DE10058977B4

DE10058977B4 - Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter

Info

Publication number: DE10058977B4
Application number: DE2000158977
Authority: DE
Inventors: Edmund Dipl.-Ing. Zäuner (FH); Georg Wittmann
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: DE10058977A1; ZA200303854B

Abstract

Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter mit in einem Gehäuse im wesentlichen parallel angeordneten, intern verdrahteten gekapselten Funkenstrecken (1–4), wobei die Funkenstrecken (1–4) gegenüberliegende, hervorstehende Kontaktflächen (14) mit Bohrungen und Innengewinde aufweisen, die mit äußeren Anschlußklemmen (12) sowie inneren Kontaktschienen (7) oder -brücken verbunden sind, wobei weiterhin eine der Kontaktschienen (7) oder -brücken zum Wechsel der Verdrahtungsebene vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke (15) eine im wesentlichen Z-Form mit zwei kurzen (18), entgegengesetzt gerichteten und einem längeren Verbindungsschenkel aufweist, wobei in den kurzen Schenkeln (18) Paßbohrungen oder Aussparungen eingebracht sind, welche dem Außenmaß der jeweiligen hervorstehenden Kontaktfläche (14) der Funkenstrecke entsprechen, weiterhin die Materialstärke mindestens der kurzen Schenkel im wesentlichen gleich oder kleiner als das Höhenmaß des Kontaktflächenvorsprungs der Funkenstrecke ist und der lange Schenkel im Bauraumabstand zwischen zwei der Funkenstrecken (3,4) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft einen mehrpoligen stoßstromfesten Überspannungsableiter mit in einem Gehäuse im wesentlichen parallel angeordneten, intern verdrahteten, gekapselten Funkenstrecken, wobei die Funkenstrecken gegenüberliegende, hervorstehende Kontaktflächen mit Bohrung und Innengewinde aufweisen, die mit äußeren Anschlußklemmen sowie inneren Kontaktschienen oder -brücken verbunden sind, wobei weiterhin eine der Kontaktschienen oder -brücken zum Wechsel der Verdrahtungsebene vorgesehen ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mehrpolige Überspannungsableiter, die bis zu 100 kA stoßstromfest sind und die in eine Gehäuse mehrere gekapselte Funkenstrecken enthalten, sind aus dem gattungsbildenden Überspannungsschutz-Hauptkatalog der Firma DEHN + SÖHNE GmbH + Co.KG, UE 2000, gültig ab 1.2.2000, Seiten 40 bis 48 bekannt.

Bei einer sogenannten 3+1-Schaltung werden auf der einen Seite des Gehäuses die Phasen sowie der Nulleiter herangeführt, wobei der PE-Anschluß auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses vorgesehen ist.

Bei derartigen Ausführungsformen von mehrpoligen Überspannungsableitern in einem Gehäuse ist also ein interner Verdrahtungsebenen-Wechsel erforderlich.

Wird eine solche interne Verdrahtung durch eine zusätzliche Brücke realisiert, sind mindestens zwei weitere Schraub- oder Schweißverbindungen zur elektrischen Kontaktierung erforderlich. Aufgrund der Tatsache, daß eine derartige Brücke einer sehr hohen mechanischen Belastung bei den erwähnten möglichen Stoßströmen bis in den Bereich um 100 kA ausgesetzt ist, muß für eine entsprechende Dimensionierung und mechanische Ausführung Sorge getragen werden.

Ein weiteres Problem bei den Ausführungsformen von mehrpoligen Ableitern mit Verdrahtungsebenen-Wechsel besteht darin, daß nach Möglichkeit kein zusätzlicher Bauraum für die Brücke selbst in Anspruch genommen werden soll, um die Außenabmessungen des Gehäuses nicht zu verändern bzw. um Standardgehäuse einzusetzen, die auch für andere Applikationen geeignet sind.

Aus der DE 196 55 119 C2 sind mehrpolige stoßstromfeste Überspannungsableiter bekannt, welche gekapselte, parallel angeordnete Funkenstrecken mit gegenüberliegenden, hervorstehenden Kontaktflächen aufweisen, die mit äußeren Anschlußklemmen sowie inneren Kontaktschienen verbunden sind.

