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Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, mit zwei Hauptelektroden, deren Stirnseiten einander axial gegenüberliegen, mit einer zwischen den Stirnseiten der beiden Hauptelektroden ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer, und mit einer zumindest ein resitives Zündelement und ein Spannungsschaltelement aufweisenden Zündhilfe, wobei das Zündelement mit der Lichtbogenbrennkammer in Verbindung steht und auf der einen Seite mit dem Spannungsschaltelement elektrisch leitend verbunden ist und auf der anderen Seite mit der zweiten Hauptelektrode in Berührung steht, und wobei zwischen den beiden Hauptelektroden eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den Stirnseiten der beiden Elektroden ein Lichtbogen in der Lichtbogenbrennkammer entsteht
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In Niederspannungsnetzen werden zum Schutz vor Überspannungen häufig Überspannungsableiter auf Basis von Funkenstrecken eingesetzt, d. h. Überspannungsableiter deren wesentlicher Bestandteil eine Funkenstrecke ist, die bei einer bestimmten Überspannung anspricht, wobei beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Da Überspannungsableiter mit Funkenstrecken auch zum Schutz vor Blitzeinschlag eingesetzt werden, können sehr hohe und steil ansteigende Ströme mit Werten bis in den dreistelligen kA-Bereich über die Funkenstrecke fließen. Insbesondere Überspannungsableiter, die als Blitzstromableiter für den Einsatz zwischen einem Neutralleiter N und dem Potentialausgleich PE bzw. einem PE-Leiter vorgesehen sind, müssen dabei über ein sehr hohes Stoßstromableitvermögen von bis zu 100 kA 10/350 μs verfügen. Aufgrund der dabei im Inneren des Überspannungsableiters auftretenden Drücke sind derartige Überspannungsableiter in der Regel in druckfesten Gehäusen angeordnet, die häufig aus Metall, insbesondere aus Stahl bestehen.
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Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke als Ableiter haben zwar den Vorteil einer hohen Stoßstromtragfähigkeit, jedoch auch den Nachteil einer relativ hohen und auch nicht sonderlich konstanten Ansprechspannung. Daher werden zur Zündung von Funkenstrecken bereits seit langem unterschiedliche Arten von Zündhilfen verwendet, mit deren Hilfe die Ansprechspannung der Funkenstrecke bzw. des Überspannungsableiters verringert wird. Dabei werden häufig Zündhilfen verwendet, die mindestens eine Zündelektrode aufweisen, die über einen externen Schaltkreis mit einem Potential verbunden wird, das sich von den an den beiden Elektroden anliegenden Potentialen unterscheidet. Die Zündelektrode ist in der Regel mit sehr geringem Abstand zu einer der beiden Hauptelektroden angeordnet, so dass es zunächst zu einem Zünden der zwischen der Zündelektrode und der zugeordneten Hauptelektrode gebildeten Zündfunkenstrecke kommt, bevor es danach, aufgrund des beim Zünden der Zündfunkenstrecke entstehenden Plasmas, zum Zünden der Hauptfunkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden kommt.
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Aus der
DE 103 38 835 A1 ist ein eingangs beschriebener Überspannungsableiter bekannt, bei dem der Abstand zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, dass die Lichtbogenspannung größer als die erwartete Netzspannung ist. Dadurch soll das Auftreten eines Netzfolgestromes verhindert werden. Damit die Ansprechspannung dieses Überspannungsableiters durch den relativ großen Abstand der beiden Elektroden der Funkenstrecke nicht zu groß ist, ist eine Zündhilfe vorgesehen, durch die die gewünschte Ansprechspannung des Überspannungsableiters eingestellt werden kann.
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Bei dem bekannten Überspannungsableiter weist die Zündhilfe neben einer Zündelektrode noch ein resistives Zündelement und ein Spannungsschaltelement auf. Die Zündelektrode und das Zündelement sind dabei derart innerhalb des metallischen Gehäuses angeordnet, dass sie mit der Lichtbogenbrennkammer, die sie koaxial umgeben, in Verbindung stehen. Beim Auftreten einer Überspannung, die größer als die Ansprechspannung des Spannungsschaltelements ist, fließt zunächst ein Strom vom ersten Anschluss des Überspannungsableiters über das außerhalb des metallischen Gehäuses angeordnete Spannungsschaltelement und das metallischen Gehäuse zur Zündelektrode. Da das resistive Zündelement auf der einen Seite mit der Zündelektrode und auf der anderen Seite mit der zugeordneten Hauptelektrode in Berührung steht, fließt der Strom von der Zündelektrode über das Zündelement zur zugeordneten Hauptelektrode.
