DE102015115550A1

DE102015115550A1 - Surge arresters

Info

Publication number: DE102015115550A1
Application number: DE102015115550.8A
Authority: DE
Inventors: Jan-Erik Schmutz; Christian SANDER
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2015-09-15
Publication date: 2017-03-16
Anticipated expiration: 2035-09-16
Also published as: CN106532436A; DE102015115550B4; DE202016105144U1; CN106532436B

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist ein Überspannungsableiter (1) zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse (2), mit zwei einander gegenüberliegenden Elektroden (3, 4) und mit einer im Inneren des Gehäuses (2) ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer (5), wobei die Lichtbogenbrennkammer (5) axial von den beiden Elektroden (3, 4) begrenzt ist und zwischen den beiden Elektroden (3, 4) eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden (3, 4) ein Lichtbogen entsteht. Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter wird die während des Ableitvorganges durch den hochenergetischen Impuls in die Lichtbogenbrennkammer eingebrachte Energie dadurch schnell an die Umgebung abgegeben, dass die Lichtbogenbrennkammer (5) zumindest teilweise von einem transparenten Material (6) umgeben ist, so dass nach dem Zünden der Funkenstrecke Energie, die durch die Strahlung des Lichtbogens emittiert wird, aus der Lichtbogenbrennkammer (5) durch das transparente Material (6) in Richtung des Gehäuses (2) gelangen kann.Described and illustrated is a surge arrester (1) for use in the supply of low-voltage networks, comprising a housing (2), with two opposing electrodes (3, 4) and with an arc combustion chamber (5) formed inside the housing (2), wherein the arc combustion chamber (5) is delimited axially by the two electrodes (3, 4) and a spark gap is formed between the two electrodes (3, 4) so that an arc occurs when the spark gap between the two electrodes (3, 4) is ignited arises. In the surge arrester according to the invention, the energy introduced into the arc chamber during the discharge process by the high-energy pulse is rapidly released to the environment, that the arc chamber (5) is at least partially surrounded by a transparent material (6), so that after the ignition of the spark gap Energy emitted by the radiation of the arc can pass from the arc combustion chamber (5) through the transparent material (6) in the direction of the housing (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse, mit zwei einander gegenüberliegenden Elektroden und mit einer im Inneren des Gehäuses ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer, wobei zwischen den beiden Elektroden eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. The invention relates to a surge arrester for use in the supply of low voltage networks, comprising a housing, with two opposing electrodes and with an arc formed in the interior of the housing, wherein between the two electrodes, a spark gap is formed, so that when igniting the spark gap between the both electrodes create an arc.

Ein wesentlicher Bestandteil von Überspannungsableitern der hier in Rede stehenden Art ist die Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung anspricht, wobei beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Derartige Überspannungsableiter werden insbesondere im Bereich der Hauptstromversorgung von Niederspannungsnetzen eingesetzt, da sie ein hohes Ableitvermögen aufweisen. Dabei können sehr hohe und steil ansteigende Ströme mit Werten bis in den dreistelligen kA-Bereich über die Funkenstrecke fließen. Aufgrund der dabei im Inneren des Überspannungsableiters auftretenden Drücke und Kräfte sind derartige Überspannungsableiter in der Regel in druckfesten Gehäusen angeordnet. An essential component of surge arresters of the type in question is the spark gap, which responds at a certain overvoltage, wherein when igniting the spark gap between the two electrodes, an arc is formed. Such surge arresters are used in particular in the area of the main power supply of low-voltage networks, since they have a high discharge capacity. Very high and steeply rising currents with values up to the three-digit kA range can flow over the spark gap. Due to the pressures and forces occurring in the interior of the surge arrester such surge arresters are usually arranged in pressure-resistant housings.

Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke 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. Although surge arresters with a spark gap have the advantage of a high surge current carrying capacity, they also have the disadvantage of a relatively high and not very constant response voltage. Therefore, different types of ignition aids have long been used for the ignition of spark gaps, with the help of the response voltage of the spark gap and the surge arrester is reduced.

Bei Überspannungsableitern der in Rede stehenden Art – mit oder ohne Verwendung einer Zündhilfe – entsteht beim Zünden der Funkenstrecke über den Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden, über die – gewollt – der abzuleitende transiente Stoßstrom fließt. Bei anliegender Netzspannung kann über diese niederimpedante Verbindung jedoch auch ein unerwünschter Netzfolgestrom fließen, so dass man bestrebt ist, den Lichtbogen nach abgeschlossenem Ableitvorgang möglichst schnell zu löschen. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Zieles besteht darin, die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenbrennspannung nach dem Ansprechen der Funkenstrecke zu vergrößern. Eine andere Möglichkeit, den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, besteht in der Kühlung des Lichtbogens durch die Kühlwirkung von Isolierstoffwänden sowie die Verwendung von gasenden Isolierstoffen. Auch hierdurch wird die Lichtbogenbrennspannung erhöht. In surge arresters of the type in question - with or without the use of a starting aid - arises when igniting the spark gap via the arc a niederimpedante connection between the two electrodes on the - intentionally - the transient surge current to be derived flows. When the mains voltage is applied, however, an undesired follow-on current can also flow via this low-impedance connection, so that efforts are made to extinguish the arc as quickly as possible after the discharge process has been completed. One way to achieve this goal is to increase the arc length and thus the arc voltage after the response of the spark gap. Another way to extinguish the arc after the discharge, consists in the cooling of the arc by the cooling effect of Isolierstoffwänden and the use of gaseous insulating materials. This also increases the arc voltage.

