DE10338835B4

DE10338835B4 - Überspannungsschutzeinrichtung

Info

Publication number: DE10338835B4
Application number: DE10338835.4A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Birkholz Christian; Dr.-Ing. Wetter Martin; Rainer Durth; Dipl.-Ing. Wosgien Joachim
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: DE10338835A1

Abstract

Überspannungsschutzeinrichtung zum Einsatz in der Stromversorgung, von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse (2), mit einer ersten Elektrode (3), mit einer zweiten Elektrode (4), mit einer im Inneren des Gehäuses (2) zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden (3, 4) ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer (5), mit einer zwischen beiden Elektroden (3, 4) wirksamen Durchschlag-Funkenstrecke und mit einer Zündhilfe, wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden (3, 4) ein Lichtbogen (6) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L zwischen den beiden Elektroden (3, 4) so groß gewählt ist, dass die Lichtbogenspannung UL größer als die erwartete Netzspannung UN ist, so dass nach dem Ableiten des Stoßstromes ein Netzfolgestrom erst gar nicht entstehen kann, und dass die Zündhilfe ein mit der Lichtbogenbrennkammer (5) in Berührung stehendes Zündelement (9) aufweist, wobei das Zündelement (9) auf der einen Seite über das Gehäuse (2) mit der ersten Elektrode (3) und auf der anderen Seite mit der zweiten Elektrode (4) elektrisch verbunden ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Überspannungsschutzeinrichtung zum Einsatz in der Stromversorgung, insbesondere von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode, mit einer im Inneren des Gehäuses zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und mit einer Zündhilfe, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht.
Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet werden; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.
Elektrische Stromkreise arbeiten mit der für sie spezifizierten Spannung, der Nennspannung, normalerweise störungsfrei. Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische oder elektronische Stromkreise, insbesondere elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.
Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsschutzeinrichtung der hier in Rede stehenden Art ist mindestens eine Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung, der Ansprechspannung, anspricht und damit verhindert, daß in dem durch eine Überspannungsschutzeinrichtung geschützten Stromkreis Überspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind.
Eingangs ist ausgeführt worden, daß die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung zwei Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. Mit Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ist ganz allgemein eine Durchschlag-Funken-strecke gemeint; umfaßt sein soll damit also auch eine Durchschlag-Funken-strecke, bei der nicht Luft, sondern ein anderes Gas zwischen den Elektroden vorhanden ist. Neben Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt. Eine Überspannungsschutzeinrichtungen bei der eine Gleitenladung auftriff ist beispielsweise aus der DE 195 43 022 C1 bekannt.
Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funken-strecke haben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren – und auch nicht sonderlich konstanten – Ansprechspannung. Deshalb sind bereits verschiedene Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorgeschlagen worden, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind. Dabei sind im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke in verschiedener Weise Zündhilfen realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke hineinragt, stegartig ausgeführt ist und aus Kunststoff besteht (vgl. die DE 41 41 681 A1 oder DE 44 02 615 A1 ).
Die bei den bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen vorgesehenen, zuvor angesprochenen Zündhilfen können gleichsam als "passive Zündhilfen" bezeichnet werden, "passive Zündhilfen" deshalb, weil sie nicht selbst "aktiv" ansprechen, sondern nur durch eine Überspannung ansprechen, die an den Hauptelektroden auftritt.
Aus der DE 198 03 636 A1 ist ebenfalls eine Überspannungsschutzeinrichtung mit zwei Elektroden, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe bekannt. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung ist die Zündhilfe, im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen, eine Gleitentladung auslösenden Zündhilfen, als "aktive Zündhilfe" ausgebildet, nämlich dadurch, daß neben den beiden Elektroden – dort als Hauptelektroden bezeichnet – noch zwei Zündelektroden vorgesehen sind. Diese beiden Zündelektroden bilden eine zweite, als Zündfunkenstrecke dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung gehört zu der Zündhilfe außer der Zündfunkenstrecke noch ein Zündkreis mit einem Zündschaltelement. Bei Anliegen einer Überspannung an der bekannten Überspannungsschutzeinrichtung sorgt der Zündkreis mit dem Zündschaltelement für ein Ansprechen der Zündfunkenstrecke. Die Zündfunkenstrecke bzw. die beiden Zündelektroden sind in bezug auf die beiden Hauptelektroden derart angeordnet, daß dadurch, daß die Zündfunkenstrecke angesprochen hat, die Luft-Durchschlag-Funken-strecke zwischen den beiden Hauptelektroden, Hauptfunkenstrecke genannt, anspricht. Das Ansprechen der Zündfunkenstrecke führt zu einer Ionisierung der in der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorhandenen Luft, so daß – schlagartig – nach Ansprechen der Zündfunkenstrecke dann auch die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden, also die Hauptfunkenstrecke, anspricht.
Eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer besonderen Zündhilfe ist aus der DE 101 46 728 A1 bekannt. Bei dieser Überspannungsschutzeinrichtung, die ebenfalls eine aus zwei Elektroden bestehende Funkenstrecke aufweist, ist zwischen den beiden Elektroden die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines Zündelements als Zündhilfe vorgesehen. Das Spannungsschaltelement ist dabei so dimensioniert, daß es bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird. Für das Zündelement gilt, dass es aus einem elektrischen leitfähigen Material bestehen und lichtbogenbeständig sein muß, so daß nach dem Ansprechen des Spannungsschaltelements zunächst ein Strom über das Zündelement fließen kann.
Bei den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzeinrichtungen mit Zündhilfen führen die Zündhilfen zu einer verbesserten, nämlich niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung.
Bei Überspannungsschutzeinrichtungen der in Rede stehenden Art – mit oder ohne Verwendung einer Zündhilfe – entsteht beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke durch den entstehenden Lichtbogen eine nieder-impedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Über diese nieder-impedante Verbindung fließt zunächst – gewollt – der abzuleitende transiente Stoßstrom. Bei anliegender Netzspannung folgt dann jedoch über diese niederimpedante Verbindung der Überspannungsschutzeinrichtung ein unerwünschter Netzfolgestrom, so daß man bestrebt ist, den Lichtbogen möglichst schnell nach abgeschlossenem Ableitvorgang zu löschen. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung nach dem Ansprechen der Funkenstrecke zu vergrößern.
Eine Möglichkeit, den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, nämlich die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern, ist bei der Überspannungsschutzeinrichtung, wie sie aus der DE 44 02 615 A1 bekannt ist, realisiert. Die aus der DE 44 02 615 A1 bekannte Überspannungsschutzeinrichtung weist zwei schmale Elektroden auf, die jeweils winkelförmig ausgebildet sind und jeweils ein Funkenhorn und einen davon abgewinkelten Anschlußschenkel aufweisen. Darüber hinaus sind die Funkenhörner der Elektroden in ihren an die Anschlußschenkel angrenzenden Bereichen mit einer Bohrung versehen. Die in den Funkenhörnern der Elektroden vorgesehenen Bohrungen sorgen dafür, daß im Augenblick des Ansprechens des Überspannungsschutzelements, also des Zündens, der entstandene Lichtbogen durch eine thermische Druckwirkung "in Fahrt gesetzt wird", also von seiner Entstehungsstelle wegwandert. Da die Funkenhörner der Elektroden V-förmig zueinander angeordnet sind, wird somit die von dem Lichtbogen zu überbrückende Strecke beim Herauswandern des Lichtbogens vergrößert, wodurch auch die Lichtbogenspannung ansteigt.
Eine weitere Möglichkeit, den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, besteht in der Kühlung des Lichtbogens durch die Kühlwirkung von Isolierstoffwänden sowie die Verwendung von Gas abgebenden Isolierstoffen.
Dabei ist eine starke Strömung des Löschgases notwendig, was einen hohen konstruktiven Aufwand erfordert.
Aus der DE 101 40 950 A1 ist ein gekapselter Überspannungsableiter auf Funkenstreckenbasis bekannt, bei dem ein aufgetretener Netzfolgestrom dadurch gelöscht werden soll, daß der anstehende Lichtbogen durch Eigen- oder Fremdmagnetfelder zu einer Rotation gezwungen wird. Diese Rotation soll den diffusen Lichtbogenansatz unterstützen und damit das Folgestromverhalten verbessern und den Elektrodenabbrand verringern. Darüber hinaus soll der diffuse Lichtbogenansatz die Bogenspannung reduzieren und damit den Energieumsatz innerhalb der Lichtbogenbrennkammer senken.
