DE102008038486A1

DE102008038486A1 - Overvoltage protective device for use in low-voltage mains power supply, has arc combustion chamber formed between one electrode and another electrode, and insulation section connected in series with arc combustion chamber

Info

Publication number: DE102008038486A1
Application number: DE200810038486
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Durth
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-02-25

Abstract

The device (1) has an arc combustion chamber (4) formed between an electrode (2) and another electrode (3), and a partially-conductive granulate material arranged within the combustion chamber. An insulation section is connected in series with the chamber. A third electrode (7) is arranged at a distance to the former electrode in such a manner that the third electrode together with the former electrode form another combustion chamber (8) with a drift-spark gap (9) as the insulation section, where an arc is developed between the former and the latter electrodes during ignition of gap. The partially-conductive granulate material consists of a conductive ceramic material. The device comprises an isolating granulate material e.g. porous ceramic or mineral material. The electrodes are made from a combustion-resistant non-metallic, electrically conductive material e.g. conductive ceramics.

Description

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung zum Einsatz in der Stromversorgung, insbesondere von Niederspannungsnetzen, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode und mit einer zwischen den beiden Elektroden ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer.The The invention relates to an overvoltage protection device for use in the power supply, in particular of low-voltage networks, with a first electrode, with a second electrode and with a formed between the two electrodes arc combustion chamber.

Elektrische, insbesondere 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.electric, in particular electronic measuring, control, regulating and switching circuits are sensitive to transient overvoltages, as they are in particular by atmospheric discharges, but also by switching operations or short circuits in power supply networks may occur.

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 vielen Jahren bekannt.electrical Circuits work with the voltage specified for them, the nominal voltage, normally trouble-free. That is true then not when surges occur. As overvoltages apply all voltages that are above the upper tolerance limit of Nominal voltage are. These include above all the transient overvoltages, due to atmospheric discharges, as well by switching operations or short circuits in power supply networks can occur and galvanic, inductive or capacitive can be coupled into electrical circuits. To now electrical or electronic circuits, in particular electronic measuring, control and regulating circuits, where whatever they are used against transient overvoltages to protect, overvoltage protection devices have been developed been known and known for many years.

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.essential Part of overvoltage protection device here at least one spark gap is at issue a certain overvoltage, the response voltage responds and thus prevents that in by an overvoltage protection device protected circuit surges occur the greater than the operating voltage of the spark gap are.

Bei Überspannungsschutzeinrichtungen der in Rede stehenden Art – mit oder ohne Verwendung einer Zündhilfe – entsteht beim Zünden der Funkenstrecke durch den entstehenden Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwi schen den beiden Elektroden. Über diese niederimpedante Verbindung fließt zunächst – gewollt – der abzuleitende transiente Stoßstrom. Bei anliegender Netzspannung folgt dann jedoch über diese niederimpedante Verbindung ein unerwünschter Netzfolgestrom. Ist in dem Stromkreis eine Sicherung einem zu schützendem Gerät oder einer zu schützenden Anlage vorgeschaltet, so führt der Netzfolgestrom zur Zerstörung der Vorsicherung, wodurch zwar das Gerät bzw. die Anlage vor Zerstörung geschützt ist, das Gerät bzw. die Anlage ist jedoch erst dann wieder verfügbar, wenn die Vorsicherung ausgetauscht worden ist. Daher ist man bestrebt, den Lichtbogen möglichst schnell nach abgeschlossenem Ableitvorgang zu löschen.For overvoltage protection devices the type in question - with or without the use of a Ignition aid - arises when igniting the Spark gap by the resulting arc a niederimpedante Connection between the two electrodes. About this low-impedance Connection flows first - wanted - the derived transient surge current. At applied mains voltage but then follows this low-impedance connection an unwanted network follower. Is in the circuit one Securing a device to be protected or a preceded to be protected system, so leads the Follow-up current to destroy the backup fuse, causing Although the device or the system from destruction is protected, the device or the system is however only available again when the backup fuse replaced has been. Therefore, one strives to the arc as possible quickly clear after completion of the discharge process.

Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung nach dem Ansprechen der Funkenstrecke zu vergrößern. Eine derartige Möglichkeit, den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, ist bei der aus der DE 44 02 615 A1 bekannten Überspannungsschutzeinrichtung realisiert. Die bekannte Überspannungsschutzeinrichtung 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 Bohrungen sorgen dafür, daß im Augenblick des Ansprechens der Überspannungsschutzeinrichtung, also des Zündens, der entstandene Lichtbogen durch eine thermische Druckwirkung von seiner Entstehungsstelle wegwandert. Da die Funkenhörner der Elektroden V-förmig zueinander angeordnet sind, wird die von dem Lichtbogen zu überbrückende Strecke beim Herauswandern des Lichtbogens vergrößert, wodurch die Lichtbogenspannung ansteigt.One way to achieve this goal is to increase the arc length and thus the arc voltage after the response of the spark gap. Such a way to extinguish the arc after the discharge, is in the from the DE 44 02 615 A1 realized overvoltage protection device. The well-known overvoltage protection device has two narrow electrodes, which are each formed angularly and each having a spark plug and an angled branch leg. In addition, the spark horns of the electrodes are provided in their adjacent to the terminal legs areas with a bore. The holes provided in the sparking horns of the electrodes ensure that, at the moment of the response of the overvoltage protection device, ie the ignition, the resulting arc migrates away from its point of origin due to a thermal pressure effect. Since the spark horns of the electrodes are arranged in a V-shape to each other, the distance to be bridged by the arc is increased as the arc travels, whereby the arc voltage increases.

Die Lichtbogenspannung kann auch durch eine Druckerhöhung in einem geschlossenen und druckdichten Gehäuse vergrößert werden. 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.The Arc voltage can also be caused by a pressure increase in Enlarged a closed and pressure-tight housing become. Another way to erase the arc, consists in the cooling of the arc by the cooling effect of insulating walls as well as the use of gas donate Insulating materials. This is a strong flow of extinguishing gas necessary, which requires a high design effort.

Darüber hinaus kann der Netzfolgestrom durch die Einbringung eines Serienwiderstandes in den Ableitpfad begrenzt oder durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Funkenstrecken und die sich dadurch ergebende Addition der einzelnen Lichtbogenspannungen unterdrückt werden, wie es aus der DE 197 42 302 A1 bekannt ist.In addition, the follow-on current can be limited by the introduction of a series resistor in the discharge path or suppressed by the series connection of multiple spark gaps and the resulting addition of the individual arc voltages, as can be seen from DE 197 42 302 A1 is known.

Ein grundsätzlicher Nachteil der Erhöhung der Lichtbogenspannung besteht in dem damit verbundenen erhöhten Energieumsatz während des Ableitens des Überspannungsimpulses. Dies führt insbesondere bei Überspannungsschutzeinrichtungen mit weitestgehend geschlossenen Gehäusen zu Problemen, da die in Wärme umgesetzte Energie nur langsam die Lichtbogenbrennkammer verlassen kann, so daß insbesondere die die Brennkammer umgebenden Materialien großer Wärme und einem erhöhten Druck ausgesetzt sind. Hierdurch können Kunststoffteile beschädigt werden, die als Isolation zwischen den beiden Elektroden und zur Beblasung des Lichtbogens eingesetzt werden.A fundamental disadvantage of increasing the arc voltage is the associated increased energy expenditure during the dissipation of the overvoltage pulse. This leads in particular in overvoltage protection devices with largely closed housings to problems, since the converted into heat energy can leave the arc combustion chamber only slowly, so that in particular the surrounding the combustion chamber materials are exposed to high heat and pressure. As a result, plastic parts can be damaged as insulation between the two electrodes and for blowing of the arc are used.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die sich durch ein erhöhtes Netzfolgestromlöschvermögen auszeichnet, trotzdem jedoch konstruktiv einfach realisiert werden kann.Of the present invention is therefore the object of an overvoltage protection device specify the type described above, which is characterized by an increased Netfolgestromlöschvermögen distinguishes, nevertheless However, structurally simple can be realized.

Diese Aufgabe ist bei der eingangs beschriebenen Überspannungsschutzeinrichtung dadurch gelöst, daß innerhalb der Lichtbogenbrennkammer ein teilleitfähiges Granulat angeordnet ist und daß der Lichtbogenbrennkammer eine Isolationsstrecke in Reihe geschaltet ist. Das innerhalb der Lichtbogenbrennkammer angeordnete Granulat bildet eine leitende Verbindung zwischen den beiden Elektroden derart, daß eine an den Elektroden anliegende Spannung zu einem Stromfluß von der ersten Elektrode über das Granulat zur zweiten Elektrode führt. Dabei ist jedoch an den Kontaktstellen benachbarter leitfähiger Körner ein Übergangswiderstand vorhanden, so daß es beim Überschreiten einer Mindeststromhöhe an den Kontaktstellen zwischen den einzelnen Körnern des Granulats zu Entladungen kommt, die sich aufweiten und eine Vielzahl von Teillichtbögen innerhalb des Granulats bilden.These The task is with the overvoltage protection device described above achieved in that within the arc combustion chamber a partially conductive granules is arranged and that the Arc combustion chamber connected an isolation path in series is. The arranged within the arc combustion chamber granules forms a conductive connection between the two electrodes in such a way that a voltage applied to the electrodes to a voltage Current flow from the first electrode through the granules leads to the second electrode. However, it is at the contact points adjacent conductive grains a contact resistance present, so that when it exceeds a Minimum flow height at the contact points between the individual grains of the granules comes to discharges that expand and one Forming a large number of partial arcs within the granulate.

Um das Auftreten eines Stromflusses über die Überspannungsschutzeinrichtung bereits beim Anliegen der Nennspannung zu verhindern, ist der Lichtbo genbrennkammer eine Isolationsstrecke in Reihe geschaltet, die die Isolationsfestigkeit der Überspannungsschutzeinrichtung bei Nennspannung gewährleistet. Die Isolationsstrecke ist so dimensioniert, daß sie erst bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird. Als Isolationsstrecke könnte beispielsweise ein Varistor oder ein gasgefüllter Spannungsableiter vorgesehen sein. Vorzugsweise wird die Isolationsstrecke jedoch durch eine hochisolierende Funkenstrecke realisiert, wozu eine dritte Elektrode vorgesehen und derart beabstandet von der ersten Elektrode angeordnet ist, daß die dritte Elektrode mit der ersten Elektrode eine zweite Lichtbogenbrennkammer mit einer Durchschlag-Funkenstrecke bildet, wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen der ersten und der dritten Elektrode ein Lichtbogen entsteht. Dadurch ist sichergestellt, daß über das teilleitfähige Granulat zwischen der ersten und der zweiten Elektrode nur dann ein Strom fließt, wenn zunächst die Durchschlag-Funkenstrecke zwischen der dritten und der ersten Elektrode gezündet hat.Around the occurrence of a current flow through the overvoltage protection device already to prevent the concern of the rated voltage, is the Lichtbo genbrennkammer an insulation section connected in series, the insulation resistance the overvoltage protection device at nominal voltage guaranteed. The insulation distance is dimensioned so that they only at the response voltage of the overvoltage protection device becomes conductive. For example, as an isolation route a varistor or a gas-filled arrester provided be. Preferably, however, the isolation path is through a realized highly insulating spark gap, including a third electrode provided and arranged spaced from the first electrode is that the third electrode with the first electrode a second arc combustion chamber with a breakdown spark gap forms, wherein when igniting the breakdown spark gap an arc is generated between the first and the third electrode. This ensures that on the partially conductive Granules between the first and the second electrode only then a current flows when first the breakdown spark gap ignited between the third and the first electrode Has.

Um die Ansprechspannung der Durchschlag-Funkenstrecke zu verringern, kann eine Zündhilfe vorgesehen sein, wie sie beispielsweise in der DE 198 03 636 A1 beschrieben ist. Derartige Funkenstrecken werden in der Praxis häufig auch als getriggerte Funkenstrecken bezeichnet. Hierdurch ist es möglich, die Ansprechspannung der isolierenden Funkenstrecke und damit der Überspannungsschutzeinrichtung auf kleiner 4 kV, vorzugsweise auf kleiner 1,5 kV zu reduzieren.In order to reduce the response voltage of the breakdown spark gap, a starting aid may be provided, as for example in the DE 198 03 636 A1 is described. Such spark gaps are often referred to in practice as triggered spark gaps. This makes it possible to reduce the response voltage of the insulating spark gap and thus the overvoltage protection device to less than 4 kV, preferably to less than 1.5 kV.

Zuvor ist ausgeführt worden, daß innerhalb der Lichtbogenbrennkammer ein teilleitfähiges Granulat angeordnet ist. Das teilleitfähige Granulat ist dadurch gekennzeichnet, daß die innere Leitfähigkeit der einzelnen Körner des Granulats größer als die Leitfähigkeit der Kontaktstellen zwischen benachbarten Körnern des Granulats ist. Fließt über das teilleitfähige Granulat ein Strom, so kommt es beim Überschreiten einer Mindeststromhöhe an den Kontaktstellen zwischen den einzelnen Körnern des Granulats zur Überschreitung der Stromtragfähigkeit der Kontaktstellen. Dieser Strom führt dann an den Kontaktstellen zwischen benachbarten Körnern aufgrund des Übergangswiderstandes an den Kontaktstellen zu Entladungen, d. h. zu Mikrolichtbögen, die sich aufweiten und eine Vielzahl von Teillichtbögen innerhalb des Granulats bilden. Aufgrund der Ausbildung vieler Teillichtbögen innerhalb des Granulats anstelle eines einzelnen Lichtbogens zwischen der ersten und der zweiten Elektrode kommt es zu einer Erhöhung des Spannungsabfalls zwischen den beiden Elektroden, wodurch ein Netzfolgestrom unterdrückt wird. Die Ausbildung von mehreren Teillichtbögen innerhalb des Granulats führt dabei außerdem zu einer guten Absorption der thermischen Energie innerhalb der Lichtbogenbrennkammer.before has been carried out that within the arc combustion chamber a partially conductive granules is arranged. The partially conductive Granules are characterized in that the internal conductivity of the individual grains of granules larger as the conductivity of the contact points between adjacent ones Grains of granules is. Flows over the partially conductive granules a current, so it comes when crossing a minimum current level at the contact points between the individual grains of granules to exceed the current carrying capacity of the contact points. This stream then leads to the contact points between adjacent ones Grains due to the contact resistance the contact points to discharges, d. H. to micro-arcs, which widen and a variety of partial arcs form within the granules. Due to the formation of many partial arcs within the granules instead of a single arc between the first and second electrodes increase the voltage drop between the two electrodes, creating a Network follow current is suppressed. The training of several Partial arcs within the granules leads here in addition to a good absorption of thermal energy inside the arc combustion chamber.

Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung können die Eigenschaften der Überspannungsschutzeinrichtung, insbesondere das Ableitverhalten und die Netzfolgestromunterdrückung durch eine geeignete Wahl des Granulats beeinflußt werden. Variable Parameter des Granulats sind dabei insbesondere die Korngröße, die Form der Körner, das Material des Granulats sowie die Materialbeschaffenheit und die Oberflächenbeschaffenheit des Granulats. Die Korngröße der Granulats ist dabei vorzugsweise kleiner als 5 mm, wobei die Korngröße mit dem zur Verfügung stehenden Volumen der Lichtbogenbrennkammer korrelieren kann, d. h. bei kleinerem Volumen vorzugsweise auch eine Granulat mit einer kleineren Korngröße verwendet wird.at the overvoltage protection device according to the invention the characteristics of the overvoltage protection device, in particular the leakage behavior and the line follow current suppression be influenced by a suitable choice of the granules. Variable parameters of the granules are in particular the grain size, the shape of the grains, the material of the granules and the Material texture and the surface texture of the Granule. The grain size of the granules is preferably smaller than 5 mm, the grain size with the available volume of the arc combustion chamber can correlate, d. H. preferably with a smaller volume used granules with a smaller grain size becomes.

Vorteilhafterweise besteht das teilleitfähige Granulat aus einem Material, das unter Einwirkung eines Lichtbogens nicht verschweißt. Es wird somit vorzugsweise ein lichtbogenbeständiges Material, beispielsweise ein leitfähiger keramischer Werkstoff für das Granulat verwendet. Dadurch ist sichergestellt, daß sich die einzelnen Körner des Granulats auch unter Einwirkung der einzelnen Teillichtbögen nicht zu einer mechanischen Einheit verbinden, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften des Granulats verändern würden, insbesondere die Leitfähigkeit der Kontaktstellen zwischen benachbarten Körnern des Granulats vergrößert würde.Advantageously, the partially conductive granules consists of a material which does not weld under the action of an arc. It is thus preferably an arc-resistant material, for example a conductive ceramic material used for the granules. This ensures that the individual grains of the granules do not combine under the action of the individual partial arcs to a mechanical unit, which would change the electrical properties of the granules, in particular the conductivity of the contact points between adjacent Kör ners of the granules would be increased.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht das teilleitfähige Granulat aus einem Material, das eine nicht-lineare Strom-Spannungskennlinie aufweist. Dabei hat sich herausgestellt, daß insbesondere Materialien mit einem ausgeprägten positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) das Netzfolgestromlöschvermögen der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung positiv beeinflussen.According to one Another advantageous embodiment of the invention is the partially conductive Granules of a material that has a non-linear current-voltage characteristic having. It has been found that in particular Materials with a pronounced positive temperature coefficient (PTC) the Netzfolgestromlöschvermögen the overvoltage protection device according to the invention influence positively.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb der Lichtbogenbrennkammer zusätzlich zum teilleitfähigen Granulat noch ein zweites, isolierendes Granulat angeordnet, so daß die Lichtbogenbrennkammer mit einem Granulatgemisch gefüllt ist. Bei der Kombination zweier Granulate aus unterschiedlichem Material ist dabei entweder die Korngröße der beiden Materialien oder das Mischungsverhältnis derart gewählt, daß die einzelnen Körner des teilleitfähigen Granulats so zueinander angeordnet sind, daß die zuvor beschriebene elektrische Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode über das teilleitfähige Granulat gewährleistet ist.According to one Another particularly preferred embodiment of the invention is within the arc combustion chamber in addition to the partially conductive Granules still a second, insulating granules arranged, so that the arc combustion chamber with a granular mixture is filled. When combining two granules of different Material is either the grain size of both materials or the mixing ratio such chosen that the individual grains of the partially conductive granules are arranged to each other, that the electrical connection described above between the first electrode and the second electrode via the partially conductive Granules is guaranteed.

Um eine mögliche Entmischung der beiden Granulate zu verhindern, sind die beiden Granulate vorzugsweise zu einem mechanisch festen aber porösen Körper miteinander verbunden. Die Verbindung zu einem mechanisch festen aber porösen Körper kann dabei durch einen chemischen oder thermischen Prozeß herbeigeführt werden, wobei sichergestellt werden muß, daß die mechanische Verbindung in erster Linie durch das isolierende Granulat erfolgt, während das teilleitfähige Granulat keine fest mechanische Verbindung eingeht, so daß nach wie vor die Leitfähigkeit der Kontaktstellen zwischen den einzelnen Körnern des teilleitfähigen Granulats wesentlich kleiner als die innere Leitfähigkeit der Körner ist, damit es beim Überschreiten einer Mindeststromhöhe zu der zuvor beschriebenen Entstehung von Mikrolichtbögen kommt.Around to prevent possible segregation of the two granules the two granules are preferably mechanically strong but porous body connected together. The Connection to a mechanically strong but porous body can be brought about by a chemical or thermal process it must be ensured that the mechanical connection primarily by the insulating granules takes place while the partially conductive granules no firm mechanical connection is received, so that still the conductivity of the contact points between the individual Grains of semi-conductive granules much smaller as the inner conductivity of the grains is, with it if it exceeds a minimum flow height the previously described formation of micro-arcs comes.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besteht das isolierende Granulat aus einem Material, das unter Einwirkung eines Lichtbogens ein kühlendes Gas abgibt. Vorzugsweise besteht das Granulat aus einem mehrstofflichen Mischmaterial, insbesondere aus einer Mischung aus einem porösen, keramischen oder mineralischen Material und einem unter Lichtbogeneinfluß gasenden Material, beispielsweise Hartgas oder POM. Das isolierende Granulat dient dann auch zur Kühlung der Teillichtbögen und damit zur Verbesserung der Absorption der thermischen Energie innerhalb der Lichtbogenbrennkammer.According to one preferred embodiment of the invention is the insulating Granules of a material that is under the action of an electric arc gives off a cooling gas. Preferably, the granules from a multi-material mixed material, in particular from a Mixture of a porous, ceramic or mineral Material and a gas-incurring material, for example, hard gas or POM. The insulating granules are used then also for cooling the partial arcs and thus to improve the absorption of thermal energy within the arc combustion chamber.

Die zuvor beschriebene Kühlung der einzelnen Teillichtbögen innerhalb des Granulats und damit die Absorption der thermischen Energie kann dadurch weiter erhöht werden, daß die Lichtbogenbrennkammer zumindest teilweise mit einem elektrisch isolierenden aber thermisch leitfähigen Material, beispielsweise einer entsprechenden Keramik, ausgekleidet ist. Hierdurch wird die Wärmeabfuhr aus dem Brennbereich weiter erhöht.The previously described cooling of the individual partial arcs within the granules and thus the absorption of the thermal Energy can be further increased by the Arc combustion chamber at least partially with an electrically insulating but thermally conductive material, such as a corresponding ceramic, lined. As a result, the heat dissipation from the firing range further increased.

In der Regel sind bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung die beiden Lichtbogenbrennkammern durch die erste, gemeinsame Elektrode voneinander getrennt, so daß es nicht zu einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen den beiden Lichtbogenbrennkammern kommt. Daneben kann es jedoch auch Anwendungsfälle geben, in denen es vorteilhaft ist, wenn das in der ersten Lichtbogenbrennkammer angeordnete Granulat auch einen Einfluß auf den Lichtbogen in der isolierenden Funkenstrecke oder der Lichtbogen in der isolierenden Funkenstrecke einen Einfluß auf die Entstehung der Teillichtbögen im Granulat hat. Dann ist vorgesehen, daß die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgebildete Lichtbogenbrennkammer und die zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode ausgebildete Lichtbogenbrennkammer miteinander verbunden sind, insbesondere über eine in der ersten Elektrode ausgebildeten Öffnung. Die gegenseitige Beeinflussung zwischen den beiden Lichtbogenbrennkammern kann dabei zu einem schnelleren Zünden der Teillichtbögen innerhalb des Granulats, zu einer verbesserten Kühlung des Lichtbogens in der zweiten, isolierenden Durchschlag-Funkenstrecke oder zu einem Druckausgleich zwischen den beiden Lichtbogenbrennkammern führen.In the rule are in the overvoltage protection device according to the invention the two arc combustion chambers through the first, common electrode separated so that it is not a mutual Influencing between the two arc combustion chambers comes. In addition, however, there may be applications in which it is advantageous if that in the first arc combustion chamber arranged granules also influence the arc in the insulating spark gap or the arc in the insulating spark gap an influence on the formation of the partial arcs in granules. Then it is provided that the between the first electrode and the second electrode formed arc combustion chamber and formed between the first electrode and the third electrode Arc combustion chamber are interconnected, in particular via an opening formed in the first electrode. The mutual influence between the two arc combustion chambers can cause a faster ignition of the partial arcs within the granules, for improved cooling of the arc in the second, insulating breakdown spark gap or to a pressure equalization between the two arc combustion chambers to lead.

Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, die hier noch kurz erläutert werden soll, betrifft die Ausgestaltung der Elektroden. Diese bestehen vorzugsweise aus einem abbrandfesten Material, wobei insbesondere die erste Elektrode und die zweite Elektrode aus einem abbrandfesten, nicht metallischen, elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus leitfähiger Keramik, bestehen. Alternativ dazu können diese beiden Elektroden aus einem metallischen Material bestehen, wobei auf der der Lichtbogenbrennkammer zugewandten Seite ein abbrandfestes, nicht metallisches, elektrisch leitfähiges Material angeordnet ist. Diese Maßnahmen führen dazu, daß auch unter Einwirkung der Teillichtbögen kein Metalldampf innerhalb der Lichtbogenbrennkammer entsteht, der sich anson sten auf das Granulat niederschlagen und die elektrischen Eigenschaften des Granulats negativ beeinflussen könnte.A last advantageous embodiment of the overvoltage protection device according to the invention, which will be briefly explained here, concerns the Configuration of the electrodes. These preferably consist of a Abbrandfesten material, in particular the first electrode and the second electrode consists of a non-erosion-resistant, non-metallic, electrically conductive material, in particular of conductive Ceramic, exist. Alternatively, these two can Electrodes are made of a metallic material, wherein on the the arc combustion chamber side facing a erosion resistant, not metallic, electrically conductive material arranged is. These measures cause that as well under the action of the partial arcs no metal vapor within the arc combustion chamber is formed, which otherwise most on the granules precipitate and the electrical properties of the granules could negatively influence.

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 zeigenIn particular, there are a variety of ways to design and develop the overvoltage protection device according to the invention. It is referred to both on the Claim 1 subordinate claims as well as to the following description of preferred embodiments in conjunction with the drawings. In the drawing show

1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, 1 a schematic diagram of a first embodiment of an overvoltage protection device according to the invention,

2 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, 2 a schematic diagram of a second embodiment of an overvoltage protection device according to the invention,

3 eine Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Überspannungsschutzeinrichtung, 3 a schematic diagram of another embodiment of an overvoltage protection device,

4 eine Prinzipskizze eines vierten Ausführungsbeispiels einer Überspannungsschutzeinrichtung und 4 a schematic diagram of a fourth embodiment of an overvoltage protection device and

5 eine Prinzipskizze eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung. 5 a schematic diagram of a fifth embodiment of an overvoltage protection device according to the invention.

Die 1 bis 5 zeigen jeweils eine Prinzipskizze einer Überspannungsschutzeinrichtung 1 zum Einsatz in einer Stromversorgung, mit einer ersten Elektrode 2 und mit einer zweiten Elektrode 3, wobei zwischen den beiden Elektroden 2, 3 eine Lichtbogenbrennkammer 4 ausgebildet ist (vgl. insbesondere 1a). Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Überspannungsschutzeinrichtung 1 insgesamt zylinderförmig ausgebildet, so daß die Elektroden 2, 3 vorzugsweise als kreisförmige Scheiben ausgebildet sind. Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung 1 – und damit auch die Elektroden 2, 3 sowie die Lichtbogenbrennkammer 4 – auch eine andere Form aufweisen.The 1 to 5 each show a schematic diagram of an overvoltage protection device 1 for use in a power supply, with a first electrode 2 and with a second electrode 3 , where between the two electrodes 2 . 3 an arc combustion chamber 4 is formed (see, in particular 1a ). In the illustrated embodiments, the overvoltage protection device 1 overall cylindrical, so that the electrodes 2 . 3 are preferably formed as circular discs. Of course, the overvoltage protection device according to the invention 1 - and with it the electrodes 2 . 3 as well as the arc combustion chamber 4 - Also have a different shape.

Innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 4, die außer von den beiden Elektroden 2, 3 von einem zwischen den beiden Elektroden 2, 3 angeordneten Isolator 5 begrenzt ist, ist bei den Ausführungsbeispielen gemäß den erfindungsgemäßen 1b, 4 und 5 ein teilleitfähiges Granulat 6 angeordnet (das teilleitfähiges Granulat 6 ist in 1a lediglich zur besseren Darstellung der Lichtbogenbrennkammer 4 weggelassen). Das teilleitfähige Granulat 6 besteht aus einer Vielzahl von leitfähigen Körnern, deren innere Leitfähigkeit wesentlich größer ist als die Leitfähigkeit der Kontaktstellen zwischen benachbarten Körnern. Das innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 4 angeordnete teilleitfähige Granulat 6 bildet somit eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden 2, 3, so daß beim Anliegen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden 2, 3 ein Strom von der ersten Elektrode 2 über das teilleitfähige Granulat 6 zur zweiten Elektrode 3 fließt. Dadurch, daß innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 4 ein teilleitfähiges Granulat 6 angeordnet ist, bilden die beiden Elektroden 2, 3 somit keine isolierende Funkenstrecke dar.Inside the arc combustion chamber 4 that except from the two electrodes 2 . 3 from one between the two electrodes 2 . 3 arranged insulator 5 is limited is in the embodiments according to the invention 1b . 4 and 5 a semi-conductive granules 6 arranged (the semi-conductive granules 6 is in 1a only to better illustrate the arc combustion chamber 4 omitted). The semi-conductive granules 6 consists of a plurality of conductive grains whose internal conductivity is substantially greater than the conductivity of the contact points between adjacent grains. The inside of the arc combustion chamber 4 arranged partially conductive granules 6 thus forms a conductive connection between the two electrodes 2 . 3 , so that when applying a voltage between the two electrodes 2 . 3 a current from the first electrode 2 via the semi-conductive granules 6 to the second electrode 3 flows. Characterized in that within the arc combustion chamber 4 a semi-conductive granules 6 is arranged, form the two electrodes 2 . 3 thus no insulating spark gap.

Damit es beim Anliegen der Nennspannung an der Überspannungsschutzeinrichtung 1 nicht zu einem ungewollten Stromfluß über die Überspannungsschutzeinrichtung 1 kommt, ist eine dritte Elektrode 7 vorgesehen, die derart beabstandet von der ersten Elektrode 2 angeordnet ist, daß die dritte Elektrode 7 mit der ersten Elektrode 2 eine zweite Lichtbogenbrennkammer 8 mit einer Durchschlag-Funkenstrecke 9 als Isolationsstrecke bildet. Die beiden Elektroden 2 und 7 sind dabei durch einen Isolator 10 voneinander getrennt, wobei der Isolator 10 zusammen mit den beiden Elektroden 2 und 7 die Lichtbogenbrennkammer 8 begrenzt.So that when applying the rated voltage to the overvoltage protection device 1 not to an unwanted current flow through the overvoltage protection device 1 comes is a third electrode 7 provided so spaced from the first electrode 2 is arranged that the third electrode 7 with the first electrode 2 a second arc combustion chamber 8th with a breakdown spark gap 9 forms as isolation route. The two electrodes 2 and 7 are there by an insulator 10 separated from each other, the insulator 10 together with the two electrodes 2 and 7 the arc combustion chamber 8th limited.

Tritt an der Überspannungsschutzeinrichtung 1 eine Überspannung auf, die größer als die Ansprechspannung ist, so entsteht beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke 9 ein – hier nicht dargestellter – Lichtbogen zwischen der dritten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 2. Der über die so entstandene niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden 7 und 2 fließende, abzuleitende Blitzstrom führt dann dazu, daß der über das teilleitfähige Granulat 6 fließende Strom so groß ist, daß es an den Kontaktstellen zwischen den einzelnen Körnern des Granulats 6 zur Überschreitung der Stromtragfähigkeit der Kontaktstellen kommt, so daß an diesen Stellen Mikrolichtbögen entstehen, die sich aufweiten und eine Vielzahl von Teillichtbögen in nerhalb des Granulats 6 bilden. Die Ausbildung vieler Teillichtbögen innerhalb des Granulats 6 führt dazu, daß nach dem Ableiten des Blitzstroms ein nachfolgender Netzfolgestrom unterdrückt wird.Occurs at the overvoltage protection device 1 an overvoltage which is greater than the response voltage, arises when igniting the breakdown spark gap 9 a - not shown here - arc between the third electrode 7 and the second electrode 2 , The about the resulting low-impedance connection between the two electrodes 7 and 2 flowing, to be dissipated lightning current then causes the on the partially conductive granules 6 flowing electricity is so great that it is at the contact points between the individual grains of the granules 6 to exceed the current carrying capacity of the contact points, so that arise at these locations micro-arcs, which expand and a plurality of partial arcs in within the granules 6 form. The formation of many partial arcs within the granules 6 causes after the dissipation of the lightning current, a subsequent line follower current is suppressed.

Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 1b, 4 und 5, bei denen innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 4 lediglich ein teilleitfähiges Granulat 6 aus beispielsweise leitfähigen keramischen Material angeordnet ist, ist bei den Ausführungsbeispielen der Überspannungsschutzeinrichtung 1 gemäß den 2 und 3 zusätzlich zum teilleitfähigen Granulat 6 noch ein zweites, isolierendes Granulat 11 innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 4 angeordnet. Durch Wahl der Korngröße des teilleitfähigen Granulats 6 und des isolierenden Granulats 11 sowie durch das Mischungsverhältnis ist dabei sichergestellt, daß für das teilleitfähige Granulat 6 die Perkolationsschwelle sicher überschritten ist, so daß über die Kontaktstellen zwischen benachbarten Körnern des teilleitfähigen Granulats 6 die elektrische Verbindung innerhalb des Granulats 6 und damit die elektrische Verbindung zwischen den beiden Elektroden 2, 3 sichergestellt ist. Um eine mögliche Entmischung der beiden Granulate 6, 11 zu verhindern, sind die beiden Granulate 6, 11 vorzugsweise durch einen chemischen oder thermischen Prozeß zu einem mechanisch festen aber porösen Körper miteinander verbunden. Die mechanische Verbindung erfolgt dabei in erster Linie über die Körner des isolierenden Granulats 11, so daß der Übergangswiderstand an den Kontaktstellen zwischen benachbarten Körnern des teilleitfähigen Granulats 6 nach wie vor vorhanden ist.In contrast to the embodiments according to the 1b . 4 and 5 in which within the arc combustion chamber 4 only a partially conductive granules 6 is arranged, for example, conductive ceramic material is in the embodiments of the overvoltage protection device 1 according to the 2 and 3 in addition to the partially conductive granules 6 a second, insulating granulate 11 inside the arc combustion chamber 4 arranged. By selecting the grain size of the partially conductive granules 6 and the insulating granules 11 and by the mixing ratio is ensured that for the partially conductive granules 6 the percolation threshold is safely exceeded, so that over the contact points between adjacent grains of the partially conductive granules 6 the electrical connection within the granules 6 and thus the electrical connection between the two electrodes 2 . 3 is ensured. To a possible separation of the two granules 6 . 11 To prevent, are the two granules 6 . 11 virtue wise connected by a chemical or thermal process to a mechanically strong but porous body. The mechanical connection takes place primarily via the grains of the insulating granules 11 so that the contact resistance at the contact points between adjacent grains of the partially conductive granules 6 still exists.

Die beiden Ausführungsbeispiele der Überspannungsschutzeinrichtung 1 gemäß den 1 und 4 unterscheiden sich dadurch voneinander, daß bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 in der ersten Elektrode 2 eine Öffnung 12 ausgebildet ist, so daß die zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 ausgebildete Lichtbogenbrennkammer 4 und die zwischen der ersten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 7 ausgebildete zweite Lichtbogenbrennkammer 8 durch die Öffnung 12 miteinander verbunden sind. Im Unterschied dazu sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Lichtbogenbrennkammer 4 und die Lichtbogenbrennkammer 8 durch die erste Elektrode 2 voneinander getrennt, so daß es keine gegenseitige Beeinflussung zwischen den beiden Lichtbogenbrennkammern 4, 8 gibt.The two embodiments of the overvoltage protection device 1 according to the 1 and 4 differ from each other in that in the embodiment according to 4 in the first electrode 2 an opening 12 is formed so that the between the first electrode 2 and the second electrode 3 trained arc combustion chamber 4 and between the first electrode 2 and the third electrode 7 trained second arc combustion chamber 8th through the opening 12 connected to each other. In contrast, in the embodiment according to 1 the arc combustion chamber 4 and the arc combustion chamber 8th through the first electrode 2 separated so that there is no mutual interference between the two arc combustion chambers 4 . 8th gives.

Die Elektroden 2, 3 und 7 bestehen vorzugsweise aus einem abbrandfesten Material, insbesondere aus einem abbrandfesten nicht-metallischen, elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus leitfähiger Keramik. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 bestehen die beiden Elektroden 2 und 3 aus einem metallischen Material, wobei auf der der Lichtbogenbrennkammer zugewandten Seite der beiden Elektroden 2, 3 jeweils eine Abdeckung 13 aus einem abbrandfesten nicht-metallischen, elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise leitfähiger Keramik, aufgebracht ist. Dadurch ist sichergestellt, daß auch bei Verwendung metallischer Elektroden 2, 3 durch die Einwirkung der Lichtbögen kein Metalldampf entsteht, der sich auf die einzelnen Körner des teilleitfähigen Granulats 6 oder des isolierenden Granulats 11 niederschlägt, wodurch die elektrische Eigenschaft des Granulats 6 bzw. des Granulatgemischs 6, 11 negativ beeinflußt würde.The electrodes 2 . 3 and 7 preferably consist of a erosion-resistant material, in particular of a erosion-resistant non-metallic, electrically conductive material, for example of conductive ceramic. In the embodiment according to 3 exist the two electrodes 2 and 3 of a metallic material, wherein on the side of the two electrodes facing the arc combustion chamber 2 . 3 one cover each 13 from a erosion-resistant non-metallic, electrically conductive material, such as conductive ceramic, is applied. This ensures that even when using metallic electrodes 2 . 3 no metal vapor is generated by the action of the arcs, which affects the individual grains of the partially conductive granules 6 or of the insulating granules 11 precipitates, reducing the electrical property of the granules 6 or the granule mixture 6 . 11 would be negatively affected.

5 zeigt schließlich noch ein Ausführungsbeispiel, bei dem die mechanische Stabilität der Überspannungsschutzeinrichtung 1 in erster Linie durch ein die Elektroden 2, 3 und 7 aufnehmendes Gehäuse 14 gewährleistet wird. Innerhalb des Gehäuses 14, welches vorzugsweise als metallisches Druckgehäuse ausgebildet ist, ist ein inneres Isoliergehäuse 15 angeordnet, so daß die Elektroden 2, 3 und 7 nicht über das metallische Gehäuse 14 kurzgeschlossen sind. Alternativ zur Anordnung eines Gehäuses 14 kann die mechanische Stabilität der Überspannungsschutzeinrichtung 1 auch durch eine feste Verbindung zwischen den Elektroden 2, 3 und dem Isolator 5 sowie zwischen den Elektroden 2,7 und dem Isolator 10 erreicht werden. 5 Finally, shows an embodiment in which the mechanical stability of the overvoltage protection device 1 primarily through a the electrodes 2 . 3 and 7 receiving housing 14 is guaranteed. Inside the case 14 , which is preferably designed as a metallic pressure housing, is an inner insulating housing 15 arranged so that the electrodes 2 . 3 and 7 not over the metallic housing 14 are shorted. Alternatively to the arrangement of a housing 14 can improve the mechanical stability of the overvoltage protection device 1 also by a firm connection between the electrodes 2 . 3 and the insulator 5 as well as between the electrodes 2 . 7 and the insulator 10 be achieved.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 4402615 A1 [0006]
DE 19742302 A1 [0008]
DE 19803636 A1 [0013]

Claims

Overvoltage protection device for use in the power supply, in particular of low-voltage networks, with a first electrode ( 2 ), with a second electrode ( 3 ) and with one between both electrodes ( 2 . 3 ) formed arc combustion chamber ( 4 ), characterized in that within the arc combustion chamber ( 4 ) a semi-conductive granules ( 6 ) and that the arc combustion chamber ( 4 ) An isolation path is connected in series.

Overvoltage protection device according to claim 1, characterized in that a third electrode ( 7 ) and so spaced from the first electrode ( 2 ) is arranged, that the third electrode ( 7 ) with the first electrode ( 2 ) a second arc combustion chamber ( 8th ) with a breakdown spark gap ( 9 ) forms as insulation path, wherein when igniting the breakdown spark gap ( 9 ) between the two electrodes ( 2 . 7 ) creates an arc.

Overvoltage protection device according to claim 1 or 2, characterized in that the internal conductivity of the individual grains of the partially conductive granules ( 6 ) greater than the conductivity of the contact points between adjacent grains of the granules ( 6 ).

Overvoltage protection element according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the semiconductive granules ( 6 ) is made of a material that does not weld under the action of an arc.

Overvoltage protection device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the semiconductive granules ( 6 ) consists of a conductive ceramic material.

Overvoltage protection device according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the semiconductive granules ( 6 ) is made of a material having a non-linear current-voltage characteristic.

Overvoltage protection device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that, within the arc combustion chamber ( 4 ) in addition to the partially conductive granules ( 6 ) still an insulating granules ( 11 ) is arranged.

Overvoltage protection device according to claim 7, characterized in that the two granules ( 6 . 11 ) are connected to a mechanically strong but porous body, wherein the mechanical connection primarily via the insulating granules ( 11 ) he follows.

Overvoltage protection device according to claim 7 or 8, characterized in that the insulating granules ( 11 ) consists of a material that emits a cooling gas under the action of an arc.

Overvoltage protection device according to one of Claims 7 to 9, characterized in that the insulating granules ( 11 ) consists of a porous ceramic or mineral material.

Overvoltage protection device according to one of Claims 7 to 10, characterized in that the insulating granules ( 11 ) consists of a multi-material mixed material, in particular of a mixture of a porous ceramic or mineral material and a gassing under the action of an arc material.

Overvoltage protection device according to one of Claims 2 to 11, characterized in that that between the first electrode ( 2 ) and the second electrode ( 3 ) formed arc combustion chamber ( 4 ) and between the first electrode ( 2 ) and the third electrode ( 7 ) formed arc combustion chamber ( 8th ), in particular via one in the first electrode ( 2 ) formed opening ( 12 ).

Overvoltage protection device according to one of Claims 2 to 12, characterized in that the arc combustion chamber ( 4 ) is at least partially lined with an electrically insulating but thermally conductive material.

Overvoltage protection device according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the electrodes ( 2 . 3 . 7 ) consist of a erosion-resistant material.

Overvoltage protection device according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the electrodes ( 2 . 3 ) made of a nonabrasive, non-metallic, electrically conductive material, in particular of conductive ceramic.

Overvoltage protection device according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the electrodes ( 2 . 3 ) consist of a metallic material and on the arc of the combustion chamber ( 4 ) facing side with a erosion-resistant non-metallic, electrically conductive material are covered.