DE19817063A1

DE19817063A1 - Überspannungsschutzelement mit Lichtbogenwanderung

Info

Publication number: DE19817063A1
Application number: DE1998117063
Authority: DE
Inventors: Dieter Hosbach; Juergen Hosbach; Johann Proepster
Original assignee: J Proepster GmbH
Current assignee: J Proepster GmbH
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2018-04-18
Also published as: DE19817063C2

Abstract

Es gibt ein Überspannungsschutzelement, bei dem eine innere Elektrode 1 in einer äußeren Elektrode 2 angeordnet ist, und die innere Elektrode 1 mit einem Ende 4 frei in die äußere Elektrode 2 ragt, der Querschnitt der inneren Elektrode 1 zum freien Ende 4 hin abnimmt und ein Lichtbogen-Abstand 8 zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 zum freien Ende 4 hin zunimmt. Dabei ist es erwünscht, wenn derjenige Flächenbereich der inneren Elektrode, über den hin verteilt Lichtbögen entstehen, bei kompaktem Bauvolumen vergrößert ist und ein schnelleres Wegwandern der entstandenen Lichtbögen veranlaßt. Dies ist erreicht, indem die innere Elektrode 1 und die äußere Elektrode 2 mit gemeinsamer Mittelachse 3 angeordnet sind und das freie Ende 4 der inneren Elektrode 1 auf der gemeinsamen Mittelachse 3 angeordnet ist, und indem die Querschnittsverjüngung der inneren Elektrode 1 von deren randseitigem, außenliegenden Bereich 7 ausgeht und bzgl. der Mittelachse 3 derart symmetrisch ist, daß bei jedem Querschnitt der Lichtbogen-Abstand 8 rundum gleich ist. Die Lichtbögen entstehen verteilt rund um den "dicken Fuß" der kegelartigen inneren Elektrode, wo diese bei kompakter Bauweise einen maximal großen Flächenbereich für das über diesen Flächenbereich verteilte Entstehen der Lichtbögen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement mit Lichtbogenwande rung, bei dem eine innere blockartige Elektrode in einer äußeren mantelförmigen Elektrode angeordnet ist, indem die innere Elektrode mit einem außenliegenden Ende bzgl. der äußeren mantelförmigen Elektrode randseitig angeordnet ist und mit dem anderen Ende frei in die äußere Elektrode ragt, und bei dem der Quer schnitt der inneren Elektrode zum freien Ende hin abnimmt und ein Lichtbogen- Abstand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode von dem au ßenliegenden Ende zum freien Ende hin zunimmt, wobei die mantelartige Elektro de in Fortsetzung der inneren Elektrode über das freie Ende hinaus einen Freiraum begrenzt.

Bei einem bekannten (DE-PS 41 41 682) Überspannungsschutzelement dieser Art sind die äußere mantelförmige Elektrode und die innere Elektrode im Querschnitt elliptisch und ist die innere Elektrode an dem einen Ende der Ellipse-Hauptachse der äußeren Elektrode angeordnet, so daß die Mittelachsen der beiden Elektroden gegeneinander maximal möglich versetzt sind. Das freie Ende der inneren Elektro de ist querschnittsmäßig gesehen von dem einen eng gekrümmten Ellipsenscheitel gebildet. Die Querschnittsverjüngung der inneren Elektrode geht von deren beiden weit gekrümmten Ellipsenscheiteln aus. Entlang der Mittelachse der inneren Elek trode gesehen herrschen an jeder Steile querschnittsmäßig die gleichen Verhältnisse bzgl. Lichtbogen-Abstand und um die Mittelachse herum betrachtet sind die Ver hältnisse bzgl. Lichtbogen-Abstand auf der einen Seite der inneren Elektrode gleich denen auf der anderen Seite, jeweils über 180°.