Auch aus der DE 196 55 119 C2 ist eine gekapselte Funkenstreckenanordnung bekannt, wobei bei dieser Funkenstreckenanordnung ein anstehender Netzfolgestrom durch eine kurzzeitige Druckerhöhung um ein Vielfaches des atmosphärischen Drucks gelöscht werden soll, wozu das Volumen des Innenraums der Funkenstreckenanordnung auf die Höhe des zu erwartenden Netzfolgestroms abgestimmt ist. Die theoretischen Möglichkeiten zur Löschung des Lichtbogens, nämlich eine schnelle Lichtbogenverlängerung und eine Kühlung des Lichtbogens, sind auch in dem Fachbuch BIEGELMEIER, G.; KIEFER, G.; KREFTER, K.-H.: Schutz in elektrischen Anlagen. Band 5: Schutzeinrichtungen. Berlin, Offenbach: VDE-Verlag, 1999 (VDE-Schriftenreihe Normen verständlich). S. 31–41. – ISBN 3-8007-2052-3 beschrieben.
Die DE 101 64 025 A1 offenbart einen weiteren gekapselten Überspannungsschutzableiter auf Funkenstreckenbasis, bei dem eine Löschung des anstehenden Lichtbogens und damit eine Begrenzung des Folgestroms durch den Druckaufbau durch den Lichtbogen selbst sowie durch Hartgas im druckfesten Gehäuse des Ableiters sowie zusätzlich durch radiale Beströmung des Lichtbogens erreicht werden soll. Auch bei diesem bekannten Überspannungsableiter soll somit eine Löschung des entstandenen Netzfolgestroms bzw. des Lichtbogens insbesondere durch eine Verlängerung des Lichtbogens durch den nach dem Zünden entstehenden Überdruck erreicht werden.
Aus der DE 101 18 210 A1 ist ein gekapselter Überspannungsableiter mit einer Funkenstreckenanordnung bekannt, bei der die beiden Elektroden koaxial zueinander angeordnet sind und sich mindestens teilweise überlappen, so daß sich nach dem Zünden der Lichtbogen radial zwischen den beiden Elektroden erstreckt. Der nach dem Zünden in der Lichtbogenbrennkammer entstehende Überdruck, der zu einer erhöhten mechanischen Belastung der die Lichtbogenbrennkammer umgebenden Teile führt, wird bei diesem Überspannungsableiter dadurch reduziert, daß ein zusätzlicher Hohlraum als Expansionsraum vorgesehen ist, in dem das erhitzte Gas nach dem Zünden des Lichtbogens abströmen kann. Die Druckerhöhung, die Bogenbrennspannung und der Energieumsatz innerhalb der Lichtbogenbrennkammer sollen dadurch auf ein Minimum beschränkt werden.
Die DE 195 06 057 A1 offenbart eine Löschfunkenstreckenanordnung, bei der zumindest eine Löschfunkenstrecke innerhalb eines durch Bauteile begrenzten Bezirks vorgesehen ist, wobei innerhalb dieses Bezirks Strömungswege vorgesehen sind, die beim Überschlag der Löschfunkenstrecke vom Lichtbogen erhitztes und expandierendes Gas vom Lichtbogen weg- und wieder zu ihm hinführen. Dadurch soll eine möglichst effektive, den Folgestrom löschende Gasströmung erreicht werden, ohne daß Ausblasöffnungen im Gehäuse erforderlich sind.
Ist bei Überspannungsschutzeinrichtungen der in Rede stehenden Art der Lichtbogen gelöscht, so ist zwar zunächst die niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden unterbrochen, der Raum zwischen den beiden Elektroden, d. h. der Bereich der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, ist jedoch noch fast vollständig mit Plasma gefüllt. Durch das vorhandene Plasma ist jedoch die Ansprechspannung zwischen den beiden Elektroden derart herabgesetzt, daß es bereits bei anliegender Betriebsspannung zu einem erneuten Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke kommen kann. Dieses Problem tritt besonders dann auf, wenn die Überspannungsschutzeinrichtung ein gekapseltes oder halboffenes Gehäuse aufweist, da dann ein Abkühlen oder Verflüchtigen des Plasmas durch das im wesentlichen geschlossene Gehäuse verhindert wird.
