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Die
Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung
zum Einsatz in der Stromversorgung, mit einem druckdichten Gehäuse, mit
einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode, mit einer im
Inneren des Gehäuses
zwischen beiden Elektroden ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer,
mit einer zwischen beiden Elektroden ausgebildeten Durchschlag-Funkenstrecke
und mit einer Zündhilfe, wobei
beim Zünden
der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein
Lichtbogen entsteht und wobei als Zündhilfe ein Zündkreis
mit einem innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordneten Zündelement
und/oder einer ebenfalls innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordneten
Zündelektrode
und einem außerhalb
des druckdichten Gehäuses
angeordneten Spannungsschaltelement vorgesehen ist, und das Spannungsschaltelement mit
dem Zündelement
und/oder der Zündelektrode elektrisch
in Reihe geschaltet ist.
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Elektrische,
insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise
sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, 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.
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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, wo auch immer sie eingesetzt sind,
gegen transiente Überspannungen
zu schützen,
sind Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt
worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
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Wesentlicher
Bestandteil von Überspannungsschutzeinrichtung
der hier in Rede stehenden Art ist mindestens eine Funkenstrecke,
die bei einer bestimmten Überspannung,
der Ansprechspannung, anspricht und damit verhindert, daß in dem
durch eine Überspannungsschutzeinrichtung
geschützten Stromkreis Überspannungen
auftreten, die größer als
die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind.
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Eingangs
ist ausgeführt
worden, daß die
erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung zwei
Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden ausgebildete
Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. Bei einer Durchschlag-Funkenstrecke kann es
sich sowohl um eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke als auch um eine
solche Durchschlag-Funkenstrecke handeln, bei der nicht Luft, sondern
ein anderes Gas zwischen den Elektroden vorhanden ist. Neben Überspannungsschutzeinrichtungen
mit einer Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzeinrichtungen
mit einer Überschlag-Funkenstrecke,
bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt.
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Überspannungsschutzeinrichtungen
mit einer Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen
mit einer 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 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
Durchschlag-Funkenstrecke
in verschiedener Weise Zündhilfen
realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens
eine eine Gleitentladung auslösende
Zündhilfe
vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Durchschlag-Funkenstrecke
hineinragt, stegartig ausgeführt
ist und aus Kunststoff besteht (vgl.
DE 41 41 681 A1 oder
DE 44 02 615 A1 ).
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Die
bei den bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen
vorgesehenen, zuvor angesprochenen Zündhilfen können gleichsam als "passive Zündhilfen" bezeichnet werden, "passive Zündhilfen" deshalb, weil sie
nicht selbst "aktiv" ansprechen, sondern
nur durch eine Überspannung
ansprechen, die an den Hauptelektroden auftritt.
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Aus
der
DE 198 03 636
A1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung
mit zwei Elektroden, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Durchschlag-Funkenstrecke
und einer Zündhilfe
bekannt. Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung ist
die Zündhilfe,
als "aktive Zündhilfe" ausgebildet, nämlich dadurch,
daß neben
den beiden Elektroden – dort
als Hauptelektroden bezeichnet – noch
mindestens eine Zündelektrode
vorgesehen sind. Diese Zündelektrode
bildet zusammen mit einer Hauptelektrode oder einer zweiten Zündelektrode
eine zweite, als Zündfunkenstrecke
dienende Durchschlag-Funkenstrecke.
Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung
gehört
zu der Zündhilfe
außer
der Zündfunkenstrecke
noch ein Zündkreis
mit einem Zündschaltelement.
Bei Anliegen einer Überspannung
an der Überspannungsschutzeinrichtung
sorgt der Zündkreis
mit dem Zündschaltelement
für ein
Ansprechen der Zündfunkenstrecke.
Die Zündelektrode
oder die beiden Zündelektroden
sind in bezug auf die beiden Hauptelektroden derart angeordnet,
daß dadurch, daß die Zündfunkenstrecke
angesprochen hat, auch die Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den
beiden Hauptelektroden, anspricht.
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Die
DE 101 46 728 A1 offenbart
ebenfalls eine Überspannungsschutzeinrichtung
mit zwei Elektroden, einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen
Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe. Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung besteht
die Zündhilfe
aus einer Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines
Zündelements.