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Der Stromfluss über das Zündelement führt dabei zu einer Entladung an der Oberfläche des Zündelements bzw. einem Initiallichtbogen zwischen der Zündelektrode und der dem Zündelement zugeordneten Hauptelektrode, so dass in dem an das Zündelement angrenzenden Zündbereich ionisiertes Gas erzeugt wird, das sich anschließend in Richtung der gegenüberliegenden Hauptelektrode ausbreitet. Ist die Lichtbogenbrennkammer ausreichend mit ionisiertem Gas gefüllt, wodurch die Durchbruchspannung zwischen den beiden Hauptelektroden herabgesetzt ist, so kommt es zu einem Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden. Der abzuleitende Stoßstrom wird dann nicht mehr über die Bauteile der Zündhilfe sondern über den zwischen den beiden Hauptelektroden ausgebildeten Lichtbogen abgeleitet.
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Auch wenn sich die in der
DE 103 38 835 A1 beschriebene Zündhilfe in der Praxis sehr bewährt hat, so erfordert der elektrische Anschluss der Zündelektrode über das metallische Gehäuse einen erhöhten Aufwand zur Isolation des Gehäuses gegenüber den beiden Hauptelektroden und der Lichtbogenbrennkammer und dem darin entstehenden ionisierten heißen Gas.
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Je länger es dauert, bis die Funkenstrecke zündet, desto mehr Strom fließt über die Zündhilfe, so dass die Bauteile der Zündhilfe, insbesondere das Spannungsschaltelement, entsprechend stark ausgelegt werden müssen, um eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden. Um bei einer Überlastung der Bauteile der Zündhilfe oder an deren Lebensdauerende eine Gefährdung der Umgebung des Überspannungsableiters, insbesondere der in der Nähe zum Überspannungsableiters angeordneten Bauteile, zu vermeiden, werden häufig Abtrennvorrichtungen eingesetzt, die den Überspannungsableiter rechtzeitig abschalten sollen, bevor sich die Bauteile des Überspannungsableiters zu stark erhitzen und es zu einem Aufbrennen des Überspannungsableiters kommt. Diese zusätzlichen Maßnahmen benötigen zusätzlichen Bauraum und sind mit zusätzlichem Aufwand und damit auch mit zusätzlichen Kosten verbunden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs beschriebenen Überspannungsableiter derart weiterzuentwickeln, dass die zuvor genannten Nachteile nach Möglichkeit vermieden werden. Insbesondere sollen dabei die Bauteile der Zündhilfe möglichst vor Beschädigungen geschützt sein und der Überspannungsableiter eine hohe Isolationsfestigkeit aufweisen. Außerdem soll das Risiko einer Gefährdung der Umgebung des Überspannungsableiters durch eine Beschädigung des Überspannungsableiters weiter reduziert werden.
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Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die erste Hauptelektrode eine Bohrung aufweist, in der das Spannungsschaltelement angeordnet ist, wobei der erste Anschluss des Spannungsschaltelements mit der ersten Hauptelektrode elektrisch verbunden ist. Außerdem ist der zweiten Anschluss des Spannungsschaltelements elektrisch mit dem Zündelement verbunden, das auf der der Stirnseite der Hauptelektrode zugewandten Seite des Spannungsschaltelements angeordnet ist.
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Durch die Ausbildung einer Bohrung in der ersten Hauptelektrode und die Anordnung des Spannungsschaltelements in dieser Bohrung wird zunächst erreicht, dass das Spannungsschaltelement innerhalb des Überspannungsableiters integriert ist. Dabei wird durch die Anordnung des Spannungsschaltelements innerhalb der Bohrung der Hauptelektrode der benötigte Bauraum nicht erhöht. Dies ist deshalb vorteilhaft, da moderne Überspannungsableiter zunehmend eine möglichst geringe Baugröße aufweisen sollen, so dass der zur Verfügung stehende Bauraum innerhalb des Überspannungsableiters sehr begrenzt ist. Da das Spannungsschaltelement mit seinem ersten Anschluss mit der ersten Hauptelektrode elektrisch verbunden ist, ist darüber hinaus der elektrische Anschluss des Spannungsschaltelements besonders einfach über die erste Hauptelektrode möglich.
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Da das Spannungsschaltelement innerhalb der Bohrung in der ersten Hauptelektrode angeordnet ist und das Zündelement auf der der Stirnseite der Hauptelektrode zugewandten Seite des Spannungsschaltelements angeordnet ist, steht das Spannungsschaltelement nicht im direkten Kontakt zu der Lichtbogenbrennkammer. Dies führt zu einer Reduzierung der thermischen Belastung des Spannungsschaltelements beim Anstehen eines Lichtbogens zwischen den beiden Hauptelektroden. Als Spannungsschaltelement wird dabei vorzugsweise ein Gasableiter (GDT) oder eine Kombination eines Gasableiters und eines Varistors verwendet.
