CH631296A5

CH631296A5 - Fehlersichere ueberspannungsschutzvorrichtung.

Info

Publication number: CH631296A5
Application number: CH1055677A
Authority: CH
Inventors: John Napiorkowski
Original assignee: Tii Corp
Priority date: 1976-08-31
Filing date: 1977-08-30
Publication date: 1982-07-30
Also published as: MX143778A; AU515759B2; IT1085970B; AR215646A1; US4212047A; FR2363881A1; DE2738078A1; AU2836677A; JPS5352961A; SE7709751L; BR7705657A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf fehlersichere Überspannungsschutzvorrichtungen mit einem gasgefüllten Gehäuse, das wenigstens zwei einen ionisierbaren Spalt festlegende Elektroden aufweist.

Gasröhren-Überspannungsschutzvorrichtungen sind zum Schutz von Geräten gegen Überspannungen, die durch Blitzschlag, Hochspannungsleitungsschluss und dergl. verursacht werden, weitgehend im Einsatz.

Es ist ferner bekannt, verschiedenen fehlersicheren Anordnungen derartige Röhren und andere Arten von Schutzvorrichtungen, z. B. Luftspalt-Überspannungsableiter, zuzuordnen, um verschiedenartigen Zufälligkeiten zu begegnen. Beispielsweise erzeugt das Auftreten einer anhaltenden Überlast, etwa wenn eine Starkstromleitung in dauerndem Kontakt mit einer geschützten Telefonleitung gekommen ist, eine gleichzeitige, anhaltende Ionisierung der Gasröhre und den sich daraus ergebenden Durchgang hoher Ströme durch die Röhre. Solche Ströme zerstören in vielen Fällen die Überspannungsschutzvorrichtung und können auch eine erhebliche Brandgefahr bilden.

Eine Möglichkeit, um dieses Problem zu lösen, besteht in der Verwendung schmelzbarer Elemente, die bei Auftreten solcher Überlasten schmelzen und entweder einen dauernden Kurzschluss am Überspannungsabieiter hervorrufen oder einen anderen Mechanismus, z. B. eine federbelastete Kurzschlussschiene auslösen, die die Kurzschlussverbindung herstellt (im allgemeinen sind die Überspannungsableiter-Elektro-den sowohl kurzgeschlossen als auch geerdet). Das Vorhandensein der dauernden Kurzschluss-und Erdungsbedingung dient dazu, den Zustand zu kennzeichnen, bei dem signalisiert wird, dass eine Wartung oder ein Austausch erforderlich ist. Beispiel für einen derartigen fehlersicheren Schutz lassen sich den US-Patentschriften 3 254 179,3 281 625,3 340 431,3 396 343 und 3 522 570 entnehmen. Einige dieser Patentschriften zeigen neben der fehlersicheren Eigenschaft eine Zusatz-Luftspaltanordnung, so dass sowohl ein fehlersicherer schmelzbarer Kurzschlussschutz als auch ein Zusatz-Luftspaltschutz vorhanden ist. In der DE-A 27 38 077 sind verschiedene entsprechende Anordnungen angegeben.

Den vorausgehend beschriebenen Anordnungen ist gemeinsam, dass metallische Materialien für die schmelzbaren Elemente verwendet werden. Dies ist auf dem vorliegenden Gebiete der Technik ständige Praxis. Aus dem geschmolzenen Material wird ein elektrisch leitender Kurzschlusspfad gebildet, um die Überspannungsableiter-Elektroden kurzzuschlies-sen. Die Auswahl wird normalerweise durch die bekannten, in weitem Umfang ausgenutzten Schmelzeigenschaften von Metallen sowie durch die thermische Stromleitfähigkeit und entsprechende Faktoren, die bei der Konstruktion fehlersicherer Überspannungsabieiter auftreten, diktiert.

Vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntsnis, dass eine wirksame fehlersichere Funktion dadurch erzielt werden kann, dass ein nichtmetallisches schmelzbares Material verwendet werden kann und dass sich daraus wesentliche Vorteile ergeben. Das schmelzbare Material ist ein elektrischer Isolator, der beispielsweise zwischen eine oder mehrere der Elektroden und dem Kurzschlussmechanismus eingesetzt ist Überraschenderweise ist das Ansprechen des nichtmetallischen Materiales auf thermische Bedingungen exakt und darüber hinaus verbleibt kein Isolierfilm beim Schmelzen, der sonst den Kurzschlusskontakt nachteilig beeinflusst.

In der Patentliteratur ist die Verwendung von nichtmetallischen schmelzbaren Materialien bei bestimmten fehlersicheren

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Anwendungsfällen (z. B. US-PSen 1 580 516 und 1 457 249) zwar bereits erörtert worden; diese Vorschläge umfassen jedoch die Bewegung der Überspannungsableiter-Elektroden und/oder eine direkte Lichtbogenbildung wie auch andere Materialien, Techniken und Umgebungsfaktoren, die viele Vorteile wieder 5 aufheben, die nach vorliegender Erfindung aufgrund der nichtmetallischen Schmelzmaterialien realisiert werden können.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Überspannungschutzvorrichtung aufzuzeigen, die einfacher, kompakter und leichter ist als bekannte Vorrichtungen, so dass eine Vorrichtung geschaf- io fen wird, die weniger Kosten verursacht, eine höhere Lebensdauer aufweist und zuverlässiger ist.

Dies wird erfindungsgemäss durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der 15 Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig.l teilweise im Schnitt und teilweise schematisch eine Aufrissansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig.2 eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 der Fig.l, Fig.3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 der Fig.l, Fig.4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 der Fig.l, Fig.5 teilweise im Schnitt eine Aufsicht auf den modularen Bestandteil einer anderen Ausführungsform der Erfindung, Fig.6 eine Grundrissansicht der Ausführungsform nach Fig.5, im Gehäuse befestigt, und

Fig.7 eine Aufrissansicht der Darstellung nach Fig.6.

Bei der in den Figuren 1-4 dargestellten Ausführungsform ist eine Gasröhre 10 vorgesehen, die eine Mittenelektrode 10A und Elektroden-Endkappen 1 OB aufweist, welche von der Mit- 30 tenelektrode 10A durch einen entsprechenden isolierten Isolierhülsenabschnitt IOC getrennt sind.

Der Überspannungsabieiter 10 ist von bekanntem Aufbau, beispielsweise vom Typ TU Modell 31 ; die Endelektroden (nicht dargestellt) dieses Überspannungsabieiters erstrecken 35 sich von den Endkappen 10B nach innen zur Mitte des Röhren-innern und bilden einen Spalt zwischen den Elektroden. Die Abstände und Dimensionen sind so gewählt, dass jede Elektrode ferner einen Spalt mit dem mittleren stromleitenden Gehäuseabschnitt 10A bildet. 40

Die Röhre ist mit einem Gas gefüllt, und die Elektroden-Endkappen 10B sind jeweils mit einer Leitung IIB und einer Anschlussklemme, z. B. einem Kabelschuh 12B verlötet, um eine Verbindung zur zu schützenden Schaltung herzustellen. Der Mittelkörper 10A ist entsprechend mit einer angelöteten 45 Leitung 11A und der zugeordneten Verbindung 12A zum Anschluss an Erde versehen.

Bei auftretender Überspannung ionisiert das Gas in der Röhre 10, wodurch in bekannter Weise stromleitende Nebenschlusspfade zwischen jeder Leitung der geschützten Schal- 50 tung und Erde (über die entsprechende Anschlussleitung 11B und Erdleitung 11A) gebildet werden.