Die Reihenschaltung aus Spannungsschaltelement und Zündelement
ist dabei elektrisch zwischen die beiden Elektroden geschaltet,
wobei zumindest das Zündelement
in direktem Kontakt mit einer Elektrode steht.
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Tritt
an dieser Überspannungsschutzeinrichtung
eine Überspannung
auf, die gleich oder größer als
die durch das Spannungsschaltelement vorgegebene Ansprechspannung
ist, so spricht das Spannungsschaltelement an, so daß über die
Reihenschaltung erste Elektrode – Spannungsschaltelement – Zündelement – zweite
Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt. Ab einer bestimmten
Größe des Ableitstroms
kommt es an der Kontaktstelle zwischen dem Zündelement und der zugeordneten
Elektrode wegen des hohen Übergangswiderstandes
an der Kontaktstelle zu Entladungen, die zu einer Vorionisierung
des Kontaktbereichs führen,
so daß sich ein
Lichtbogen ausbildet, der die Kontaktstelle überbrückt. Dies führt dann schließlich zu
einer Zündung der
Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden, so daß zwischen
den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Dabei kann das Spannungsschaltelement,
bei dem es sich beispielsweise um einen Varistor oder einen gasgefüllten Spannungsableiter
handeln kann, räumlich
sowohl zwischen den beiden Elektroden als auch außerhalb
der Lichtbogenbrennkammer angeordnet sein.
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Eine
besondere Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Überspannungsschutzeinrichtung
ist aus der
DE 103
38 835 A1 bekannt. Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung
ist als Zündhilfe
ebenfalls die Reihenschaltung eines Zündelements und eines Spannungsschaltelements
vorgesehen, wobei bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung
das Spannungsschaltelement vorzugsweise außerhalb des metallischen Gehäuses angeordnet
ist. Darüber hinaus
ist im Inneren des Gehäuses
noch eine Zündelektrode
angeordnet, die auf der einen Seite mit dem Gehäuse und auf der anderen Seite
mit dem Zündelement
verbunden ist. Das Zündelement
ist somit zwischen der ersten Elektrode und der Zündelektrode
angeordnet, so daß sich
der Initiallichtbogen, der durch die Entladungen an der Kontaktstelle
zwischen der ersten Elektrode und dem Zündelement entsteht, zwischen
der ersten Elektrode und der Zündelektrode
ausbildet.
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Bei
der aus der
DE 103
38 835 A1 bekannten Überspannungsschutzeinrichtung
wird das Auftreten eines Netzfolgestroms, der nach dem Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke
und dem gewollten Abfließen
des transienten Stoßstromes
aufgrund der niederimpedanten Verbindung zwischen den beiden Elektroden
fließen
kann, dadurch verhindert, daß der Abstand
zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, daß die Lichtbogenspannung größer als
die erwartete Netzspannung ist.
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Bei
den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzeinrichtungen
mit Zündhilfen
führen
die Zündhilfen
zu einer verbesserten, nämlich
niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung. Nachtei lig hierbei
ist jedoch, daß die
Zündhilfen
einen zusätzlichen
Zündkreis
mit spannugsschaltenden oder spannungsbegrenzenden Elementen aufweisen,
die fehlerhaft sein können.
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Aus
der Praxis sind leistungsfähige Überspannungsschutzeinrichtungen
mit Funkenstrecken bekannt, die ein hohes Netzfolgestromlöschvermögen aufweisen
und somit an leistungsstarken Netzen mit einer hohen Vorsicherung
betrieben werden können.
Die maximal zulässigen
Sicherungswerte derartiger Überspannungsschutzeinrichtungen
können
dabei Werte von deutlich über
100 A, beispielsweise 250 A, 315 A oder 400 A aufweisen. Aus der
Praxis sind Überspannungsableiter
bekannt, die neben dem elektrischen Hauptpfad elektrische Hilfskreise
aufweisen, die z. B. zum Zünden
von Funkenstrecken genutzt werden. Um die Kurzschlußfestigkeit
aller elektrischen Pfade sicherzustellen, können auch diese Hilfskreise
mit Vorsicherungen ausgestattet werden.
