu schützenden Anlagen fliessen können. Funkenstrecke und einem zwischen Teilen der beiden Elektro-

Aufgrund der Anordnung des Varistors zwischen Teilen 45 den angeordneten Varistor bestehende Anordnungen in elek-der beiden Elektroden und damit dessen räumlicher Integrie- trischer Reihenschaltung und räumlich übereinander vorgese-rung in die Luft-Überschlag-Funkenstrecke ermöglicht die henen z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse übereinander gesta-Erfindung ferner eine sehr kompakte und damit raumsparende, pelt sind. Diese Anordnungen können sich in einem Abstand sowie kostengünstige Bauweise. Laufzeiteffekte zwischen Vari- von der Innenwand des Gehäuses befinden und demgegenüber stor und Überspannungsabieiter werden minimalisiert, da Ver- 50 zentriert sein. Damit kann man aus für eine bestimmte Span-drahtungen zwischen diesen ineinander angeordneten Bauele- nung ausgfelegten Überspannungsschutzgeräten nach dem menten vermieden sind. Vielmehr können die durch die Über- Baukastensystem ein Überspannungsschutzgerät für einen Spannung hervorgerufenen Ströme ohne Schleifenbildung und Spannungsbetrag von einem entsprechenden Vielfachen schaf-im wesentlichen in gerader Linie durch den Varistor und die fen. Dabei bleibt der angestrebte Vorteil einer möglichst gradli-Luft-Überschlag-Funkenstrecke hindurchgehen. Hierdurch und 55 nigen Führung des Stromes ohne Schleifenbildung und ohne aufgrund der genannten kompakten Bauweise kann man auch das Entstehen von grösseren Induktivitäten voll erhalten.

hohe Stromkräfte, wie sie insbesondere bei Blitzströmen In den in der nachstehenden Beschreibung erläuterten und infolge naher Blitzeinschläge auftreten, mechanisch auffangen der zugehörigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie-bzw. bewältigen. len ist die Erfindung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt:

An dieser Stelle sei erwähnt, dass man die Parallelschaltung 60 Fig. 1 : das prinzipeile elektrische Schaltbild,

eines spannungsabhängigen Widerstandes (Varistors) mit Fig. 2: im wesentlichen schematisch einen Schnitt durch ein einem Ventilableiter kennt, wobei der Ventilableiter aus einer Überspannungsschutzgerät nach der Erfindung,

Funkenstrecke und einem damit elektrisch in Reihe geschalte- Fig. 3: in gegenüber Fig. 2 verkleinertem Massstab und ten Begrenzungswiderstand besteht. Varistor, Funkenstrecke ebenfalls im wesentlichen schematisch mehrere Überspan-und Begrenzungswiderstand werden in einem gemeinsamen 65 nungsschutzgeräte übereinander gestapelt,

Gehäuse angeordnet, in üblicher Weise miteinander verdrahtet Fig. 4 bis 6: verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der und das gesamte Gehäuseinnere wird durch eine Kunstharz- Funkenstrecke.

masse vergossen. Die Kunstharzmasse trägt zwar dazu bei, die Fig. 1 zeigt die elektrische Parallelschaltung eines Varistors

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1 mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke 2. Die Anschlüsse 3 und 4 liegen zwischen den zu schützenden Leitungen, z.B. dem Phasen- und dem Schutzleiter. Wie eingangs erläutert, spricht der Varistor 1 sofort an und verhindert das Auftreten einer unzulässigen Überspannung. Die Funkenstrecke 2 spricht nur bei extrem hohen Strömen, wie sie bei nahen Blitzeinschlägen zu erwarten sind, mit einem gewissen Zündverzug an und übernimmt dann zum Schutz des Varistors nahezu die gesamte Stromableitung. Derartige Überspannungsschutzgeräte werden z.B. an die Klemmen von Transformatoren, Generatoren, Motoren und Schaltern angesetzt, da hier in Folge von Schalthandlungen Spannungsspitzen auftreten. Sie können ferner zum Schutz elektrischer Schaltkreise oder Einrichtungen gegen Überspannungen dienen. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist jedoch die sichere Ableitung von Überspannungen und -strömen aufgrund von Blitzeinschlägen.

Gemäss Fig. 2 umgeben die beiden Elektroden 5,6 die in diesem Ausführungsbeispiel hohlzylindrisch oder topfförmig sind, den in diesem Ausführungsbeispiel zylindrischen Varistor 1. Mit 7 ist die Isolierung (z.B. Glimmer) zwischen den Elektroden 5,6 bezeichnet, so dass deren Überschlagsstelle bei 8 ausserhalb der Elektroden gebildet wird.