Die DE 197 17 802 A1 zeigt einen mehrpoligen, stoßstromfesten Überspannungsableiter mit intern verdrahteten, gekapselten, parallel angeordneten Funkenstrecken, die über Schraubanschlüsse mit der jeweiligen Stromschiene verbunden sind.

Bei dem Querverbinder zur elektrischen Verbindung einer PE-Klemme mit einer N-Klemme nach DE 44 00 470 A1 ist ein z-förmiges Verbindungskontaktstück vorgesehen. Mit Hilfe der speziellen Ausgestaltung des dortigen Querverbinders soll die Montage und Demontage zu Meßzwecken, insbesondere ohne die Gefahr einer Aufhebung der Schutzmaßnahme in einfacher Weise durchgeführt werden können.

Danowsky, Volker; „Neue Wege in der Blitzstromableiter-Technologie, Teil 2: AEC-Applikation" in: Elektroinstallation, Blitz- und Überspannungsschutz, de 18/2000, Seite 66, 68 und 70, ist eine 3+1-Schaltung beschrieben, wobei der N-Leiter ohne Wechsel der Verdrahtungsebene von der Seite herangeführt wird, die den Phasen-Anschlüssen gegenüberliegt.

Aus dem Vorstehenden ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weitergebildeten mehrpoligen stoßstromfesten Überspannungsableiter mit in einem Gehäuse im wesentlichen parallel angeordneten, intern verdrahteten gekapselten Funkenstrecken anzugeben, der insbesondere für eine sogenannte 3+1-Schaltung verwendet werden kann, und welcher in besonders kostengünstiger und einfacher konstruktiver Weise einen internen Verdrahtungsebenen-Wechsel ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem mehrpoligen stoßstromfesten Überspannungsableiter nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Demnach besteht der Grundgedanke der Erfindung darin, die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke aus einem Flachmaterial in im wesentlichen Z-Form auszubilden, wobei die Befestigung und elektrische Kontaktierung über eine Passung, im wesentlichen lediglich auf Formschluß basierend, realisiert ist.

Erfindungsgemäß werden vorhandene hervorstehende Kontaktflächen an den Funkenstrecken genutzt, um über diese quasi Bolzen die Befestigung und Kontaktierung der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke zu erreichen.

Wie erwähnt, besitzt die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke eine im wesentlichen Z-Form mit zwei kurzen, entgegengesetzt gerichteten und einem längeren Verbindungsschenkel. Der längere Verbindungsschenkel kann mit einer Isolationsumhüllung versehen sein.

In den kurzen Schenkeln sind Paßbohrungen oder Aussparungen eingebracht, welche dem Außenmaß der jeweiligen hervorstehenden Kontaktflächen der Funkenstrecke entsprechen.

Weiterhin ist die Materialstärke mindestens der kurzen Schenkel im wesentlichen gleich oder einen geringen Betrag kleiner als das Höhenmaß des Kontaktflächenvorsprungs der jeweiligen Funkenstrecke. Die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke ist dann im Außengehäuse des Überspannungsableiters so angeordnet, daß der lange Schenkel im Bauraumabstand zwischen zwei der Funkenstrecken verläuft.

Zur internen Verbindung sowie zur Aufnahme von äußeren Anschlußklemmen erforderliche Kontaktschienen sind bei einer Ausführungsform der Erfindung als metallische Winkelelemente ausgebildet, wobei ein erster Winkelschenkel kraftschlüssig mit der jeweiligen hervorstehenden Kontaktfläche der Funkenstrecke verbunden und über diesen Schenkel ein formschlüssiger Halt im Gehäuse gegeben ist. Ein zweiter Winkelschenkel nimmt die angegebenen äußeren Anschlußklemmen auf oder dient der Befestigung dieser.

Der erste Winkelschenkel der Kontaktschienen ist über eine Schraubverbindung mit der jeweiligen Kontaktfläche der Funkenstrecke verbunden, wobei hierfür die dort vorgesehene Bohrung mit Innengewinde genutzt wird.

Die Schraubverbindung, wie vorerwähnt, dient gleichzeitig der Sicherung der jeweiligen kurzen Schenkel der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke. Demnach ist also keine weitere Schraubverbindung oder eine ähnliche Kontaktierungsmaßnahme für den Verdrahtungsebenen-Wechsel, z.B. über die Kontaktschienen hinweg, notwendig.