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Dabei
darf es zwar zu einer Zerstörung
der Funkenstrecke oder des Zündkreises
kommen, diese Zerstörung
muß jedoch "sicher" ablaufen, d. h.
es darf nicht zu Schäden
kommen, die nach außen
auftreten, so daß sichergestellt
ist, daß beispielsweise keine
spannungsführenden
Teile der Überspannungsschutzeinrichtung
berührt
werden können.
Problematisch ist hierbei jedoch, daß bei den im Stand der Technik
realisierten Zündhilfen
die Elemente des Zündkreises,
einschließlich
der Zuleitungen und Leiterbahnen, nur eine Kurzschlußfestigkeit
aufweisen, die weit unterhalb der geforderten Größenordnung liegt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs
beschriebene Überspannungsschutzeinrichtung
so weiterzubilden, daß alle
parallelen Strompfade der Überspannungsschutzeinrichtung,
sowohl die parallelen Strompfade der Funkenstrecke als auch der
Zündkreis
der Zündhilfe,
einer Prüfung
der Kurzschlußfestigkeit
unterzogen werden können,
ohne daß es
zu nach außen
auftretenden Schäden
der Überspannungsschutzeinrichtung
kommt, beispielsweise zu einer Beeinträchtigung der Schutzart der Überspannungsschutzeinrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung,
bei der diese Aufgabe gelöst
ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des druckdichten
Gehäuses
eine Sicherung zwischen dem druckdichten Gehäuse und dem Zündelement oder
der Zündelektrode
angeordnet ist, wobei die Sicherung so ausgelegt ist, daß sie bei
Anliegen eines bestimmten Kurzschlußstromes anspricht, so daß eine Beschädigung des
Zündkreises
durch den Kurzschlußstrom
verhindert wird.
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Erfindungsgemäß ist somit
eine Sicherung als Teil des Zündkreises
vorgesehen, die – gewollt – bei Prüfung der
Kurzschlußfestigkeit
des Zündkreises
auslöst.
Dadurch, daß die
Sicherung innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordnet ist, ist gewährleistet,
daß eine
Zerstörung
der Sicherung nicht zu einer Beeinträchtigung der Schutzart der Überspannungsschutzeinrichtung
führt.
Insbesondere kann eine Zerstörung
der innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordneten Sicherung
nicht zu einer Beschädigung
des äußeren, in
der Regel aus Kunststoff bestehenden Gehäuses der Überspannungsschutzeinrichtung
führen,
was ansonsten dazu führen
könnte,
daß spannungsführende Teile
nicht mehr sicher vor Berührung
geschützt
sind.
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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 Überspannungsschutzeinrichtung
ist also elektrisch mit den Leitungen bzw. Anschlüssen verbunden,
zwischen denen betriebsmäßig die
Betriebsspannung bzw. die Netzspannung ansteht. Dabei ist die erste
Elektrode der Überspannungsschutzeinrichtung
mit der ersten Leitung bzw. dem ersten Anschluß und die zweite Elektrode
der Überspannungsschutzeinrichtung
mit der zweiten Leitung bzw. dem zweiten Anschluß verbunden.
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Tritt
an der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung
eine Überspannung
auf, die gleich oder größer als
die durch das Spannungsschaltelement vorgegebene Ansprechspannung
ist, so spricht das Spannungsschaltelement an, so daß über die
Reihenschaltung erster Anschluß – Spannungsschaltelement – Zündelement
und/oder Zündelektrode – zweite
Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt. Wie einleitend
ausgeführt
worden ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie die Zündhilfe
realisiert ist. Die konkrete Ausge staltung der Zündhilfe ist dabei für die vorliegende
Erfindung nicht wesentlich, insbesondere kann eine der zuvor beschriebenen Zündhilfen
verwendet werden. Wesentlich ist dagegen, daß der Zündkreis durch die Sicherung
gegen Überlast
geschützt
ist, und daß die
Sicherung innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordnet ist.
