DE1006946B - Schutzvorrichtung fuer elektrische Anlagen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für elektrische Anlagen, insbesondere für Fernmeldeanlagen, die aus einem als Überspannungsableiter wirkenden Gasentladungsgefäß und einer außerhalb des Gasentladungsgefäßes befindlichen Umschaltvorrichtung besteht, die z. B. im normalen Betriebszustand die zu schützende Anlage mit einer ankommenden Leitung verbindet, beim Auftreten einer die Anlage gefährdenden Überspannung infolge der beim Ableiten der Überspannung in dem Gasentladungsgefäß entwickelten Stromwärme jedoch die Anlage von der Leitung trennt und anschließend das Gasentladungsgefäß kurzschließt.

Die zum Schutz elektrischer Anlagen verwendeten Überspannungsableiter, die als Gasentladungsgefäße ausgebildet sind, haben den Nachteil, daß sie durch hohe und länger andauernde Überspannungen leicht zerstört werden können und daß dann — wenn z. B. das meist aus Glas bestehende Gefäß springt — der Überspannungsleiter nicht mehr in der Lage ist, die Anlage einwandfrei zu schützen. Man hat deshalb bereits vorgeschlagen, beim Auftreten größerer Überspannungen, die zu einer schnellen Erhitzung der Gasentladungsgefäße führen, diese Gefäße kurzzuschließen, d. h. die ankommenden Leitungen unmittelbar an Erde zu legen und die durch die Überspannungen bedingten Ströme über den Kurzschlußkontakt direkt abzuleiten.

Es ist auch nicht mehr neu, durch einen zweiten Kontakt die zu schützende Anlage von der ankommenden Leitung abzutrennen, wenn der Überspannungsableiter anspricht und den Kurzschluß- oder Überbrückungskontakt für das Gasentladungsgefäß und den Trennkontakt für den Anschluß der zu schützenden Anlage in einer Umschaltvorrichtung zu vereinigen, die z. B. als Umschaltkontakt ausgebildet sein kann.

Die Betätigung der Umschaltvorrichtung ist grundsätzlich auf verschiedene Weise möglich. So kann man z. B. in Reihe mit dem Gasentladungsgefäß die Betätigungswicklung eines Relais legen, das unmittelbar den Umschaltkontakt betätigt. Anderseits läßt sich auch die im Überspannungsableiter auftretende Stromwärme zur Betätigung der Umschaltvorrichtung verwenden. Es ist bereits vorgeschlagen worden, außen um das Gasentladungsgefäß herum einen Bimetallstreifen anzuordnen, der bei Erwärmung des Gefäßes ebenfalls erwärmt wird, sich dabei krümmt und die Betätigung der Umschaltvorrichtung bewirkt.

Die Verwendung von besonderen Relais hat den Nachteil, daß ein einwandfrei und sicher arbeitendes Relais verhältnismäßig teuer ist und wegen seiner großen Abmessungen nur schwer in denjenigen Räumen unterzubringen ist, die für die Überspannungsableiter in Fernmeldeanlagen zur Verfügung stehen.

Schutzvorrichtung für elektrische Anlagen

Anmelder:

KRONE Kommanditgesellschaft,
Berlin-Zehlendorf, Beeskowdamm 3-5

Gustav Krone, Berlin-Nikolassee,

und Horst Forberg, Berlin-Zehlendorf,

sind als Erfinder genannt worden

Ein außen um das Gasentladungsgefäß herumgelegter Bimetallstreifen — der z. B. zusammen mit der Kontaktvorrichtung auf dem Überspannungsableiter fest aufgebaut sein kann — ergibt ein sehr träges Ansprechen, da die Erwärmung des Bimetallstreifens über die Außenwände des Gasentladungsgefäßes verhältnismäßig langsam erfolgt, so daß kurzzeitig wirkende, sehr hohe Überspannungen durch die stoßartig wirkenden hohen Stromstärken doch zu einer Zerstörung des Gasentladungsgefäßes führen können, ehe die Umschaltvorrichtung angesprochen hat.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß bei Stromdurchgang durch ein Gasentladungsgefäß zunächst die Fußpunkte der Entladung, d. h. die Oberflächen der in dem Gesamtentladungsgefäß sitzenden Elektroden heiß werden und daß diese Wärme der Elektroden sich erst verhältnismäßig langsam auf die Gasfüllung und die Außenwand des Gefäßes überträgt. Wenn man also ein schnelles Ansprechen der die Anlage und das Gasentladungsgefäß schützenden Umschaltvorrichtung erreichen will, so muß man die Betätigung dieser Umschaltvorrichtung von der Temperatur der Elektroden des Gasentladungsgefäßes abhängig machen. Bei den bisher bekannten Gasentladungsgefäßen, die als Überspannungsableiter Verwendung finden, sind die Elektroden meist in Glasgefäße eingeschmolzen; es führen nur verhältnismäßig dünne Leitungen aus dem Gefäß heraus und diese dünnen Leitungen enden in verhältnismäßig großen und schweren Kontaktkappen an den Enden der Gasentladungsgefäße, die sich infolge ihrer großen Wärmekapazität verhältnismäßig langsam aufheizen. Die Erfindung beruht auf dem Grundgedanken, daß man ein die Betätigung der Umschaltvorrichtung auslösendes oder bewirkendes Glied so anordnen muß, daß es möglichst dicht an den sich zunächst erhitzenden Teilen der Elektroden des Gasentladungsgefäßes sitzt und daß man dieses Glied in wärmeleitende Verbindung mit der Elektrode bringen muß.