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Die Anordnung des Spannungsschaltelements, insbesondere eines Gasableiters, innerhalb der in der ersten Elektrode ausgebildeten Bohrung und die Anordnung des vorzugsweise scheibenförmigen Zündelements zwischen dem zweiten Anschluss des Spannungsschaltelements und der zweiten Hauptelektrode hat darüber hinaus den Vorteil, dass die Bauteile des Überspannungsableiters, insbesondere die beiden Hauptelektroden rotationssymmetrisch ausgebildet sein können, was deren Herstellung vereinfacht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter steht das Zündelement – wie eingangs ausgeführt – mit der Lichtbogenbrennkammer in Verbindung, wobei die Lichtbogenbrennkammer axial von den Stirnseiten der beiden Hauptelektroden und radial – nach innen – von dem Zündelement begrenzt wird. Beim Zünden des Spannungsschaltelements fließt zunächst ein Strom von der ersten Hauptelektrode über das durchgeschaltete Spannungsschaltelement und über das Zündelement zur zweiten Hauptelektrode. Dabei führt der Stromfluss über das Zündelement aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit zumindest der mit der Lichtbogenbrennkammer in Verbindung stehenden Oberfläche des Zündelements zu Entladungen, was zu einer Ionisierung der Lichtbogenbrennkammer führt. Ist die Lichtbogenbrennkammer ausreichend mit ionisiertem Gas gefüllt, so kommt es zum Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden, so dass ein Lichtbogen zwischen den beiden Hauptelektroden bzw. zwischen den Stirnseiten der beiden Hauptelektroden ansteht, über den dann der abzuleitende Stoßstrom fließt.
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Von ihrem Funktionsprinzip ähnelt die bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter verwendete Zündhilfe somit der in der
DE 103 38 835 A1 beschriebenen Zündhilfe. Im Unterschied zu der dort beschriebenen Zündhilfe ist bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter das resistive Zündelement jedoch nicht über ein metallisches Gehäuse mit dem Spannungsschaltelement verbunden, sondern auf der der zweiten Hauptelektrode gegenüberliegenden offenen Seite der Bohrung vor dem Spannungsschaltelement angeordnet. Das Zündelement ist dabei mit dem Spannungsschaltelement direkt oder über dazwischen angeordnete weitere Elemente der Zündhilfe elektrisch verbunden. Räumlich wird dabei das Zündelement von der Lichtbogenbrennkammer koaxial umgeben, so dass das Zündelement innerhalb der Lichtbogenbrennkammer angeordnet ist, während bei dem aus der
DE 103 38 835 A1 bekannten Überspannungsableiter das Zündelement die Lichtbogenbrennkammer koaxial umgibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist in der Bohrung der ersten Hauptelektrode ein zylinderförmiger Isolationskörper angeordnet, der zumindest den zweiten Anschluss des Spannungsschaltelements, der mit dem Zündelement elektrisch verbunden ist, radial umgibt. Durch die Anordnung des zylinderförmigen Isolationskörpers in der Bohrung ist eine einfache und sichere Anordnung des Spannungsschaltelements möglich, wobei darüber hinaus sichergestellt wird, dass das Spannungsschaltelement nicht durch die Elektrode kurzgeschlossen wird. Während der erste Anschluss des Spannungsschaltelements – gewollt – mit der Wandung der Bohrung in Kontakt stehen kann, wodurch die elektrische Verbindung des ersten Anschlusses des Spannungsschaltelements mit der ersten Hauptelektrode einfach realisiert werden kann, wird eine elektrische Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss des Spannungsschaltelements und der ersten Hauptelektrode durch den Isolationskörper zuverlässig verhindert.
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Vorzugsweise ist dabei die dem Zündelement zugewandte Seite des Isolationskörpers als Halterung bzw. Fixierung für das Zündelement ausgebildet, so dass durch den Isolationskörper auch das Zündelement in seiner vorgesehenen Position fixiert werden kann. Hierzu können in dem Zündelement, vorzugsweise an dessen Außenumfang, mehrere Ausnehmungen ausgebildet sein, in die entsprechende Vorsprünge oder Stege an der dem Zündelement zugewandten Seite des Isolierkörpers eingreifen.