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Vorzugsweise
weist die Zündhilfe
sowohl ein Zündelement
als auch eine Zündelektrode
auf, die miteinander und mit dem Spannungsschaltelement in Reihe
geschaltet sind. Der Stromfluß durch
das Zündelement
führt dabei
aufgrund des hohen Widerstands des Zündelements zu Entladungen bzw.
zu einem Initiallichtbogen zwischen der Zündelektrode, die zwischen dem
Gehäuse
und dem Zündelement angeordnet
ist, und der zweiten Elektrode. Durch den Initiallichtbogen wird
Plasma erzeugt, welches sich mit fortschreitender Zeitdauer innerhalb
der Lichtbogenbrennkammer ausbreitet. Sobald das Plasma die Lichtbogenbrennkammer
ausreichend gefüllt
hat, kommt es dann zum Zünden
der Durchschlag-Funkenstrecke, so daß ein Lichtbogen zwischen den
beiden Elektroden entsteht.
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Weist
die Zündhilfe
sowohl ein Zündelement als
auch eine Zündelektrode
auf, so ist die Sicherung auf der einen Seite mit dem druckdichten
Gehäuse und
auf der anderen Seite mit der Zündelektrode
verbunden. Ist nur ein Zündelement
und keine Zündelektrode
vorgesehen, so ist die Sicherung auf der einen Seite mit dem druckdichten
Gehäuse
und auf der anderen Seite mit dem Zündelement verbunden. Darüber hinaus
können
die Zündelektrode
und die Sicherung auch als ein Bauteil ausgebildet sein, wobei dann
der die Zündelektrode
bildende Teil des Bauteils mit dem Zündelement und der die Sicherung
bildende Teil des Bauteils mit dem Gehäuse verbunden ist. Das Bauteil
kann dabei beispielsweise als Stanzbiegeteil ausgebildet sein.
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Die
innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordnete
Sicherung ist vorzugsweise als Schmelzsicherung ausgebildet. Eine
derartige Schmelzsicherung kann dabei besonders einfach dadurch
realisiert werden, daß innerhalb
des druckdichten Gehäuses
ein dünner
Metallstreifen oder ein entsprechend dimensionierter Draht angeordnet
ist, der einerseits mit dem druckdichten Gehäuse und andererseits mit der
Zündelektrode
oder dem Zündelement
verbunden ist. Der als Schmelzsicherung wirkende Metallstreifen
bzw. der Draht ist dabei so dimensioniert, daß die Sicherung unter Nennableitbedingungen
nicht auslöst,
bei Anliegen eines entsprechenden Kurzschlußstromes jedoch zerstört wird,
so daß der
Kurzschlußstrom
unterbrochen und die weiteren Elemente des Zündkreises, insbesondere auch die
Zuleitungen und Leiterbahnen des Zündkreises durch den Kurzschlußstrom nicht
beschädigt
werden. Die Schmelzsicherung stellt somit einen zuverlässigen Überlastschutz
für den
Zündkreis
dar, so daß bei einer
Prüfung
der Kurzschlußfestigkeit
des Zündkreises
höchstens
die Schmelzsicherung zerstört
wird. Dadurch, daß die
Schmelzsicherung innerhalb des druckdichten Gehäuses angeordnet ist, führt ein beim "Aufbrennen" der Schmelzsicherung
entstehender Lichtbogen nicht zu einem Schaden außerhalb des
druckdichten Gehäuses.
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Vorzugsweise
ist darüber
hinaus vorgesehen, daß die
Lichtbogenbrennkammer zumindest im Bereich der Sicherung mit einem
isolierenden, gasenden Material, beispielsweise einem gasenden Kunststoff,
insbesondere POM ausgekleidet ist. Hierdurch wird im Falle eines
auftretenden Lichtbogens durch die auftretende Druckerhöhung die
Löschung des
Lichtbogens begünstigt.
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Als
Spannungsschaltelement kann ein Varistor, eine Surpressordiode,
ein gasgefüllter
Spannungsableiter oder eine Kombination der vorgenannten Bauelemente
verwendet werden. Als Zündelement
wird gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung eine Multilager-Leiterplatte aus mindestens
zwei elektrisch leitfähigen
Schichten und mindestens einer dazwischen angeordneten isolierenden
Schicht verwendet, wobei die isolierende Schicht einen Bereich geschwächter Isolation
aufweist, der vorzugsweise durch ein Loch in der isolierenden Schicht
realisiert ist. Bezüglich
der konkreten Ausgestaltung eines derartigen Zündelements wird auf die
DE 10 2004 009 072
A1 verwiesen.
