DE19817063C2 - Überspannungsschutzelement mit Lichtbogenwanderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement mit Lichtbogenwande­ rung, gemäß Oberbegriff des neuen Patentanspruchs 1.

Bei einem bekannten (DE-PS 41 41 682) Überspannungsschutzelement 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 Stelle 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 Entstehens relativ stark brennt, ist die Stelle des Entstehens von starkem Abbrand betrof­ fen, wenn an der gleichen Stelle eine Vielzahl von Lichtbögen entstehen.

Aus der gattungsgemäßen DE 39 10 435 C2 ist ein Überspannungschutze­ lement bekannt, bei dem die Elektroden koaxial um eine Vertikale ange­ ordnet sind, wobei die äußere Elektrode die innere Elektrode ringförmig umschließt und die äußere Elektrode mit der inneren Elektrode einen zylin­ drischen nach oben hin offenen Zwischenraum bildet. Der Raum, in dem sich ein Lichtbogen aufhalten kann, ist nach außen hin offen. Das Über­ spannungschutzelement ist in einem Gehäuse untergebracht. Das Gehäuse bildet einen Entladungsraum, der mit einer Ausblasöffnung versehen ist. Das Überspannungsschutzelement selbst läßt dadurch den Raum offen. Die innere Elektrode bildet einen Kegelstumpf, der am freien Ende eine Kante aufweist und anschließend an den Isolationskörper ebenfalls eine Kante bildet. An diesen Kanten wird sich ein Lichtbogen festsetzen, so daß die innere Elektrode an den beiden Kanten rasch abgenutzt ist und der Licht­ bogen nicht rasch entlang der inneren Elektrode wandert. Die innere Elek­ trode ist am freien Ende flach. Dieses Überspannungsschutzelement ist also ein ausblasendes Überspannungsschutzelement, dessen Löschmechanismus möglichst viel freien Platz vor den Elektroden verlangt und das nach außen hin offen ist.

Durch die EP 0 251 010 A1 ist es bekannt, den Raum, in dem sich der Lichtbogen aufhalten kann, nach außen hin durch Wandungen abzuschlie­ ßen. Allerdings weist dieses bekannte Überspannungsschutzelement keinen Löschmechanismus auf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Überspannungsschutzelement zu schaffen, bei dem derjenige Flächenbereich der inneren Elektrode, über den hin verteilt Lichtbögen entstehen, bei kompaktem Bauvolumen und ge­ schlossener Bauweise ein schnelleres Wegwandern der entstandenen Licht­ bögen veranlaßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mantelförmige äußere Elektrode den Raum, in dem sich ein Lichtbogen aufhalten kann, nach außen hin geschlossen kapselt, wobei sie auf der dem freien Ende der inneren Elektrode gegenüberliegenden Seite des Freiraums einen zur Mit­ telachse quer angeordneten Boden trägt, das bei dem randseitigen, außen­ liegenden Bereich der inneren Elektrode zwischen den Elektroden ein Ring von zwei Lichtbogeneinwirkungen gasenden Kunststoff angeordnet ist, und daß das freie Ende der sich im Querschnitt verjüngenden, inneren Elektrode abgerundet ist.

Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement ist aufgrund der ge­ schlossenen Bauweise nicht ausblasend. Trotzdem ist ein Lichtbogenlö­ schmechanismus gegeben, in dem verschiedene Maßnahmen vorgesehen sind, um den Lichtbogen beschleunigt vom Fuß der inneren Elektrode zu deren freien Ende wandern zu lassen, wo er rasch erlöschen kann.

Diese Maßnahmen sind ein dem freien Ende der inneren Elektrode gegen­ überliegende, von der äußeren Elektrode gebildete Boden, das Weglassen eines freien Ringsraums hinter der inneren Elektrode zwischen Tragkörper und äußerer Elektrode, das Einfügen des gasenden Kunststoffs am Fuß der inneren Elektrode, und das Abrunden des freien Endes der inneren Elektro­ de.

Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement ist die innere Elektrode kegelähnlich gestaltet und hat die innere Elektrode ihren größten Querschnitt dort, wo der Lichtboden-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 verbessert nach außen hin gekapselt.

Da die sich im Querschnitt ver­ jüngende innere Elektrode das abgerundete freies Ende aufweist, ist zu raschen starken Abbrand an dem "spitzen" Ende der inneren Elektrode verhindert.

Da bei dem randseitigen, außenliegenden Bereich der inneren Elektrode der Ring von bei Lichtbogeneinwir­ kung gasendem Kunststoff angeordnet ist, beschleunigt das bei Lichtbogeneinwirkung entste­ hende Gas das Wegwandern des entstandenen Lichtbogens von der Stelle des Entstehens. Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement besitzt einen Lichtbogen-Löschmechanismus, der 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 des 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, der mit 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 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.

Es trägt die mantelförmige äu­ ßere Elektrode auf der dem freien Ende der inneren Elektrode gegenüberliegenden Seite des Freiraums den zur Mittelachse quer angeordneten Boden. Dieser Boden schließt den Freiraum ganz oder im wesentlichen ab. Da 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 und

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

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 5-6 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 Kurstrecke 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.

Da die Überspannungsschutzelemente mit dem Ring 12 aus gasendem Kunststoff ausgerüstet sind und durch den Boden 6 abgeschlossen sind, 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.

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 (4)

1. Überspannungsschutzelement mit Lichtbogenwanderung,
bei dem eine innere blockartige Elektrode in einer äußeren, mantelför­ migen, entlang einen Umfang rundum in sich geschlossenen Elektrode angeordnet ist die innere Elektrode mit einem außenliegenden Ende be­ züglich der äußeren mantelförmigen Elektrode randseitig angeordnet ist und mit dem anderen Ende frei in die äußere Elektrode ragt,
der Querschnitt der inneren Elektrode zum freien Ende hin abnimmt und ein Lichtbogenabstand 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,
die innere Elektrode und die äußere Elektrode mit gemeinsamer Mittelachse angeordnet sind und das freie Ende der inneren Elektrode auf der gemeinsamen Mittelachse angeordnet ist, und
die Querschnittsverjüngung der inneren Elektrode von deren randseiti­ gem, außenliegendem Bereich ausgeht und bezüglich der Mittelachse derart symmetrisch ist, daß bei jedem Querschnitt der Lichtbogenabstand rundum gleich ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die mantelförmige äußere Elektrode (2) den Raum, in dem sich ein Lichtbogen aufhalten kann, nach außen hin geschlossen kapselt, wobei sie auf der dem freien Ende (4) der inneren Elektrode (1) gegenüberlie­ genden Seite des Freiraums (5) einen zur Mittelachse (3) quer angeord­ neten Boden (6) trägt,
daß bei dem randseitigen, außenliegenden Bereich (7) der inneren Elek­ trode (1) zwischen den Elektroden (1, 2) ein Ring (12) von bei Lichtbo­ geneinwirkung gasendem Kunststoff angeordnet ist, und
daß das freie Ende (4) der sich im Querschnitt verjüngenden, inneren Elektrode (1) abgerundet ist.

2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die innere Elektrode (1) und die äußere Elektrode (2) hinsicht­ lich ihrer äußeren Kontur bzw. ihrer inneren Kontur rotationssymmetri­ sche Querschnitte haben.

3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die äußere Elektrode (2) an der Innenseiten in Rich­ tung der Mittelachse (3) länger ist als sie rechtwinklig zur Mittelachse breit ist.

4. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (1, 2) ein Bereich eines spaltartig engsten Abstandes (13) vorhanden ist und sich dieser Engabstand (13) um den randseitigen, außenliegenden Bereich (7) der inneren Elektrode (1) rundherum erstreckt.