Um ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzeinrichtung, d. h. der Luft- Durchschlag-Funkenstrecke, zu verhindern, sind bisher verschiedene Maßnahmen getroffen worden, um die ionisierte Gaswolke von den Zündelektroden wegzutreiben oder abzukühlen.
Aus der DE 100 40 603 A1 ist eine Überspannungsschutzeinrichtung bekannt, bei der ein erneutes Ansprechen der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke nach dem Ableitvorgang wirkungsvoll verhindert wird, die gleichwohl konstruktiv einfach realisiert werden kann. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung handelt es sich um eine solche mit einer Hauptfunkenstrecke, mit einer die Hauptfunkenstrecke zündenden Nebenfunkenstrecke und mit einem die Hauptfunkenstrecke und die Nebenfunkenstrecke aufnehmenden Gehäuse, wobei die Hauptfunkenstrecke zwei Hauptelektroden und eine zwischen den Hauptelektroden wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist und beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ein Lichtbogen zwischen den beiden Hauptelektroden entsteht, wobei die Nebenfunkenstrecke zwei Nebenelektroden und eine zwischen den Nebenelektroden wirksame zweite Luft- Durchschlag-Funkenstrecke aufweist und ein Zünden der zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zu einem Zünden der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke führt.
Zum Löschen eines aufgetretenen Netzfolgestroms ist vorgesehen, daß der verbliebene Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke verbracht wird, wobei die zweite Nebenelektrode über mindestens eine Impedanz mit der zweiten Hauptelektrode verbunden ist. Dadurch, daß die zweite Nebenelektrode nicht wie die zweite Hauptelektrode direkt, sondern über mindestens eine Impedanz, mit Masse verbunden ist, wird dann für die Überspannungsschutzeinrichtung eine erhöhte Impedanz wirksam, so daß ein Netzfolgestrom zum Erlöschen gebracht wird. Durch die der zweiten Nebenelektrode nachgeschaltete Impedanz liegt zwischen der ersten Hauptelektrode und Masse ein Spannungsteiler, der dafür sorgt, daß bei anliegender Netzspannung die zwischen der ersten Hauptelektrode und der zweiten Nebenelektrode anstehende Teilspannung geringer ist als die Brennspannung des Lichtbogens, diese Teilspannung somit nicht mehr ausreicht, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß das Auftreten eines Netzfolgestroms weiter verhindert wird.
Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung, bei der die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand L zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, daß die Lichtbogenspannung U_L größer als die erwartete Netzspannung U_N ist, so daß nach dem Ableiten des Stoßstromes ein Netzfolgestrom erst gar nicht entstehen kann, und daß die Zündhilfe ein mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung stehendes Zündelement aufweist, wobei das Zündelement auf der einen Seite über das Gehäuse mit der ersten Elektrode und auf der anderen Seite mit der zweiten Elektrode elektrische verbunden ist.
Die Spannung, die erforderlich ist, um den beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke entstandenen Lichtbogen aufrechtzuerhalten (Lichtbogenspannung U_L), kann im wesentlichen durch folgende Gleichung bestimmt werden: U_L = U_AK + E·L mit

U_AK: = Annodenfall-/Katodenfallspannung;
E: = Lichtbogenfeldstärke;
L: = Lichtbogenlänge.

Die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens erforderliche Lichtbogenspannung U_L hängt somit wesentlich von der Lichtbogenlänge und damit von dem Abstand L zwischen den beiden Elektroden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ab. Dadurch, daß erfindungsgemäß der Abstand L zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, daß die Lichtbogenspannung U_L größer als die erwartete Netzspannung U_N ist, kann nach dem Ableiten des Stoßstromes ein – ungewollter – Netzfolgestrom erst gar nicht entstehen, so daß die im Stand der Technik angewandten Maßnahmen zur Löschung des Netzfolgestroms entfallen können.
