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Die
Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit thermischem Überlastschutz
sowie dessen Verwendung und ein Verfahren zum Schutz eines Überspannungsableiters
vor thermischer Überlastung.
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Aus
der Druckschrift
DE
10059534 C1 ist ein Überspannungsableiter bekannt.
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Eine
zu lösende Aufgabe besteht darin, einen thermischen Überlastschutz
für einen Überspannungsableiter und ein Verfahren
anzugeben, die den Überspannungsableiter sicher und einfach
vor thermischer Überlast schützen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Überspannungsableiter gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Des
weiteren wird die Aufgabe gemäß einem Verfahren
nach Anspruch 11 gelöst.
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Der Überspannungsableiter
weist wenigstens zwei Elektroden auf, wobei wenigstens eine der Elektroden
einen Belüftungskanal aufweist. Bei dem Überspannungsableiter
kann es sich sowohl um einen Zwei- als auch um einen Dreielektrodenüberspannungsableiter
handeln, wobei wenigstens eine der äußeren Elektroden
mit einem Belüftungskanal versehen ist. Die Elektroden
können als sich gegenüberstehende Stiftelektroden
ausgebildet sein. Alternativ kann eine Elektrode als Rohrelektrode
ausgeführt sein, in die eine Stiftelektrode hineinragt.
Die Elektroden des Überspannungsableiters sind mittels eines
röhrenförmigen Isolators, vorzugsweise eines Keramikzylinders
miteinander zu einem Überspannungsableiter verbunden. Der
Innenraum des Überspannungsableiters ist gegenüber
der Umgebung gasdicht verschlossen. Im Innenraum des Überspannungsableiters
befindet sich ein Gas.
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Im
Inneren des Überspannungsableiter kommt es bei Überschreiten
einer bestimmten Grenzspannung zu einem Lichtbogenüberschlag. Der
Lichtbogen wird durch den speisenden Strom aufrecht erhalten, solange
die elektrischen Bedingungen für den Lichtbogen gegeben
sind. Der Lichtbogen erzeugt eine thermische Belastung des Überspannungsableiters,
die für den Überspannungsableiter und seine Einbau-Umgebung
spezifizierte Werte nicht überschreiten darf. Andererseits
wird der Überspannungsableiter bei einer Beanspruchung
mit Gleich- oder Wechselspannungen bzw. mit Gleich- oder Wechselströmen
thermisch belastet. Insbesondere bei Blitz- bzw. Stoßströmen
wird der Überspannungsableiter thermisch belastet.
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Das
Schmelzelement ist derart eingerichtet, dass es bei Erwärmung
schmilzt. Der Belüftungskanal dient dazu, den Innenraum
des Überspannungsableiters mit einem Außenbereich
des Überspannungsableiters zu verbinden. Beim Schmelzen des
Schmelzelements gelangt die Atmosphäre des Außenbereichs,
in der Regel Luft, über den Belüftungskanal in
den Innenraum des Überspannungsableiters und löscht
den Lichtbogen. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen. In einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Belüftungskanal
in einer Stiftelektrode angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform
ist der Belüftungskanal in einer Außenelektrode
oder einer Rohrelektrode angeordnet.
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Durch
das Einströmen von Luft in den Innenraum des Überspannungsableiters
wird verhindert, dass es durch eine thermische Überbelastung
zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsableiters
kommt. Durch unzulässig hohe Erwärmung besteht
die Gefahr, dass der Überspannungsableiter in Brand gerät.
Durch die Luftzufuhr wird gezielt eine Überhitzung des Überspannungsableiters
verhindert, da bei einströmender Luft eine Trennung vom
Stromkreis erfolgt.