Die zur Unterdrückung des Netzfolgestroms gewollte hohe Lichtbogenbrennspannung zusammen mit den sehr hohen abzuleitenden Strömen führen dazu, dass der Leistungsumsatz innerhalb der Lichtbogenbrennkammer sehr hoch ist. Je nach Amplitude und Impulsform des eingeprägten Stroms und der jeweiligen Lichtbogenspannung kann die in den Überspannungsableiter eingebrachte Energie dabei einige 10 kJ betragen. Diese Energie wird zum Teil an das die Lichtbogenkammer umgebende isolierende Material abgegeben, wobei die absorbierte Energie zu einem teilweisen Abbrand des Materials führt. Damit das die Lichtbogenkammer umgebende isolierende Material dadurch nicht zu schnell und zu stark beschädigt wird, muss es eine sehr hohe thermische und auch mechanische Beständigkeit aufweisen. Ein anderer Teil der Energie wird über Wärmeleitung an die Umgebung abgegeben, wobei dieser Vorgang bezogen auf die Länge des abzuleitenden Impulses sehr lange dauert, so dass sich dadurch die während des Ableitvorganges in die Lichtbogenbrennkammer eingebrachte Energie nur sehr langsam reduziert. The high arc arc voltage required to suppress the line follow current, together with the very high currents to be dissipated, results in very high power dissipation within the arc combustion chamber. Depending on the amplitude and pulse shape of the impressed current and the respective arc voltage, the energy introduced into the surge arrester can amount to a few 10 kJ. This energy is released in part to the insulating material surrounding the arc chamber, the absorbed energy resulting in a partial burnup of the material. Thus, the insulating material surrounding the arc chamber is not damaged too fast and too strong, it must have a very high thermal and mechanical resistance. Another part of the energy is delivered via heat conduction to the environment, this process takes very long based on the length of the pulse to be derived, so that thereby introduced during the Ableitvorganges in the arc combustion chamber energy is reduced only very slowly.

Aus der DE 103 38 835 A1 ist ein Überspannungsableiter bekannt, bei dem die Elektroden einander axial gegenüberliegen und die Lichtbogenbrennkammer radial zumindest teilweise von einem isolierenden Material umgeben ist. Das Auftreten eines Netzfolgestromes wird bei diesem Überspannungsableiter dadurch verhindert, dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, dass die Lichtbogenbrennspannung größer als die erwartete Netzspannung ist. 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. From the DE 103 38 835 A1 a surge arrester is known in which the electrodes face each other axially and the arc combustion chamber is radially at least partially surrounded by an insulating material. The occurrence of a line follower current is prevented in this surge arrester in that the distance between the two electrodes is chosen so large that the arc voltage is greater than the expected mains voltage. Thus, the response of this surge arrester is not too large by the relatively large distance between the two electrodes of the spark gap, a starting aid is provided by the desired response voltage of the surge arrester can be adjusted.

Um ein erneutes Zünden der Funkenstrecke zu verhindern, sind bei dem bekannten Überspannungsableiter Kühlkanäle im Gehäuse vorgesehen, durch die die in der Lichtbogenbrennkammer beim Ableitvorgang durch den Lichtbogen produzierten heißen, ionisierten Gase aus dem Gehäuse abgeführt werden sollen. Damit die aus dem Gehäuse ausströmenden Gase keine zu hohe Temperatur aufweisen, müssen die Kühlkanäle ausreichend lang sein. Bei dem aus der DE 103 38 835 A1 bekannten Überspannungsableiter wird dies dadurch erreicht, dass das Gehäuse zweiteilig ausgebildet ist, wobei die beiden Gehäusehälften koaxial zueinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Gehäusehälften sind dabei schraubenförmige Kühlkanäle angeordnet, durch die das Plasma strömen kann und die gleichzeitig zur Verschraubung der beiden Gehäusehälften miteinander dienen. In order to prevent a renewed ignition of the spark gap, cooling channels are provided in the housing in the known surge arrester through which the hot, ionized gases produced in the arc combustion chamber during the discharge process by the arc to be removed from the housing. So that the gases flowing out of the housing do not have too high a temperature, the cooling channels have to be sufficiently long. In the from the DE 103 38 835 A1 This known surge arrester is achieved in that the housing is formed in two parts, wherein the two housing halves are arranged coaxially to each other. In this case, helical cooling channels are arranged between the two housing halves, through which the plasma can flow and at the same time serve to screw the two housing halves together.