Der Lichtbogen entsteht beim Ansprechen des Überspannungsschutzelements dort, wo der Abstand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode am ge ringsten ist, und wandert dann dahin, wo der Abstand zwischen der inneren Elek trode und der äußeren Elektrode am größten ist. Obwohl die innere Elektrode zwei Seiten hat, die beim Ansprechen eines Lichtbogens wahlweise beaufschlagt sind, ist der Flächenbereich, an dem ein Lichtbogen entstehen kann, relativ klein. Der durch den sich bildenden bzw. beginnenden Lichtbogen bedingte Abbrand ist also nach einer Vielzahl von Lichtbögen relativ intensiv. Da der Lichtbogen von der Stelle seines Entstehens nicht rasch wegwandert und an der Stelle des Entste hens relativ stark brennt, ist die Stelle des Entstehens von starkem Abbrand betrof fen, wenn an der gleichen Stelle eine Vielzahl von Lichtbögen entstehen.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Überspannungsschutzelement der ein gangs genannten Art zu schaffen, bei dem derjenige Flächenbereich der inneren Elektrode, über den hin verteilt Lichtbögen entstehen, bei kompaktem Bauvolumen vergrößert ist und ein schnelleres Wegwandern der entstandenen Lichtbögen veran laßt. Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement ist, diese Aufgabe lösend, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode und die äußere Elektrode mit ge meinsamer Mittelachse angeordnet sind und das freie Ende der inneren Elektrode auf der gemeinsamen Mittelachse angeordnet ist, und daß die Querschnittsver jüngung der inneren Elektrode von deren randseitigem, außenliegendem Bereich ausgeht und bzgl. der Mittelachse derart symmetrisch ist, daß bei jedem Quer schnitt der Lichtbogen-Abstand rundum gleich ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement ist die innere Elektrode kegelähnlich gestaltet und hat die innere Elektrode ihren größten Querschnitt dort, wo der Lichtbogen-Abstand am kleinsten ist. Die Lichtbögen entstehen verteilt rund um den "dicken Fuß" der kegelartigen inneren Elektrode, wo diese bei kom pakter Bauweise einen maximal großen Flächenbereich für das über diesen Flächen bereich verteilte Entstehen der Lichtbögen aufweist. Auch bei diesem Flächenbe reich ist die Querschnittsverjüngung der kegelähnlichen Elektrode gegeben und ein entstandener Lichtbogen wandert schneller aus diesem Flächenbereich ab. Die um fangssymmetrische und querschnittsverjüngende Gestaltung vergrößert die Zahl der möglichen Zündungsstellen und die Abwanderungsgeschwindigkeit und verringert damit den Abbrand bei einer Vielzahl von Lichtbögen. Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement ist der Raum, in dem sich ein Lichtbogen aufhalten kann auch verbessert nach außen hin gekapselt, da nur noch der dem freien Ende der inneren Elektrode bzgl. des Freiraums entlang der Mittelachse gegenüberliegen de Bereich nach außen hin offen bzw. ungekapselt sein kann.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn die sich im Querschnitt ver jüngende innere Elektrode ein abgerundetes freies Ende aufweist. Dies verhindert zu raschen starken Abbrand an dem "spitzen" Ende der inneren Elektrode.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn bei dem randseitigen, außenliegenden Bereich der inneren Elektrode ein Ring von bei Lichtbogeneinwir kung gasendem Kunststoff angeordnet ist. Das bei Lichtbogeneinwirkung entste hende Gas beschleunigt das Wegwandern des entstandenen Lichtbogens von der Stelle des Entstehens. Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement besitzt einen Lichtbogen-Löschmechanismus, der in der Regel nicht abhängig von den Ei genschaften der unter Lichtbogeneinwirkung aus einem erhitzten Kunststoff frei werdenden Gase ist.

Die Querschnitte der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode sind z. B. recht eckig oder elliptisch. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch, wenn die innere Elektrode und die äußere Elektrode hinsichtlich ihrer äußeren Kontur bzw. ihrer inneren Kontur rotationssymmetrische Querschnitte haben. Dies ist einfacher in der Herstellung und verbessert die Funktionsfähigkeit.

Die beiden Elektroden bestehen aus Metallen oder Legierungen und zwar in der Re gel solchen mit hohen Schmelzpunkten. Der Raum zwischen den Elektroden und der Freiraum bilden einen Bereich, in dem entweder Vakuum vorliegt oder der mit Gas oder Luft gefüllt ist und in dem sich der Lichtbogen bzw. das ionisierte Gas ausbreiten kann. Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement ist im ver stärkten Maß geschlossen, ist ein nicht ausblasendes Überspannungsschutzelement und ist in der Regel so gestaltet, daß kein Lichtbogen austreten kann. Die äußere Elektrode kann auch Kapselelektrode genannt werden. Die beiden Elektroden sind in der Regel an einem gemeinsamen Tragstück aus Isoliermaterial gehalten.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es sodann, wenn die mantelförmige äu ßere Elektrode auf der dem freien Ende der inneren Elektrode gegenüberliegenden Seite des Freiraums einen zur Mittelachse quer angeordneten Boden trägt. Dieser Boden schließt den Freiraum ganz, im wesentlichen oder teilweise ab. Wenn der Boden Bestandteil der äußeren Elektrode ist, beeinflußt er das Wanderungsverhal ten des Lichtbogens günstig.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es noch, wenn die äußere Elektrode an der Innenseite in Richtung der Mittelachse länger ist als sie rechtwinkelig zur Mit telachse breit ist. Dies verdeutlicht die kompakte Bauweise des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es ebenso, wenn zwischen den beiden Elektroden ein Bereich eines spaltartig engsten Abstands vorhanden ist und sich dieser Engabstand um den randseitigen, außenliegenden Bereich der inneren Elek trode rundherum erstreckt. Auch dies verdeutlicht die kompakte Bauweise des er findungsgemäßen Überspannungsschutzelements.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines ersten Überspannungsschutzelements mit Lichtbo genwanderung,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt eines zweiten Überspannungsschutzelements mit Lichtbo genwanderung,