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Der
Belüftungskanal ist vorzugsweise in einer Ausführungsform
an seinem dem Außenbereich des Überspannungselements
zugewandten Endes der Elektrode mittels eines Schmelzelements verschlossen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Schmelzelement
die Eigenschaften eines niedrigschmelzenden Lotes auf. Es ist jedoch
auch möglich, dass das Schmelzelement die Eigenschaften
eines Hartlotes aufweist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schmelzelement
so ausgebildet, dass bei Erwärmung des Überspannungsableiters
das Schmelzelement Löcher aufweist, durch die die Luft
in den Innenraum des Überspannungsableiters gelangt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Elektroden
des Überspannungsableiters einen so großen Abstand
auf, dass eine Überschlagspannung an Luft höher
ist, als die vorgegebene Zündspannung des Überspannungsableiters.
Bei einströmender Luft kann es somit bei der anliegenden
Spannung zu keiner weiteren Funkenbildung mehr kommen, wodurch sich
die Gefahr einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsableiters
nahezu verhindern lässt. Die Zündspannung des belüfteten Überspannungsableiters
weist somit im Vergleich zur anliegenden Spannung einen wesentlichen
höheren Wert auf.
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Durch
das Eindringen von Luft in den Innenraum des Überspannungsableiters
wird der Überspannungsableiter somit vom Stromkreis, der
durch den Überspannungsableiter im Normalfall verbunden ist,
getrennt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist der Belüftungskanal
mit einem niedrig schmelzenden Lot verschlossen. Das Lot bildet
also einen Lotpfropfen. Der Überspannungsableiter ist im
funktionsfähigen Normalzustand gasdicht verschlossen. Bei
unzulässig hoher Erwärmung ist das Schmelzelement
vorzugsweise so eingerichtet, dass das Schmelzelement schmilzt und
dem Belüftungskanal zumindest so weit frei gibt, dass der Überspannungsableiter
mittels Luftzufuhr von Außen belüftet wird. Durch
die Schmelztemperatur des Schmelzelements lässt sich die
Temperatur festlegen, bei der der Überspannungsableiter
belüftet wird, und somit vom Stromkreis getrennt ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist Außen
an dem Schmelzelement eine Abdeckscheibe angeordnet. Das Schmelzelement
befindet sich in dieser Ausführungsform vorzugsweise zwischen
dem äußeren Ende des Belüftungskanals und
der Abdeckscheibe.
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Die
Abdeckscheibe besteht vorzugsweise aus Kupfer. Die Abdeckscheibe
kann jedoch auch aus einem anderen, vorzugsweise hitzebeständigen, Material
bestehen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Abdeckscheibe
in der Art angebracht, dass durch die Abdeckscheibe der Funktionszustand
des Überspannungsableiters angezeigt wird. Bei vorzugsweise
liegender Anordnung des Überspannungsableiters ist es somit
möglich, dass durch die Abdeckscheibe angezeigt wird, ob
der Überspannungsableiter bereits belüftet ist
oder nicht. Bei unbelüftetem, und somit funktionsfähigem
Zustand des Überspannungsableiters befindet sich die Abdeckscheibe
auf dem Schmelzelement. Bei unzulässiger Erwärmung
schmilzt das Schmelzelement, wodurch sich die Abdeckscheibe von
dem Schmelzelement löst und insbesondere durch das Gewicht
der Abdeckscheibe von ihrer ursprünglichen Position löst. Dabei
fällt die Abdeckscheibe entweder komplett von der Elektrode
ab oder entfernt sich zumindest von ihrer ursprünglichen
Position. Dadurch ist es möglich, aus der Position der
Abdeckscheibe mit Bezug auf den Überspannungsableiter auf
dessen Funktionszustand zu schließen. Der Betrachter kann
somit durch einen Blick auf die Stirnseite des Überspannungsableiters
sofort feststellen, ob der Überspannungsableiters noch
in intaktem Zustand, also unbelüftet ist, oder ob er in
Folge von unzulässig hoher Erwärmung belüftet
ist, und somit für seine ursprüngliche Verwendung
nicht mehr zur Verfügung steht und ausgetauscht werden
muss.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an der Abdeckscheibe
eine mechanische Feder angeordnet.