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Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters ist in der Bohrung ein axial wirkendes Federelement angeordnet, das als Toleranzausgleich für die in der Bohrung angeordneten Elemente der Zündhilfe dient. Weist die Zündhilfe neben dem Zündelement und dem Spannungsschaltelement keine weiteren Elemente auf, so ist das Federelement vorzugsweise auf der dem Zündelement abgewandten Seite des Spannungsschaltelements angeordnet, wobei sich das Federelement an einem Anschlag in der Bohrung abstützt. Ist die Bohrung in der ersten Hauptelektrode als Sackloch ausgebildet, so dient als Anschlag für das Federelement vorzugsweise der Grund der Bohrung. Durch die Anordnung des Federelements in der Bohrung können toleranzbedingte Längenunterschiede bei den verwendeten Spannungsschaltelementen ausgeglichen werden, wodurch schädliche mechanische Spannungen, die zu einer Beschädigung des Spannungsschaltelements oder auch des Zündelements führen könnten, vermieden werden.
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Wie im Stand der Technik üblich, so weist auch der erfindungsgemäße Überspannungsableiter ein Gehäuse auf, das die Bauteile des Überspannungsableiters umgibt. Wegen der im Inneren des Überspannungsableiters auftretenden hohen Drücke ist das Gehäuse in der Regel als druckfestes Gehäuse ausgebildet. Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante weist der erfindungsgemäße Überspannungsableiter ein separates zylinderförmiges Gehäuse auf, das die beiden Hauptelektroden umgibt, wobei die elektrischen Anschlussbereiche der Hauptelektroden an den Stirnseiten aus dem Gehäuse herausgeführt oder von den Stirnseiten des Gehäuses aus zugänglich sind.
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Um eine hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten und die beim Ableitvorgang auftretenden Kräfte sicher beherrschen zu können, besteht das Gehäuse vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl. Außerdem ist das Gehäuse vorzugsweise zweiteilig ausgebildet, wobei es aus einem topfförmigen ersten Gehäuseteil und einem dazu korrespondierenden Gehäusedeckel besteht. Der Gehäusedeckel weist dabei vorzugsweise ein Außengewinde auf, so dass er in das topfförmige erste Gehäuseteil eingeschraubt werden kann, dass dazu ein entsprechendes Innengewinde an der dem Gehäusedeckel zugewandten Seite aufweist.
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Wie für sich grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, können auch bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter die beiden Hauptelektroden jeweils an der Stirnseite eines Elektrodenhalters angeordnet sein. Dies hat den Vorteil, dass für die eigentlichen Hauptelektroden einerseits und für die Elektrodenhalter andererseits unterschiedliche Materialien verwendet werden können, wobei die Hauptelektroden in der Regel aus Wolfram oder einem Verbundwerkstoff, beispielsweise einer Wolfram-Kupferlegierung, und die Elektrodenhalter beispielsweise aus Messing bestehen. Die den Hauptelektroden abgewandten Enden der Elektrodenhalter ragen dann zum elektrischen Anschluss der Hauptelektroden jeweils an einer Stirnseite des Gehäuses bzw. der beiden Gehäuseteile aus dem Gehäuse heraus.
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Zur Isolation der beiden Hauptelektroden gegenüber einem aus Metall bestehenden Gehäuse sind die Hauptelektroden bzw. die beiden Elektrodenhalter jeweils von einer beidseitig offenen Isolierhülle umgeben. Durch eine der beiden Isolierhüllen kann dabei gleichzeitig auch die äußere radiale Begrenzung der Lichtbogenbrennkammer realisiert und damit eine Isolierung der Lichtbogenbrennkammer gegenüber dem Gehäuse gewährleistet werden. Dadurch kann auch eine sichere und dauerhafte Isolierung zwischen den Anschlussbereichen der Hauptelektroden bzw. zwischen den Elektrodenhaltern und damit auch zwischen den an dem Überspannungsableiter angeschlossenen Leitern, insbesondere einem Neutralleiter und dem Potentialausgleich bzw. einem PE-Leiter, gewährleistet werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist dieser kein separates Gehäuse auf, das von beiden Hauptelektroden isoliert ist, sondern mindestens eine Hauptelektrode weist gleichzeitig auch ein Gehäuseteil auf bzw. ein Gehäuseteil bildet gleichzeitig eine Hauptelektrode. Auch bei dieser Ausführungsvariante ist vorzugsweise ein zylinderförmiges Gehäuse vorgesehen, das zweiteilig ausgebildet ist, nämlich ein topfförmiges erstes Gehäuseteil und ein als Gehäusedeckel fungierendes zweite Gehäuseteil aufweist. Dabei ist das topfförmige erste Gehäuseteil einstückig mit einer Hauptelektrode ausgebildet. Das erste Gehäuseteil weist somit zwei konzentrisch zueinander angeordnete Abschnitte auf, wobei der äußere zylindrische Abschnitt zusammen mit einer Stirnseite die Funktion eines Gehäuseteils hat, während der innere zylindrische Abschnitt als Hauptelektrode fungiert.