Damit die Ansprechspannung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung durch den relativ großen Abstand L der beiden Elektroden der Durchschlag-Funkenstrecke nicht zu groß ist, ist eine Zündhilfe vorgesehen, durch die die gewünschte Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung gewählt bzw. eingestellt werden kann. Damit ist eine völlig neue Überspannungsschutzeinrichtung realisiert, wie sich aus der folgenden Funktionsbeschreibung ergibt:
Wie im Stand der Technik, so liegt auch die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung in der Regel parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises bzw. der zu schützenden Anlage bzw. des zu schützenden Gerätes. Die – zweipolige – Überspannungsschutzeinrichtung ist also elektrisch mit den Leitungen bzw. Anschlüssen verbunden, zwischen denen betriebsmäßig die Betriebsspannung bzw. die Netzspannung ansteht. Dabei ist die erste Elektrode der Überspannungsschutzeinrichtung mit der ersten Leitung bzw. dem ersten Anschluß und die zweite Elektrode der Überspannungsschutzeinrichtung mit der zweiten Leitung bzw. dem zweiten Anschluß verbunden.
Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung zündet bei Anliegen der Ansprechspannung, zunächst nicht – wie ansonsten im Stand der Technik üblich – die Durchschlag-Funkenstrecke zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Vielmehr zündet zunächst nur die Zündhilfe, die so gewählt bzw. dimensioniert ist, daß sie bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird. Die Ansprechspannung der Zündhilfe bzw. der Überspannungsschutzeinrichtung ist somit niedriger als die Ansprechspannung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke. Beim Zünden der Zündhilfe fließt somit zunächst nur ein Strom von der ersten Leitung bzw. dem ersten Anschluß über das Gehäuse und das Zündelement zur zweiten Elektrode und zur zweiten Leitung bzw. zum zweiten Anschluß.
Der Stromfluß durch das Zündelement führt dabei aufgrund des hohen Widerstands des Zündelements zu Entladungen bzw. zu einem Initiallichtbogen zwischen dem Gehäuse und der zweiten Elektrode. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Zündelements kann auch direkt beim Zünden der Zündhilfe ein Gleitüberschlag zwischen dem Gehäuse und der zweiten Elektrode erfolgen. Durch den – auf die eine oder die andere Weise entstandenen – Initiallichtbogen wird Plasma erzeugt, welches sich mit fortschreitender Zeitdauer innerhalb der Lichtbogenbrennkammer ausbreitet. Sobald das Plasma die Lichtbogenbrennkammer ausreichend gefüllt hat, kommt es dann zum Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, so daß ein Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden entsteht. Aufgrund des gewählten großen Abstands L zwischen den beiden Elektroden ist die Lichtbogenlänge jedoch so groß, daß der Lichtbogen nach dem Ableiten des transienten Stoßstromes erlischt. Wie zuvor bereits beschrieben, ist die anliegende Netzspannung U_N zu gering, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten.
Im Unterschied zu den im Stand der Technik bekannten Maßnahmen wird somit die Entstehung eines Netzfolgestroms von vorne herein verhindert und nicht erst durch unterschiedliche Maßnahmen versucht, einen bereits entstandenen Netzfolgestrom zu löschen. Im Unterschied zu der beispielsweise aus der DE 44 02 615 A1 bekannten Überspannungsschutzeinrichtung erfolgt bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung nicht erst nach dem Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke eine Verlängerung der Lichtbogens. Vielmehr ist bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung der Abstand L zwischen den beiden Elektroden von vorne herein so groß gewählt, daß durch die damit verbundene große Lichtbogenlänge die Lichtbogenspannung U_L größer als die Netzspannung U_N ist. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Überspannungsschutzeinrichtung ist es dabei ausreichend, wenn der Abstand L zwischen den beiden Elektroden nur einige Millimeter, beispielsweise 3 mm bis 5 mm beträgt. Ein derartiger Abstand L kann bereits ausreichend sein, um eine Lichtbogenspannung U_L zu erreichen, die größer als eine Netzspannung U_N im Bereich von 230 V bis 350 V ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ist der Abstand L zwischen den beiden Elektroden einstellbar. Die Einstellung des Abstands L zwischen den beiden Elektroden erfolgt dabei in der Regel bei der Herstellung der Überspannungsschutzeinrichtung durch Austausch oder Abänderung einiger weniger Bauteile, beispielsweise des Gehäuses, der Überspannungsschutzeinrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als Zündhilfe die Reihenschaltung des Zündelements und eines Spannungsschaltelements vorgesehen. Als Spannungsschaltelement kann ein Varistor, eine Surpressordiode oder ein gasgefüllter Spannungsableiter vorgesehen sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, als Spannungsschaltelement eine Kombination eines Varistors und einer Surpressordiode, eine Kombination eines Varistors und eines gasgefüllten Überspannungsableiters, eine Kombination einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters oder Kombination eines Varistors, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters vorzusehen. Für das Zündelement gilt, daß es aus einem elektrisch nicht oder jedenfalls schlecht leitfähigen Material bestehen und lichtbogenbeständig sein muß.
