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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasentladungsröhre, die für einen Blitzschutz für ein Leistungsversorgungssystem anwendbar ist.
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Die Anmeldung beansprucht die Priorität der
chinesischen Patentanmeldung 20110286062 , die hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
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Hintergrund
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Blitzeinschläge, über die heute berichtet wird, treten etwa zweimal so häufig auf wie vor einem Jahrzehnt. Es wird immer wichtiger, Personen und Elektrogeräte vor Überspannungen zu schützen. Auf diesem Gebiet haben sich zahlreiche technische Lösungen, zusätzlich zum Schutz menschlichen Lebens, darauf konzentriert, einen guten und fortlaufenden Betrieb von Elektrogeräten zu gewährleisten. Entsprechend dem Lichtschutzzonenprinzip aus VDE V 0185 Teil 4, legt IEC 61643-11 Spezifikationen für Unterverteilernetze (Klasse II) und Eingangsanschlüsse von Gebäuden(Klasse III) sowie Gasentladungsröhren (Klasse I) fest.
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Gasentladungsröhren wurden weithin für den Schutz von Elektrogeräten, Unterverteilernetzen und NPE (neutral protective earth = neutrale Schutzerde) an Gebäudeeingängen verwendet. Weil der L-N-(Phase-Neutral)-Schutz an den Gebäudeeingängen eine hohe Folgestromkapazität eines Produkts erfordert, verwendet der Klasse-I-L-N-Schutz bisher gewöhnlich herkömmliche Luftfunkenspalte mit Auslösevorrichtungen, die für die Verwendung mit hohen Strömen und Spannungen im Wesentlichen geeignet sind, jedoch unhandlich, kostspielig und voluminös sind.
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Luftspalte haben hauptsächlich die folgenden Mängel:
- 1. Das Spannungsschutzniveau ist höher als 3000 V.
- 2. Ihre Funktionsweise ist während ihrer Nutzungsdauer instabil, und der offene Spalt ist anfällig für die klimatische Umgebung und Verunreinigungen.
- 3. Explosive Flammen und Schockwellen könnten während des Betriebs auftreten.
- 4. Es ist erforderlich, Installationsabstände zwischen ihnen und nahe gelegenen Einrichtungen oder Vorrichtungen einzuhalten.
- 5. Zusätzliche Auslöseleitungen sind erforderlich, und Lichtbögen werden durch eine Hilfsvorrichtung gelöscht.
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Eine mögliche technische Lösung zum Überwinden des Mangels unzureichender offener Luftspalte in Bezug auf eine geschlossene Gasentladungsröhre besteht darin, mehrere Gasentladungsröhren in Reihe zu schalten, um die Bogenspannung zu erhöhen und dadurch den Folgestrom zu unterbrechen. Falls angenommen wird, dass eine einschichtige Bogenspannung nur etwa 18 V beträgt (entsprechend dem Gasentladungsprinzip), müssen 15 einschichtige Gasentladungsröhren in Reihe geschaltet werden, um eine Bogenspannung von 270 V zu erreichen, welche die Marktanforderungen aus Kosten- und Volumenaspekten nicht erfüllen können.
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Für diesen Zweck verwenden einige Produkte eine einschichtige Gasentladungsröhre mit mehrschichtigen Entladungsspalten darin, um die Bogenspannung zu erhöhen und dadurch die Kosten und das Volumen des Produkts zu verringern. Der Mangel einer lateralen Entladung zwischen Spalten kann jedoch nicht vermieden werden, und es gibt eine Begrenzung hinsichtlich der Erhöhung der Bogenspannung und der Folgestromkapazität, so dass diese Produkte nicht weithin verwendet werden.
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Es besteht ein Wunsch, eine Röhre aus einem Keramikmaterial bereitzustellen, die als eine Gasentladungsröhre verwendet werden kann, wobei die elektrische Entladung im Zentrum der Röhre auftritt. Ein anderer Wunsch besteht darin, eine aus einer solchen mehrstufigen Röhre hergestellte mehrschichtige Gasentladungsröhre bereitzustellen, welche die Vorteile einer hohen Bogenspannung, einer hohen Folgestromkapazität, einer stabilen Funktionsweise, eines kleinen Volumens und einer einfachen Installation aufweist.