Auf dem Mittenkörper 10A sind koaxial zwei ringförmige Bauteile oder Hülsen 12 aus schmelzbarem Material aufgesetzt, deren jede auf einer Seite des mittleren Abschnittes des Mitten- 55 körpers angeordnet ist, wo die Leitung 11A die Verbindung herstellt.

Die Hülsen 12 bestehen aus nichtmetallischem, elektrisch leitendem Material. Entsprechende Materialien haben Schmelztemperaturen in dem Bereich, der den thermischen 60 Bedingungen bei der thermischen Überlastung des Überspannungsabieiters entspricht und besitzen ausreichende dielektrische Festigkeit, Dielektrizitätskonstante, Verlustfaktor und spezifischen Volumen- und Oberflächenwiderstand, um die gewünschte Isolierfunktion zu erzielen. Das bevorzugte Mate- 65 rial soll auch bei Wärmealterung nicht brüchig werden, unter Überlastbedingungen nicht brennbar sein, gute mechanische Eigenschaften besitzen und unempfindlich gegen Korrosionsund Witterungseinflüsse sein.

Beispiele für derartige Materialien sind bestimmte Fluorkunststoffe, z. B. fluoriertes Äthylen-Propylen-Polymer (FEP), Polymer-Perfluoralkoxy (PFA), das modifizierte Copolymer von Äthylen und Tetrafluoräthylen (ETFE) (bekannt unter dem Warenzeichen Tefzel der Firma DuPont), und Poly (Äthylen-Chlortrifluor-Äthylen) (E-CTFE-Copolymer) (bekannt unter dem Warenzeichen Halfar der Firma Allied Chemical Corporation). (Der Fluorkunststoff Polytetrafluoräthylen TFE andererseits hat keine ausreichenden Schmelzeigenschaften für die angegebene Anwendung.) Bei dem Beispiel nach den Figuren 1-4 sind die Hülsen 12 aus 0,38 LG FEP Rohr-A WG 2 hergestellt.

Wie sich aus den Figuren ergibt, steht jede Hülse 12 federnd nachgiebig in Eingriff mit Paaren von Fingern 14 einer Kurz-schluss-Federklemme 15, die in Fig. 4 im Aufriss gezeigt ist.

Jede Federklemme 15, die aus kornorientiertem, mit Zinn plattiertem Kohlenstoffstahl besteht und zur Spannungsentlastung gegen Wasserstoffversprödung nach dem Plattieren wärmebehandelt wird, weist einen weiteren Satz von Federfingern 16 auf, die mit der entsprechenden Endkappe 10B in Eingriff und elektrisch in Kontakt kommen; die Federfinger 14 und 16 sind dabei einstückig durch den Brückenabschnitt 10 einer jeden Federklemme verbunden. Wie im einzelnen in Fig.2 gezeigt, sind die Finger 14 der Kurzschluss-Federklemme gegen Kontakt mit dem Mittelkörper 10A durch die entsprechende schmelzbare Hülse 12 im Abstand angeordnet. Insbesondere weist jeder der Finger 14 einen Kontaktteil 14A auf, der in der Richtung des Kontaktes mit dem geerdeten Mittelkörper 10A gedrückt wird und der infolgedessen federnd elastisch auf den dazwischen eingesetzten Hülsenabschnitt 12 drückt.

Während des normalen Betriebes des Überspannungsablei-ters 10 erzeugen Einschwing- bzw. Übergangsstösse eine Ionisierung in normaler Weise, um das betreffende Gerät zu schützen. Wenn jedoch eine andauernde Stossbedingung auftritt, z. B., wenn eine Leitung dauernd mit einer Leitung höherer Spannung in Kontakt steht, erzeugen die resultierenden Ionisierungsströme, die durch den Überspannungsabieiter fliessen, eine zu hohe Wärme; die Hülsen 12, die im Überspannungsbereich angeordnet sind und auf diese Aufheizung ansprechen, schmelzen dabei. Wenn dies der Fall ist, bewegen sich die Federfinger 14 und insbesondere deren Kontaktabschnitte 14A in Kontakt mit dem Mittelkörper 10A, wenn das Material der schmelzbaren Hülse unterhalb dieser Kontakte nachgibt und fliesst. Wenn ein elektrischer Kontakt hergestellt wird, entsteht ein Kurzschluss zwischen der entsprechenden Endkappe und dem Mittelkörper, so dass eine fehlersichere (Kurzschluss-) Wirkung erzielt wird.