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Bei
geschmolzenem Schmelzelement ist die Feder derart angeordnet, dass
die Abdeckscheibe durch die Kraft der Feder von dem Schmelzelement beziehungsweise
von der ursprünglichen Position gelöst wird und
auf ein in der Nähe befindliches Kontaktelement gedrückt
wird. Durch den Kontakt der Abdeckscheibe mit dem Kontaktelement
wird ein elektrischer Kontakt geschlossen und ein elektrisches Signal
erzeugt. Dieses elektrische Signal kann zur weiteren Verarbeitung,
beispielsweise zur Anzeige des Funktionszustands des Überspannungsableiters
genutzt werden. Der Überspannungsableiter ist in dieser
Ausführungsform somit auch für eine stehende Anordnung
ausgelegt.
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Bevorzugt
wird der Überspannungsableiter in einer Telekommunikationseinrichtung,
beispielsweise einem Telekommunikationsnetzwerk verwendet. Der Überspannungsableiter
ist in seiner Verwendung nicht auf Telekommunikationsnetzwerke eingeschränkt
und kann auch in jeder anderen elektrischen Schaltung verwendet
werden, in der hohe Spannungen mittels eines Überspannungsableiters
abgeführt werden müssen. Insbesondere ist der Überspannungsableiter
für Blitzschutzanwendungen geeignet, bei denen der Überspannungsableiter
zumindest zeitweise an Netzspannung liegt, bzw. liegen kann. Der Überspannungsableiter
ist insbesondere dazu geeignet, im Bereich des Netzschutzes, d.
h. in der Stromversorgung von Gebäuden (230 V-Netz), zum Schutz
vor Blitzstoßströmen und Überspannungen eingesetzt
zu werden.
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Überspannungsableiter
dienen dazu, hohe pulsförmige Spannungen von einigen kV
und Ströme von einigen kA in sehr kurzer Zeit kurzzuschließen beziehungsweise
zur Erde abzuleiten. Eine im Fehlerfall länger andauernde
Belastung, zum Beispiel wenn ein Netzstrom über ein Telekommunikationsnetzwerk
beziehungsweise einen Spannungsableiter kurzgeschlossen ist (Power
Cross), kann es zu einer unzulässig hohen Erwärmung
des Überspannungsableiters kommen, was möglicherweise
zu einem Brand führen würde. Durch einen wie oben
beschriebenen Überspannungsableiter wird diese übermäßige
Erhitzung verhindert, da bei Belüftung des Überspannungsableiters
eine Trennung vom Stromkreis erfolgt und der Überspannungsableiter
abkühlt.
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Des
Weiteren wird ein Verfahren zum Schutz eines wie zuvor beschriebenen Überspannungsableiters
vor thermischer Überlastung beschrieben, das die folgenden
Schritte aufweist. Wenn sich der Überspannungsableiter
unzulässig stark erwärmt, schmilzt durch die Erwärmung
des Überspannungsableiter das Schmelzelement. Durch das Schmelzen
des Schmelzelements wird in einem nächsten Schritt der Überspannungsableiter
durch den Belüftungskanal belüftet und durch Löschen
des Lichtbogens der Stromkreis getrennt.
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In
einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird eine Abdeckscheibe
bei Schmelzen des Schmelzelements von ihrer ursprünglichen
Position gelöst. Bei liegendem Einbau des Überspannungsableiters
entfernt sich die Abdeckscheibe somit vorzugsweise von ihrer ursprünglichen
Position auf der Außenseite der Elektrode.
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In
einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird die Abdeckscheibe
bei Schmelzen des Schmelzelements durch die Kraft einer Feder auf
ein Kontaktelement gedrückt. Durch den Kontakt zwischen
der Abdeckscheibe und dem Kontaktelement wird ein elektrisches Signal
von dem Kontaktelement erzeugt und weitergeleitet.