Da das Gehäuse aus zwei koaxial zueinander angeordneten Gehäuseteilen besteht, die miteinander verschraubt werden, muss zur Gewährleistung einer ausreichenden mechanischen Stabilität die Wandstärke der beiden Gehäuseteile relativ groß sein, was zu einem entsprechend vergrößerten Außendurchmesser des Gehäuses insgesamt führt. Aufgrund der gewollt hohen Lichtbogenspannung ist jedoch auch der Energieumsatz innerhalb des Überspannungsableiters sehr hoch, so dass das Gehäuse und die verwendeten Materialen, insbesondere im Bereich der Lichtbogenbrennkammer hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Since the housing consists of two coaxially arranged housing parts, which are screwed together, to ensure sufficient mechanical stability, the wall thickness of the two housing parts must be relatively large, resulting in a correspondingly increased outer diameter of the housing as a whole. Due to the intended high arc voltage, however, the energy conversion within the surge arrester is very high, so that the housing and the materials used, in particular in the area of the arc combustion chamber are exposed to high thermal and mechanical loads.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Überspannungsableiter zu Verfügung zu stellen, bei dem die zuvor genannten Nachteile nach Möglichkeit vermieden werden. Insbesondere soll dabei die während des Ableitvorganges durch den hochenergetischen Impuls in die Lichtbogenbrennkammer eingebrachte Energie möglichst schnell an die Umgebung abgegeben werden. The present invention is therefore based on the object to provide a surge arrester available, in which the aforementioned disadvantages are avoided if possible. In particular, the introduced during the discharge process by the high-energy pulse in the arc combustion chamber energy should be delivered as quickly as possible to the environment.

Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Lichtbogenbrennkammer zumindest teilweise von einem transparenten Material umgeben ist, so dass nach dem Zünden der Funkenstrecke Energie, die durch die Strahlung des Lichtbogens emittiert wird, von der Lichtbogenbrennkammer durch das transparente Material in Richtung des Gehäuses gelangen kann. Dadurch, dass die Lichtbogenbrennkammer zumindest teilweise von einem isolierenden, transparenten Material begrenzt wird, kann ein Teil der beim Ableitvorgang in die Lichtbogenbrennkammer eingebrachten Energie schneller aus der Lichtbogenbrennkammer entfernt werden, wodurch die Belastung der die Lichtbogenbrennkammer umgebenden Materialien verringert wird. Hierdurch verringern sich auch die konstruktiven Anforderungen an den Überspannungsableiter. This object is achieved in the surge arrester described above with the features of claim 1, characterized in that the arc combustion chamber is at least partially surrounded by a transparent material, so that after the ignition of the spark gap energy that is emitted by the radiation of the arc from the arc combustion chamber can pass through the transparent material in the direction of the housing. Characterized in that the arc combustion chamber is at least partially bounded by an insulating, transparent material, a part of the introduced during the discharge process in the arc combustion chamber energy can be removed faster from the arc combustion chamber, whereby the burden of the materials surrounding the arc combustion chamber is reduced. This also reduces the design requirements for the surge arrester.

