DE10040603B4

DE10040603B4 - Überspannungsschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE10040603B4
Application number: DE10040603A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Durth; Martin Dr.-Ing. Wetter; Joachim Dipl.-Ing. Wosgien
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2000-07-21
Filing date: 2000-08-16
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2020-08-17
Also published as: DE10040603A1

Abstract

Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode (1), mit einer zweiten Elektrode (2), mit einer zwischen den beiden ersten Elektroden (1, 2) existenten bzw. wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3), mit einer dritten Elektrode (5) und mit einem die Elektroden (1, 2, 5) aufnehmenden Gehäuse, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) ein Lichtbogen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) entsteht,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dritte Elektrode (5) der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) derart zugeordnet ist, daß zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (5) eine zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (6) existent bzw. wirksam ist,
daß die zweite Elektrode (2) direkt mit dem Bezugspotential verbunden ist, während die dritte Elektrode (5) über mindestens eine Impedanz, insbesondere einen Varistor (7), direkt oder indirekt mit dem Bezugspotential verbunden ist und
daß nach dem Ableiten des Stoßstromsüber die erste Elektrode (1), die erste Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) und die zweite Elektrode (2) der verbliebene Lichtbogen (4) von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (6) verbringbar ist, insbesondere durch pneumatische oder magnetische Beblasung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode, mit einer zwischen den beiden ersten Elektroden existenten bzw. wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, mit einer dritten Elektrode und mit einem die Elektroden aufnehmenden Gehäuse, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ein Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode entsteht.
Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Uberspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet werden; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.
Elektrische Stromkreise arbeiten mit der für sie spezifizierten Spannung, der Nennspannung, normalerweise störungsfrei. Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische oder elektronische Stromkreise, insbesondere elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsschutzeinrichtung der hier in Rede stehenden Art ist mindestens eine Funkenstrecke, die bei einer bestimm ten Überspannung, der Ansprechspannung, ansprechen und damit verhindert, daß in dem durch eine Überspannungsschutzeinrichtung geschützten Stromkreis Uberspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind.
Eingangs ist ausgeführt worden, daß die erfindungsgemäße Uberspannungsschutzeinrichtung eine zwischen den beiden ersten Elektroden existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. Mit Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ist ganz allgemein eine Durchschlag-Funkenstrecke gemeint; umfaßt sein soll damit also auch eine Durchschlag-Funkenstrecke, bei der nicht Luft, sondern ein anderes Gas zwischen den Elektroden vorhanden ist. Neben Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt. Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren – und auch nicht sonderlich konstanten – Ansprechspannung. Deshalb sind bereits verschiedene Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorgeschlagen worden, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind. Dabei sind im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke in verschiedener Weise Zündhilfen realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke hineinragt, stegartig ausgeführt ist und aus Kunststoff besteht.

Aus der DE 195 10 181 C1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke bekannt, bei der eine zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, bestehend aus zwei weiteren Elektroden, als Zündhilfe für die erste Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorgesehen ist. Die zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ist dazu parallel zur ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke angeordnet, wobei die als Zündhilfe dienende zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke eine wesentlich kleinere Ansprech spannung als die den größten Teil des Ableitstroms führende erste Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist.

Eine Überspannungsschutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art ist aus der DE 27 07 335 C2 bekannt. Bei dieser Uberspannungsschutzeinrichtung dient die dritte Elektrode als Kurzschlußelektrode, die direkt mit Masse verbunden ist und eine zu große Lichtbogenspannung verhindern soll. Die Kurzschlußelektrode ist deshalb bei der bekannten Überspannungsschutzeinrichtung durch eine zwischen der zweiten Elektrode und der Kurzschlußelektrode angeordnete Abschirmung vor einem direkten Lichtbogenüberschlag von der ersten Elektrode zur Kurzschlußelektrode geschützt.