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Um
ein erneutes Zünden
der Überspannungsschutzeinrichtung,
d. h. der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke,
zu verhindern, sind grundsätzlich
die verschiedenen, für
sich aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen, anwendbar. Vorzugsweise
wird jedoch ein erneutes Zünden
der Überspannungsschutzeinrichtung
durch Kühlen
und Ausblasen des entstandenen Plasmas verhindert. Hierzu sind in
dem Gehäuse
Ausström-
und Kühlkanäle vorgesehen,
durch die das Plasma strömen
und dabei auskühlen
kann. Die Realisierung der Ausström- und Kühlkanäle kann dabei besonders vorteilhaft
erfol gen, wenn das Gehäuse
zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Gehäusehälften koaxial zueinander angeordnet
sind. Zwischen den beiden Gehäuseteilen
sind dann schraubenförmige
Ausström-
und Kühlkanäle angeordnet,
durch die zum einen das Plasma strömen kann, die zum anderen gleichzeitig zur
Verschraubung der beiden Gehäuseteile
miteinander dienen.
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Die
zuvor beschriebene Zweiteiligkeit des Gehäuses, wobei die beiden Gehäuseteile
koaxial zueinander angeordnet sind, bietet darüber hinaus die Möglichkeit,
die Gehäuseteile über eine
maximale Länge
miteinander zu verschrauben. Hierdurch wird neben der Verlängerung
des zwischen dem Innengewinde des Gehäuseaußenteils und dem Außengewinde
des Gehäuseinnenteils
ausgebildeten Ausblasweges auch eine Erhöhung der Druckfestigkeit der Überspannungsschutzeinrichtung
insbesondere in axialer Richtung erreicht.
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Vorteilhafterweise
kann die Drucklastaufnahme des Gehäuses dadurch weiter erhöht werden, daß das innere
Gehäuseteil
einen zumindest teilweise konischen Außenumfang und das äußere Gehäuseteil
einen zumindest teilweise konischen Innenumfang aufweist, so daß die Verschraubung
zwischen dem inneren Gehäuseteil
und dem äußeren Gehäuseteil
konisch ausgeführt
ist. Diese Konizität
der Verschraubung ermöglicht
eine Ausbildung des inneren Gehäuseteils
und des äußeren Gehäuseteils
derart, daß die
beiden Gehäuseteile
an ihren einander abgewandten Enden, an denen die beiden Gehäuseteile jeweils
den Druck alleine aufnehmen müssen,
die maximale Wandstärke
aufweisen. Zu den anderen Enden hin verjüngt sich dagegen die Wandstärke des inneren
und des äußeren Gehäuseteils,
so daß dort, wo
die Druckbelastung für
die einzelnen Gehäuseteile
am geringsten ist, auch deren Wandstärke minimal ist.
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Im
einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung
auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf
die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, als
auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 eine
Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
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2 eine
vereinfachte Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
kurz nach dem Ansprechen,
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3 eine
vereinfachte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
kurz nach dem Ansprechen, und
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4 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
teilweise im Längsschnitt.
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Die 1 zeigt
eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 1,
mit einem – in 1 nur
angedeuteten – druckdichten
Gehäuse 2,
in dessen Inneren zwei Elektroden 3, 4 angeordnet
sind, wobei die beiden Elektroden 3, 4 einander
gegenüberliegen
und die in dem Gehäuse 2 ausgebildete
Lichtbogenbrennkammer 5 begrenzen. Zwischen den beiden
Elektroden 3, 4 existiert eine Durchschlag-Funkenstrecke,
wobei beim Zünden
der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden 3, 4 ein – hier nicht
dargestellter – Lichtbogen
entsteht.
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Die
Lichtbogenbrennkammer 5 ist dabei – was aus der Schnittdarstellung
der 4 jedoch nicht ersichtlich ist – so ausgebildet,
daß sie
die beiden Elektroden 3, 4 miteinander verbindet.
Bei dem Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 1 gemäß 4 verläuft die
Lichtbogenbrennkammer 5 teilweise schräg zur Längserstreckung der Überspannungsschutzeinrichtung 1.