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Bei der zuvor beschriebenen Ausführung des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters kann das zweite Gehäuseteil von einem separaten Gehäusedeckel gebildet werden, wobei der elektrische Anschlussbereich der zweiten Hauptelektrode dabei durch den Gehäusedeckel herausgeführt ist. Als Alternative dazu kann jedoch auch die zweite Hauptelektrode so ausgebildet sein, dass sie gleichzeitig die Funktion des Gehäusedeckels wahrnimmt.
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Zur Isolierung der beiden, jeweils mit einer Hauptelektrode elektrisch verbundenen Gehäuseteile ist bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsvariante des Überspannungsableiters zwischen dem topfförmigen ersten Gehäuseteil und dem Gehäusedeckel ein zylinderförmiger Isolationskörper angeordnet. Vorzugsweise ist dabei sowohl zwischen dem topfförmigen ersten Gehäuseteil und dem Isolationskörper als auch zwischen dem Gehäusedeckel und dem Isolationskörper eine Schraubverbindung realisiert. Hierzu weist der Isolationskörper vorzugsweise sowohl ein Außengewinde als auch ein Innengewinde auf, wobei der Isolationskörper mit seinem Außengewinde in ein korrespondierendes Innengewinde des topfförmigen ersten Gehäuseteils eingeschraubt ist. Darüber hinaus weist der Gehäusedeckel ein Außengewinde auf, mit dem er in das korrespondierende Innengewinde des Isolationskörpers eingeschraubt ist.
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Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters,
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2 eine Explosionsdarstellung des Überspannungsableiters gemäß 1,
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3 einen Längsschnitt durch eine vereinfachte Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters,
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4 einen Längsschnitt durch eine vereinfachte Darstellung einer Variante des Überspannungsableiters gemäß 3,
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5 einen Längsschnitt durch eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, und
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6 einen Längsschnitt durch eine vereinfachte Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters.
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Die Figuren zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1, wobei der Überspannungsableiter 1 in den 3 bis 6 nur schematisch dargestellt ist, während 1 einen Längsschnitt durch eine detaillierteren Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1 und 2 eine Explosionsdarstellung des Überspannungsableiters 1 gemäß 1 zeigt. Der erfindungsgemäße Überspannungsableiter 1 ist insbesondere für den Einsatz zwischen einem Neutralleiter N und dem Potentialausgleich PE vorgesehen, so dass der Überspannungsableiter 1 ein Stoßstromableitevermögen von bis zu 100 kA 10/350 μs aufweisen muss. Darüber hinaus müssen Netzfolgeströme bis zu 100 A sicher gelöscht werden können. Daneben kann der Überspannungsableiter 1 jedoch auch zwischen einer Phase L und dem Neutralleiter N angeordnet sein.
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Allen Überspannungsableitern 1 ist gemeinsam, dass sie zwei Hauptelektroden 2, 3 aufweisen, deren Stirnseiten 2a, 3a einander axial gegenüberliegen. Zwischen den beiden eine Funkenstrecke bildenden Hauptelektroden 2, 3 ist eine Lichtbogenbrennkammer 4 ausgebildet, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den Stirnseiten 2a, 3a, der beiden Hauptelektroden 2, 3 ein Lichtbogen in der Lichtbogenbrennkammer 4 entsteht, über den ein Stoßstrom abgeleitet wird. Der erfindungsgemäße Überspannungsableiter 1 weist darüber hinaus eine Zündhilfe auf, zu der gemäß den Ausführungsbeispielen in den 1 bis 4 ein resistives Zündelement 5 und ein Spannungsschaltelement 6 gehören, wobei als Spannungsschaltelement 6 vorzugsweise ein Gasableiter verwendet wird.
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Wie insbesondere aus 1 ersichtlich ist, ist in der ersten Hauptelektrode 2 eine Bohrung 7 ausgebildet, in der das Spannungsschaltelement 6 angeordnet ist. Der erste Anschluss 6a des Spannungsschaltelements 6 ist dabei elektrisch mit der ersten Hauptelektrode 2 verbunden. Der zweite Anschluss 6b des Spannungsschaltelements 6 ist elektrisch dadurch mit dem Zündelement 5 verbunden, dass das Zündelement 5 direkt den zweiten Anschluss 6b des Spannungsschaltelements 6 kontaktiert. Das Zündelement 5 ist somit zwischen dem Spannungsschaltelement 6 und der zweiten Hauptelektrode 3 angeordnet, wobei das Zündelement 5 radial mit der das Zündelement 5 umgebenden Lichtbogenbrennkammer 4 in Verbindung steht.