Eine Überspannungsschutzeinrichtung mit zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ist aus der DE 44 02 615 C2 bekannt. Die bekannte Uberspannungsschutzeinrichtung weist zwei schmale Elektroden auf, die jeweils winkelförmig ausgebildet sind und jeweils ein Funkenhorn und einen davon abgewinkelten Anschlußschenkel aufweisen. Darüber hinaus sind die Funkenhörner der Elektroden in ihren an die Anschlußschenkel angrenzenden Bereichen mit einer Bohrung versehen. Die in den Funkenhörnern der Elektroden vorgesehenen Bohrun-, gen sorgen dafür, daß im Augenblick des Ansprechens des Überspannungsschutzelements, also des Zündens, der entstandene Lichtbogen durch eine thermische Druckwirkung "in Fahrt gesetzt wird", also von seiner Entstehungsstelle wegwandert. Da die Funkenhörner der Elektroden V-förmig zueinander angeordnet sind, wird somit die von dem Lichtbogen zu überbrückende Strecke beim Herauswandern des Lichtbogens vergrößert, wodurch auch die Lichtbogenspannung ansteigt.

Beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke entsteht durch den sich bildenden Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Hierdurch folgt bei anliegender Netzspannung ein unerwünschter Netzfolgestrom über die Überspannungsschutzeinrichtung, so daß man bestrebt ist, den Lichtbogen möglichst schnell nach abgeschlossenem Ableitvorgang zu löschen. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern. Diese Möglichkeit ist bei der Überspannungsschutzeinrichtung, wie sie aus der DE 44 02 615 C2 bekannt ist, realisiert. Nachteilig ist dabei, daß die geometrischen Abmessungen der Elektroden entsprechend groß werden und damit diese Beeinflussung an bestimmte Geometrievorgaben gebunden ist.

Eine weitere Möglichkeit, den Lichtbogen zu löschen, besteht in der Kühlung des Lichtbogens durch die Kühlwirkung von Isolierstoffwänden sowie die Verwendung von Gas abgebenden Isolierstoffen. Dabei ist eine starke Strömung des Löschgases notwendig, was einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert.

Aus der DE 198 17 063 A1 ist eine Uberspannungsschutzeinrichtung bekannt, bei der eine innere Elektrode in einer äußeren Elektrode angeordnet ist. Um einen schädlichen Abbrand an der Stelle der Elektroden, an der der Lichtbogen entsteht, möglichst zu vermeiden wird bei der bekannten Überspannungsschutzeinrichtung die Lichtbogenwanderung durch Beblasung des Lichtbogens mit einem Gas beschleunigt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Überspannungsschutzeinrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, die sich durch ein hohes Netzfolgestromlöschvermögen auszeichnet, trotzdem jedoch konstruktiv einfach realisiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung, bei der die zuvor hergeleitet und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode derart zugeordnet ist, daß zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode eine zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke existent bzw. wirksam ist, daß die zweite Elektrode direkt mit dem Bezugspotential verbunden ist, während die dritte Elektrode über mindestens eine Impedanz, insbesondere einen Varistor, direkt oder indirekt mit dem Bezugspotential verbunden ist und daß nach dem Ableiten des Stoßstromes über die erste Elektrode, die erste Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und die zweite Elektrode der verbliebenen Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke verbringbar ist, insbesondere durch pneumatische oder magnetische Beblasung.

Wie im Stand der Technik, so liegt auch die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung in der Regel parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises bzw. der zu schützenden Anlage bzw. des zu schützenden Gerätes. Die – zweipolige – Überspannungsschutzeinrichtung ist also elektrisch, und zwar galvanisch, mit den Leitungen bzw. Anschlüssen verbunden, zwischen denen betriebsmäßig die Betriebsspannung ansteht. Nachfolgend werden, wie nicht unüblich, die erste Leitung bzw. der erste Anschluß auch mit spannungsführend beschrieben, während die zweite Leitung bzw. der zweite Anschluß auch mit Masse bezeichnet wird. Unter Verwendung dieser Therminologie wird dann als Regelfall davon ausgegangen, daß die erste Elektrode der Überspannungseinrichtung mit der spannungsführenden Leitung bzw. dem spannungsführenden Anschluß und die zweite Elektrode der Überspannungseinrichtung mit Masse zu verbinden sind bzw. verbunden sind. Selbstverständlich kann auch der Anschluss der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung umgekehrt erfolgen und selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung nicht nur zum Schutz von Stromkreisen verwendet werden, bei denen als Betriebsspannung eine Wechselspannung vorliegt, vielmehr ist die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung ohne weiteres auch dann einsetzbar, wenn die Betriebsspannung des zu schützenden Stromkreises eine Gleichspannung ist.