Fig. 4 einen Längsschnitt eines dritten Überspannungsschutzelements mit Lichtbo genwanderung,

Fig. 5 einen Längsschnitt eines vierten Überspannungsschutzelements mit Lichtbo genwanderung,

Fig. 6 einen Längsschnitt eines fünften Überspannungsschutzelements mit Lichtbo genwanderung,

Fig. 7 einen Längsschnitt eines sechsten Überspannungsschutzelements mit Licht bogenwanderung und

Fig. 8 einen Schnitt gemäß Linie VIII-VIII in Fig. 7.

Die Überspannungsschutzelemente gemäß Zeichnung umfassen jeweils eine kegel ähnliche erste Elektrode 1, die in einer mantelförmigen, entlang einem Umfang rundum in sich geschlossenen zweiten Elektrode 2 mit gemeinsamer Mittelachse 3 angeordnet ist. Die kegelähnliche Elektrode 1 endet mit einem freien Ende 4 vor einem Freiraum 5, der auf der dem freien Ende gegenüberliegenden Seite von einem Boden 6 begrenzt ist, der mit der mantelförmigen Elektrode 2 zusammen als zweite Elektrode wirkt. Das freie Ende 4 ist abgerundet. Die kegelähnliche Elektrode 1 be ginnt auf der dem freien Ende gegenüberliegenden Seite mit einem randseitigen außenliegenden Bereich 7 und hat mit ihrer Außenfläche zur Innenfläche der mantelförmigen Elektrode 2 an jeder Stelle einen Lichtbogen-Abstand 8.

Die kegelähnliche Elektrode 1 ist mit einem Fortsatz 9 versehen, der in einem Tragstück 10 aus Kunststoff steckt, auf dem ein ringartiger Fortsatz 11 der mantel förmigen Elektrode 2 steckt. Das Tragstück 10 bildet einen Ring 12, der sich zwi schen den Fortsatz 9 der kegelähnlichen Elektrode 1 und dem Fortsatz 11 der man telförmigen Elektrode 2 befindet und aus einem bei Lichtbogeneinwirkung gasen dem Kunststoff besteht. Unmittelbar an diesen Tragstück-Ring 12 anschließend ha ben die mantelförmige Elektrode 2 und die kegelähnliche Elektrode 1 einen spalt ähnlich engsten Abstand 13 voneinander.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 2 und 5-8 ist die äußere Elektrode 2 mit ihrer nach innen gewendeten Oberfläche zylindrisch, d. h. die äußere Elektrode weist entlang der Mittelachse 3 gleichbleibenden Querschnitt auf; dies ist eine ein fache praktisch brauchbare und in der Regel vorgesehene Bauweise. Bei der Ausfüh rungsform gemäß Fig. 3 und 4 nimmt der innere Querschnitt der äußeren Elektro de 2 entlang der Mittelachse 3 vom randseitigen, außenliegenden Bereich 7 zum Bo den 6 hin zu, wodurch bei gleichem Wanderweg des Lichtbogens eine größere Zu nahme des Lichtbogen-Abstands 8 gegeben ist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist die Zunahme des inneren Querschnitts der äußeren Elektrode 2 konti nuierlich, wogegen bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 die Zunahme des inne ren Querschnitts der äußeren Elektrode 2 aufgrund eines umlaufenden Ringsimses 14 durch eine Kurzstrecke der Abnahme und eine anschließende Kurzstrecke der verstärkten Zunahme unterbrochen ist.