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Nach dem Zünden des Spannungsschaltelements 6, dessen Ansprechspannung geringer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden 2, 3 ist, fließt ein Strom von der ersten Hauptelektrode 2 über das Spannungsschaltelement 6 und das Zündelement 5 zur zweiten Hauptelektrode 3. Dabei führt der Stromfluss über das resistive Zündelement 5 zu einer Entladung an der Oberfläche des Zündelements 5, so dass in dem an das Zündelement 5 angrenzenden Zündbereich innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 4 ionisiertes Gas erzeugt wird, das sich in der Lichtbogenbrennkammer 4 ausbreitet. Ist die Lichtbogenbrennkammer 4 ausreichend mit ionisierten Gas gefüllt, so kommt es zu einem Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden 2, 3. Der abzuleitende Stoßstrom wird dann nicht mehr über die Bauteile der Zündhilfe sondern über den zwischen den beiden Hauptelektroden 2, 3 ausgebildeten Lichtbogen abgeleitet.
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Zur einfachen und sicheren Anordnung des Spannungsschaltelements 6 innerhalb der Bohrung 7 ist ein zylinderförmiger Isolationskörper 8 vorgesehen, der bei dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel das Spannungsschaltelement 6 über dessen gesamte Länge radial umgibt. Alternativ dazu kann der Isolationskörper 8 auch eine etwas geringere Länge aufweisen, beispielsweise nur halb so lang ausgebildet sein, solange zumindest der zweite Anschluss 6b des Spannungsschaltelements 6 radial von dem Isolationskörper 8 umgeben ist, so dass der zweite Anschluss 6b von der Hauptelektrode 2 isoliert ist.
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Aus der Explosionsdarstellung gemäß 2 ist ersichtlich, dass der Isolationskörper 8 darüber hinaus auch als Halterung für das Zündelement 5 dient. Hierzu sind an der dem Zündelement 5 zugewandten Stirnseite des Isolationskörpers 8 mehrere – vorliegend vier – Vorsprünge 9 und in dem Zündelement 5 dazu korrespondierende Ausnehmungen 10 ausgebildet, wodurch das Zündelement 5 an dem Isolationskörper 8 befestigt bzw. von dem Isolationskörper 8 in seiner Position gehalten werden kann.
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Bei den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ist auf der dem Zündelement 5 abgewandten Seite des Spannungsschaltelements 6 ein axial wirkendes Federelement 11 in der Bohrung 7 angeordnet. Das Federelement 11 dient dabei als Toleranzausgleich für geringe Längendifferenzen der verwendeten Spannungsschaltelemente 6, so dass keine unzulässigen mechanischen Spannungen auf das Spannungsschaltelement 6 oder das Zündelement 5 beim Zusammenbau des Überspannungsableiters 1 wirken. Auf der dem Spannungsschaltelement 6 abgewandten Seite stützt sich das Federelement 11 an einem Anschlag 7a in der Bohrung 7 ab. Bei den in 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen des Überspannungsableiters 1 wird der Anschlag 7a dabei von dem Grund der als Sackloch ausgebildeten Bohrung 7 gebildet. Ist die Bohrung 7 dagegen – wie in den Ausführungsbeispielen gemäß den 5 und 6 – als durchgehende Bohrung ausgebildet, so kann der Anschlag 7a von einer umlaufenden Stufe in der Bohrung 7 gebildet sein.
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Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Überspannungsableiter 1 ein zylinderförmiges Gehäuse 12 auf, das die beiden Hauptelektroden 2, 3 umgibt, wobei das Gehäuse 12 ein von den beiden Hauptelektroden 2, 3 separates Bauteil ist. Das Gehäuse 12 ist dabei zweiteilig ausgebildet, es weist nämlich ein topfförmiges erstes Gehäuseteil 12a und einen Gehäusedeckel 12b auf. Beide Gehäuseteile 12a und 12b bestehen vorzugsweise aus Stahl, wobei der Gehäusedeckel 12b ein Außengewinde aufweist, mit dem er in ein korrespondierendes Innengewinde im topfförmigen ersten Gehäuseteil 12a eingeschraubt ist. Dadurch wird ein druckfestes und gleichzeitig sehr kompaktes Gehäuse 12 zur Verfügung gestellt.