Im Bezug auf die Überspannungsschutzeinrichtung hat es zuvor geheißen, daß die dritte Elektrode über mindestens eine Impedanz direkt oder indirekt mit dem Bezugspotential verbunden ist. Mit einer direkten Verbindung ist gemeint, daß die dritte Elektrode innerhalb der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung mit dem Bezugspotential und damit auch mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Unter einer indirekten Verbindung der dritten Elektrode mit dem Bezugspotential ist zu verstehen, daß diese Verbindung außerhalb der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung zu realisieren ist bzw. realisiert ist, z. B. dadurch, daß die Überspannungsschutzeinrichtung dreipolig ist und sowohl die zweite Elektrode als auch die dritte Elektrode auf Masse zu legen sind bzw. auf Masse liegen.

Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung zündet die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke bei Anliegen der Ansprechspannung, sowie im Stand der Technik üblich, zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Dabei kann zur Verbesserung der Ansprechcharakteristik der Überspannungsschutzeinrichtung – wie im Stand der Technik bekannt – im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke eine bekannte Zündhilfe realisiert sein. Über die gezündete Funkenstrecke wird nun – ebenfalls wie bekannt – der Stoßstrom abgeleitet. Zur Unterdrückung eines möglichen Netzfolgestroms bzw. zum Löschen eines aufgetretenen Netzfolgestroms wird nun erfindungsgemäß der verbliebene Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke verbracht. Dadurch, daß die dritte Elektrode nicht wie die zweite Elektrode direkt, sondern über mindestens eine Impedanz, insbesondere einen Varistor, mit Masse verbunden ist, wird jetzt für die Überspannungsschutzeinrichtung eine schlagartig erhöhte Impedanz wirksam, so daß ein Netzfolgestrom verhindert bzw. ein existenter Netzfolgestrom zum Erlöschen gebracht wird. Durch die der dritten Elektrode nachgeschaltete Impedanz liegt zwischen der ersten Elektrode bzw. der spannungsführenden Leitung bzw. dem spannungsführenden Anschluß und Masse ein Spannungsteiler, der dafür sorgt, daß bei anliegender Netzspannung die zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode anstehende Teilspannung geringer ist als die Brennspannung des Lichtbogens, diese Teilspannung somit nicht mehr ausreicht, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten.

Die Art und Weise, wie der nach dem Ableiten des Stoßstroms verbliebene Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke bzw. von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zur ersten Elektrode und der dritten Elektrode verbracht wird, kann durch unterschiedliche Maßnahmen realisiert werden, insbeson dere, wie bereits ausgeführt, durch pneumatische oder magnetische Beblasung. Eine pneumatische Beblasung kann dadurch realisiert werden, daß der aus der Thermik des Lichtbogens resultierende Gas- bzw. Plasmastrom gezielt geführt wird. Eine diese Maßnahme realisierende bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und/oder die dritte Elektrode mindestens eine Öffnung aufweisen bzw. aufweist, durch die Öffnung ein Druckausgleich entsteht und der Druckausgleich eine gezielte Ausbreitung des Gas- bzw. Plasmastroms von der zweiten Elektrode zur dritten Elektrode bewirkt. Mit der Ausbreitung des Gas- bzw. Plasmastroms von der zweiten Elektrode in Richtung auf die dritte Elektrode wird der Fußpunkt des Lichtbogens von der zweiten Elektrode zur Dritten Elektrode verbracht.

Die bereits angesprochene magnetische Beblasung kann dadurch realisiert sein, daß in bekannter Weise die elektrischen Anschlüsse der Überspannungsschutzeinrichtung derart zueinander angeordnet sind, daß der Stoßstrom ein solches Magnetfeld erzeugt, daß den Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke bzw. von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zur ersten Elektrode und der dritten Elektrode verbringt.