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Zusammenfassung
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Gemäß einer Ausführungsform einer mehrstufigen Röhre aus einem Keramikmaterial umfasst die mehrstufige Röhre einen Röhrenkörper aus dem Keramikmaterial mit einer Innenwand, die sich innerhalb des Röhrenkörpers befindet und einer Fläche der Innenwand, die mit mehreren Stufen versehen ist, wobei die Stufen so ausgebildet sind, dass sie sich unterschiedlich weit innerhalb der Röhre erstrecken.
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Es ist eine mehrschichtige Gasentladungsröhre vorgesehen, welche die vorstehend definierte mehrstufige Röhre umfasst. Die mehrschichtige Gasentladungsröhre umfasst ferner eine erste Elektrode, die auf einer ersten Seite einer ersten Stufe des Röhrenkörpers angeordnet ist, eine zweite Elektrode, die auf einer ersten der Außenflächen des Röhrenkörpers angeordnet ist, und eine erste isolierte Keramikscheibe, die zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
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Die Gasentladungsröhre besteht aus der mehrstufigen Keramikröhre. Weil die Keramikröhre mit einer mehrstufigen Struktur verwendet wird, wird die Kriechstrecke zwischen den Spalten effektiv erhöht, so dass Randentladungen entlang der Keramikwand zwischen den Spalten vermieden werden können. Durch Bereitstellen dreier unabhängiger Entladungsspalte in einer einschichtigen Entladungsröhre wird es ermöglicht, dass die Bogenspannung um ein Mehrfaches erhöht werden kann, so dass die Bogenspannung einer Einzelschicht beispielsweise 65 V erreichen kann, und dass die Folgestromkapazität stark erhöht wird.
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Die Keramikröhre mit einer mehrstufigen Struktur wird verwendet, um zu gewährleisten, dass eine einschichtige Entladungsröhre mehrere unabhängige Entladungsspalte aufweist und von einem Hauptspalt unter einem großen Stromfluss entlädt. Unter Normalbedingungen wird die Entladungsröhre für den Leistungsversorgungs-L-N-Schutz verwendet. Zusätzlich dazu, einen direkten Blitzschlag (10/350 μs-Wellensimulation) durchzumachen, besteht eine Hauptanforderung der Entladungsröhre darin, dass sie in der Lage sein muss, den Folgestrom effektiv zu unterbrechen und/oder die 32-A-Sicherung auszulösen, wie es von Sicherheitsstandards gefordert wird.
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Dies bedeutet, dass die technische Lösung in Bezug auf die Entladungsröhre eine ausreichend hohe Bogenspannung (270 V) aufweisen muss. Eine einschichtige Entladungsröhre kann nur eine Bogenspannung von etwa 18 V aufweisen. Um eine so hohe Bogenspannung (270 V) zu erreichen, müssen daher mindestens 15 einschichtige Gasentladungsröhren in Reihe geschaltet werden, was jedoch in Bezug auf die Kosten und den Installationsplatz nicht zulässig ist.
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Die technische Lösung der Gasentladungsröhre weist drei Schichten beweglicher Entladungsspalte ohne eine Änderung des Volumens der einschichtigen Gasentladungsröhre auf, so dass die Bogenspannung der einschichtigen Entladungsröhre etwa um das 4-fache erhöht werden kann. Eine Entladungsröhre, die 4 Schichten davon umfasst, reicht aus, um die Probleme des Folgestroms und des Auslösens der Sicherung zu lösen, wodurch es möglich wird, dass die Entladungsröhre für einen Leistungsversorgungs-L-N-Schutz verwendet wird, und dieser Entladungsröhrentyp hat große Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit, der Kosten und der Funktionsweise.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Ausführungsformen der mehrstufigen Röhre und der mehrschichtigen Gasentladungsröhre werden in Zusammenhang mit den folgenden anliegenden Zeichnungen weiter beschrieben und erklärt. Es zeigen:
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1 eine schematische strukturelle Ansicht einer Ausführungsform einer mehrschichtigen Gasentladungsröhre,
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2 eine schematische strukturelle Ansicht einer Ausführungsform einer mehrstufigen Keramikröhre und
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die 3 und 4 schematische strukturelle Ansicht anderer Ausführungsformen von Gasentladungsröhren.