Anstelle der vorstehend genannten Materialien können andere nichtmetallische Materialien als schmelzbare Bauteile verwendet werden, vorausgesetzt, sie haben entsprechende elektrische Isoliereigenschaften und erfahren eine vorhersehbare Änderung der mechanischen Eigenschaften unter den speziellen Überlastbedingungen, damit eine Kurzschlusswirkung auftreten kann.

Zusätzlich zur Erleichterung der vorausgehenden fehlersicheren Eigenschaften können die Hülsen 12 einen ausgesparten Teil, z. B. 12D in Fig. 2 aufweisen, so dass ein Luftspalt zwischen dem Mittelkörper 10 und der entsprechenden Klemme 15 definiert wird, die in elektrischem Kontakt mit einer der Endelektroden steht.

Mit dieser zusätzlichen Vorkehrung ergibt ein Fehler der Gasröhre im Offenbetrieb, wie beispielsweise aufgrund von entweichendem Gas, dass die Schutzwirkung nicht verlorengeht; der Luftspalt ergibt einen Sicherungsschutz, bevor der Überspannungsabieiter ersetzt wird. Um die Anwendung in einer grossen Vielfalt von Einsatzmöglichkeiten zu erleichtern, wird die Überspannungsableiter-Anordnung nach den Figuren

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1 -4 in eine modulare Ummantelung 18 eingesetzt, wobei das Schlüssen 21 sowie Erdungssteg 23 sind somit in der Ausspa-Ummantelungsmaterial 19 ein Epoxydmaterial ist. Vor dem rung der Grundanordnung 30 über die Verbindung des Einsetzen kann die Überspannungsableiter-Anordnung umwik- Erdungssteges 23 mit der Erdanschlussanordnung 26 befestigt, kelt werden und Leerstellen können mit PTFE-Material oder Vor dem Zusammenbau wird die Röhre 10 umwickelt und in äquivalentem Material (nicht gezeigt) gefüllt werden. 5 die Einheit 20 in der in Verbindung mit der ersten Ausführungs-

Eine Anwendung des Überspannungsabieiters für einen form beschriebenen Weise eingesetzt.

Stationsschutz ist in den Figuren 5-7 dargestellt. Die Röhre 10 Die Ausführungsform nach den Figuren 5-7 arbeitet in der an sich zusammen mit den schmelzbaren Hülsen 12 und den gleichen Weise wie in Verbindung mit der Ausführungsform kurzschliessenden Klemmen 15 ist bereits weiter oben nach den Figuren 1 -4 beschrieben. Sie zeigt ferner die Einfach beschrieben worden. Während die Ausführungsform nach den ,0 heit, mit der der Überspannungsabieiter mit seinen fehlersiche-Figuren 1 -4 nachgiebige elastische Stromkreiskopplungsleiter ren Merkmalen in verschiedene Konfigurationen gepackt werverwendet hat, ist das Ausführungsbeispiel nach den Figuren den kann.

5-7 in eine modulare Ummantelung bzw. Hülse 20 eingekap- Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich die Anwen-

selt, die in einer Grundanordnung 30 installiert ist. Die Umman- dung der Technik sowohl auf Schutzeinrichtungen mit zwei wie telung 20 enthält auch ortsfeste Leiteranschlüsse 21 und einen 15 auch mit mehr Elementen.

