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Hintergrund
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche gasgefüllte Überspannungsableiter bekannt. Diese werden häufig auch als Gasableiter oder auch als Gasentladungsröhre bezeichnet. Manchmal wird auch die aus dem englischen stammende Abkürzung GDT (gas discharge tube) verwendet.
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Bei den bekannten gasgefüllten Überspannungsableitern wird eine Spannung über den gasgefüllten Überspannungsableiter durch ein selbständiges Zünden einer Gasentladung abgebaut.
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Gasgefüllte Überspannungsableiter werden in aller Regel parallel zu einer zu schützenden Einrichtung betrieben. Unterhalb der Ansprechspannung verhält sich der gasgefüllte Überspannungsableiter wie ein Isolator, sodass kein Strom durch den Stromzweig mit dem gasgefüllten Überspannungsableiter fließt. Tritt jedoch eine Spannung oberhalb der Ansprechspannung auf, so zündet der gasgefüllte Überspannungsableiter und stellt quasi einen Kurzschluss dar. In diesem Fall - wegen der Kurzschlusswirkung - sinkt auch die Spannung an der zu schützenden Einrichtung ab.
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Das Verhalten von gasgefüllten Überspannungsableiter ist gegenüber anderen Überspannungseinrichtungen so, dass die gasgefüllten Überspannungsableiter in aller Regel langsamer als Varistoren oder Suppressordioden reagieren.
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Varistoren sind dabei in aller Regel so ausgestaltet, dass bei einer Überspannung die Überspannung abgleitet wird, die zu schützenden Einrichtung jedoch weiterhin mit (nahezu) der Varistornennspannung betrieben werden können.
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Allerdings stellen gasgefüllte Überspannungsableiter häufig eine Möglichkeit dar besonders starke Impulsereignisse abzuleiten, die mit Varistoren oder Suppressordioden nicht oder nicht mit vernünftigem wirtschaftlichem Aufwand ableitbar wären.
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Es wäre jedoch wünschenswert auch Überspannungseinrichtungen zur Verfügung zu stellen, die starke Impulsereignisse in hoher Geschwindigkeit ableiten können.
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Aufgabe
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Ausgehend von dieser Situation ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten gasgefüllten Überspannungsableiter zur Verfügung zu stellen, der es ermöglicht, eine zeitlich schnell reagierende und preislich günstige Abtrennung hoher Impulsereignisse bereitzustellen.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen gasgefüllter Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1 bzw. eine Überspannungsschutzschaltung gemäß Anspruch 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der abhängigen Ansprüche, Figuren und der detaillierten Beschreibung.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung gemäß ersten Ausführungsformen der Erfindung,
- 2 eine weitere Schnittdarstellung gemäß zweiten Ausführungsformen der Erfindung,
- 3 eine weitere Schnittdarstellung gemäß dritten Ausführungsformen der Erfindung, und
- 4 einen beispielhaften Schaltplan für eine erfindungsgemäße Überspannungsschutzschaltung mit einem erfindungsgemäßen gasgefüllten Überspannungsableiter.
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Ausführliche Darstellung der Erfindung
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschreiben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können.
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D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird ohne die Verwendung mehrerer Entitäten auszuschließen.
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In den 1-3 sind unterschiedliche Ausführungsformen von erfindungsgemäßen gasgefüllten Überspannungsableitern ÜSE dargestellt.
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Der gasgefüllte Überspannungsableiter ÜSE weist zumindest vier Elektroden E1, E2, E3, E4 und ein isolierendes Gehäuse G auf.
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Eine erste Elektrode E1 und eine zweite Elektrode E2 sind dabei an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses G angeordnet. Dabei können die erste Elektrode E1 und die zweite Elektrode E2 spiegelsymmetrisch (wie dargestellt) oder auch unterschiedlich ausgeformt sein. Ohne weiteres können die Elektroden auch nur einen kleinen Teil der Endflächen einnehmen. Bevorzugt sind die Elektroden jedoch endständig. Die Elektroden können dabei z.B. deckelartig auf dem Gehäuse G angeordnet sein. Die Elektroden E1 und E2 können beispielsweise auf dem Gehäuse G aufgeklebt sein.
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Eine dritte Elektrode E3 und eine vierte Elektrode E4 sind zwischen den gegenüberliegenden Enden des Gehäuses G angeordnet sind, wobei das Gehäuse G und die zumindest vier Elektroden E1, E2, E3, E4 einen Brennraum bilden. Dieser Brennraum ist im Allgemeinen (hermetisch dicht) abgeschlossen und mit einem Gas / Gasgemisch befüllt.
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Die dritte Elektrode E3 und die vierte Elektrode E4 sind so angeordnet sind, dass sie einen Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode E1 und der zweiten Elektrode E2 nicht behindern.
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Mittels der so angeordneten Elektroden wird es nunmehr möglich neben der selbständigen Zündung auch eine gesteuerte Zündung bereitzustellen.