Damit die durch den Lichtbogen emittierte Strahlung zu einem möglichst großen Anteil von dem transparenten Material durchgelassen wird, ist der Transmissionsgrad des transparenten Materials im Wellenlängenbereich der Strahlung des Lichtbogens im Mittel besonders hoch, wobei der Transmissionsgrad vorzugsweise mehr als 70 %, insbesondere mehr als 80% beträgt. Da der Großteil der Strahlung des Lichtbogens bzw. des Lichtbogenplasmas in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 4500 nm liegt, sollte das transparente Material vorzugsweise in diesem Wellenlängenbereich im Mittel einen hohen Transmissionsgrad von 80% oder mehr aufweisen. Da der Transmissionsgrad des Materials abhängig von der Wellenlänge ist, bedeutet dies, dass der Transmissionsgrad des Materials nicht über dem gesamten Wellenlängenbereich der Strahlung des Lichtbogens bzw. des Lichtbogenplasmas gleichmäßig hoch sein wird. Es ist jedoch ausreichend, wenn der Transmissionsgrad im Mittel entsprechend hoch ist, so dass der Transmissionsgrad in einem Teilbereich des Wellenlängenbereich der Strahlung des Lichtbogens auch einen niedrigeren Transmissionsgrad aufweisen kann. Wesentlich ist dabei, dass möglichst viel Energie, die durch die Strahlung des Lichtbogens emittiert wird, von der Lichtbogenbrennkammer durch das transparente Material in Richtung des Gehäuses gelangen kann. In order that the radiation emitted by the arc is transmitted to the largest possible extent by the transparent material, the transmittance of the transparent material in the wavelength range of the radiation of the arc is particularly high on average, the transmittance preferably being more than 70%, in particular more than 80%. is. Since the majority of the radiation of the arc or the arc plasma is in a wavelength range of 100 nm to 4500 nm, the transparent material should preferably have a high transmittance of 80% or more in this wavelength range on average. Since the transmittance of the material is dependent on the wavelength, this means that the transmittance of the material will not be uniform over the entire wavelength range of the radiation of the arc or of the arc plasma. However, it is sufficient if the transmittance on average is correspondingly high, so that the transmittance in a partial region of the wavelength range of the radiation of the arc can also have a lower transmittance. It is essential that as much energy that is emitted by the radiation of the arc can pass from the arc combustion chamber through the transparent material in the direction of the housing.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass für das transparente Material besonders gut transparente Keramiken, insbesondere Oxidkeramiken, verwendet werden können, da sie eine hohe Transparenz innerhalb des relevanten Wellenlängenbereichs aufweisen und darüber hinaus auch über eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit verfügen. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei die Verwendung von Zirkoniumoxid (ZrO2), insbesondere von polykristallinem Zirkoniumoxid sowie die Verwendung von transparenter Spinell-Keramik (MgO – Al203) herausgestellt. Insgesamt gibt es einen Mehrzahl von Hochleistungskeramiken, die sowohl die erforderliche hohe Transparenz als auch eine ausreichend hohe thermische und mechanische Belastbarkeit aufweisen, so dass sie als die Lichtbogenbrennkammer umgebendes Material bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter eingesetzt werden können. Alternativ dazu kann das transparente Material auch aus einem Kunststoff, insbesondere einem UV-durchlässigen Kunststoff, bestehen. In the context of the present invention, it has been found that particularly transparent ceramics, in particular oxide ceramics, can be used for the transparent material since they have high transparency within the relevant wavelength range and moreover have high thermal and mechanical strength. The use of zirconium oxide (ZrO 2), in particular polycrystalline zirconium oxide, and the use of transparent spinel ceramic (MgO-Al 2 O 3) have proven to be particularly advantageous. Overall, there are a plurality of high-performance ceramics, which have both the required high transparency and a sufficiently high thermal and mechanical strength, so that they can be used as the arc combustion chamber surrounding material in the surge arrester according to the invention. Alternatively, the transparent material may also consist of a plastic, in particular a UV-transparent plastic.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Lichtbogenbrennkammer nicht nur von einem transparenten Material umgeben, sondern teilweise auch von einem gasenden Material, wobei das gasende Material vorzugsweise im Bereich der Lichtbogenzündung angeordnet ist. In axialer Richtung ist die Lichtbogenbrennkammer dann in einem ersten, kleineren Bereich vom gasenden Material und in einem daran anschließenden zweiten, größeren Bereich vom transparenten Material umgeben. Durch die Anordnung eines gasenden Materials im Bereich der Lichtbogenzündung wird beim Zünden des Lichtbogens durch das gasende Material ein hoher Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer erzeugt, der eine gerichtete Strömung des ionisierten Gases weg vom Bereich der Lichtbogenzündung verursacht. In dem Bereich der Lichtbogenbrennkammer, die nicht von dem gasenden Material sondern von dem transparenten Material umgeben ist, erfolgt dagegen bei anstehendem Lichtbogen allenfalls ein relativ geringes Ausgasen des Materials, so dass die Strömung des ionisierten Gases in diesem Bereich weniger beeinflusst wird. Als gasendes Material kann beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere PBT oder POM eingesetzt werden. According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the arc combustion chamber is surrounded not only by a transparent material, but also partially by a gaseous material, wherein the gassing material is preferably arranged in the region of the arc ignition. In the axial direction, the arc combustion chamber is then surrounded in a first, smaller area by the gaseous material and in a subsequent, second, larger area by the transparent material. By placing a gaseous material in the area of the arc ignition, when the arc is ignited by the gaseous material, a high pressure is created within the arc combustion chamber which causes a directed flow of the ionized gas away from the area of the arc ignition. In the region of the arc combustion chamber which is not surrounded by the gaseous material but by the transparent material, on the other hand, if the arc is present, at most a relatively low outgassing of the material takes place, so that the flow of the ionized gas is less affected in this area. As a gaseous material, for example, a thermoplastic material, in particular PBT or POM be used.

Dadurch, dass die Lichtbogenbrennkammer erfindungsgemäß zumindest teilweise von einem transparenten Material umgeben ist, dessen Transmissionsgrad im Wellenlängenbereich der Strahlung des Lichtbogens sehr hoch ist, wird die Strahlung zum größten Teil nur in der obersten Schicht des angrenzenden Materials absorbiert. Da das Volumen dieser angrenzenden Schicht relativ gering ist, kommt es zu einer entsprechend starken Erwärmung in diesem Bereich, beispielsweise in der an das transparente Material angrenzenden Innenfläche des Gehäuses. The fact that the arc combustion chamber according to the invention is at least partially surrounded by a transparent material whose transmittance in the wavelength range of the radiation of the arc is very high, the radiation is largely absorbed only in the uppermost layer of the adjacent material. Since the volume of this adjacent layer is relatively low, there is a correspondingly strong heating in this area, for example in the adjacent to the transparent material inner surface of the housing.