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Detaillierte Beschreibung
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Eine erste Ausführungsform einer Gasentladungsröhre weist eine in 3 dargestellte innere Struktur auf, wobei es 16 Entladungsspalte in der Zwischenentladungsröhre gibt. Sie weist jedoch nur eine Bogenspannung von 48 V auf und entlädt lateral mit einem großen Stromfluss, was zu einem Ausfall infolge einer Erwärmung und eines Schmelzens der Kanten der eingebauten Elektrodenlagen führt.
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Eine zweite Ausführungsform einer Gasentladungsröhre weist eine in 4 dargestellte innere Struktur auf, wobei sich in einer einschichtigen Entladungsröhre drei Entladungsspalte befinden. Sie weist jedoch nur eine Bogenspannung von 42 V auf, und ein Zwischenspalt entlädt von einem Zwischenabschnitt mit einem großen Stromfluss, während die anderen beiden Spalte infolge eines unzureichenden Kriechabstands von den Kanten (lateralen Seiten) der Elektroden entladen, was einen Ausfall infolge einer Erwärmung und eines Schmelzens der Kanten der eingebauten Elektrodenlagen führt.
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Wie in 1 dargestellt ist, umfasst eine mehrstufige Keramikröhre einen Keramikröhrenkörper 1, der mit mehreren darin ausgebildeten Stufen 2 versehen ist. Der Röhrenkörper 1 aus dem Keramikmaterial umfasst eine Innenwand 11, die sich innerhalb des Röhrenkörpers 1 befindet. Eine Fläche der Innenwand 11 umfasst die mehreren Stufen 2. Die Stufen sind als Nasen oder Vorsprünge in der Innenwand ausgebildet. Die Stufen 2 sind so in der Fläche ausgebildet, dass sie sich unterschiedlich weit innerhalb der Röhre erstrecken. Die Stufen 2 der Röhre 1 umfassen die Stufe 21, eine Stufe 22 und eine Stufe 23. Die Stufe 21 ist zwischen der Stufe 22 und der Stufe 23 angeordnet. Die Stufe 21 kann sich weiter innerhalb der Röhre 1 erstrecken als die Stufe 22 und die Stufe 23.
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Die mehrstufige Röhre umfasst eine Außenwand 12 und Außenflächen 13, 14 des Röhrenkörpers 1. Jede der Außenflächen 13, 14 befindet sich zwischen der Außen- und der Innenwand 11, 12 des Röhrenkörpers 1. Die Außenflächen 12, 13 sind jeweils größer als eine Fläche jeder der Stufen 2.