Bei einer dreiphasigen Anordnung des mehrpoligen Überspannungsableiters mit Nulleiter verbindet eine der Kontaktschienen drei der vier Funkenstrecken auf einer der Gehäuselängsseiten. Die auf der gegenüberliegenden Gehäuselängsseite vorgesehene Kontaktschiene ist entweder als Einzelschiene pro Funkenstrecke oder als Kontaktschiene ausgebildet, die isolierende Abschnitte aufweist. Diese jeweils Einzelkontaktschienen bzw. die isolierende Abschnitte aufweisende Kontaktschiene nimmt die Phasen- sowie die Nulleiter-Anschlußklemmen auf.

Für den PE-Anschluß ist eine weitere Kontaktschiene mit mindestens einer äußeren Anschlußklemme vorgesehen, die mit der vierten Funkenstrecke verbunden ist.

Die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke erstreckt sich zwischen der dritten Phasen-Funkenstrecke und der Nulleiter-Funkenstrecke und ist dort entsprechend elektrisch kontaktiert.

Die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke besteht bevorzugt aus einem leitfähigen Flachmaterial, insbesondere Kupfer.

Im Gehäuse vorhandene Kammern nehmen die Funkenstrecken auf, wobei die Gehäuselängsseiten Nuten oder Schlitze umfassen, die der Führung und Befestigung der Kontaktschienen dienen.

Eine der Kammerwände kann zur führenden Aufnahme mindestens eines Teilabschnitts der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke ausgebildet sein.

Im Bereich der kurzen Schenkel der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke sind zungenartige Ausprägungen oder Vorsprünge angeordnet oder vorgesehen, welche im montierten Zustand ein zum jeweiligen ersten Winkelschenkel der Kontaktschiene gerichtetes Gegenlager bilden, so daß bei Stoßstromfluß auftretende Streckungskräfte der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke sicher aufgenommen werden können.

Bei dem sich ergebenden Stromfluß einer 3+1-Schaltung mit Verdrahtungsebenen-Wechsel ist die Wechselbrücke so angeordnet, daß sich stromflußbedingte elektrische Kräfte im Sinne einer Kompensation gegenseitig aufheben, was einen weiteren wesentlichen Vorteil darstellt.