Erdungssteg 23. Jede Leiterelektrodenendkappe 1 OB ist elek- Die Ausgestaltung des schmelzbaren Bauteiles ergibt eine trisch und mechanisch mit einem entsprechenden Leiteran- erhöhte Genauigkeit im Aufbau des Spaltabstandes im Zusatz-schluss21 über einen L-förmigen Verbinder 22 verbunden, bei Luftspaltabschnitt.

dem ein Abschnitt in Eingriff mit der entsprechenden End- Bei der Ausführungsform nach den Figuren 5-7 ist festzu-

kappe im Bereich zwischen Fingern 16 der zugeordneten Kurz-20 halten, dass das Fehlen des Moduls 20 an der Grundanordnung schlussklemme steht. Dieser Abschnitt des Verbinders 22 ist die Verbindungen der Lastschaltung mit den Eingangsleitern kabelschuhartig ausgebildet, wobei die Endkappe federnd mit verhindert, wodurch die Herstellung ungeschützter Verbindun-den Fingern des Schuhes in Eingriff kommt. gen ausgeschlossen wird.

Das entgegengesetzte Ende des Verbinders 22 ist mit dem Bei Verwendung der erfindungsgemässen Einrichtungen gerippten Schaftteil des mit Schraubgewinde versehenen Zap- 25 ergeben sich folgende Vorteile:

fens 21A des Anschlusses 21 verbunden, und der Zapfen ist, wie (1) Eine wesentliche Erhöhung in der Genauigkeit, mit der insbesondere Fig. 5 zeigt, mit Presssitz in das Gehäuse 20 einge- die fehlersichere Wirkung auftritt; bei den Ausführungsformen setzt. Der mit Schraubgewinde versehene Schaftteil weist Mut- nach der Erfindung werden Bedingungen, die den fehlersiche-tern 21B und Beilagen 21C auf an die die Geräteleiter ange- ren Vorgang auslösen, exakter festgelegt und besser vorhersag-schlossen werden. 30 bar;

Eine Verbindung des Mittelkörpers 10A an der Röhre 10 (2) die Brandgefahr, die bei herkömmlichen Einrichtungen wird mittels eines L-förmigen Verbinders 25 erhalten, der einen wegen des Vorliegens von geschmolzenem Metall besteht, kabelschuhartigen Abschnitt, welcher federnd nachgiebig mit Metallexplosion und dergl. während des Schmelzvorganges dem Gehäuse 10A in Eingriff kommt, und einen anderen werden praktisch vollständig beseitigt;

Abschnitt, welcher mit einem gerändelten Schaft 24A eines 35 (3) die Probleme in Hinblick auf die Metalloxydierung und Stiftes 24 befestigt ist, der den Erdungssteg 23 mit dem Mittel- Metallspritzer werden vermieden;

körperverbinder 25 befestigt, aufweist. (4) das Unterbringen und Einkapseln werden wesentlich

Das entfernte Ende des Erdungssteges 23 ist mit einer vereinfacht;

Erdungsanschlussanordnung 26 verbunden, die einen mit (5) die vorstehenden Verbesserungen werden mit einer

Schraubgewinde versehenen Zapfen 27 besitzt, der mit der 40 Anordnung erreicht, die einfacher, kompakter und leichter ist Grundanordnung 30 mittels Schraubenmutter 34 befestigt ist. als bekannte Anordnungen, so dass mit der Erfindung eine Ein-Um diese Verbindung zu erleichtern, endet der Steg 23 in richtung geschaffen wird, die weniger Kosten verursacht, eine einem Ansatz, der um eine Welle 27 herum angepasst ist und höhere Lebensdauer und Zuverlässigkeit hat und die flexibler mit Hilfe einer ersten Schraubenmutter 26A festgelegt ist. Wie in der Anpassung an viele Sicherungsfälle ist, einschliesslich die Leiteranschlüsse 21 weist die Erdungsanschlussanordnung 45 Retrofits, Stationsanwendungen für die Nachrichtenübermitt-26 eine weitere Mutter 26A und zugeordnete Beilagen 26B auf, lung, Energieversorgung, Datenverarbeitung, Verkehrsrege-um die Verbindung mit dem Erdungsleiter zu erleichtern. lung usw. wo ein Überspannungsschutz erforderlich ist.