Dadurch wird ein Entladungskanal geschaffen, der schräg zur Richtung
des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft, so
daß die vom
Lichtbogen zu überwindende
Strecke zwischen den beiden Elektroden 3, 4 eine
Querkomponente zum elektrischen Feld aufweist. Dies führt dazu,
daß die
an den beiden Elektroden 3, 4 anliegende elektrische
Spannung, die nach dem Zünden
der Durchschlag-Funkenstrecke in der Lichtbogenbrennkammer 5 enthaltenen
freien Ladungsträger
nicht mehr durchgän gig
von der einen Elektrode 3 zur anderen Elektrode 4 beschleunigen
kann, wodurch der Lichtbogen gelöscht
werden kann.
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Die
in den Figuren dargestellte Überspannungsschutzeinrichtung 1 weist
neben der durch die beiden Elektroden 3, 4 gebildeten
Funkenstrecke noch eine Zündhilfe
auf, die aus einem Zündkreis 6 mit
einem Zündelement 7,
einer Zündelektrode 8 und einem
Spannungsschaltelement 9 besteht. In 1 ist
dabei angedeutet, daß anders
als in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
gemäß den 2 und 3 nicht
zwingend sowohl ein Zündelement 7 als auch
eine Zündelektrode 8 vorhanden
sein müssen. Die
Zündhilfe,
durch die die Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung 1 auf
den gewünschten
Wert eingestellt werden kann, besteht bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den 2 und 4 aus
einer Reihenschaltung des Zündelements 7,
der Zündelektrode 8 und
des Spannungsschaltelements 9, wobei das Zündelement 7 zwischen
der einen Hauptelektrode 4 und der Zündelektrode 8 angeordnet
ist.
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Beim
Auftreten einer Überspannung,
die größer als
die Ansprechspannung der Überspannungschutzeinrichtung 1 ist,
fließt
zunächst
ein – in 2 durch
Pfeile dargestellter – Strom
von dem der ersten Elektrode 3 zugeordneten ersten Anschluß 10 über das
metallische Gehäuse 2,
die Zündelektrode 8 und das
Zündelement 7 zur
zweiten Elektrode 4 und damit auch zum zweiten Anschluß 11.
Aufgrund des durch das Zündelement 7 fließenden Stromes
entsteht ein Initiallichtbogen 12, durch den in der Lichtbogenbrennkammer 5 ein
Plasma erzeugt wird, welches sich in Richtung der ersten Elektrode 3 ausbreitet.
Ist die Lichtbogenbrennkammer 5 ausreichend mit Plasma
gefüllt,
so kommt es zur Zündung
der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden 3, 4,
so daß ein
Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden 3, 4 entsteht.
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Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, daß im
Inneren des druckdichten Gehäuses 2 eine
Sicherung 13 angeordnet ist, wobei die Sicherung 13 vorzugsweise
gemäß 2 als
dünner
Metallstreifen 14 ausgebildet ist, der die Zündelektrode 8 elektrisch
leitend mit dem metallischen Gehäuse 2 verbindet.
Die Zündelektrode 8 ist
dabei nicht direkt, sondern nur über
den Metallstreifen 14 mit dem Gehäuse 2 verbunden, so
daß der
zuvor beschriebene Strom von der ersten Elektrode 3 zur
zweiten Elektrode 4 über den
Metallstreifen 14 fließt.
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Bei
der Alternative gemäß 3 ist
im Inneren des druckdichten Gehäuses 2 ein
Bauteil 24, nämlich
ein Stanzbiegeteil angeordnet, daß einerseits die Funktion der
Zündelektrode 8 und
andererseits die Funktion der Sicherung erfüllt. Hierzu weist das Bauteil 24 einen
Teil auf, der mit dem Zündelement 7 verbunden
ist und die Zündelektrode 8 bildet, und
einen Teil, der mit dem Gehäuse 2 verbunden
ist und die Sicherung bildet, wobei auch hier die Sicherung als
Metallstreifen 14 ausgebildet ist.