70Φ 506/335

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Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß bei nächst Widerstand leisten. Wenn jedoch die Elektrode

einer Schutzvorrichtung der obenerwähnten Art ein erwärmt wird, überträgt sich diese Erwärmung auch

die Betätigung der Umschaltvorrichtung auslösendes sofort auf den fest auf ihr sitzenden Bimetallstreifen,

oder bewirkendes Glied in gut wärmeleitender Verbin- der dann seinen Haftsitz infolge Verformung lockert dung mit einer der Elektroden des Gasentladungs- 5 und durch die Kraft der gespannten Feder leicht ver-

gefäßes steht. schoben werden kann. Mit diesem Bimetallstreifen

Es wäre an sich grundsätzlich möglich, die Elektro- läßt sich nun ein Kontakt betätigen, den als Stäbe mit großem Querschnitt auszuführen Schließlich kann man auch das Betätigen eines und die Betätigung der Umschaltvorrichtung von der Umschalters auf elektrischem Wege bewirken, wenn Temperatur der auch aus dem Entladungsgefäß her- io man in den Elektrodenhohlkörper ein Thermoelement ausragenden Stabenden abhängig zu machen. Die Aus- einbaut und den Strom dieses Thermoelements einer führung der Elektroden aus einem Material, das ein Betätigungsvorrichtung für den Umschaltkontakt zuguter Wärmeleiter ist, ergibt eine schnelle Übertra- führt. Da sich ein Thermoelement unmittelbar an der gung der Wärme von dem inneren Ende der Elektrode Abschlußfläche der Elektrode anordnen läßt, die sich nach ihrem äußeren Ende, die Masse der Elektrode 15 zuerst und am stärksten erwärmt, ergeben sich verist jedoch bei einer solchen »massiven« Ausführung hältnismäßig hohe Thermospannungen und -ströme, verhältnismäßig groß, so daß zum »Aufheizen« der die zur Erregung eines kleinen, einfachen Umschaltgesamten Elektrodenmasse eine größere Zeitspanne er- relais vollauf genügen.

forderlich ist. Wesentlich zweckmäßiger ist es daher, In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise \venn man wenigstens eine der Elektroden des Gas- 20 dargestellt; es zeigt

entladungsgefäßes als langgestreckten, dünnwandigen, Abb. 1 eine Schutzvorrichtung mit einem Über-

an seinem in das Gasentladungsgefäß hineinragenden spannungsableiter und einer Betätigungsvorrichtung

Ende geschlossenen und an seinem aus dem Gefäß für einen Umschaltkontakt,

herausragenden Ende vorzugsweise offenen Hohl- Abb. 2 eine etwas abweichende Ausführung der

körper ausbildet, dessen Wandungen aus einem Mate- 25 Schutzvorrichtung gemäß Abb. 1,

rial hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. Eine solche Abb. 3 eine Schutzvorrichtung, bei der an beiden

als Hohlkörper ausgebildete Elektrode bietet die Mög- Seiten des Überspannungsabieiters Umschaltkontakte

lichkeit, ein die Betätigung des Umschalters bewirken- vorgesehen sind,

des oder auslösendes Glied in dem von außen zugang- Abb. 4 eine Schutzvorrichtung mit außen auf die

liehen Hohlraum der Elektrode anzuordnen. 30 Elektrode aufgewickeltem Bimetallstreifen,

In dem Innenraum der als Hohlkörper ausgebildeten Abb. S eine Schutzvorrichtung mit einem im Innern

Elektrode — insbesondere an ihrem geschlossenen der Elektrode festgelegten Bimetallstreifen,

Ende, an dem außen die Fußpunkte der Entladung Abb. 6 eine Schutzvorrichtung mit Thermoelement,

ansetzen — steigt die Temperatur sehr schnell an. dessen Strom ein Umschaltrelais betätigt.