Um Leitungen bzw. Verdrahtungen zu vermeiden, erfolgt der Stromübergang von den Elektroden 5,6 zum Varistor 1 durch Kontaktplatten oder -federn 9, die sich zwischen den Innenstirnflächen der hohlzylindrischen Innenräume der Elektroden und den Aussenstirnflächen des Varistors befinden und unter einem entsprechenden Anpressdruck stehen. Es ist ersichtlich, dass man hiermit kürzeste Stromwege erreicht, die in Fig. 2 schematisch strichpunktiert angedeutet sind. Der Stromweg 10 geht über die erste Elektrode 5, durch den Varistor 1 und die zweite Elektrode 6 und verteilt sich etwa über den gesamten Flächenquerschnitt dieser Teile. Sofern die Funkenstrecke anspricht, verteilen sich die weiteren Stromwege 11 über die Elektroden 5,6 und die Luftüberschlagsstellen 8.

Damit ergibt sich das erläuterte günstige dynamische Verhal-5 ten bei hohen Strömen.

Die kompakte und in sich geshlossene Ausgestaltung des Überspannungsgerätes nach der Erfindung erlaubt in einfacher Weise ein Übereinanderstapeln mehrerer solcher Überspannungsschutzgeräte und damit ein entsprechendes Vervielfa-10 chen der Ansprech- oder Schutzspannung. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zeigt hierzu ein Gehäuse 12 mit Deckel 13 und den Zu- und Ableitungen 3,4, in dem vier einzelne Überspannungsschutzgeräte übereinander gestapelt sind. An ihren Stossflächen 14 sind sie entweder durch ihr direktes Anliegen 15 aneinander oder durch gesonderte, in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel elektrisch verbunden und damit in Reihe geschaltet. Eine im wesentlichen gradlinige Führung des Stromes ist auch hier verwirklicht. Um genügend Platz für die Überschlagsstellen 8 zu schaffen, ist zwischen den zylindrischen, 20 etwa scheibenförmigen Elektroden und der Innenfläche des ebenfalls zylindrischen Gehäuses 12 ein entsprechender zylindrischer Ringspalt 15 freigelassen. Zentrierarme oder -flansche 16 der Elektroden sichern deren zentrische Lage im Gehäuse 12.

25 Die Ausgestaltung der Elektroden und insbesondere die Anordnung bzw. Lage der Überschlagsstelle können verschieden sein. Sie können wie dargestellt topfförmig, aber auch als Klötze oder Stäbe ausgebildet sein. Ferner sind scheibenförmige Ausgestaltungen der Elektroden und die Anordnung ihrer 30 Luft-Überschlagsstelle gemäss den Ausführungsbeispielen der Fig. 4 bis 6 möglich, wobei in diesen Beispielen alle übrigen Ôau-teile nicht gezeichnet sind.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

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   PATENTANSPRÜCHE Gasfüllung weisen im nicht gezündeten Zustand einen Wider-

   1. Überspannungsschutzgerät mit einem Varistor und stand im Giga-Ohm-Bereich und nach der Zündung einen Wert einem dazu elektrisch parallel geschalteten Funkenstrecken- im Ohm-Bereich auf.

   Überspannungsabieiter mit im Abstand voneinander angeord- Man kennt die elektrische Parallelschaltung eines Varistors neten Elektroden (5,6), dadurch gekennzeichnet, dass als Fun- s mit einem als Gasentladungsableiter ausgebildeten Überspan-kenstrecken-Überspannungsableiter eine blitzstromtragfähige nungsableiter. Damit sollen zwei Ziele erreicht werden. Der Luft-Überschlag-Funkenstrecke dient, deren Luft-Überschlag- Varistor spricht im Nano-Sekundenbereich (Stromleitung stelle (8) sich ausserhalb des Zwischenraumes zwischen den durch Festkörper) und damit wesentlich schneller als der Übergegenüberliegenden Elektrodenflächen befindet und dass der spannungsableiter (Stromleitung durch Gas) an, so dass der Varistor (1) in einem Raum zwischen Teilen der beiden Elektro- io einem Überspannungsabieiter immanente Zündverzug durch den (5,6) angeordnet ist und mit diesen in einer stromleitenden die schnellere Ableitung mittels des Varistors vermieden wird. Verbindung steht. Sobald beim Auftreten einer Überspannung ein entsprechen-
2. 2. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch der Strom über den Varistor fliesst, entsteht an ihm ein Spangekennzeichnet, dass die Luft-Überschlag-Funkenstrecke als nungabfall, der bei entsprechender Auslegung der Bauteile des Luft-Scheiben-Funkenstrecke mit scheibenförmigen Elektro- is Überspannungsschutzgerätes im Normalfall die Zündspannung den ausgebildet ist. des Überspannungsabieiters erreicht. Dies hat zur Folge, dass
3. 3. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1 oder 2, der grössere Teil des durch die Überspannung hervorgerufe-dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (5,6) der nen Stromes über den Überspannungsabieiter geht, der elek-Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Varistor (1) umschliessen trisch höher belastbar ist als ein Varistor. Damit soll eine elek-und dass als stromleitende Verbindung die Stromleitung zum 20 trisch-thermische Überbeanspruchung des Varistors verhin-einen (10) etwa in Richtung der Längsachse des Überspan- dert werden.

   nungsschutzgerätes durch die Elektroden (5,6) und den Vari- Nachteiliger Weise sind Gasentladungsableiter aufgrund stor (1 ) hindurch, oder zum anderen ( 11 ) über beide Elektroden der Tatsache, dass der Strom als Durchschlag in ihrem Innern (5,6) und deren Luft-Überschlagstellen (8) und etwa in Rieh- fliesst, grösseren Strömen, wie sie in Folge von Blitzschlägen tung der Längsachse des Überspannungsschutzgerätes durch 25 auftreten, nicht gewachsen. Mit dem bekannten, vorstehend die Elektroden (5,6) und den Varistor ( 1 ) hindurch geht. erläuterten Überspannungsschutzgerät wird daher oft schon
4. 4. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 3, dadurch beim Auftreten des ersten Teilblitzstromes eines üblicherweise gekennzeichnet, dass der Varistor (1) zentrisch innerhalb der multiplen Blitzes, mit Sicherheit aber bei den folgenden Teil-Elektroden angeordnet ist, wobei als stromleitende Verbindung blitzströmen kein Schutz mehr gegeben sein, da zunächst der Kontaktplatten oder -federn (9) zwischen den Elektroden und 30 Gasentladungsableiter und danach der Varistor zerstört wer-dem Varistor vorgesehen sind. den.
5. 5. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 4, gekenn- Hinzu kommt, dass bei dieser vorbekannten Anordnung zeichnet durch Elektroden (5,6) mit einem hohlzylindrischen Varistor und Gasentladungsableiter je eine Baueinheit für sich Innenraum, in dem sich der zylindrisch ausgebildete Varistor und nebeneinander angeordnet, sowie durch entsprechende

   ( 1 ) befindet und dass die Kontaktplatten oder -federn (9) zwi- 35 Zuleitungen elektrisch miteinander verbunden sind. Abgesehen sehen den Stirnflächen des Varistors und den Stirnflächen der davon, dass eine solche Anordnung räumlich und auch von den hohlzylindrischen Innenräume der Elektroden vorgesehen sind Gestehungskosten her aufwendig ist; besteht dabei der wesent-und unter einem Anpressdruck stehen. liehe Nachteil, dass auf die Verbindungsleitungen beim Fliessen
6. 6. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch höherer Ströme relativ hohe elektromagnetische Kräfte ausge-gekennzeichnet, dass mehrere, jeweils aus einer Luft-Über- 40 übt werden. Ausserdem erhöhen die Induktivitäten der Verbin-schlag-Funkenstrecke und einem zwischen Teilen der beiden dungsleitungen die Strom-Laufzeit zwischen Varistor und Elektroden angeordnetem Varistor bestehende Anordnungen Überspannungsabieiter, d. h. vermindern die Schutzwirkung in elektrischer Reihenschaltung und räumlich übereinander Schliesslich ist es bei gasgefüllten Überspannungsabieiter, die vorgesehen sind. auch als Gas-Durchschlag-Funkenstrecke definiert werden
7. 7. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 6, dadurch 45 können, von Nachteil, dass sie zu kurzen Durchschlagszeiten gekennzeichnet, dass die Anordnungen in einem gemeinsamen hin hohe Ansprechspannungen aufweisen. Dass heisst, sie besit-Gehäuse ( 12,13) übereinander gestapelt sind. zen eine steile Stosskennlinie. Damit wird aber die Spannung
8. 8. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 7, dadurch am Verbraucher und am Varistor nicht auf einen konstanten gekennzeichnet, dass sich die Anordnungen in einem Abstand Wert begrenzt. Auch besteht bei Gasentladungsableitern das von der Innenwand des Gehäuses befinden und demgegenüber 50 Problem, dass das Schutzgas altert und langsam entweicht, zentriert sind (16). Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Überspannungsschutzgerät mit einem Varistor und einem Funken-strecken-Überspannungsableiter dahingehend zu verbessern, dass der Überspannungsabieiter auch grössere Ströme (mit

   55 höheren Amplitude, grösserer Ladung und grossem Stromquadratimpuls Ji2dt), insbesondere erhebliche Teile des Blitzstro-