Tritt an der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung eine Überspannung auf, die gleich oder größer als die durch das Spannungsschaltelement vorgegebene Ansprechspannung ist, so spricht das Spannungsschaltelement an, so daß über die Reihenschaltung erster Anschluß – Spannungsschaltelement – Zündelement – zweite Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt. Vorzugsweise ist zwischen dem Gehäuse und dem Zündelement noch eine Zündelektrode angeordnet, so daß der zuvor beschriebene Initiallichtbogen nicht unmittelbar zwischen dem Gehäuse und der zweiten Elektrode, sondern zwischen der Zündelektrode und der zweiten Elektrode auftritt. Dadurch kann der Fußpunkt des Initiallichtbogens genauer festgelegt werden und eine Beschädigung des Gehäuses verhindert werden.
Um ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzeinrichtung, d. h. der Luft- Durchschlag-Funkenstrecke, zu verhindern, sind grundsätzlich die verschiedenen, für sich aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen, anwendbar. Vorzugsweise wird jedoch ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzeinrichtung durch Kühlen und Ausblasen des entstandenen Plasmas verhindert. Hierzu sind in dem Gehäuse Kühlkanäle vorgesehen, durch die das Plasma strömen und dabei auskühlen kann. Die Realisierung der Kühlkanäle kann dabei besonders vorteilhaft erfolgen, wenn das Gehäuse zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Gehäusehälften koaxial zueinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Gehäuseteilen sind dann schraubenförmige Kühlkanäle angeordnet, durch die zum einen das Plasma strömen kann, die zum anderen gleichzeitig zur Verschraubung der beiden Gehäuseteile miteinander dienen.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, unmittelbar nach dem Ansprechen,
2 eine Prinzipskizze der Überspannungsschutzeinrichtung gemäß 1, kurz nach dem Ansprechen,
3 eine Prinzipskizze der Überspannungsschutzeinrichtung gemäß 1, kurz vor dem Zünden der Luft-Durchschlag-Funken-strecke und
4 eine Prinzipskizze der Überspannungsschutzeinrichtung gemäß 1, kurz nach dem Zünden der Luft-Durchschlag-Funken-strecke.
Die 1 bis 4 zeigen eine Prinzipsskizze eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung 1 zu vier aufeinanderfolgenden Zeitpunkten. Die Überspannungsschutzeinrichtung 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf, in dessen Inneren zwei Elektroden 3, 4 angeordnet sind, wobei die beiden Elektroden 3, 4 einander gegenüberliegen und die in dem Gehäuse 2 ausgebildete Lichtbogenbrennkammer 5 begrenzen. Zwischen den beiden Elektroden 3, 4 existiert eine Luft-Durschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden 3, 4 ein – in 4 dargestellter – Lichtbogen 6 entsteht.