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Zum elektrischen Anschluss der beiden Hauptelektroden 2, 3 sind deren Anschlussbereiche 2b, 3b an den Stirnseiten aus dem Gehäuse 12 bzw. den beiden Gehäuseteilen 12a und 12b herausgeführt. Zur Gewährleistung der erforderlichen Isolation zwischen den beiden Hauptelektroden 2, 3 sind bei dem aus Stahl bestehenden Gehäuse 12 die Hauptelektroden 2, 3 jeweils von einer beidseitig offenen Isolierhülle 13, 14 umgeben, durch die die Hauptelektroden 2, 3 gegeneinander und gegenüber dem Gehäuse 12 isoliert sind. Aus den Darstellungen gemäß den 1 und 2 ist dabei ersichtlich, dass die Anschlussbereiche 2b, 3b der beiden Hauptelektroden 2, 3 von Elektrodenhaltern gebildet werden, die fest mit den an die Lichtbogenbrennkammer 4 angrenzenden Bereiche der Elektroden 2, 3 verbunden sind. Durch die Verwendung von Elektrodenhaltern als elektrische Anschlussbereiche 2b, 3b der Hauptelektroden 2, 3 besteht die Möglichkeit, für die eigentlichen Hauptelektroden 2, 3 und die Elektrodenhalter 2b, 3b unterschiedliche Materialien zu verwenden.
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Bei dem in 5 vereinfacht dargestellten Überspannungsableiter 1 ist ebenfalls ein zylinderförmiges Gehäuse 12 vorgesehen, das die beiden Hauptelektroden 2, 3 umgibt und bei dem es sich um ein von den beiden Hauptelektroden 2, 3 separates Gehäuse 12 handelt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 ist das Gehäuse 12 hier jedoch einteilig ausgebildet und besteht aus einem nicht leitenden Material, beispielsweise aus einer Keramik. Durch die Verwendung eines Gehäuses 12 aus einem nichtleitenden, isolierenden Material kann auf die Verwendung von zusätzlichen Isolierhüllen zum Herausführen der Anschlussbereiche 2b, 3b der Hauptelektroden 2, 3 aus dem Gehäuse 12 verzichtet werden. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispielen weisen die beiden Hauptelektroden 2, 3 an ihren der Lichtbogenbrennkammer 4 bzw. dem Zündelement 5 abgewandten Anschlussbereichen 2b, 3b jeweils ein Außengewinde auf, mit dem die Elektroden 2, 3 direkt in ein entsprechendes Innengewinde im Gehäuse 12 eingeschraubt werden. Die Anschlussbereiche 2b, 3b der beiden Hauptelektroden 2, 3 übernehmen somit bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 jeweils die Funktion eines Gehäusedeckels.
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Ein weiterer Unterschied zwischen dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel und dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 besteht darüber hinaus darin, dass bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 die Zündhilfe neben dem Zündelement 5 und dem Spannungsschaltelement 6 zusätzlich noch eine Zündelektrode 15 und einen Varistor 16 aufweist. Nach dem Zünden des Spannungsschaltelements 6, bei dem es sich auch hier vorzugsweise um einen Gasableiter handelt, fließt zunächst ein Strom von der ersten Hauptelektrode 2 über den Varistor 16, die Zündelektrode 15, den Gasableiter 6 und das Zündelement 5 zur zweiten Hauptelektrode 3. Der Abstand zwischen den Stirnseiten 2a, 2b der beiden Hauptelektroden 2, 3 wird dabei durch die Dicke des Zündelements 5 bestimmt, dass ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 von dem Isolationskörper 8 gehalten sein kann.
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Der Überspannungsableiter 1 gemäß 3 weist ein zylinderförmiges Gehäuse 12 auf, das zweiteilig ausgebildet ist, nämlich ein topfförmiges erstes Gehäuseteil 12a und einen Gehäusedeckel 12b aufweist. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist hierbei das erste Gehäuseteil 12a jedoch einstückig mit der ersten Hauptelektrode 2 ausgebildet. Die Verbindung zwischen den beiden Gehäuseteilen 12a und 12b ist dabei ebenfalls durch eine Schraubverbindung realisiert, wobei auch das zweite Gehäuseteil, d. h. der Gehäusedeckel 12b aus Metall, insbesondere aus Stahl bestehen kann. Zusätzlich zu der die zweite Hauptelektrode 3 umgebenden Isolierhülle 14 ist dabei ein weiterer zylindrischer Isolationskörper 17 vorgesehen, der innerhalb des ersten Gehäuseteils 12a angeordnet ist.