Um eine zu starke Erwärmung des Gehäuses in diesem Bereich zu verhindern ist gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das transparente Material von einem getönten Material umgeben ist, wobei der Transmissionsgrad des getönten Materials kleiner als der Transmissionsgrad des transparenten Materials ist. Die Verwendung eines getönten Materials mit einem niedrigeren Transmissionsgrad führt dazu, dass ein Teil der Energie der Strahlung, die das transparente Material passiert hat, in dem das transparente Material umgebenden getönten Material absorbiert wird. In den an das getönte Material angrenzenden Bereich des Gehäuses dringt dann nur noch weniger Energie ein, so dass dort auch nur noch ein geringerer Anteil der Energie der Strahlung, die aus der Lichtbogenbrennkammer austritt, absorbiert werden muss. Dieser Bereich des Gehäuses wird dadurch entsprechend weniger stark erwärmt. Durch die Verwendung eines getönten Materials wird somit das Volumen des Materials, in dem die Energie der Strahlung absorbiert wird, stark vergrößert, so dass sich die Temperaturerhöhung sowohl in dem getönten Material als auch in dem angrenzenden Gehäuse bei gleichem Energieeintrag wesentlich verringert. In order to prevent excessive heating of the housing in this area is provided according to a further particularly preferred embodiment of the invention that the transparent material is surrounded by a tinted material, wherein the transmittance of the tinted material is smaller than the transmittance of the transparent material. The use of a tinted material with a lower transmittance results in some of the energy of the radiation that has passed through the transparent material being absorbed in the tinted material surrounding the transparent material. In the adjacent to the tinted material region of the housing penetrates then only less energy, so that there only a smaller proportion of the energy of the radiation emerging from the arc combustion chamber must be absorbed. This area of the housing is characterized accordingly less heated. The use of a tinted material thus greatly increases the volume of the material in which the energy of the radiation is absorbed so that the temperature increase in both the tinted material and the adjacent housing is substantially reduced with the same energy input.

Die Tönung des getönten Materials kann grundsätzlich über die gesamte Dicke des Materials gleich stark sein. Vorzugsweise wird jedoch ein graduell oder stufenweise getöntes Material verwendet, das das transparente Material umgibt. Der Transmissionsgrad des graduell oder stufenweise getönten Materials nimmt dabei von innen nach außen, in Richtung des Gehäuses ab. In dem an das transparente Material angrenzenden Bereich des graduell oder stufenweise getönten Materials ist der Transmissionsgrad somit am Größten, wobei der Transmissionsgrad auch in diesem Bereich kleiner als der Transmissionsgrad des transparenten Materials ist. Durch die Verwendung eines graduell oder stufenweise getönten Materials anstelle eines gleichmäßig getönten Materials wird erreicht, dass angrenzend an das transparente Material nur ein geringerer Teil der Energie der Strahlung absorbiert wird, während der größere Teil der Energie der Strahlung in dem weiter entfernten Bereich des getönten Materials bzw. in dem angrenzenden Bereich des Gehäuses absorbiert wird. The tint of the tinted material can basically be the same over the entire thickness of the material. Preferably, however, a graded or stepped tinted material is used which surrounds the transparent material. The transmittance of the gradual or gradual toned material decreases from the inside to the outside, in the direction of the housing. In the area of the gradual or gradual tinted material adjacent to the transparent material, the degree of transmittance is thus greatest, the transmittance also in this area being smaller than the transmittance of the transparent material. By using a gradual or gradual toned material instead of a uniformly toned material, it is achieved that only a minor part of the energy of the radiation is absorbed adjacent to the transparent material, while the greater part of the energy of the radiation is in the more distant portion of the toned material or in the adjacent region of the housing is absorbed.

Sowohl bei Verwendung eines gleichmäßig getönten Materials als auch bei Verwendung eines graduell oder stufenweise getönten Materials ist weiter vorzugsweise vorgesehen, dass dieses Material eine möglichst hohe Wärmekapazität aufweist. Dadurch wird gewährleistet, dass es nicht zu einer zu starken Erwärmung des Materials und damit des Überspannungsableiters insgesamt kommt. Both when using a uniformly toned material and when using a gradual or gradual toned material is further preferably provided that this material has the highest possible heat capacity. This ensures that there is no excessive heating of the material and thus of the surge arrester as a whole.

Der erfindungsgemäße Überspannungsableiter weist vorzugsweise eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Zündhilfe auf, die zumindest ein Zündelement und eine Zündelektrode umfasst. Das Zündelement und die Zündelektrode stehen dabei mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung, wobei das Zündelement auf der einen Seite mit der einen Elektrode und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode elektrisch leitend verbunden ist. Beim Zünden der Zündhilfe fließt zunächst ein Strom vom ersten Anschluss des Überspannungsableiters über das Gehäuse, die Zündelektrode und das Zündelement zur zweiten Elektrode bzw. zum zweiten Anschluss. Dabei führt der Stromfluss über das Zündelement zu einer Entladung bzw. einem Initiallichtbogen zwischen der Zündelektrode und der dem Zündelement zugeordneten Elektrode, was dann zu einem Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden führt. The surge arrester according to the invention preferably has an ignition aid arranged within the housing, which comprises at least one ignition element and one ignition electrode. The ignition element and the ignition electrode are in contact with the arc combustion chamber, the ignition element being electrically conductively connected on one side to the one electrode and on the other side to the ignition electrode. When the ignition aid is ignited, a current initially flows from the first terminal of the surge arrester via the housing, the ignition electrode and the ignition element to the second electrode or to the second terminal. In this case, the current flow via the ignition element leads to a discharge or an initial arc between the ignition electrode and the electrode associated with the ignition element, which then leads to an ignition of the spark gap between the two electrodes.