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Eine mehrschichtige Gasentladungsröhre, wie in 1 dargestellt, umfasst die mehrstufige Röhre mit den mehreren Stufen, wie vorstehend erklärt wurde. Die Entladungsröhre umfasst ferner innere Elektroden 3, die auf den Stufen innerhalb des Röhrenkörpers angeordnet sind, und äußere Elektroden 4, die auf den Flächen 12, 13 am Ende des Röhrenkörpers 1 angeordnet sind. Die inneren Elektroden sind von den äußeren Elektroden durch eine jeweilige Scheibe 5 getrennt, die aus einem Keramikmaterial bestehen kann. Die isolierte Keramikscheibe 5 kann als ein ringförmiger Abstandshalter mit einem hohlen Bereich innerhalb der ringförmigen Zone ausgebildet sein. Die inneren und die äußeren Elektroden 3, 4 liegen mit ihren Rändern gerade an der Scheibe 5 an. Die inneren und die äußeren Elektroden sind voneinander in Bereichen zwischen ihren Rändern getrennt, so dass zwischen den Elektroden 3 und 4 Hohlkammern 6 ausgebildet sein können.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform umfassen die inneren Elektroden 3 eine Elektrode 31, die auf einer ersten Seite der Stufe 21 des Röhrenkörpers 1 angeordnet ist. Die Elektrode 31 kann als eine Elektrodenscheibe ausgebildet sein. Der Rand der Elektrode 31 ist auf dem Vorsprung 11 des Röhrenkörpers 1 angeordnet. Die äußeren Elektroden 4 umfassen eine Elektrode 41, die auf der Außenfläche 13 des Röhrenkörpers angeordnet ist, um den Röhrenkörper 1 zu schließen. Die Elektrode 41 kann kreisförmig sein. Die Elektrode 41 und die Elektrode 31 sind durch die Scheibe 51 getrennt, die aus einem isolierenden Keramikmaterial bestehen kann. Die isolierende Keramikscheibe 51 ist zwischen der Elektrode 31 und der Elektrode 41 angeordnet. Weil die Scheibe 51 als ein Ring mit einem hohlen Innenbereich ausgebildet ist, ist eine Kammer 61 zwischen der inneren Elektrode 31 und der äußeren Elektrode 41 ausgebildet.
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Die isolierende Keramikscheibe 51 ist in Bezug auf die innere Elektrode 31 und die äußere Elektrode 41 versetzt. Die Scheibe 51 kann teilweise auf der Elektrode 31 und auf der Stufe 22 des Röhrenkörpers 1 angeordnet sein. Ein Spalt, der zwischen dem Röhrenkörper 1 am Ende des Vorsprungs 22 und der Elektrode 31 ausgebildet sein kann, ist durch die Scheibe 51 abgedeckt, so dass die Scheibe 51 einen Weg entlang der Innenwand des Röhrenkörpers 1 zwischen der inneren Elektrode 31 und der äußeren Elektrode 41 blockiert.
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Die mehrschichtige Gasentladungsröhre kann eine andere innere Elektrode 32 aufweisen, die auf einer zweiten Seite der Stufe 21 des Röhrenkörpers 1 angeordnet ist. Die äußeren Elektroden 4 umfassen eine andere äußere Elektrode 42, die am anderen Ende des Röhrenkörpers ausgebildet ist. Die äußere Elektrode 42 ist auf der Außenfläche 14 des Röhrenkörpers angeordnet und verschließt den Röhrenkörper auf der Unterseite. Eine Scheibe 52, die aus Keramikmaterial bestehen kann, ist zwischen der Elektrode 32 und der äußeren Elektrode 42 angeordnet. Die isolierte Keramikscheibe 52 ist ringförmig angeordnet, so dass nur der Rand der inneren Elektrode von der Keramikscheibe 52 unterstützt wird. Die Scheibe 52 wirkt als ein Abstandshalter zwischen der inneren Elektrode 32 und der äußeren Elektrode 42, so dass eine andere Kammer 62 zwischen der inneren Elektrode 32 und der äußeren Elektrode 42 gebildet ist. Die innere Elektrode 32 und die äußere Elektrode 42 sind voneinander durch einen hohlen Bereich getrennt, der die Kammer 62 dazwischen bildet.
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Die Scheibe 52 ist in Bezug auf die innere Elektrode 32 und die äußere Elektrode 42 versetzt und teilweise auf der Stufe 23 und auf der Elektrode 32 angeordnet. Ein Spalt, der zwischen der Elektrode 32 und dem Röhrenkörper 1 ausgebildet sein kann, ist durch die Scheibe 52 bedeckt, so dass die Scheibe 52 einen Weg zwischen der inneren Elektrode 32 und der äußeren Elektrode 42 blockiert.
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Der Vorsprung 21 ist zwischen den inneren Elektroden 31 und 32 angeordnet. Der Vorsprung 21 erstreckt sich von allen Seiten im Inneren der Röhre um einen Betrag, so dass die Elektroden 31 und 32 gerade an ihrem Rand an der Nase 21 anliegen. Die Nase 21 ist so ausgebildet, dass eine andere Hohlkammer 63 zwischen den inneren Elektroden 31 und 32 ausgebildet ist. Die Elektroden 31 und 32 und der Röhrenkörper 1, d. h. die Stufe 21 des Röhrenkörpers, bilden die Kammer 63.