Es ist selbstverständlich, daß bei erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtungen auch sowohl eine pneumatische als auch eine magnetische Beblasung des verbliebenen Lichtbogens realisiert sein können.

Die Lehre der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Überspannungsschutzeinrichtung, insbesondere von der Art und der Form der Elektroden, der Ausgestaltung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke oder der Verwendung von Zündhilfen. Dennoch sollen nachfolgend zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung kurz angegeben werden.

Ein erstes bevorzugtes Ausführungssbeispiel der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist, daß die erste Elektrode als stabförmige Mittelelektrode ausgeführt ist, daß die zweite Elektrode und die dritte Elektrode als zylindrische Außenelektroden ausgebildet und konzentrisch um die erste Elektrode angeordnet, sind und das die zweite Elektrode und die dritte Elektrode mit axialem Abstand zueiander angeordnet sind, – so daß ein Teil der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode und ein anderer Teil der ersten Elektrode von der dritten Elektrode umgeben ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung wird der Lichtbogen dann parallel zur Längserstreckung der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode zur dritten Elektrode geblasen, z. B. dadurch, daß in der dritten Elektrode oder am Übergang der dritten Elektrode zum Gehäuse mindestens eine radiale Öffnungen vorgesehen ist.

Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode als flache Kreisscheibe ausgebildet ist, daß die zweite Elektrode und die dritte Elektrode der ersten Elektrode gegenüberliegend angeordnet sind und daß die zweite Elektrode mittig zur ersten Elektrode und die dritte Elektrode konzentrisch um die zweite Elektrode angeordnet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung und Anordnung der Elektroden ist eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer sehr geringen Bauhöhe realisierbar. Vorzugsweise ist im übrigen die dritte Elektrode nicht kreisringförmig, sondern kreisringsegmentförmig, insbesondere halbkreisförmig, ausgebildet, so daß die dritte Elektrode die zweite Elektrode nur teilweise konzentrisch umschließt. Weiter vorteilhaft ist es bei einer derartigen Ausführung einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, wenn der axiale Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode geringer ist als der axiale Abstand zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode. Dies kann durch unterschiedliche Bauhöhen oder Anordnungen der zweiten Elektrode bzw. der dritten Elektrode realisiert werden. Dadurch, daß der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode geringer ist als der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode, wird sichergestellt, daß zunächst die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen der ersten Elektrode ünd der zweiten Elektrode zündet und der Stoßstrom über diese Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, also über die erste Elektrode und die zweite Elektrode, abgeleitet wird. Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