Die dünne Wand des die Elektrode bildenden Hohl- 35 ^Das mit Messerkontaktkappen 1 und 1' versehene

körpers erwärmt sich außerordentlich schnell, so daß Gasentladungsgefäß 2 enthält zwei als Hohlzylinder

das im Innern des Hohlkörpers angeordnete tempe- ausgebildete Elektroden 3 und 3', die an ihren ge-

raturabhängige Glied ohne größere Verzögerungen an- schlossenen, einander gegenüberliegenden Enden je

sprechen kann, insbesondere dann, wenn man es in gut eine wulstartige Aufbauchung 4 haben. Zwischen den

wärmeleitende Verbindung mit der Elektrode bringt. 40 beiden durch den Wulst verbreiterten Stirnflächen

Eine sehr einfache Ausführung einer Schutzvorrich- dieser Elektroden tritt die Entladung auf. Bei den tung gemäß der Erfindung ergibt sich dadurch, daß Ausführungen nach Abb. 1 bis 3 ist im Innern der man in den Hohlraum der Elektrode einen unter Elektrode 3 ein Röhrchen 5 so gelagert, daß es sich Federspannung stehenden, vorzugsweise als Rohr aus- in axialer Richtung leicht verschieben läßt. Dieses gebildeten Stift einschiebt und ihn in dem Hohlraum 45 Röhrchen 3 trägt an seinem aus der Elektrode herausdurch ein leicht schmelzendes Lot festhält. Sowie eine ragenden Ende einen Anschlag 6, gegen den sich eine starke Erwärmung des Gasentladungsgefäßes eintritt, Federwendel 7 abstützt (vgl. Abb. 1 und 2). Die Federschmilzt die dünne Lotschicht, die den Stift gegen die wendel 7 ruht mit ihrem anderen Ende auf der Stirn-Wirkung der gespannten Feder festhält; der Stift fläche des Messerkontakts 1. Das Röhrchen 5 ist in der schnellt nach Schmelzen des Lotes sofort heraus und 50 Rohrelektrode3 durch ein Weichlote festgehalten; die kann unmittelbar die Umschaltvorrichtung, z. B. einen Feder T ist in der normalen Betriebsstellung gespannt. Kontakthebel oder eine Kontaktfeder dieser Umschalt- Beim Auftreten einer Entladung zwischen den Elekvorrichtung betätigen. troden 3, 3' erwärmt sich zunächst die Stirnfläche der

Man kann aber auch in dem Hohlraum der Elek- Elektrode 3, die Wärme zieht aber sofort auch in den

trode einen Bimetallstreifen anordnen, der über seine 55 Zylinderteil hinein und bringt das Lot 8 zum Schmel-

Befestigungsteile in großflächiger wärmeleitenderVer- zen, worauf das Röhrchen 5 unter der Wirkung der

bindung mit der Elektrode steht und dessen freies, gespannten Feder 7 gegen eine Umschaltkontaktfeder 9

aus der Elektrode herausragendes Ende in an sich schlägt, die ein Umschalten des Kontaktsatzes 10 der

bekannter Weise unmittelbar als Umschaltkontakt in ihren übrigen Teilen nicht weiter dargestellten Um-

wirken kann. ⁶° schaltvorrichtung bewirkt.

Von der Verformung eines erwärmten Bimetall- Die Ausführung gemäß der Abb. 2 unterscheidet

Streifens kann man auch noch in der Weise Gebrauch sich von der Ausführung nach Abb. 1 lediglich da-

machen, daß man einen Bimetallstreifen auf die äußere durch, daß die Umschaltfeder 9 durch eine unmittel-

Oberfläche des aus dem Gasentladungsgefäß heraus- bar an der Messerkontaktplatte 1 befestigte gebogene

ragenden Endes des Elektrodenhohlkörpers aufzieht, 65 Umschaltfeder 11 ersetzt ist.