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Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des Überspannungsableiters 1 weist das zylinderförmige Gehäuse 12 ein topfförmiges erstes Gehäuseteil 12a, einen Gehäusedeckel 12b und ein zylinderförmiges Gehäuseteil 12c auf. Dabei ist das topfförmige erste Gehäuseteil 12a – wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 – einstückig mit der ersten Hauptelektrode 2 verbunden. Darüber hinaus ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Gehäusedeckel 12b – wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 – einstückig mit der zweiten Hauptelektrode 3 ausgebildet. Das zylinderförmige Gehäuseteil 12c ist zwischen dem topfförmigen ersten Gehäuseteil 12a und dem Gehäusedeckel 12b angeordnet und besteht aus einem nicht leitenden, isolierenden Material, beispielsweise aus einer Keramik, so dass die beiden Hauptelektroden 2, 3, die mit den beiden Gehäuseteilen 12a, 12b verbunden sind, gegeneinander isoliert sind.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird die mechanische Verbindung zwischen den einzelnen Gehäuseteilen 12a, 12b, 12c vorzugsweise jeweils durch eine Schraubverbindung realisiert. Hierzu weist das topfförmige erste Gehäuseteil 12a ein Innengewinde auf, in das das zylinderförmige Gehäuseteil 12c mit seinem korrespondierenden Außengewinde eingeschraubt wird. Darüber hinaus weist das zylinderförmige Gehäuseteil 12c auf seiner der ersten Hauptelektrode 2 abgewandten Seite ein Innengewinde auf, in die der Gehäusedeckel 12b bzw. die zweite Hauptelektrode 3 mit ihrem korrespondierendem Außengewinde eingeschraubt ist.
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Der in 6 dargestellte Überspannungsableiter 1 ähnelt bezüglich des Gehäuses 12 dem Überspannungsableiter 1 gemäß 4. Auch bei diesem Überspannungsableiter 1 weist das zylinderförmige Gehäuse 12 ein topfförmiges erstes Gehäuseteil 12a und einen Gehäusedeckel 12b auf. Das topfförmige erste Gehäuseteil 12a ist hier einstückig mit der zweiten Hauptelektrode 3 und der Gehäusedeckel 12b einstückig mit der ersten Hauptelektrode 2 ausgebildet. Darüber hinaus ist zwischen dem topfförmigen ersten Gehäuseteil 12a und dem Gehäusedeckel 12b ein zylinderförmiger Isolationskörper 17 angeordnet, durch den die beiden Gehäuseteile 12a, 12b bzw. die beiden Hauptelektroden 2, 3 voneinander isoliert sind. Der Isolationskörper 17 ist dabei im Unterschied zu dem zylinderförmigen Gehäuseteil 12c des Ausführungsbeispiels gemäß 4 radial vollständig von dem topfförmigen ersten Gehäuseteil 12a umgeben.
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Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1 weist die Zündhilfe neben dem Zündelement 5 und einem Gasableiter als Spannungsschaltelement 6 zusätzlich noch eine Zündelektrode 15 und einen Varistor 16 auf, so dass die Zündhilfe bei dieser Variante dieselben Bauteile wie die Zündhilfe bei der Variante gemäß 5 aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ist jedoch der Gasableiter 6 nicht direkt angrenzend an das Zündelement 5 sondern, weiter hinten in der durchgehenden Bohrung 7 angeordnet. Der Gasableiter 6 ist dabei mit seinem ersten Anschluss 6a über den Varistor 16 mit der ersten Hauptelektrode 2 und mit seinem zweiten Anschluss 6b über die Zündelektrode 15 mit dem Zündelement 5 verbunden. Außerdem ist zwischen der Zündelektrode 15 und dem Zündelement 5 noch ein Federelement 11 angeordnet. Durch diese Anordnung der einzelnen Elemente der Zündhilfe ist der Gasableiter 6 noch weiter beabstandet von der Lichtbogenbrennkammer 4 innerhalb der Bohrung 7 in der Hauptelektrode 2 angeordnet. Dadurch ist der Gasableiter 6 noch besser gegen die innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 4 entstehenden hohen Temperaturen und die auftretenden hohen Drücke geschützt.
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Schließlich weist der Isolationskörper 17 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 noch einen ringförmigen Abschnitt 18 auf der radial nach Innen zwischen die Stirnseiten 2a, 3a der beiden Hauptelektroden 2, 3 reicht. Dadurch wird zum einen der Abstand zwischen den beiden Hauptelektroden 2, 3 über die Dicke des ringförmigen Abschnitts 18 vorgegeben, zum anderen die Lichtbogenbrennkammer 4 radial nach Außen durch den ringförmigen Abschnitt 18 begrenzt.
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Insgesamt zeigen die 3 bis 6 insbesondere unterschiedliche Möglichkeiten, wie bei einem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter 1 das Gehäuse 12 ausgebildet sein kann. Die Anordnung und Ausgestaltung der Zündhilfe kann dabei unabhängig von der jeweiligen Ausgestaltung des Gehäuses 12 gewählt werden. Dies bedeutet, dass beispielsweise auch eine Zündhilfe, wie sie in den 1 bis 4 dargestellt ist, d. h. eine Zündhilfe, die nur ein Zündelement 5 und ein Spannungsschaltelement 6 aufweist, bei einer Ausgestaltung des Gehäuses 12 gemäß den 5 und 6 verwendet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10338835 A1 [0004, 0007, 0015, 0015]