Dadurch, daß die Kontaktierung der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke direkt an den Funkenstreckenpaketen über Bohrungen in der Brücke erfolgt, sind keine weiteren zusätzlichen mechanischen Verbindungen notwendig. Die bevorzugte Passung und die zusätzliche Sicherung der Paßklemmung mittels der Kontaktschienen schafft eine optimale elektrische wie auch mechanische Konstruktion, ohne daß der Bauraum vergrößert ist und damit sich die Außenabmessungen des mehrpoligen Überspannungsableiter-Gehäuses verändern.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:
1 eine 3+1-Schaltung mit Verdrahtungsebenen-Wechsel;
2 eine prinzipielle Darstellung der bei Stoßstrom gegebenen elektrodynamischen Kräfte mit der sich ergebenden Kraftkompensation bei der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung einer Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke;
3 eine Draufsicht auf einen mehrpoligen Überspannungsableiter mit geöffnetem Gehäuse; und
4 Detaildarstellungen von jeweils zwei Überspannungsableitern mit erkennbarer konstruktiver mechanischer Anordnung der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke.
Bei mehrpoligen Überspannungsableitern in 3+1-Schaltung, wie in 1 dargestellt, ergibt sich bei entsprechend gewünschter Klemmung die Notwendigkeit eines internen Verdrahtungsebenen- Wechsels, wofür eine entsprechende Brücke zwischen einer der Phasen und dem Nulleiter erforderlich ist.
Die praktische Ausführung eines mehrpoligen stoßstromfesten Überspannungsableiters in 3+1-Schaltung läßt 3 erkennen. Die einzelnen Überspannungsableiter 1 bis 4 befinden sich in einzelnen Kammern 5 eines Kunststoffgehäuses 6. Auf einer der Gehäuselängsseiten ist eine Kontaktschiene 7 vorgesehen, welche die Überspannungsableiter 1 bis 3 elektrisch verbindet.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 6 sind Einzelkontaktschienen 8 bis 11 vorgesehen. Diese Einzelkontaktschienen nehmen jeweils ein Paar von äußeren Anschlußklemmen 12 (siehe auch 4) auf. Diese Anschlußklemmen 12 können über Schrauben 13 dem Fixieren eingeführter Leitungs- oder Kabelenden (nicht gezeigt) dienen.
Die Kontaktschiene 7 bzw. die Einzelkontaktschienen 8 bis 11 sind mit einer hervorstehenden Kontaktfläche 14 der jeweiligen Funkenstrecken 1 bis 4 elektrisch über eine Schraube verbunden, die von einer Bohrung mit Innengewinde der vorstehenden Kontaktfläche 14 aufgenommen wird.
Die notwendige Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke 15, die eine im wesentlichen Z-Form aufweist, befindet sich mit ihrem längeren Verbindungsschenkel zwischen den Funkenstreckenableitern 3 und 4.
Beim Ausführungsbeispiel nach 3 ist zur führenden Aufnahme mindestens des langen Schenkels der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke 15 eine Ausformung 16 in der entsprechenden Kammertrennwand 17 vorhanden.
Wie aus der 4 im oberen Bildteil besonders deutlich erkennbar, ist im kurzen Schenkel 18 der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke 15 eine Paßbohrung eingebracht, die auf die äußeren Abmessungen der vorstehenden Kontaktfläche 14 des jeweiligen Ableiters 1 bis 4 abgestimmt ist.
Damit kann der jeweilige kurze Schenkel 18 in Formschluß mit der vorstehenden Kontaktfläche 14 gebracht werden, wobei das Endfixieren dann mit Hilfe einer entsprechenden Kontaktschiene erfolgt, wie dies im unteren Bildteil nach 4 deutlich wird.
Die Materialstärke mindestens der kurzen Schenkel 18 ist im wesentlichen gleich oder kleiner als das Höhenmaß des Kontaktflächenvorsprungs 14 der jeweiligen Funkenstrecke 1 bis 4.
Bevorzugt besteht die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke 15 aus einem Flachkupfermaterial, welches mindestens in einem Teilbereich mit einer Isolationsumhüllung 19 (siehe 4) versehen sein kann.
Die Kontaktschiene 7, aber auch die Einzelkontaktschienen 8 bis 11 sind als metallische Winkelelemente ausgebildet, wobei ein erster Winkelschenkel 20 kraftschlüssig mit der jeweiligen hervorstehenden Kontaktfläche 14 der jeweiligen Funkenstrecke verbunden ist. Über diesen Schenkel 20 kann gleichzeitig ein Formschluß oder entsprechender Halt im Gehäuse 6 erreicht werden, was hierfür entsprechende Nuten oder dergleichen Aussparungen besitzt.
Ein zweiter Winkelschenkel 21 trägt die Anschlußklemmen 12.
Der erste Winkelschenkel 20 ist über eine Schraubverbindung (siehe 4) mit der jeweiligen Kontaktfläche 14 der jeweiligen Funkenstrecke verbunden. Diese Schraubverbindung kann gleichzeitig den jeweiligen kurzen Schenkel 18 der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke 15 sichern, wie dies im Bildteil rechts unten nach 4 dargestellt ist.
Zungenartige Ausprägungen oder Vorsprünge 22, die im Bereich der kurzen Schenkel 18 der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke 15 angeordnet oder eingebracht sind, orientieren sich im montierten Zustand hin zum jeweiligen ersten Winkelschenkel, so daß dann ein Gegenlager entsteht, welches elektrodynamische Kräfte im Stoßstromfall aufnehmen kann. Insbesondere wirkt dieses Gegenlager einer Streckung des Bügels beim Stromfluß entgegen.
Bei einer im wesentlichen mindestens abschnittsweisen U-Form der Kontaktschienen 8 bis 11 bzw. 23 für den PE-Anschluß dient ein dritter Zungen-Winkelschenkel 24 (siehe obere Bildteile nach 4) als Kabelbefestigungs-Druckplatte. Dieser dritte Zungen-Winkelschenkel 24 liegt im wesentlichen dem zweiten Winkelschenkel 21 gegenüber.