Abgesehen von der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist bei allen anderen Ausfüh rungsformen die innere Elektrode 1 als echter Kegel, d. h. mit einem gleichmäßig zum freien Ende 4 hin abnehmenden Querschnitt ausgebildet. Diese Bauweise ist vereinfacht herstellbar und bringt die erwünschte Lichtbogenlöschung mit Sicher heit. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist die Querschnittsabnahme der inne ren Elektrode durch einen umlaufenden Ringsims 15 unterbrochen, der eine Kurz strecke der Zunahme des Querschnitts und daran anschließend eine Kurzstrecke der verstärkten Abnahme des Querschnitts bildet. Die Konturierung des Verlaufs des inneren Querschnitts der äußeren Elektrode 2 und die Konturierung des Verlaufs des äußeren Querschnitts der inneren Elektrode 1 ergibt eine erhöhte Kühlung des Lichtbogens und eine gezielte Beeinflussung der Wanderung des Lichtbogens. Ge mäß Fig. 4 wendet der Boden 6 dem Freiraum 5 eine vom Ebenen abweichende konturierte Fläche zu.

Wenn die Überspannungsschutzelemente mit dem Ring 12 aus gasendem Kunststoff ausgerüstet sind und durch den Boden 6 abgeschlossen sind, dann ist der Boden 6 mit einem kleinen Durchlaß 16 versehen, um das entstandene Gas aus dem Frei raum 5 entweichen zu lassen. Der den Lichtbogen aufnehmende Raum ist gegen ei nen Austritt von Lichtbogen gekapselt. Dies ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 nicht unmittelbar der Fall, da hier der Boden 6 mit einem relativ großen Fenster 17 versehen ist, durch das Lichtbogen austreten kann. Die äußere Elektrode 2 ist daher in einer Kapselkammer 18 aufgenommen, die ihrerseits mit einem klei nen Durchlaß 19 zum Austritt von Gas versehen ist.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und 6 sind drei bzw. zwei Überspan nungsschutzelemente zu einer Schutzbaueinheit zusammengefaßt. Bei der Ausfüh rungsform gemäß Fig. 6 sind die beiden Überspannungsschutzelemente koaxial und einander entgegengesetzt angeordnet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind die drei Überspannungsschutzelemente parallel zueinander und gleichgerichtet an geordnet. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 gehen die Böden 6 der beiden äußeren Elektroden 2 ineinander über und sind die Böden mit einem Fenster 20 versehen, das die beiden Freiräume 5 miteinander verbindet.

Claims

1. Überspannungsschutzelement mit Lichtbogenwanderung, bei dem eine innere blockartige Elektrode in einer äußeren mantelförmigen Elektrode angeordnet ist, indem die innere Elektrode mit einem außenliegenden Ende bzgl. der äußeren mantelförmigen Elektrode randseitig angeordnet ist und mit dem anderen Ende frei in die äußere Elektrode ragt, und bei dem der Querschnitt der inneren Elektrode zum freien Ende hin abnimmt und ein Lichtbogen-Abstand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode von dem außenliegenden Ende zum freien Ende hin zunimmt, wobei die mantelartige Elektrode in Fortsetzung der inneren Elektrode über das freie Ende hinaus einen Freiraum begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (1) und die äußere Elektrode (2) mit gemeinsamer Mit telachse (3) angeordnet sind und das freie Ende (4) der inneren Elektrode (1) auf der gemeinsamen Mittelachse (3) angeordnet ist, und daß die Querschnittsverjüngung der inneren Elektrode (1) von deren randseiti gem, außenliegendem Bereich (7) ausgeht und bzgl. der Mittelachse (3) derart symmetrisch ist, daß bei jedem Querschnitt der Lichtbogen-Abstand (8) rundum gleich ist.

2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich im Querschnitt verjüngende innere Elektrode (1) ein abgerundetes freies En de (4) aufweist.

3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem randseitigen, außenliegenden Bereich (7) der inneren Elektrode (1) ein Ring (12) von bei Lichtbogeneinwirkung gasendem Kunststoff angeordnet ist.

4. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die innere Elektrode (1) und die äußere Elektrode (2) hinsichtlich ihrer äußeren Kontur bzw. ihrer inneren Kontur rotationssymmetrische Querschnitte haben.

5. Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die mantelförmige äußere Elektrode (2) auf der dem freien Ende (4) der inneren Elektrode (1) gegenüberliegenden Seite des Freiraums (5) einen zur Mittelachse (3) quer angeordneten Boden (6) trägt.

6. Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die äußere Elektrode (2) an der Innenseite in Rich tung der Mittelachse (3) länger ist als sie rechtwinkelig zur Mittelachse breit ist.

7. Überspannungsschutzelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (1, 2) ein Bereich ei nes spaltartig engsten Abstands (13) vorhanden ist und sich dieser Engabstand (13) um den randseitigen, außenliegenden Bereich (7) der inneren Elektrode (1) rundherum erstreckt.