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Die Kammern 61, 62 und 63 sind mit einer Mischung von Inertgasen und Nicht-Inertgasen gefüllt. Die Kammern bilden drei Schichten von Entladungsspalten 7.
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Infolge von Toleranzen während des Herstellungsprozesses der mehrschichtigen Gasentladungsröhre kann ein erster Spalt zwischen den Scheiben 5 und dem Röhrenkörper 1 auftreten. Ein zweiter Spalt kann zwischen einer der inneren Elektroden 31, 32 und dem Röhrenkörper 1 auftreten. Falls der erste und der zweite Spalt so gebildet werden, dass sie einen Weg zwischen einer der inneren Elektroden und einer der äußeren Elektroden bereitstellen, kann dieser Weg bewirken, dass im Fall einer elektrischen Entladung die Entladung am Rand einer der Scheiben 5 und dem Röhrenkörper 1 von einer der inneren Elektroden 31, 32 zu einer der äußeren Elektroden 41, 42 bewirkt werden kann.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der mehrschichtigen Gasentladungsröhre weist der Röhrenkörper 1 mehrere Nasen 21, 22, 23 auf, die sich unterschiedlich weit ins Innere des Röhrenkörpers erstrecken. Die Vorsprünge der Innenwand 11 des Röhrenkörpers 1 ermöglichen, dass die isolierten Keramikscheiben 51 und 52 so positioniert werden können, dass die Scheiben in Bezug auf die inneren Elektroden 31, 32 und die äußeren Elektroden 41, 42 versetzt sind. Insbesondere wird der jeweilige Rand der Abstandshalterscheiben 51, 52 in Bezug auf den jeweiligen Rand der inneren Elektroden 31, 32 verschoben. Demgemäß kann das Auftreten eines Spalts, der sich zwischen dem Röhrenkörper und den inneren Elektroden 31, 32 und den Scheiben 51, 52 von den inneren Elektroden 31, 32 zu den äußeren Elektroden 41 und 42 erstreckt, vermieden werden. Die Scheiben 51, 52 blockieren einen Weg, der sich am Rand der inneren Elektroden 31, 32 erstreckt, so dass im Fall einer elektrischen Entladung die Entladung nur im Zentrum der mehrstufigen Röhre 1 und nicht am Rand der isolierten Keramikscheiben auftritt.
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2 zeigt eine Ausführungsform einer mehrstufigen Röhre 1, die eine Innenwand mit mehreren Vorsprüngen umfasst. Die Vorsprünge erstrecken sich unterschiedlich weit innerhalb der Röhre, so dass Stufen 21, 22 und 23 ausgebildet sind. Jede Stufe weist eine Fläche auf, die ausgebildet ist, um eine Metallplatte in der Art der in 1 dargestellten Elektrodenscheiben zu tragen.
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Bei einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Schutzvorrichtung kann das Schalten der mehrschichtigen Entladungsröhren in Reihe die Bogenspannung verbessern, wodurch der Folgestrom gelöscht wird. Die Schutzvorrichtung umfasst n Gasentladungsröhren, die durch Hartlöten bei 850 Grad miteinander verschweißt werden. In jeder Gasentladungsröhre befinden sich drei Entladungsspalte, deren Bogenspannung etwa 65 V beträgt, und die Gesamtbogenspannung der Schutzvorrichtung ist das nFache von 65 V.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- mehrstufige Röhre
- 2
- Stufe
- 3
- innere Elektrode
- 4
- äußere Elektrode
- 5
- Scheibe
- 6
- Kammer
- 7
- Schicht des Entladungsspalts
- 21, 22, 23
- Stufen
- 31, 32
- innere Elektroden
- 41, 42
- äußere Elektroden
- 51, 52
- Scheiben
- 61, 62, 63
- Kammern