Beim Auftreten einer Überspannung, die größer als die Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung 1 ist, fließt zunächst ein, durch Pfeile dargestellter, Strom von dem der ersten Elektrode 3 zugeordneten ersten Anschluß 7 über das metallische Gehäuse 2 und ein im Inneren des Gehäuses 2 angeordnetes Zündelement 9 zur zweiten Elektrode 4 und damit auch zum zweiten Anschluß 8. Diese Situation, die unmittelbar nach den Ansprechen der Überspannungsschutzeinrichtung 1 vorliegt, ist in 1 dargestellt. Unmittelbar im Anschluß daran entsteht aufgrund des durch das Zündelement 9 fließenden Stromes ein Initiallichtbogen 10 (2), durch den in der Lichtbogenbrennkammer 5 ein Plasma 11 erzeugt wird, welches sich in Richtung der ersten Elektrode 3 ausbreitet (3). Ist die Lichtbogenbrennkammer 5 ausreichend mit Plasma 11 gefüllt, so kommt es zur Zündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, wodurch ein Lichtbogen 6 zwischen den beiden Elektroden 3, 4 entsteht (4).
Den Figuren ist zu entnehmen, daß ein isolierendes Material 12 im Inneren des Gehäuses 2 als radiale Begrenzung der Lichtbogenkammer 5 angeordnet ist, bei dem es sich beispielsweise um einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere PBT oder POM handeln kann. Die Zündhilfe, durch die die Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung 1 auf den gewünschten Wert eingestellt werden kann, besteht aus einer Reihenschaltung des Zündelements 9 und eines Spannungsschaltelements 13. Bei dem Spannungsschaltelement 13 kann es sich dabei wiederum um eine Reihenschaltung aus einem Varistor und einem gasgefüllten Überspannungsableiter handeln.
Darüber hinaus ist im Inneren des Gehäuses 2 eine Zündelektrode 14 angeordnet, die auf der einen Seite mit dem Gehäuse 2 und auf der anderen Seite mit dem Zündelement 9 verbunden ist. Durch die Anordnung der Zündelektrode 14 wird erreicht, daß der Initialelichtbogen 10 – wie in 2 dargestellt – zwischen der Zündelektrode 14 und der zweiten Elektrode 4 und somit nicht zwischen dem Gehäuse 2 und der zweiten Elektrode 4 auftritt. Durch die Zündelektrode 14 ist somit eine Verlegung des Fußpunktes des Initiallichtbogens 10 ins Innere der Lichtbogenbrennkammer 5 gewährleistet, wodurch eine Beschädigung des Gehäuses 2 durch den Initiallichtbogen 10 verhindert wird.
Dadurch, daß die Lichtbogenbrennkammer 5 bis auf den Bereich des Zündelements 9 und der Zündelektrode 14 von dem isolierenden Material 12 ausgefüllt ist, wird ein Wandern des Fußpunktes des Initiallichtbogens 10 von der Zündelektrode 14 zur ersten Elektrode 3 verhindert. Eine Zündung der Luft- Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden 3 und 4 erfolgt somit erst dann, wenn sich das im Inneren der Lichtbogenbrennkammer 5 ausgebildete Plasma 11 hinreichend weit zur ersten Elektrode 3 ausgebreitet hat. Dann entsteht der in 4 dargestellte Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden 3 und 4, so daß dann der abzuleitende Stoßstrom vom ersten Anschluß 7 über die erste Elektrode 3 und den Lichtbogen 6 zur zweiten Elektrode 4 und zum zweiten Anschluß 8 fließt. Mit dem Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke kommt es automatisch zum Erlöschen des Initiallichtbogens 10, da die Verbindung über den Lichtbogen 6 niederimpedanter als die Verbindung über die Zündelektrode 14 und das Zündelement 9 bzw. den Initiallichtbogens 10 ist.
Nach dem Ableiten des Stoßstromes über den Lichtbogen 6 kommt es aufgrund des gewählten relativ großen Abstands L zwischen den beiden Elektroden 3 und 4 direkt zum Erlöschen des Lichtbogens 6, da die dann an den beiden Anschlüssen 7, 8 nur noch anstehende Netzspannung U_N geringer als die erforderliche Lichtbogenspannung U_L zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens 6 ist. Ein – unerwünschter – Netzfolgestrom wird somit von vorne herein verhindert.