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Die
Anordnung und das Verfahren werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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Die
nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu
aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne
Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch
verzerrt dargestellt sein.
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Gleiche
Elemente oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
eine Elektrode eines Überspannungsableiters mit Belüftungskanal,
der mit einem Schmelzelement verschlossen ist,
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2 zeigt
eine Elektrode eines Überspannungsableiters mit einer Abdeckscheibe,
die sich auf dem Schmelzelement über dem Belüftungskanal
befindet,
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3 zeigt
eine schematische Skizze eines Zweipunktüberspannungsableiters,
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4 zeigt
eine schematische Skizze einer Elektrode eines Überspannungsableiters,
bei der die Abdeckscheibe mit einer mechanischen Feder versehen
ist.
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In
der 1 ist eine erste Ausführungsform einer
Elektrode 1 eines Überspannungsableiters in Querschnitt
dargestellt. Die Elektrode 1 weist vorzugsweise einen Belüftungskanal 2 auf,
der das Innere eines Überspannungsableiters mit der äußeren Umgebung
verbindet. Der Belüftungskanal 2 ist vorzugsweise
an seinem äußeren Ende mit einem Schmelzelement 3 versehen,
das den Überspannungsableiter gasdicht verschließt.
Das Schmelzelement kann als Lotpfropfen ausgebildet sein. Der Belüftungskanal 2 ist
vorzugsweise derart angeordnet, so dass die Stirnfläche
der Elektrode 1 im Innenbereich des Überspannungsableiters
eine homogene Elektrodenstirnfläche aufweist. Zwischen
den inneren Stirnflächen der Elektroden 1 eines Überspannungsableiters
erfolgt die Bildung der Funkenstrecke. Der Belüftungskanal 2 in
der 1 weist eine erste Bohrung auf, die quer durch
die Elektrode 1 führt und an beiden Enden zu dem
Innenraum der Elektrode 1 hin geöffnet ist. Eine
senkrecht zur ersten Bohrung angeordnete zweite Bohrung bildet zusammen
mit der ersten Bohrung den Belüftungskanal 2. An
dem äußeren Ende der zweiten Bohrung ist der Belüftungskanal 2 mit
einem Schmelzelement 3 gasdicht verschlossen.
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Der
Belüftungskanal 2 kann jede beliebige Form aufweisen,
die dazu geeignet ist, die Umgebung des Überspannungsableiters
mit dem Innenraum zu verbinden, so dass Luft in den Innenraum des Überspannungsableiters
gelangen kann. Der Belüftungskanal endet vorzugsweise nicht
im Bereich der inneren Stirnfläche der Elektrode 1.
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Die 2 zeigt
eine weitere Ausführungsform der Elektrode 1 eines Überspannungsableiters im
Querschnitt. Der Belüftungskanal 2 ist am äußeren
Ende mit einem Schmelzelement 3 und einer Abdeckscheibe 4 gasdicht
verschlossen. Die Abdeckscheibe 4 wird durch das Schmelzelement 3 in
ihrer Position fixiert. Im Falle einer unzulässig hohen
Erwärmung des Überspannungsableiters schmilzt
das Schmelzelement 3, wodurch sich die Abdeckscheibe 4 von
dem Schmelzelement 3 löst. Bei waagrechtem Einbau
des Überspannungsableiters würde sich die Abdeckscheibe 4 in
Falle des Schmelzens des Schmelzelements 3 vom Schmelzelement 3 ablösen und
verrutschen bzw. sogar ganz abfallen.
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Die
Position der Abdeckscheibe 4 dient somit als Indikator,
ob der Überspannungsableiter belüftet ist oder
noch in intaktem Zustand ist. Bei intaktem Zustand des Überspannungsableiters
befindet sich die Abdeckscheibe 4 an ihrer ursprünglichen
Position auf dem Schmelzelement 3. Ist der Überspannungsableiter
belüftet und damit unbrauchbar, ist die Abdeckscheibe 4 wenigstens
von ihrer ursprünglichen Position entfernt, oder die Abdeckscheibe 4 hat
sich vollständig davon entfernt.