so daß er bei normalen Temperaturen mit Druck an Bei der Ausführungsform gemäß Abb. 3 sind beide der äußeren Oberfläche des Hohlkörpers fest anliegt. Elektroden mit mehr Röhrchen oder Stiften 5 ver-Setzt man diesen Bimetallstreifen der Wirkung eines sehen, die unter der Wirkung von Flachfedern 12 bzw. axialen Federdruckes aus, so wird er wegen seiner 13 liegen, die gabelartig Anschlagstücke 6 bzw. 6'umReibung auf dem Hohlkörper dieser Federkraft zu- 70 fassen. Bei der Darstellung rechts sucht die Feder 12

über das Anschlagstück 6 das Röhrchen oder den Stift 5 nach innen zu drücken, wodurch die an den rechten Kontakt des Kontaktsatzes 10 angedrückte Kontaktfeder 9 nach links durchfedert, den einenKontakt öffnet und den anderen Kontakt schließt. Bei der auf der linken Seite dargestellten Ausführung sucht die Feder 13 über den Anschlag 6' den Stift 5' nach außen zu ziehen, wobei die Kontaktfeder 9' ebenfalls einen Kontakt des Kontaktsatzes 10' öffnet und einen zweiten Kontakt schließt. Die Ausführung der Schutzvorrichtung gemäß Fig. 3 ergibt den Vorteil, daß man einen Überspannungsableiter, wenn er angesprochen hat und sich dabei der Stift 5 in der Hohlzylinderelektrode 3 verschoben hat, nach Abkühlung des Lotes sofort wieder verwenden kann, indem man ihn umdreht, so daß der ursprünglich nach innen hineingedrückte und in dieser Länge durch das nach dem Abschalten des Ableiters wieder erhärtende Lot festgehaltene Stift 5 in einer auf der linken Seite dargestellten Kontaktvorrichtung 10' wieder herausgezogen wird, wenn eine erneute Belastung des Gasentladungsgefäßes auftritt.

Bei den beiden Ausführungsformen gemäß Abb. 1 und 2 muß der Stift — wenn er einmal angesprochen hat — in einer besonderen \^rorrichtung »zurückgelötet« werden.

In der Ausführungsform der Schutzvorrichtung gemäß Abb. 4 ist außen auf die Elektrode 3 eine geschlitzte Hülse 14 aus Bimetallblech aufgeklemmt. Diese Hülse 14 umfaßt das zylindrische Endstück der Elektrode 3 mit derartig hoher Klemmkraft, daß die Reibung zwischen dem Zylinder und der Hülse dem Druck der Feder 14 widerstehen kann.

Wenn sich die Elektrode 3 erwärmt, heizt sich nach einiger Zeit auch die Hülse 14 auf, die sich daraufhin aufbiegt, bis der Druck auf die Oberfläche der Elektrode 3 so gering geworden ist, daß die Feder 15 die Reibungskraft zwischen Hülse und Elektrode überwindet und die Hülse nach rechts herausschiebt, wobei ein Führungsstift 16 in die Nut 17 der Hülse gleitet. Gleichzeitig mit dieser Bewegung der Hülse 14 bewegt sich die von der Hülse zunächst in ihrer Betriebslage gehaltene, unter Spannung stehende Umschaltfeder 18 nach rechts, wobei sie den linken Kontakt des Kontaktsatzes 19 öffnet und den rechten Kontakt schließt. Diese Ausführung wird man vor allem dann verwenden, wenn es sich um größere Überspannungsableiter handelt, bei denen kurzzeitig wirkende größere Stromstöße weniger Gefahr bringen als weniger große, aber lang andauernde Überlastungen, da bei dieser Ausführung die Ansprechgeschwindigkeit geringer ist als bei den Ausführungen gemäß Abb. 1 bis 3.

Die Abb. 5 zeigt den Einbau eines Bimetallstreifens in die Hohlraumelektrode, wobei der Bimetallstreifen 20 im Innenraum der Elektrode 3 festgelegt ist. Der Bimetallstreifen 20 kann zwecks guter Wärmeübertragung auf der gesamten Länge der Hohlraumelektrode in diese eingelötet werden, wie es die Abb. 5 zeigt.