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Eine beispielhafte Ansteuerung ist aus 4 ersichtlich. Dort befindet sich der erfindungsgemäße gasgefüllte Überspannungsableiter ÜSE in einer Parallelschaltung mit einem Varistor VAR1. Die Parallelschaltung kann zudem in Serie mit einer optionalen Sicherung F geschaltet sein. Zwischen den (Haupt-) Elektroden E1 und E2, die mit dem Potential N bzw. (mittelbar) mit dem Potential L verbunden sind, ist weiterhin eine Art Zündkreis vorgesehen, der eine externe Triggerung ermöglicht.
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Diese Triggerung vor dem eigentlichen selbständigen Zündung zwischen den Elektroden E1 und E2 kann durch die unterschiedliche räumliche Ausgestaltung erreicht werden.
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Im Beispiel der Ausführungsform der 1 wird zwischen den Elektroden E3 und E4 eine niedrige Ansprechspannung durch einen geringen Abstand A1 bereitgestellt. Diese Ansprechspannung ist dabei geringer als die Ansprechspannung zwischen der Elektrode E1 und der Elektrode E2, welche durch den Abstand A2+A2+A1 gekennzeichnet sind. Aber auch in Bezug auf den wechselseiteigen Abstand A2 zwischen der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode als auch zwischen der zweiten Elektrode E2 und der vierten Elektrode E4 gekennzeichnet durch den jeweiligen Abstand A2 ist die Ansprechspannung geringer.
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D.h. für ein selbständiges Zünden ist eine hohe Spannung nötig, während für eine Zündung zwischen den Elektroden E3 und E4 eine geringe Spannung ausreicht. D.h. der Abstand A2 ist stets größer als der Abstand A1. In diesem Beispiel wäre eine in etwa mittige externe Zündung möglich.
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In der Ausführungsform der 2 bildet die Elektrode E1 und die Elektrode E3 die extern triggerbare Zündstrecke, während die Elektrode E4 und E2 die selbständig zündbare Zündstrecke bilden.
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Im Beispiel der Ausführungsform der 2 wird zwischen den Elektroden E1 und E3 eine niedrige Ansprechspannung durch einen geringen Abstand A1 bereitgestellt. Diese Ansprechspannung ist dabei geringer als die Ansprechspannung zwischen der Elektrode E4 und der Elektrode E2, welche durch den Abstand A2 gekennzeichnet sind.
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D.h. für ein selbständiges Zünden ist eine hohe Spannung nötig, während für eine Zündung zwischen den Elektroden E1 und E3 eine geringe Spannung ausreicht. D.h. der Abstand A2 ist stets größer als der Abstand A1. In diesem Beispiel wäre eine in etwa außermittige externe Zündung möglich.
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In der ausführungsform der 3 bildet die Elektrode E1 und die Elektrode E3 die extern triggerbare Zündstrecke, während die Elektrode E4 und E2 die selbständig zündbare Zündstrecke bilden.
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Im Beispiel der Ausführungsform der 3 wird zwischen den Elektroden E1 und E3 eine niedrige Ansprechspannung durch einen geringen Abstand A1 bereitgestellt. Diese Ansprechspannung ist dabei geringer als die Ansprechspannung zwischen der Elektrode E4 und der Elektrode E2, welche durch den Abstand A3 gekennzeichnet sind. Zudem ist der Abstand A2 zwischen der dritten Elektrode E3 und der vierten Elektrode E4 stets größer als der Abstand A1, um sicherzustellen, dass die Ansprechspannung zwischen der ersten Elektrode E1 und der dritten Elektrode E3 gering im Vergleich zu den anderen möglichen Ansprechspannungen ist.
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D.h. für ein selbständiges Zünden ist eine hohe Spannung nötig, während für eine Zündung zwischen den Elektroden E1 und E3 eine geringe Spannung ausreicht. D.h. der Abstand A3 ist stets größer als der Abstand A1. In diesem Beispiel wäre eine in etwa außermittige externe Zündung möglich.
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Die Anordnung der 3 unterscheidet sich in Bezug auf die Ansprechspannungen zu der Anordnung der 2 dadurch, dass der Abstand A2 zwischen der Elektrode E3 und der Elektrode E4 nicht identisch ist zum Abstand A3 zwischen der Elektrode E3 und der Elektrode E2.
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D.h. im Ergebnis werden zumindest zwei logische Brennräume innerhalb eines physikalisch durch das Gehäuse G und die Elektroden E1, E2, E3, E4 begrenzten Brennraums gebildet. Die dabei gebildeten „logischen“ Brennräume weisen eine unterschiedliche Ansprechspannung auf.
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Somit kann der „logische“ Brennraum, der eine geringere Ansprechspannung als ein anderer „logischer“ Brennraum aufweist, als extern triggerbarer Brennraum verwendet werden. Wird ein „logischer“ Brennraum gezündet führt die Ionisation im physikalischen Brennraum dazu, dass auch die weiteren „logischen“ Brennräume zünden. Es ist zu beachten, dass die Summe der Ansprechspannungen (d.h. die Ansprechspannung zwischen der Elektrode E1 und der Elektrode E2) der einzelnen „logischen“ Brennräume im Allgemeinen wesentlich höher liegen wird, als die Ansprechspannung der für die Absicherung eines externen Elements verwendeten (Haupt-) Zündstrecke.
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Dabei ist von besonderem Vorteil, dass die Zündbrennkammer mit ihren beiden Elektroden hoch isoliert von den anderen Brennkammern ist. Weiterhin ist die Zündbrennkammer bis zu ihrer Ansprechspannung selbst hoch isolierend (Isolationswiderstand) und weist eine geringe Eigenkapazität aufweist. Wegen des hohen Isolationswiderstandes (GOhm-Bereich) und der geringen Eigenkapazität sind geringe Energien notwendig um die Zündbrennkammer zu zünden. Die bei der Zündung in der Zündbrennkammer frei werdenden Elektronen stehen den angeschlossenen Brennkammern mit erhöhter Ansprechspannung zur Verfügung, so dass in diesen Kammern die Isolation herabgesetzt wird und durch die anliegende äußere Spannung auch die angeschlossenen Brennkammern zünden.
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Dabei kann die Zündbrennkammer zur optimalen Zündung symmetrisch zwischen den angeschlossenen Brennkammern liegen (1). Ein symmetrischer Aufbau kann den Vorteil bereitstellen, dass der gasgefüllte Überspannungsableiter ÜSE für den Einbau nicht in Bezug auf seine Richtung markiert werden muss.
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Die in den 2 und 3 dargestellten unsymmetrischen Aufbauten erlauben hingegen eine bessere Positionierung von Aktivierungsmassen an den jeweiligen Kopfseiten des Systems.
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D.h. in Ausführungsformen der Erfindung ist der Abstand A1 zwischen zwei benachbarten der zumindest vier Elektroden, z.B. zwischen E3, E4 in 1 bzw. zwischen E1 und E3 in 2 und 3, kleiner ist als der Abstand A2 der zwei weiteren benachbarten Elektroden der zumindest vier Elektroden, z.B. zwischen E1 und E3 bzw. zwischen E4 und E2 in 1 bzw. zwischen E3 und E4 in 2 und 3 bzw. zwischen E4 und E2 in 2.
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In der symmetrischen Ausführungsform der 1 ist der Abstand A1 zwischen der zweiten Elektrode E2 und der vierten Elektrode E4 gleich dem Abstand der dritten Elektrode E3 und der vierten Elektrode E4.
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In der unsymmetrischen Ausführungsform der 3 ist der Abstand A3 zwischen der zweiten Elektrode E2 und der vierten Elektrode E4 ungleich dem Abstand A2 zwischen der dritten Elektrode E3 und der vierten Elektrode E4.
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Die erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltungen weißen einen erfindungsgemäßen Überspannungsableiter auf. Weiterhin weisen sie einen Zündkreis auf, der in der Ausführungsform der 1 an der dritten Elektrode und der vierten Elektrode anzuschließen ist.
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In der Ausführungsformen gemäß 1 und 4 ist die erste Elektrode E1 an einem ersten Potential L und die zweite Elektrode E2 an einem zweiten Potential N angeordnet, wobei das erste Potential L nicht identisch mit dem zweiten Potential N ist, wobei der Zündkreis an das erste Potential L und das zweite Potential N angeschlossen ist.
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D.h. die erfindungsgemäßen Überspannungsschutzschaltungen können sowohl an Wechselspannungssystemen als auch an Gleichspannungssystemen verwendet werden.
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Damit z.B. unkritische Impulsereignisse, wie sie z.B. beim Schalten von Lasten entstehen können, nicht unmittelbar zu einer Triggerung führen, kann der Zündkreis zumindest einen Varistor VAR2 und ein Verzögerungsglied aufweisen. Das Verzögerungsglied kann einen Kondensator C und einen Widerstand R aufweisen.
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Für einen Betrieb in einem Wechselspannungssystem bzw. um Unterschwinger in hochfrequenten Impulsereignissen auszufiltern, kann der Zündkreis einen Gleichrichter D, z.B. eine Diode, aufweisen.
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Weiterhin kann in Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Überspannungsschutzschaltung einen weiteren Varistor VAR1 aufweist, der einen weiteren Schutzpfad zur Verfügung stellt. Somit können die Vorteile eines Varistors mit den Vorteilen der Funkenstrecke besonders vorteilhaft verbunden werden, um für unterschiedliche Impulsereignisse einen verbesserten Schutz zur Verfügung zu stellen.
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D.h. die Erfindung ermöglich es eine Überspannungseinrichtungen zur Verfügung zu stellen, die starke Impulsereignisse in hoher Geschwindigkeit ableiten können.
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Bezugszeichenliste
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- ÜSE
- Gasgefüllter Überspannungsableiter
- E1, E2, E3, E4
- Elektroden
- A1, A2, A3
- (Elektroden-) Abstände
- G
- isolierendes Gehäuse
- VAR1, VAR2
- Varistor
- D
- Gleichrichter, Diode
- C
- Kondensator
- R
- Widerstand
- F
- Sicherung
- L, N
- Potentiale