1 eine Darstellung des Funktionsprinzips der Anordnung der Elektroden bei einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
2 eine Prinzipsskizze eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
3 eine Darstellung der Elektrodenanordnung bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung gemäß 2, teilweise im Schnitt,
4 eine Prinzipsskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
5 eine Überspannungsschutzeinrichtung gemäß dem zweiten Ausfiihrurigsbeispiel im Schnitt und
6 eine Draufsicht auf eine Überspannungsschutzeinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, welche zunächst aus einer ersten Elektrode 1 und einer zweiten Elektrode 2 und einer zwischen den Elektroden 1, 2 wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 besteht. Eine derartige Überspannungsschutzeinrichtung wird zum Schutz elektrischer Stromkreise bzw. von Anlagen oder Geräten verwendet. Tritt eine transiente Überspannung auf, die größer als die Ansprechspannung der Uberspannungsschutzeinrichtung ist, spricht diese an, d. h., die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 wird gezündet, es ent steht zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 ein Lichtbogen 4.
Durch den Lichtbogen 4 entsteht eine relativ niederohmige Verbindung zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2, so daß bei anliegender Betriebsspannung ein unerwünschter Netzfolgestrom über die Überspannungsschutzeinrichtung fließen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung wird nun ein Netzfolgestrom dadurch verhindert bzw. ein aufgetretener Netzfolgestrom dadurch zum Erlöschen gebracht, daß der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 eine dritte Elektrode 5 zugeordnet ist und zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 eine zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 6 existent bzw. wirksam ist, daß die dritte Elektrode 5 über mindestens eine Impedanz, vorliegend über einen Varistor 7, direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode 2 verbunden ist und daß nach dem Ableiten des Stoßstroms über die erste Elektrode 1, die erste Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 und die zweite Elektrode 2 der verbliebene Lichtbogen 4 von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 6 bzw. von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 zur ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 verbringbar ist, insbesondere durch pneumatische oder magnetische Beblasung. Ist der Lichtbogen von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 zur ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 verbracht, so fällt ein Teil der anliegenden Betriebsspannung über dem Varistor 7 ab bzw. wird ein zum Ausbilden eines Lichtbogens erforderlicher Stromfluß unterdrückt und durch eine geeignete Dünensionierung des Varistors 7 kann dafür gesorgt werden, daß die Spannung zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 bzw. der Stromfluß nicht mehr ausreicht, den Lichtbogen 4 aufrechtzuerhalten.
Die 2 und 3 zeigen Teile einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Überspannungsschutzeinrichtung, bei der die erste Elektrode 1 als stabförmige Mittelelektrode ausgeführt ist und die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5, als zylindrische Außenelektroden ausgebildet und konzentrisch um die erste Elektrode 1 angeordnet sind. Die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5 sind dabei mit axialem Abstand zueinander angeordnet.
Die dritte Elektrode 5 weist eine radiale Öffnung 9 auf, durch die ein Druckausgleich entsteht, wobei der Druckausgleich eine Ausbreitung des Plasmastroms aus dem Bereich zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 in den Bereich zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 bewirkt. Die Richtung dieses Plasmastromes ist in 2 mit P gekennzeichnet. Durch diesen durch den Druckausgleich hervorgerufenen Plasmastrom wird ein zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 anstehender Lichtbogen 4 bzw. der Fußpunkt 8 des Lichtbogens 4 von der zweiten Elektrode 2 zur dritten Elektrode 5 getrieben.
Der 2 und insbesondere der 3 ist darüber hinaus zu entnehmen, daß die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5 durch ein ringförmiges Abstandselement 10 voneinander getrennt sind. Der radiale Abstand zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 bzw. der dritten Elektrode 5 wird durch zwei ringförmige Trägerelemente 11, 12 sichergestellt, wobei die Trägerelemente 11, 12 einen radialen Abschnitt 13 und einen axialen Abschnitt 14 aufweisen. Der axiale Abschnitt 14 der Trägerelemente 11, 12 dient dabei zusammen mit dem ringförmigen Abstandselement 10 als Auflager für die zweite Elektrode 2 bzw. die dritte Elektrode 5. Sowohl das ringförmige Abstandselement 10 als auch die Trägerelemente 11, 12 sind bevorzugt aus Kunststoff hergestellt, wobei der Kunststoff auch eine bestimmte Leitfähigkeit haben kann. Nicht dargestellt ist in den 2 und 3 ein die Elektroden 1, 2, 5 insgesamt aufnehmendes Gehäuse. Ein solches Gehäuse ist dann ebenso wie die Anordnung der Elektroden 1, 2, 5 im wesentlichen zylindrisch ausgebildet.
Die 4 bis 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, wobei in der 4 entsprechend zu der 2 zur Verdeutlichung der Funktion der Überspannungsschutzeinrichtung die Beschaltung der dritten Elektrode 5 mit einem Varistor 7 angedeutet ist. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode 1 als flache Kreisscheibe ausgebildet, wobei in 6 nur ein Teil der ersten Elektrode 1 dargestellt ist. Die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5 sind der ersten Elektrode 1 gegenüberliegend angeordnet, wobei die zweite Elektrode 2 mittig zur ersten Elektrode 1 und die dritte Elektrode 5 konzentrisch um die zweite Elektrode 2 angeordnet ist.
In 5 erkennt man, daß der Abstand zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 kleiner als der Abstand zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 ist. Dadurch wird sichergestellt, daß zunächst die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 zündet und der Stoßstrom über die zweite Elektrode 2 abgeleitet wird. In die 5 ist darüber hinaus ein aus einem Gehäuseoberteil 15 und einem Gehäuseunterteil 16 bestehendes Gehäuse der Überspannungsschutzeinrichtung dargestellt. An das Gehäuseunterteil 16 schließt sich ein Isolierteil 17 aus Kunststoff an. Im Inneren des Gehäuses befindet sich ein topfförmiges Aufnahmeelement 18 für die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5, welches ebenfalls aus Kunststoff besteht. Ein mit den topfförmigen Aufnahmeelement 18 einstückig ausgebildetes Abstandselement 19 sorgt für die Trennung der zweiten Elektrode 2 von der dritten Elektrode 5.
Wie aus der 6 ersichtlich ist, ist die zweite Elektrode 2 kreisförmig und die dritte Elektrode 5 halbkreisringförmig ausgebildet. In dem Gehäuseunterteil 16 sind in der Nähe des Gehäuseoberteils 15 mehrere Öffnungen 20 vorgesehen, wobei sich diese Öffnungen 20 auf der der dritten Elektrode 5 zugewandten Seite des Gehäuseunterteils 16 befinden. Die Öffnungen 20 sind somit in dem Bereich des Gehäuseunterteils 16 vorgesehen, der benachbart zur Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 6 zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 ist. Korrespondierend zu den Öffnungen 20 in dem Gehäuseunterteil 16 sind im Gehäuseoberteil 15 Ausnehmungen 21 vorgesehen, durch welche der durch den Plasmastrom erzeugte Überdruck abgebaut werden kann. Durch die Öffnungen 20 und die Ausnehmungen 21 entsteht ein Druckausgleich, wobei der Druckausgleich eine Ausbreitung des Plasmastromes aus dem Bereich zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 in den Bereich zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 bewirkt.