Bei der in den Figuren dargestellten Überspannungsschutzeinrichtung 1 ist das zylindrische Gehäuse 2 zweiteilig ausgebildet, wobei die beiden Gehäuseteile 15, 16 koaxial zueinander angeordnet sind. Hierdurch läßt sich zunächst besonders einfach ein, auch hohen Drücken standhaltendes, stabiles Gehäuse 2 realisieren, wozu das innere Gehäuseteil 15 in das äußere Gehäuseteil 16 eingeschraubt werden kann. Darüber hinaus können die Zwischenräume zwischen den beiden Gehäuseteilen 15, 16 als Kühlkanäle 17 für das austretende Plasma genutzt werden. Sind dabei die Kühlkanäle 17 schraubenförmig ausgebildet, so verlängert sich dadurch die Wegstrecke, die das Plasma im Gehäuse 2 entlang strömt, wodurch eine verbesserte Kühlung des ausströmendes Plasmas erreicht wird. Darüber hinaus können die schraubenförmigen Kühlkanäle 17 gleichzeitig auch zur Verschraubung der beiden Gehäuseteile 15, 16 miteinander dienen, so daß die Kühlkanäle 17 gleichzeitig auch zur mechanischen Fixierung des Gehäuses 2 beitragen.
Durch die zweiteilige Ausbildung des zylindrischen Gehäuses 2 ist auch eine Einstellung des Abstands L zwischen den beiden Elektroden 3, 4 besonders einfach möglich. Hierzu kann beispielsweise das äußere Gehäuseteil 16 mit der daran befestigten ersten Elektrode 3 ausgetauscht werden, während das innere Gehäuseteil 15 mit den darin angeordneten Bauteilen unverändert bleiben kann. Ebenso kann der Abstand L zwischen den beiden Elektroden 3, 4 dadurch verändert werden, daß das innere Gehäuseteil 15, mit der darin angeordneten zweiten Elektrode 4, unterschiedlich weit in das äußere Gehäuseteil 16 eingeschoben wird.

Claims

Überspannungsschutzeinrichtung zum Einsatz in der Stromversorgung, von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse (2), mit einer ersten Elektrode (3), mit einer zweiten Elektrode (4), mit einer im Inneren des Gehäuses (2) zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden (3, 4) ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer (5), mit einer zwischen beiden Elektroden (3, 4) wirksamen Durchschlag-Funkenstrecke und mit einer Zündhilfe, wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden (3, 4) ein Lichtbogen (6) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L zwischen den beiden Elektroden (3, 4) so groß gewählt ist, dass die Lichtbogenspannung U_L größer als die erwartete Netzspannung U_N ist, so dass nach dem Ableiten des Stoßstromes ein Netzfolgestrom erst gar nicht entstehen kann, und dass die Zündhilfe ein mit der Lichtbogenbrennkammer (5) in Berührung stehendes Zündelement (9) aufweist, wobei das Zündelement (9) auf der einen Seite über das Gehäuse (2) mit der ersten Elektrode (3) und auf der anderen Seite mit der zweiten Elektrode (4) elektrisch verbunden ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand L zwischen den beiden Elektroden (3, 4) 3 bis 5 mm beträgt.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtbogenbrennkammer (5) zumindest teilweise mit einem isolierendem Material (12) ausgekleidet ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Zündhilfe die Reihenschaltung des Zündelements (9) und eines Spannungsschaltelements (13) eingesetzt ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungsschaltelement (13) ein Varistor, eine Surpressordiode oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter oder eine Kombination eines Varistors und einer Surpressordiode, eines Varistors und eines gasgefüllten Überspannungsableiters, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters oder eines Varistors, einer Surpressordiode und eines gasgefüllten Überspannungsableiters eingesetzt ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündelektrode (14) zwischen dem Gehäuse (2) und dem Zündelement (9) angeordnet ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Zündelement (9) aus einem elektrisch nicht leitfähigen keramischen Material oder aus einem elektrisch nicht leitfähigen Kunststoff besteht.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungsschaltelement (13) räumlich außerhalb der Lichtbogenbrennkammer (5) angeordnet ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zylindrisch ausgeführt ist.
Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Gehäuseteile (15, 16) koaxial zueinander angeordnet sind.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenräume zwischen den beiden Gehäuseteilen (15, 16) als Kühlkanäle (17) für das ionisierte Gas ausgebildet sind.
Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (17) schraubenförmig ausgebildet sind.