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 zylinderförmig, so dass auch die Lichtbogenbrennkammer vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist. Die Lichtbogenbrennkammer wird dann axial von den beiden Elektroden und radial von dem transparenten Material oder von dem transparenten Material und dem gasenden Material umgeben. Außerdem ist das Gehäuse vorzugsweise zweiteilig ausgebildet, wobei es beispielsweise aus einem topfförmigen ersten Gehäuseteil und einem dazu korrespondierenden Gehäusedeckel bestehen kann, der ein Außengewinde aufweist, so dass er in das korrespondierende Ende des ersten Gehäuseteils eingeschraubt werden kann. In order to ensure a high mechanical stability and to be able to control the forces occurring during the diversion process, the housing is preferably made of metal, in particular of steel. In addition, the housing is preferably cylindrical, so that the arc combustion chamber is preferably cylindrical. The arc combustion chamber is then surrounded axially by the two electrodes and radially by the transparent material or by the transparent material and the gaseous material. In addition, the housing is preferably formed in two parts, it may for example consist of a cup-shaped first housing part and a corresponding housing cover having an external thread, so that it can be screwed into the corresponding end of the first housing part.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters weist der Überspannungsableiter mindestens einen Ausströmkanal auf, durch den ionisiertes Gas aus der Lichtbogenbrennkammer durch das Gehäuse ausströmen kann. Hierdurch kann sowohl ein zu hoher Druckanstieg innerhalb der Lichtbogenbrennkammer verhindert als auch eine schnellere Entionisierung der Lichtbogenbrennkammer nach dem Ableiten eines Stoßstroms erreicht werden, wodurch ein erneutes Zünden der Funkenstrecke verhindert werden kann. Vorzugsweise ist dabei der mindestens eine Ausströmkanal auf der dem Bereich der Lichtbogenzündung abgewandten Seite der Lichtbogenbrennkammer ausgebildet und entlang einer Elektrode geführt, so dass das aus der Lichtbogenbrennkammer durch den Ausströmkanal ausströmende heiße Gas an der Elektrode entlangströmt und durch die große Metalloberfläche der Elektrode gekühlt wird. According to a further advantageous embodiment of the surge arrester according to the invention, the surge arrester has at least one outflow channel through which ionized gas can flow out of the arc combustion chamber through the housing. As a result, both an excessive increase in pressure within the arc combustion chamber prevented as well as a faster deionization of the arc combustion chamber can be achieved after the discharge of a surge current, whereby a re-ignition of the spark gap can be prevented. In this case, the at least one outflow channel is preferably formed on the side of the arc combustion chamber facing away from the region of the arc ignition, and is guided along an electrode, so that the hot gas flowing out of the arc combustion chamber through the outflow channel flows along the electrode and is cooled by the large metal surface of the electrode.

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 In particular, there are now a variety of ways to design and develop the surge arrester according to the invention. Reference is made to both the claims subordinate to claim 1, as well as to the following description of preferred embodiments in conjunction with the drawings. In the drawing show

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Längsschnitt, 1 1 is a schematic representation of a first embodiment of a surge arrester, in longitudinal section,

2 eine schematische Darstellung des Überspannungsableiters gemäß 1, im Querschnitt, 2 a schematic representation of the surge arrester according to 1 in cross-section,

3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Längsschnitt, 3 1 is a schematic representation of a second embodiment of a surge arrester, in longitudinal section,

4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Längsschnitt, 4 1 is a schematic representation of a third embodiment of a surge arrester, in longitudinal section,

5 eine vereinfachte Darstellung des Überspannungsableiters gemäß 4, im Querschnitt und 5 a simplified representation of the surge arrester according to 4 , in cross section and

6 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Längsschnitt. 6 a schematic representation of a fourth embodiment of a surge arrester, in longitudinal section.

Die Figuren zeigen vereinfachte, schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1, wobei der Überspannungsableiter 1 ein Gehäuse 2 mit zwei eine Funkenstrecke bildenden Elektroden 3, 4 aufweist, zwischen denen im Inneren des Gehäuses 2 eine Lichtbogenbrennkammer 5 ausgebildet ist. Die Anschlussbereiche 3a, 4a der beiden Elektroden 3, 4 sind als Anschlüsse aus dem vorzugsweise aus Metall bestehenden Gehäuse 2 herausgeführt, so dass der Überspannungsableiter 1 beispielsweise mit einer Phase L und dem Neutralleiter N oder dem Neutralleiter N und dem Potentialausgleich PE elektrisch verbunden werden kann. The figures show simplified, schematic representations of different embodiments of the surge arrester according to the invention 1 , where the surge arrester 1 a housing 2 with two electrodes forming a spark gap 3 . 4 has, between those inside the housing 2 an arc combustion chamber 5 is trained. The connection areas 3a . 4a the two electrodes 3 . 4 are as connections from the preferably made of metal housing 2 led out, so that the surge arrester 1 For example, with a phase L and the neutral conductor N or the neutral conductor N and the equipotential bonding PE can be electrically connected.

Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des Überspannungsableiters 1 ist die Lichtbogenbrennkammer 5 in radialer Richtung von einem isolierenden, transparenten Material 6 umgeben, wobei das transparente Material 6 mit seiner Außenfläche 6a an die Innenfläche 2a des Gehäuses 2 angrenzt. Durch die Anordnung des transparenten Materials 6 in radialer Richtung zwischen der Lichtbogenbrennkammer 5 und dem Gehäuse 2 gelangt die Energie, die durch die Strahlung eines anstehenden Lichtbogens emittiert wird, zum größten Teil von der Lichtbogenbrennkammer 5 zum Gehäuse 2, ohne das die Strahlung innerhalb des transparenten Materials 6 absorbiert wird. Die Energie dieser in 2 und 5 durch Pfeile 7 angedeuteten Strahlung wird in dem an die Innenfläche 2a angrenzenden Bereich des Gehäuses 2 absorbiert, was zu einer verstärkten Erwärmung des Gehäuses 2 in dem Bereich nahe der Innenfläche 2a führt. Über die in dem aus Metall, insbesondere aus Stahl bestehenden Gehäuse 2 erfolgende Wärmeleitung wird die Energie dann an die Umgebung des Überspannungableiters 1 abgegeben. In the in the 1 and 2 illustrated embodiment of the surge arrester 1 is the arc combustion chamber 5 in the radial direction of an insulating, transparent material 6 surrounded, with the transparent material 6 with its outer surface 6a to the inner surface 2a of the housing 2 borders. By the arrangement of the transparent material 6 in the radial direction between the arc combustion chamber 5 and the housing 2 For the most part, the energy emitted by the radiation of a pending arc comes from the arc combustion chamber 5 to the housing 2 without the radiation within the transparent material 6 is absorbed. The energy of this in 2 and 5 through arrows 7 Indicated radiation is in the on the inner surface 2a adjacent area of the housing 2 absorbed, resulting in increased heating of the housing 2 in the area near the inner surface 2a leads. About in the existing metal, especially steel housing 2 heat conduction takes place then the energy to the environment of the surge arrester 1 issued.

Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des Überspannungsableiters 1 unterscheidet sich dadurch von dem Überspannungsableiter 1 gemäß 1, dass die Lichtbogenbrennkammer 5 nur zu einem Teil vom transparenten Material 6 und zu einem anderen Teil von einem gasenden Material 8 umgeben wird. In axialer Richtung der Lichtbogenbrennkammer 5 ist die Lichtbogenbrennkammer 5 dabei im Bereich der Lichtbogenzündung vom gasenden Material 8 und in dem angrenzenden, größeren Bereich vom transparenten Material 6 umgeben. Durch die Anordnung des gasenden Materials 8 im Bereich der Lichtbogenzündung wird beim Zünden eines Lichtbogens durch das gasende Material 8 ein hoher Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 erzeugt, so dass das ionisierte Gas gezielt vom Bereich der Lichtbogenzündung wegströmt. This in 3 illustrated embodiment of the surge arrester 1 differs from the surge arrester 1 according to 1 that the arc combustion chamber 5 only part of the transparent material 6 and to another part of a gassing material 8th is surrounded. In the axial direction of the arc combustion chamber 5 is the arc combustion chamber 5 thereby in the area of the arc ignition of gassing material 8th and in the adjacent, larger area of the transparent material 6 surround. By the arrangement of the gassing material 8th In the area of arc ignition, when an arc is ignited by the gaseous material 8th a high pressure within the arc combustion chamber 5 generated so that the ionized gas flows away from the targeted area of the arc ignition.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Überspannungsableiters 1 gemäß den 4 und 5 ist das transparente Material 6 nicht direkt vom Gehäuse 2 sondern von einem getönten Material 9 umgeben ist. Durch die Verwendung eines getönten Materials 9 zwischen dem transparenten Material 6 und dem Gehäuse 2 wird das Volumen, in dem die Strahlung absorbiert wird, deutlich vergrößert, so dass es nur zu einer geringeren Erwärmung des getönten Materials 9 bzw. des Gehäuses 2 und insbesondere der an das getönte Material 9 angrenzenden Innenfläche 2a des Gehäuses 2 kommt. Bei dem getönten Material 9 kann es sich entweder um ein gleichmäßig getöntes Material oder um ein graduell oder stufenweise getöntes Material handeln. Der Transmissionsgrad des getönten Materials 9 ist dabei stets kleiner als der Transmissionsgrad des transparenten Materials 6. Handelt es sich bei dem getönten Material 9 um ein graduell oder stufenweise getöntes Material, so nimmt der Transmissionsgrad von innen nach außen, in Richtung des Gehäuses 2 ab. In the embodiment of the surge arrester 1 according to the 4 and 5 is the transparent material 6 not directly from the case 2 but of a toned material 9 is surrounded. By using a tinted material 9 between the transparent material 6 and the housing 2 the volume in which the radiation is absorbed is significantly increased, so that it only leads to a lower heating of the toned material 9 or of the housing 2 and especially the tinted material 9 adjacent inner surface 2a of the housing 2 comes. With the toned material 9 It can either be a uniformly toned material or to be a gradual or gradual tinted material. The transmittance of the toned material 9 is always smaller than the transmittance of the transparent material 6 , Is it the toned material 9 around a gradual or gradual tinted material, so does the transmittance from the inside to the outside, towards the housing 2 from.