Die modulare Einheit 20 mit ihrer Röhre und Leiteran-

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Fehlersichere Überspannungsschutzvorrichtung mit einem gasgefüllten Gehäuse, das wenigstens zwei einen ionisierbaren Spalt festlegende Elektroden aufweist, gekennzeichnet durch eine vorspannbare Kurzschlussvorrichtung (15), die im vorgespannten Zustand eine Kurzschlussverbindung zwischen den Elektroden (10A, 10B) unterdrückt, und eine nichtmetallische schmelzbare Vorrichtung (12), die in thermischem Kontakt mit dem Spalt steht und die zwischen wenigstens einer der Elektroden (10A, 10B) und der KurzschlussVorrichtung (15) eingesetzt ist, derart, dass die Kurzschlussverbindung zwischen den Elektroden verhindert ist, ausgenommen bei Vorhandensein einer andauernden Überlastung, die bewirkt, dass die schmelzbare Vorrichtung (12) schmilzt und nachgibt, um den Aufbau der Kurzschlussverbindung zu ermöglichen.
2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schmelzbare Vorrichtung (12) ein synthetisches Kunststoffmaterial mit mechanischen Eigenschaften aufweist, welche sich unter vorbestimmten thermischen Bedingungen wesentlich ändern.
3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Elektroden (10A)

eine zylindrische Form besitzt, und dass die schmelzbare Vorrichtung (12) eine koaxial darauf angeordnete Hülse aufweist.
4. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschluss Vorrichtung (15) eine stromleitende Klemme ist, die das gasgefüllte Gehäuse federnd nachgiebig umgibt.
5. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlussvorrichtung (15) einen stromleitenden Abschnitt (16) in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden (10B) und einen weiteren stromleitenden Abschnitt (14) aufweist, der stromleitend mit dem einen Abschnitt (16) verbunden ist und federnd nachgiebig gegen die schmelzbare Vorrichtung (12) gedrückt ist, damit er in Kontakt mit der anderen Elektrode (10A) im Falle des Schmelzens der schmelzbaren Vorrichtung (12) kommt.
6. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Elektrode (10A) einen stromleitenden Teil des gasgefüllten Gehäuses (10) darstellt, und dass die schmelzbare Vorrichtung (12) einen thermoplastischen Überzug auf wenigstens einem Teil dieses stromleitenden Teiles besitzt.
7. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Elektrode eine geerdete Elektrode ist.
8. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) zwei Leitungselektroden (10B) und eine geerdete Elektrode (10A) aufweist, und dass zwei Kurzschluss Vorrichtungen (15) und zwei Schmelzvorrichtungen (12), und zwar jeweils eine für jede Kombination aus Leiterelektroden und geerdeten Elektroden, vorhanden sind.
9. Schutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1,4,5,6,7, 8, dadurch gekennzeichnet, dass von wenigstens zwei jeweils einen ionisierbaren Spalt festlegenden Elektrodenanordnungen (10A, 10B) wenigstens eine zylindrische Form besitzt, und dass die Schmelzvorrichtung (12) eine unter Wärmeeinwirkung schrumpfbare synthetische Kunststoffummantelung aufweist, die koaxial darauf aufgesetzt ist.
10. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse rohrförmig ist, wobei die Elektrode jeweils einen äusseren Abschnitt des Gehäuses enthalten und die Abschnitte in axialer Richtung voneinander versetzt sind und das schmelzbare Element (12) wenigstens eine Teil eines der Abschnitte (10A) bedeckt und so orientiert ist, dass es auf thermische Bedigungen des Überspannungsschutzes anspricht.