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Beim
Auftreten eines hohen Kurzschlußstromes
oder bei einer Überprüfung der
Kurzschlußfestigkeit
des Zündkreises 6 kommt
es dann zu einem gewollten Auslösen
der Sicherung 13, d. h. zu einem "Aufbrennens" des Metallstreifens 14, wodurch
der Stromfluß durch
den Zündkreis
unterbrochen und somit der Zündkreis 6 insgesamt,
insbesondere auch die Zuleitungen 15 zu den einzelnen Elementen
des Zündkreises 6,
vor Beschädigung
durch einen zu hohen Strom geschützt
wird. Dadurch, daß der
Metallstreifen 14 innerhalb des druckdichten Gehäuses 2 angeordnet
ist, führt
ein beim "Aufbrennen" des Metallstreifens 14 entstehender
Lichtbogen nicht zu einem Schaden außerhalb des druckdichten Gehäuses 2,
insbesondere nicht zu einer Beschädigung des in der Regel aus
Kunststoff bestehenden – hier
nicht dargestellten – äußeren Gehäuses der Überspannungsschutzeinrichtung 1.
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Damit
der Kurzschlußstrom
nach dem Auslösen
sicher gelöscht
wird, ist das Innere des druckdichten Gehäuses 2 im Bereich
der Sicherung 13 bzw. des Metallstreifens 14 mit
einem isolierenden, gasenden Material 16, beispielsweise
POM oder PBT ausgekleidet.
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Bei
der in den 2 bis 4 dargestellten Überspannungsschutzeinrichtung 1 ist
das zylindrische Gehäuse 2 zweiteilig
ausgebildet, wobei die beiden Gehäuseteile 17, 18 koaxial
zueinander angeordnet sind. Hierdurch läßt sich zunächst besonders einfach ein,
auch hohen Drücken
standhaltendes, stabiles Gehäuse 2 realisieren,
wozu das innere Gehäuseteil 17 in
das äußere Gehäuseteil 18 eingeschraubt
werden kann. Darüber
hinaus können
die Zwischenräume
zwischen den beiden Gehäuseteilen 17, 18 als
Ausström-
und Kühlkanäle 19 für das austretende
Plasma genutzt werden. Sind dabei die Ausström- und Kühlkanäle 19 schraubenförmig ausgebildet,
so verlängert
sich dadurch die Wegstrecke, die das Plasma im Gehäuse 2 entlang
strömt,
wodurch eine verbesserte Kühlung
des ausströmenden
Plasmas erreicht wird.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das erste,
innere Gehäuseteil 17 einen im
wesentlichen konischen Außenumfang
und das zweite, äußere Gehäuseteil 18 einen
entsprechenden konischen Innenumfang auf, so daß die Verschraubung zwischen
dem inneren Gehäuseteil 17 und
dem äußeren Gehäuseteil 18 insgesamt
konisch ausgeführt
ist. Dabei weisen das innere Gehäuseteil 17 und
das äußere Gehäuseteil 18 an
ihren einander abwandten Enden 20, 21 jeweils
die maximale Wandstärke
auf, während
sich die Wandstärke
des inneren Gehäuseteils 17 und
des äußeren Gehäuseteils 18 in
Richtung auf das andere Ende hin jeweils verjüngt. Somit sind die beiden
Gehäuseteile 17, 18 an
den Enden 20, 21, an denen sie jeweils den Druck alleine
aufnehmen müssen,
von ihrer Wandstärke her
maximal. Durch die konische Ausbildung der beiden Gehäuseteile 17, 18 wird
darüber
hinaus erreicht, daß das
Gehäuse 2 insgesamt
sowohl einen konstanten Innendurchmesser als auch einen konstanten
Außendurchmesser
aufweist, wodurch bei gegebenen Anforderungen eine sehr geringe Baugröße der Überspannungsschutzeinrichtung 1 erreichbar
ist.
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Zur
elektrischen Kontaktierung der im Inneren des Gehäuses 2 angeordneten
ersten Elektrode 3 ist ein Elektrodenhalter 22 vorgesehen,
der ebenso wie die Elektrode 4 mittels eines Isolierteils 23 von dem
Gehäuse 2 elektrisch
isoliert ist. Im Unterschied zu den beiden Elektroden 3, 4,
die in der Regel aus Kupfer-Wolfram bestehen, besteht der Elektrodenhalter 22 in
der Regel aus Messing.