1 bis 4: Überspannungsableiter bzw. Funkenstrecken
5: Kammer
6: Kunststoffgehäuse
7: Kontaktschiene
8 bis 11: Einzelkontaktschienen
12: Anschlußklemme
13: Schraube
14: hervorstehende Kontaktfläche der Funkenstrecke
15: Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke
16: Ausformung
17: Kammertrennwand
18: kurzer Schenkel der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke
19: Isolationsumhüllung
20: erster Winkelschenkel
21: zweiter Winkelschenkel
22: zungenartige Ausprägungen oder Vorsprünge
23: PE-Klemme
24: Zungen-Winkelschenkel

Claims

Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter mit in einem Gehäuse im wesentlichen parallel angeordneten, intern verdrahteten gekapselten Funkenstrecken (1–4), wobei die Funkenstrecken (1–4) gegenüberliegende, hervorstehende Kontaktflächen (14) mit Bohrungen und Innengewinde aufweisen, die mit äußeren Anschlußklemmen (12) sowie inneren Kontaktschienen (7) oder -brücken verbunden sind, wobei weiterhin eine der Kontaktschienen (7) oder -brücken zum Wechsel der Verdrahtungsebene vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke (15) eine im wesentlichen Z-Form mit zwei kurzen (18), entgegengesetzt gerichteten und einem längeren Verbindungsschenkel aufweist, wobei in den kurzen Schenkeln (18) Paßbohrungen oder Aussparungen eingebracht sind, welche dem Außenmaß der jeweiligen hervorstehenden Kontaktfläche (14) der Funkenstrecke entsprechen, weiterhin die Materialstärke mindestens der kurzen Schenkel im wesentlichen gleich oder kleiner als das Höhenmaß des Kontaktflächenvorsprungs der Funkenstrecke ist und der lange Schenkel im Bauraumabstand zwischen zwei der Funkenstrecken (3,4) verläuft.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschienen (7; 8–11) als metallische Winkelelemente ausgebildet sind, wobei ein erster Winkelschenkel (20) kraftschlüssig mit der jeweiligen hervorstehenden Kontaktfläche (14) der Funkenstrecke verbunden und über diesen Schenkel (20) ein formschlüssiger Halt im Gehäuse (6) gegeben ist, sowie weiterhin ein zweiter Winkelschenkel (21) die äußeren Anschlußklemmen (12) trägt.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkelschenkel (20) über eine Schraubverbindung mit der jeweiligen Kontaktfläche (14) der Funkenstrecke verbunden ist.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubverbindung gleichzeitig den jeweiligen kurzen Schenkel (18) der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke (15) sichert.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer dreiphasigen Anordnung mit Nulleiter eine der Kontaktschienen (7) drei (1–3) der vier Funkenstrecken auf einer der Gehäuselängsseiten verbindet, wobei die auf der gegenüberliegenden Gehäuselängsseite vorgesehene Kontaktschiene (8–11) isolierende Abschnitte aufweist oder unterbrochen ist und die Phasen- sowie Nulleiter-Anschlußklemmen aufnimmt, weiterhin für den PE-Anschluß eine Kontaktschiene mit mindestens einer äußeren Anschlußklemme (23) mit der vierten Funkenstrecke (4) verbunden ist und sich die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke (15) zwischen der dritten Phasen-Funkenstrecke (3) und der Nulleiter-Funkenstrecke (4) befindet und dort elektrisch kontaktiert ist.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke (15) aus einem leitfähigen Flachmaterial, insbesondere Kupfer besteht.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke (15) mindestens im Bereich des langen Schenkels eine Isolationsumhüllug (19) aufweist.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (6) mehrere Kammern zur Aufnahme der Funkenstrecken besitzt.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kammertrennwand (17) zur führenden Aufnahme mindestens eines Teilabschnitts der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke (15) ausgebildet ist.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der kurzen Schenkel (18) der Verdrahtungsebenen-Wechselbrücke (15) zungenartige Ausprägungen oder Vorsprünge (22) angeordnet sind, welche im montierten Zustand ein zum jeweiligen ersten Winkelschenkel (20) gerichtetes Gegenlager bilden.
Mehrpoliger stoßstromfester Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer im wesentlichen abschnittsweisen U-Form der Kontaktschienen (8–11; 23) ein dritter Zungen-Winkelschenkel (24), welcher dem zweiten Winkelschenkel (21) gegenüberliegt, eine Kabelbefestigungs-Druckplatte bildet.