Claims

Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode (1), mit einer zweiten Elektrode (2), mit einer zwischen den beiden ersten Elektroden (1, 2) existenten bzw. wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3), mit einer dritten Elektrode (5) und mit einem die Elektroden (1, 2, 5) aufnehmenden Gehäuse, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) ein Lichtbogen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (5) der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) derart zugeordnet ist, daß zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (5) eine zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (6) existent bzw. wirksam ist, daß die zweite Elektrode (2) direkt mit dem Bezugspotential verbunden ist, während die dritte Elektrode (5) über mindestens eine Impedanz, insbesondere einen Varistor (7), direkt oder indirekt mit dem Bezugspotential verbunden ist und daß nach dem Ableiten des Stoßstroms über die erste Elektrode (1), die erste Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) und die zweite Elektrode (2) der verbliebene Lichtbogen (4) von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (6) verbringbar ist, insbesondere durch pneumatische oder magnetische Beblasung.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und/oder die dritte Elektrode (5) mindestens eine Öffnung (9) aufweisen bzw. aufweist, durch die Öffnung (9) ein Druckausgleich entsteht, und der Druckausgleich eine gezielte Ausbreitung des Gas- bzw. Plasmastroms von der zweiten Elektrode (2) zur dritten Elektrode (5) bewirkt.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist, daß die erste Elektrode (1) als stabförmige Mittelelektrode ausgebildet ist, daß die zweite Elektrode (2) und die dritte Elektrode (5) als zylindrische Außenelektroden ausgebildet und konzentrisch um die erste Elektrode (1) angeordnet sind und daß die zweite Elektrode (2) und die dritte Elektrode (5) mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (1) als flache Kreisscheibe ausgebildet ist, daß die zweite Elektrode (2) und die dritte Elektrode (5) der ersten Elektrode (1) gegenüberliegend angeordnet sind und daß die zweite Elektrode (2) mittig zur ersten Elektrode (1) und die dritte Elektrode (5) konzentrisch um die zweite Elektrode (2) angeordnet ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (5) kreisringsegmentförmig ausgebildet ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (18) im Gehäuse nur auf der der dritten Elektrode (5) zugeordneten Seite des Gehäuses, vorzugsweise im Bereich zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (5), angeordnet sind.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) kleiner ist als der axiale Abstand zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (5).