Um jedoch die Masse, die beim Ansprechen des Gasentladungsgefäßes erwärmt werden muß, klein zu halten, empfiehlt es sich, entweder den Bimetallstreifen 20 unmittelbar an das die Elektrode bildende Rohr anzulöten — vornehmlich an dem inneren Ende des Rohres — oder ihn in Form einer Haarnadel zu krümmen und in das Elektrodenrohr 3 nur einzuschieben. Die Arbeitsweise der mit Kontakten versehenen Bimetallfeder 20 in dem Kontaktsatz 21 dürfte keine weitere Erläuterung erfordern. Es sei lediglich darauf hingewiesen, daß die Ausbildung des freien Endes der Bimetallfeder 20 beliebig gewählt werden kann, daß man also die Feder auch gerade in der Achse des Elektrodenrohres 3 weiterführen kann; diese Ausführung ergibt aber eine große Baulänge, so daß es wünschenswert erscheint, die Feder nach ihrem Heraustreten aus dem Elektrodenrohr 3 seitlich abzubiegen.

Die Ausführung der Schutzvorrichtung gemäß Abb. 6 ist zwar an sich etwas kostspieliger als die bisher beschriebenen Ausführungen, sie gibt aber die Möglichkeit, die jeweilige Wärmebelastung des Gasentladungsgefäßes genau zu verfolgen, da man an das Thermoelement gegebenenfalls auch ein die Temperatur unmittelbar messendes Meßgerät anschließen kann. Das Thermoelement 22 ist unmittelbar an die Stirnwand der Elektrode 3 herangeschoben, wo es bei einer Entladung am schnellsten erwärmt wird. Die beiden Spannung führenden Leitungen des Thermoelements sind an die Betätigungsspule 23 eines Umschaltrelais 24 angeschlossen, dessen Umschaltkontakt 25 bei ausreichend hohem Erregerstrom in der Spule 23 angezogen wird, wobei er den einen Kontakt öffnet und den anderen schließt.

Wesentlich für die Ausführung der Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung dürfte sein, daß die als Hohlkörper ausgebildeten Elektroden 3 aus einem Stoff bestehen, der hohe Temperaturen ertragen kann und ein großes Wärmeleitvermögen besitzt. Außerdem muß der Stoff einwandfrei vakuumdicht sein, da ja im Innern der Hohlkörperelektrode normaler Luftdruck herrscht.

Bei der Herstellung der Entladungsgefäße aus Glas erweist es sich als zweckmäßig, für die Elektroden ein Material zu wählen, dessen Ausdehnungskoeffizient etwa gleich dem des Glases ist und die Elektroden einfach einzuschmelzen. Es dürfte aber auch ohne weiteres möglich sein, die Gefäße aus Metall herzustellen und lediglich isolierende Einführungen für die Elektroden zu benutzen.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schutzvorrichtung für elektrische Anlagen, insbesondere für Fernmeldeanlagen, bestehend aus einem als Überspannungsableiter wirkenden Gasentladungsgefäß und einer außerhalb des Gasentladungsgefäßes befindlichen Umschaltvorrichtung, die z. B. im normalen Betriebszustand die zu schützende Anlage mit einer ankommenden Leitung verbindet, beim Auftreten einer die Anlage gefährdenden Überspannung infolge der beim Ableiten der Überspannung in dem Gasentladungsgefäß entwickelten Strom wärme jedoch die Anlage von der Leitung trennt und anschließend das Gasentladungsgefäß kurzschließt, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Betätigung der Umschaltvorrichtung auslösendes oder bewirkendes Glied in gut wärmeleitender Verbindung mit einer der Elektroden des Gasentladungsgefäßes steht.

2. Schutzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Elektroden des Gasentladungsgefäßes als langgestreckter dünnwandiger, an seinem in das Gasentladungsgefäß hineinragenden Ende geschlossener und an seinem aus dem Gefäß herausragenden Ende vorzugsweise offener Hohlkörper ausgebildet ist, dessen Wandungen aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen.

3. Schutzvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Betätigung des Umschalters bewirkende oder auslösende Glied in dem

von außen zugänglichen Hohlraum der Elektrode angeordnet ist.

4. Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied ein unter Federspannung stehender, in der vorzugsweise rohrförmigen Elektrode durch leicht schmelzendes Lot festgehaltener Stift ist, der beim Schmelzen des Lotes durch die Feder gegen eine Umschaltvorrichtung gedrückt wird und diese dabei betätigt.

5. Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der vorzugsweise

rohrförmigen Elektrode ein Bimetallstreifen befestigt ist, der über das Befestigungsmaterial in großflächiger wärmeleitender Verbindung mit der Elektrode steht und dessen freies, aus der Elektrode herausragendes Ende in an sich bekannter Weise bei Erwärmung des Bimetallstreifens als Umschaltkontakt wirkt.

6. Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere der rohrförmigen Elektrode ein Thermoelement eingebaut ist, dessen Strom zur Betätigung eines Umschaltrelais verwendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen