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Aus
der Druckschrift
DE
2431236 A ist ein Überspannungsableiter bekannt.
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Eine
zu lösende Aufgabe ist es, einen Überspannungsableiter
anzugeben, der ein schnelles Ansprechverhalten aufweist.
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Die
Aufgabe wird durch einen Überspannungsableiter nach Patentanspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Überspannungsleiters sind
Gegenstand von Unteransprüchen.
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Es
wird ein Überspannungsableiter angegeben, der ein vorzugsweise
gasdichtes Gehäuse aufweist. Das Gehäuse des Überspannungsableiters weist
wenigstens einen gasgefüllten, vorzugsweise rohrförmigen
Isolierkörper auf, der wenigstens zwei Elektroden umfasst.
Die Elektroden des Überspannungsableiters sind vorzugsweise
voneinander beabstandet angeordnet. Auf der Innenseite des Isolierkörpers
ist wenigstens in voneinander beanstandeten oder in einem zusammenhängenden
Bereich eine Abfolge von mehreren Materialschichten angeordnet,
die im Weiteren als Schichtenfolge bezeichnet wird. Die Schichtenfolge
umfasst wenigstens eine elektrisch leitende oder halbleitende Schicht,
wenigstens eine elektrisch leitende Schicht und wenigstens eine
isolierende Schicht. Die elektrisch leitende oder halbleitende Schicht
dient zur Erniedrigung der Zündspannung des Überspannungsableiters
und wird auch als Zündstrich bezeichnet.
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Durch
die Schichtenfolge von wenigstens einer elektrisch leitenden Schicht,
einer Isolierschicht und wenigstens einer elektrisch leitenden oder
halbleitenden Schicht wird eine Verzerrung des zwischen den Elektroden
des Überspannungsableiters anliegenden elektrischen Feldes
verursacht. Durch die auf der Innenseite des Isolierkörpers
angeordnete Schichtenfolge wird somit eine gezielte Verzerrung und
damit verbundene signifikante Erhöhung des elektrischen
Feldes im Bereich der elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht
erreicht. Durch die Feldverzerrung kommt es vorzugsweise zu einer Felderhöhung
in den Endbereichen der elektrisch leitenden oder halbleitenden
Schicht. Die Endbereiche liegen vorzugsweise wenigstens in der Nähe
wenigstens einer Elektrode des Überspannungsableiters. Durch
die auf der Innenseite des Isolierkörpers angeordnete Schichtenfolge
weist der Überspannungsableiter aufgrund der Felderhöhung
in den Endbereichen der elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht
eine sehr schnelle Ansprechzeit auf.
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In
einer Ausführungsform ist die wenigstens eine isolierende
Schicht zwischen der elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht
und der elektrisch leitenden Schicht angeordnet. Die Schichten können in
einer Ausführungsform auch jede mögliche andere Schichtenfolge
aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist die isolierende
Schicht eine möglichst geringe Dicke auf, so dass der Abstand
zwischen einer elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht und
einer elektrisch leitenden Schicht möglichst gering ist.
Die isolierende Schicht weist vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,1
und 5 mm auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist
die isolierende Schicht eine Dicke von weniger als 1 mm auf.
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Die
elektrisch leitende Schicht weist in einer Ausführungsform
vorzugsweise wenigstens zwei voneinander beabstandete Teilbereiche
auf, die senkrecht zur Stapelrichtung der Schichten nebeneinander
angeordnet sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind die voneinander
beabstandeten Teilbereiche der elektrisch leitenden Schicht derart
ausgeführt, dass jeder der Teilbereiche der elektrisch
leitenden Schicht jeweils einen vorzugsweise direkten elektrischen
Kontakt zu einer der Elektroden des Überspannungsableiters
aufweist. Es ist auch möglich, dass die Teilbereiche der
elektrisch leitenden Schicht über einen zusätzlichen
elektrischen Leiter einen Kontakt zu den Elektroden des Überspannungsableiters
aufweisen. Vorzugsweise weisen die Teilbereiche der elektrisch leitenden
Schicht das gleiche elektrische Potential auf, wie die jeweiligen
kontaktierten Elektroden des Überspannungsableiters.
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Vorzugsweise
weisen die wenigstens zwei Teilbereiche der elektrisch leitenden
Schicht die gleiche Größe auf. Es ist jedoch auch
möglich, dass die Teilbereiche der elektrisch leitenden
Schicht unterschiedliche Größen aufweisen. Die
elektrisch leitende Schicht ist in einer Ausführungsform
auf der isolierenden Schicht aufgebracht. Vorzugsweise erstreckt sich
die elektrisch leitende Schicht über wenigstens eine Fläche
der isolierenden Schicht, wobei die elektrisch leitende Schicht
in wenigstens zwei Teilbereiche unterteilt ist, die voneinander
isoliert sind.
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In
einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die elektrisch
leitende Schicht die Form von wenigstens zwei in Längsrichtung
des Überspannungsableiters voneinander beabstandete Zylinder aufweist.
In einer Ausführungsform sind die wenigstens zwei Zylinder
aus elektrisch leitender Schicht auf der Außenseite der
Isolierschicht aufgebracht.
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In
einer anderen Ausführungsform können die Teilbereiche
jede andere Form aufweisen, die dazu geeignet ist, eine Verzerrung
des elektrischen Felds im Bereich der elektrisch leitenden oder
halbleitenden Schicht zu verursachen.
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In
einer Ausführungsform umfasst die Isolierschicht ein Glas
oder eine Keramik. Die isolierende Schicht kann auch andere geeignete
elektrisch isolierende Materialien umfassen.
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In
einer Ausführungsform weist die isolierende Schicht die
Form eines Zylinders auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann die Isolierschicht
die Form eines Streifens aufweisen.
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Die
Schicht aus elektrisch leitendem oder halbleitendem Material dient
vorzugsweise zur Erniedrigung der Zündspannung des Überspannungsableiters
und wird als Zündstrich beziehungsweise -streifen bezeichnet.
Die Streifen erstrecken sich vorzugsweise in Längsrichtung
des Überspannungsableiters. In einer Ausführungsform
können mehrere dieser Zündstriche beziehungsweise
Zündstreifen parallel zueinander in Längsrichtung
des Überspannungsableiters angeordnet sein. Die elektrisch
leitende oder halbleitende Schicht ist vorzugsweise von den Elektroden
des Überspannungsableiters beabstandet und weist zu diesen
keinen direkten elektrischen Kontakt auf.
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In
einer Ausführungsform enthält die Schicht aus
elektrisch leitendem oder halbleitendem Material Graphit.
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In
einer Ausführungsform erstreckt sich die Schicht aus elektrisch
leitendem beziehungsweise halbleitendem Material in ihrer größten
Ausdehnung parallel zur Längsachse des Überspannungsableiters.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann die Schicht aus elektrisch
leitendem beziehungsweise halbleitendem Material auch in mehrere
voneinander beabstandete Bereiche unterteilt sein.
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In
einer Ausführungsform kann die Schichtenfolge aus elektrisch
leitendem beziehungsweise halbleitendem Material, einer isolierenden
Schicht und einer leitenden Schicht direkt auf die Innenseite des
Isolierkörpers aufgebracht sein. In dieser Ausführungsform
ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine elektrisch leitende Schicht
direkt auf der Innenseite des Isolierkörpers aufgebracht
ist. Auf die auf der Innenseite des Isolierkörpers angeordnete
elektrisch leitende Schicht folgt wenigstens eine Schicht aus isolierendem
Material, die beispielsweise Glas und/oder Keramik umfasst. Vorzugsweise
ist auf wenigstens einer Schicht aus isolierendem Material wenigstens
ein Bereich aus elektrisch leitendem beziehungsweise halbleitendem
Material aufgebracht. In einer weiteren Ausführungsform
sind mehrere voneinander beabstandete Bereiche aus elektrisch leitendem
oder halbleitendem Material auf der isolierenden Schicht aufgebracht.
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In
einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schichtenfolge
wenigstens ein separates Bauteil, das in den Innenraum des Isolierkörpers
des Überspannungsableiters eingelegt ist. Vorzugsweise
entsprechen die Außenabmessungen des separaten Bauteils
vorzugsweise den Abmessungen des Innenraums des Ableiterkörpers.
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In
einer weiteren Ausführungsform kann das separate Bauteil
auch aus mehreren zusammengesetzten Einzelbauteilen bestehen, die
einzeln oder zusammengesetzt in dem Innenraum des Isolierkörpers
angeordnet sind.
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In
einer Ausführungsform ist es auch möglich, dass
das wenigstens eine separat eingelegte Bauteil wenigstens eine elektrisch
leitende oder halbleitende Schicht und wenigstens eine isolierende Schicht
umfasst. Wenigstens eine elektrisch leitende Schicht ist bei dieser
Ausführungsform separat auf der Innenseite des Isolierkörpers
angeordnet.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist das Bauteil in Vertiefungen
auf der Innenseite des Isolierkörpers eingelegt, wobei
die Vertiefungen in einer bevorzugten Ausführungsform den
Abmessungen der eingelegten Bauteile entsprechen. In einer weiteren Ausführungsform
können die Vertiefungen auch größere
Abmessungen aufweisen.
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Vorzugsweise
weist die elektrisch leitende oder halbleitende Schicht die Form
eines Streifens beziehungsweise Strichs auf, wobei der Zündstrich zur
Feldemission von Ladungsträgern dient.
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Die
Zündspannung eines Überspannungsableiters steigt
gewöhnlich mit der Steilheit der angelegten Spannungsrampe
signifikant an. Besonders ungünstig ist das Verhältnis
von dynamischer Zündspannung zu statischer Zündspannung
bei Ableitern mit Zündspannungswerten unterhalb von 100 V.
In diesem Fall ist die Feldemission von Ladungsträgern
aus den üblicherweise vorhandenen Graphit-Zündstrichen
nur sehr schwach. Im Gegensatz zu einem zuvor beschriebenen Überspannungsableiter
beschränkt die schwache Feldemission von Ladungsträgern
die Einsatzmöglichkeiten insbesondere im Telekombereich.
Ebenso ist die Verwendung bei Blitzschutzanwendungen, bei denen
eine niedrige statische Ansprechspannung bei gleichzeitig gutem dynamischem
Verhalten gefordert ist, eingeschränkt.
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Ein
wie zuvor beschriebener Überspannungsableiter weist dagegen
ein sehr schnelles Ansprechverhalten auf, da durch die auf der Innenseite des
Ableiters aufgebrachte Schichtenfolge eine gezielte Verzerrung und
signifikante Erhöhung des elektrischen Feldes im Bereich
der Zündstriche erfolgt. Durch einen möglichst
geringen Abstand zwischen den feldfreien Zündstrichen und
den elektrisch leitenden Bereichen wird eine stärkere Felderhöhung im
Bereich der Zündstrichenden erreicht.
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Die
oben beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden
Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Die
nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu
aufzufassen, vielmehr können zur besseren Darstellung alle
Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch
verzerrt dargestellt sein. Elemente, die einander gleicher oder die
die gleiche Funktion übernehmen, sind mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
schematisch eine Abwicklung einer Ausführungsform einer
Schichtenfolge,
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2 zeigt
schematisch ein Bauteil, das ein Ausführungsbeispiel der
Schichtenfolge aufweist,
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3 zeigt
eine Ausführungsform, bei der die Schichtenfolge die Form
von separaten Streifen aufweist,
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4 zeigt
schematisch eine Ausführungsform, bei der die Schichtenfolge
auf der Innenseite eines Isolierkörpers aufgebracht ist,
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5a und 5b zeigen
schematisch die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes
in einem 2-Elektroden-Überspannungsableiter mit (5a) und
ohne (5b) einer Schichtenfolge.
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In
der 1 ist schematisch eine Ausführungsform
einer Schichtenfolge 4 als Abwicklung dargestellt. Die
Schichtenfolge 4 umfasst eine isolierende Schicht 7,
auf deren Unterseite zwei voneinander beabstandete elektrisch leitende
Bereiche 8, 8' einer elektrisch leitenden Schicht 6 aufgebracht
sind. Die elektrisch leitenden Bereiche 8, 8' erstrecken
sich bis an den jeweiligen Rand der isolierenden Schicht 7.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich,
dass sich die elektrisch leitenden Bereiche 8, 8' bis
auf, oder auch über den Rand der isolierenden Schicht 6 erstrecken.
Auf der Oberseite der isolierenden Schicht 7 sind mehrere,
voneinander beabstandete, streifenförmige Abschnitte einer
elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht 5 aufgebracht. Die
Abschnitte der elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht 5 sind
so genannte „Zündstriche”. Die elektrisch
leitende oder halbleitende Schicht 5 enthält vorzugsweise
Graphit. In einer nicht dargestellten Ausführungsform können
die „Zündstriche” auch jede geeignete
andere Form aufweisen oder auch größere flächige
Bereiche bedecken. Vorzugsweise weisen die Bereiche aus elektrisch
leitendem oder halbleitendem Material 5 ihre größte
Ausdehnung in Längsrichtung des Überspannungsableiters
auf. Die Schichtenfolge 4 ist vorzugsweise auf der Innenseite des
Isolierkörpers eines Überspannungsableiters angeordnet.
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Die 2 zeigt
eine Schichtenfolge 4, die als separates Bauteil 9 ausgeführt
ist. Das Bauteil 9 weist in der dargestellten Ausführungsform
einen zylindrischen Körper auf. Die Form des Bauteils 9 wird hierbei
hauptsächlich durch die Form der Schicht 7 aus
isolierendem Material bestimmt. Vorzugsweise umfasst die isolierende
Schicht 7 wenigstens Keramik und/oder Glas. In der dargestellten
Ausführungsform sind auf der Außenseite der Isolierschicht 7 zwei voneinander
beabstandete Bereiche 8, 8' einer elektrisch leitenden
Schicht 6 aufgebracht, die sich um den gesamten Umfang
der zylinderförmigen Isolierschicht 7 erstrecken.
In der dargestellten Ausführungsform reichen die voneinander
beabstandeten Bereiche 8, 8' jeweils bis an die
Enden des Zylinders heran.
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Die
elektrisch leitenden Bereiche 8, 8' erstrecken
sich in einer Ausführungsform bis auf die jeweilige Stirnseite
des zylindrischen Körpers. Durch elektrisch leitende Bereiche 8, 8' auf
den Stirnflächen der zylinderförmigen isolierenden Schicht 6,
weist das in einen Überspannungsableiter eingelegte Bauteil 9, somit
vorzugsweise einen direkten Kontakt der elektrisch leitenden Bereiche 8, 8 zu
Elektroden des Überspannungsableiters auf. Durch einen
elektrisch leitenden Kontakt der jeweiligen elektrisch leitenden Schichten 8, 8' zu
einer der Elektroden des Überspannungsableiters, weisen
die elektrisch leitenden Schichten 8, 8' somit
vorzugsweise das gleiche elektrische Potentiale wie die jeweilige
kontaktierte Elektrode des Überspannungsableiters auf.
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Auf
der Innenseite der isolierenden Schicht 7 sind voneinander
beabstandete so genannte „Zündstriche” aus
elektrisch leitendem oder halbleitendem Material 5 aufgebracht.
Die „Zündstriche” überlappen in
der Projektion mit den beiden voneinander beabstandeten Bereichen 8, 8' aus
elektrisch leitendem Material 6. Das dargestellte Bauteil 9 ist
vorzugsweise dafür vorgesehen, um in den Innenraum eines Überspannungsableiters
eingesetzt zu werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Außendurchmesser des
Bauteils 9 in etwa dem Innendurchmesser des Isolierkörpers 1 des
Ableiters entspricht. Vorzugsweise entspricht die Länge
des Bauteils 9 der Länge, des im Isolierkörper 1 zur
Verfügung stehenden Freiraums. Der Ableiter mit Isolierkörper 1 ist
in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt.
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In
einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform kann
die elektrisch leitende Schicht 6 auch separat auf der
Innenseite des Isolierkörpers 1 des Ableiters
aufgebracht sein. Hierbei umfasst das Bauteil 9 die isolierende
Schicht 7 und die elektrisch leitende oder halbleitende
Schicht 5 in Form der „Zündstriche”.
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In
der 3 ist eine Ausführungsform der Schichtenfolge 4 dargestellt,
bei der die Schichtenfolge 4 die Form von separaten Streifen
aufweist. Die Streifen umfassen in der dargestellten Ausführungsform
wenigstens ein streifenförmiges Element aus isolierender
Schicht 7 mit einem auf diesem Streifen angeordneten Bereich
aus einer elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht 5 als „Zündstrich”.
Die elektrisch leitende Schicht 6 ist in Vertiefungen 10 im Innenraum 2 des
Isolierkörpers 1 des Ableiters angeordnet. Vorzugsweise
weist der Isolierkörper 1 mehrere zirkulär
voneinander beabstandete Vertiefungen 10 auf. Die elektrisch
leitende Schicht 6 weist in der dargstellten Ausführungsform
zwei in Längsrichtung des Ableiters voneinander beabstandete
Teilbereiche 8, 8' auf. Vorzugsweise weisen die
voneinander beabstandeten Bereiche 8, 8' der elektrisch
leitenden Schicht 6 jeweils einen direkten Kontakt zu der
am nächsten liegenden Elektrode 2 des Überspannungsableiters
auf. Die Streifen der isolierenden Schicht 7 mit den aufgebrachten „Zündstrichen” werden
als separate Elemente in die Vertiefungen 10 eingelegt
oder eingeschoben.
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In
einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann
die Schicht 6 aus elektrisch leitendem Material ebenfalls
bereits auf den eingelegten Streifen aus Isolierschicht 7 und „Zündstrich” aufgebracht
sein.
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Die 4 zeigt
schematisch eine weitere Ausführungsform, bei der die Schichtenfolge 4 auf der
Innenseite eines Isolierkörpers 1 des Ableiters aufgebracht
ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind die voneinander
beabstandeten Bereiche 8, 8' der elektrisch leitenden
Schicht 6 direkt auf der Innenseite des Isolierkörpers 1 aufgebracht.
Die Bereiche 8, 8' der elektrisch leitenden Schicht 6 erstrecken
sich in der dargestellten Ausführungsform vorzugsweise
lateral bis zu den jeweiligen Endbereichen des Isolierkörpers 1,
so dass ein direkter elektrischer Kontakt zu den Elektroden des
Ableiters vorliegt. Über der elektrisch leitenden Schicht 6 ist
eine Schicht aus isolierendem Material 7 angeordnet. Die isolierende
Schicht 7 bedeckt vorzugsweise die ganze Innenfläche
des Isolierkörpers 1 des Ableiters. Auf der isolierenden
Schicht 7 sind in der dargestellten Ausführungsform
streifenförmige „Zündstriche” einer elektrisch
leitenden oder halbleitenden Schicht 5 aufgebracht. Die „Zündstriche” erstrecken
sich vorzugsweise in Längsrichtung des Ableiters. Vorzugsweise reichen
die „Zündstriche” in Längsrichtung
des Ableiters so weit, dass dessen Enden wenigstens teilweise mit
den Bereichen 8, 8' überlappen, wobei
die Bereiche 8, 8' und die „Zündstriche” durch
die dazwischen angeordnete isolierende Schicht 5 keinen
direkten elektrischen Kontakt zueinander aufweisen.
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In
der 5a sind Äquipotentiallinien des elektrischen
Feldes in einem 2-Elektroden-Überspannungsableiter schematisch
dargstellt, wobei auf der Innenseite des Isolierkörpers 1 eines Überspannungsableiters
eine Schichtenfolge 4 angeordnet ist. Die Schichtenfolge 4 umfasst
zwei voneinander beabstandete Bereiche 8, 8' einer
elektrisch leitenden Schicht 6, einer isolierenden Schicht 7 und
einer elektrisch leitenden oder halbleitenden Schicht 5 in der
Form von „Zündstrichen”. Durch die Schichtenfolge 4 wird
eine Verzerrung des elektrischen Feldes im Bereich der Enden der „Zündstriche” erreicht.
Durch diese Feldverzerrung findet eine Erhöhung des elektrischen
Feldes an den Enden der „Zündstriche” statt, die
durch die enger beieinander liegenden Feldlinien der Äquipotentiallinien
an den Enden des „Zündstrichs” dargestellt
ist.
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Die 5b zeigt Äquipotentiallinien
des elektrischen Feldes in einem 2-Elektroden-Überspannungsableiter,
bei dem auf der Innenseite des Isolierkörpers 1 nur
eine elektrisch leitende oder halbleitende Schicht 5 als „Zündstrich” aufgebracht ist.
Durch die fehlende Isolierschicht und die voneinander beabstandeten
Bereiche der elektrisch leitenden Schicht findet keine signifikante
Erhöhung des elektrischen Feldes an den Enden der „Zündstriche” statt.
Die Äquipotentiallinien im Bereich der Enden des „Zündstrichs” sind
im Vergleich zu den Äquipotentiallinien in der 5a weiter
voneinander beabstandet. Bei einem herkömmlichen Überspannungsableiter
liegt im Bereich der Enden des „Zündstrichs” somit
keine signifikante Erhöhung des elektrischen Felds vor.
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Obwohl
in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte
Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben
werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt.
Es ist prinzipiell möglich, dass die einzelnen Teilschichten
der Schichtenfolge jeweils mehrere Einzelschichten aufweisen oder
dass die Schichtenfolge mehrere lateral voneinander beabstandete
Teilbereiche aufweist.
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Die
Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände 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
- Isolierkörper
- 2,
2'
- Elektroden
- 3
- Innenseite
des Isolierkörpers 1
- 4
- Schichtenfolge
- 5
- elektrisch
leitende beziehungsweise halbleitende Schicht
- 6
- elektrisch
leitende Schicht
- 7
- isolierende
Schicht
- 8,
8'
- voneinander
beabstandete Bereiche der elektrisch leitenden Schicht 6
- 9
- Bauteil
- 10
- Vertiefung
im Isolierkörper 1
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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