Das in 6 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1 stellt eine Kombination der beiden in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele dar. Bei dem in 6 dargestellten Überspannungableiter ist die Lichtbogenbrennkammer 5 in dem größeren Bereich vom transparenten Material 6 und in dem Bereich der Lichtbogenzündung von einem gasenden Material 8 umgeben. Darüber hinaus sind das transparente Material 6 und das gasende Material 8 zusammen noch von einem getönten Material 9 umgeben, welches dann von dem Gehäuse 2 umschlossen ist. This in 6 illustrated embodiment of the surge arrester according to the invention 1 represents a combination of the two in the 3 and 4 In the illustrated embodiments. In the in 6 shown surge arrester is the arc combustion chamber 5 in the larger area of the transparent material 6 and in the area of arc ignition of a gaseous material 8th surround. In addition, the transparent material 6 and the gassing material 8th together still of a toned material 9 surrounded, which then from the housing 2 is enclosed.

Den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1 ist darüber hinaus gemeinsam, dass jeweils noch ein Ausströmkanal 10 vorgesehen ist, durch den ionisiertes Gas aus der Lichtbogenbrennkammer 5 durch das transparente Material 6 und das ggf. noch vorhandene getönte Material 9 sowie das Gehäuse 2 ausströmen kann. Der Ausströmkanal 10 dient dabei insbesondere zur Entionisierung der Lichtbogenbrennkammer 5 nach dem Ableitvorgang, um ein erneutes Zünden der Funkenstrecke und damit das Fließen eines Netzfolgestroms zu vermeiden. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, ist der Ausströmkanal 10 entlang der einen Elektrode 3 geführt, so dass das ionisierte Gas an der Metalloberfläche der Elektrode 3 vorbeigeführt wird, wodurch eine optimale Kühlung des aus der Lichtbogenbrennkammer 5 austretenden Gases erreicht wird. The embodiments illustrated in the figures of the surge arrester according to the invention 1 is also common that each still one outflow channel 10 is provided by the ionized gas from the arc combustion chamber 5 through the transparent material 6 and the possibly still existing tinted material 9 as well as the housing 2 can flow out. The discharge channel 10 serves in particular for deionization of the arc combustion chamber 5 after the discharge process, to avoid a renewed ignition of the spark gap and thus the flow of a Netzfolgestroms. As can be seen from the figures, the outflow channel 10 along one electrode 3 guided so that the ionized gas on the metal surface of the electrode 3 is passed, whereby optimum cooling of the out of the arc combustion chamber 5 leaking gas is achieved.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10338835 A1 [0006, 0007]

Claims

Surge arresters ( 1 ) for use in the power supply of low-voltage networks, with a housing ( 2 ), with two opposing electrodes ( 3 . 4 ) and with one inside the housing ( 2 ) formed arc combustion chamber ( 5 ), whereby between the two electrodes ( 3 . 4 ) a spark gap is formed, so that when igniting the spark gap between the two electrodes ( 3 . 4 ) an arc is produced, characterized in that the arc combustion chamber ( 5 ) at least partially of a transparent material ( 6 ) is surrounded, so that after the ignition of the spark gap, energy that is emitted by the radiation of the arc, from the arc combustion chamber ( 5 ) through the transparent material ( 6 ) in the direction of the housing ( 2 ) can get.

Surge arresters ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the transmittance of the transparent material ( 6 ) in the wavelength range of the radiation of the arc is particularly high on average, in particular more than 70%, preferably more than 80% on average.

Surge arresters ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the transparent material ( 6 ) consists of a transparent ceramic, in particular an oxide ceramic or of a transparent plastic.

Surge arresters ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the arc combustion chamber ( 5 ) partially of a gassing material ( 8th ), the gassing material ( 8th ) is preferably arranged in the region of the arc ignition.

Surge arresters ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the transparent material ( 6 ) of a toned material ( 9 ), wherein the transmittance of the toned material ( 9 ) smaller than the transmittance of the transparent material ( 6 ).

Surge arresters ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the tinted material ( 9 ) is gradual or gradual tinted, the transmittance of the gradual or gradual toned material ( 9 ) is smaller than the transmittance of the transparent material ( 6 ) and from inside to outside, in the direction of the housing ( 2 ) decreases.

Surge arrester according to Claim 5 or 6, characterized in that the tinted material ( 9 ) has a high heat capacity.

Surge arrester according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the housing ( 2 ) made of metal, in particular made of steel and is cylindrical.

Surge arrester according to one of claims 1 to 8, characterized in that inside the housing ( 2 ) an ignition aid is arranged, which has an ignition element and an ignition electrode, wherein the ignition element and the ignition electrode with the arc combustion chamber ( 5 ) and the ignition element on one side with the one electrode ( 4 ) and is electrically connected on the other side with the ignition electrode.

Surge arrester according to one of claims 1 to 9, characterized in that at least one outflow channel ( 10 ) is formed by the ionized gas from the arc combustion chamber ( 5 ) through the housing ( 2 ) flows out, wherein the outflow channel ( 10 ) preferably along an electrode ( 3 ) is guided.