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In
der 3 ist eine schematische Skizze eines 2-Elektrodenüberspannungsableiters
dargestellt. Der Überspannungsableiter weist in dieser Ausführungsform
zwei Elektroden 1 auf, von denen wenigstens eine der beiden
Elektroden 1 einen Belüftungskanal 2 aufweist.
Der Belüftungskanal ist mit einem Schmelzelement 3 gasdicht
verschlossen. Zwischen den beiden Elektroden 1 des Überspannungsableiters
ist als Isolator ein röhrenförmiger Zylinder 5 angeordnet,
der zusammen mit den beiden Elektroden 1 den eigentlichen Überspannungsableiter
bildet. Der Zylinder 5 ist vorzugsweise aus einem keramischen
Material gebildet. Zusammen mit den beiden Elektroden 1 bildet
der Zylinder 5 einen gasdicht abgeschlossenen Innenraum
des Überspannungsableiters. Der Abstand der beiden Elektroden 1 des Überspannungsableiters
ist so groß, dass eine Überschlagsspannung zwischen
den beiden Elektroden 1 an Luft höher ist, als
die vorgegebene Zündspannung des Überspannungsableiters.
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Die 4 zeigt
eine Elektrode 1 einer weiteren Ausführungsform
des Überspannungsableiters im Querschnitt. Der Belüftungskanal 2 der
Elektrode 1 ist mit einem Schmelzelement 3 gasdicht
verschlossen. Eine Abdeckscheibe 4 ist derart auf dem Schmelzelement 3 angeordnet,
dass zwischen der Elektrode 1 und der Abdeckscheibe 4 eine
Feder 6 angeordnet ist. Die Abdeckscheibe 4 wird
durch das Schmelzelement 3 fixiert. Im Falle einer unzulässig hohen
Erwärmung des Überspannungsableiters schmilzt
das Schmelzelement 3. Durch die Kraft der Feder 6 wird
die Abdeckscheibe 4 vom Schmelzelement 3 gelöst
und wird durch die Feder 6 auf ein Kontaktelement 7 gedrückt,
das an der Stirnseite des Überspannungsableiters angeordnet
ist. Durch den Kontakt der Abdeckscheibe 4 mit dem Kontaktelement 7 wird
durch das Kontaktelement ein Signal ausgelöst, das über
eine Signalleitung 8 an eine Auswerteeinrichtung, die in
dieser Figur nicht dargestellt ist, weitergeleitet wird. Das Signal
des Kontaktelements 7 ist somit geeignet, den Funktionszustand des Überspannungsableiters
direkt oder indirekt in optischer, akustischer oder anderweitiger
Form darzustellen.
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Obwohl
in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte
Anzahl möglicher Weiterbildungen des Überspannungsableiters
beschrieben wird, ist dieser nicht auf diese Ausführungsformen
beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, auch einen
Dreielektrodenableiter bei der Mittelelektrode mit einem Belüftungskanal
zu versehen, der mittels eines Schmelzelements verschlossen ist,
wobei die Mittelelektrode direkten Kontakt nach außen hat.
Des Weiteren ist es auch möglich, die Form und die Gestalt des
Belüftungskanals anderweitig als dargestellt zu wählen.
Der Überspannungsableiter ist nicht auf die Anzahl der
schematisch dargestellten Elemente beschränkt.
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Die
Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände und Verfahren
ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen
beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen
Ausführungsformen, soweit technisch sinnvoll, beliebig
miteinander kombiniert werden.
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- 1
- Elektrode
- 2
- Belüftungskanal
- 3
- Schmelzelement
- 4
- Abdeckscheibe
- 5
- Zylinder
- 6
- Feder
- 7
- Kontaktelement
- 8
- Signalleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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