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Überspannungs-Schutzvorrichtung Überspannungs-Schutzvorrichtungen
oder Funkenstrecken-Schutzvorrichtungen werden häufig als Schutz gegen elektrische
Stasse bei Fernmelde- oder SpannungszufUhrungsleitungen zum Schutz elektrischer
Anlagen vor kurzen Spannungsstößen verwendet. Beispielsweiße kann eine solche Vorrichtung
als Blits- und berspannungsschutz bei einer Telefonleitung vorgesehen sein, die
eine Durchschlagstelle bildet, wenn ein Blitzspannungsstoß eintritt. Der Spannungsstoß
kann über eine Bogenentladung zur Er/de abgeleitet werden und deshalb erreicht dieser
Spannungsstoß nicht die elektrische anlage, die in dieser Leitung vorgesehen ist,
und kann sie deshalb auch nicht zerstören, Nach dem Eintreten einer bogenentladung
insbesondere nach einer langandauernden Bogenentladung ist die Überspannungs-Schutzvorrichtung
häufig so weit zerstört, daß sie nicht mehr betriebsfähig oder zumindest nicht mehr
bei der vorbestimmten Durchschlagspannung betriebsfähig ist.
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Aufgrund der Kraft und der durch die bogenentladung erzeugten
Hitze
können die Elektroden der Schutzvorrichtung verformt sein, so daß der Spalt nicht
mehr beibehalten ist. Es ist nicht immer notwendig, durch das Betrachten des äußeren
einer Überspannungs-Schutzvorrichtung festzuetellen, ob diese Schutzvorrichtung
bei der festgelegten Durchschlagsspannung arbeitet oder ob bereits eine Entladung
stattgefunden hat.
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Darüber hinaus ist eine Besichtigung der Überspannungs-Schutzvorrichtungen
häufig nicht möglich. Es ist deshalb wünschenswert, eine Überspannungs-Schutzvorrichtung
mit einem. betriebssicheren Zustand zu schaffen, derart, daß bei einer lang andauernden
Bogenentladung die Schutzvorrichtung kurzgeschlossen bleibt, wodurch die Feststellung
und der Ersatz dieser Vorrichtung erleichtert ist0 Während bestimmte Funkenstrecken-Schutzvorrichtungen
mit äußeren Lilfsbauelementen versehen wurden, um eine betriebssichere Funktion
zu erhalten, ist es wünschenswert, eine Miniatur-Überspannungs-Schutzvorrichtung
zu schaffen, die bereits in sich diese betriebssichere und ausfallsichere Eigenschaft
einschließt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte berspannungs-Schutzvorrichtung
zu schaffen, die einfach im Aufbau und zuverlässig im Betrieb ist0 Weiterhin ist
es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte miniaturisierte Überspannungsschutzeinrichtung
wirtschaftlicher Bauart zu schaffen, die ausfallsichere Eigenschaften einschließt.
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Die Erfindung, weitere Ausgestaltungen der Erfindung und die Arbeitsweise
der Erfindung ergeben sich zusammen mit weiteren Vorteilen und Merkmalen aus den
Ansprüchen in Verbindung mit der Beschreibung und der Zeichnung. Die Erfindung ist
anhand verschiedener Ausführungsbeispiele in der Zeichnung dargestellt. In dieser
zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer tberApannungs-Schutzvorrichtung
gemäß der Erfindung, die durch einen Halter abgestützt ist; Fig. 2 einen Längsschnitt
durch die Überspannungs-Schutzvorrichtung in vergrößertem Maßstab; Fig. 3 die Überspannungs-Schutzvorrichtung
gemäß Fig. 1 in vergrößertem Maßstab; teilweise aufgebrochen und in dem betriebssicheren
Zustand; Fig. 4 einen Längs schnitt durch eine abgeände@te Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 einen Querschnitt durch die Überspannungs-Schutzvorrichtung gemäß Fig. 1
mit einer Abänderung; Fig. 6 eine Ansicht einer Überspannungs-Schutzvorrichtung
mit einer weiteren Abänderung; Fig. 7 eine teilweise aufgebrochene Ansicht einer
weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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Gemäß den Fig. 1 bis 3 weist eine Miniatur-Überspannungs-Schutzvorrichtung
gemäß der Erfindung ein zylindrisches Abstandsrohr 10 auf, das vorzugsweise als
Keramikrohr mit ungefähr 8 mm Durchmesser und 8 mm Länge gefertigt ist. Dieses Rohr
ist besonders deutlich in Fig. 2 dargestellt, in der die Schutzvorrichtung gemäß
der Erfindung in einem atark vergrößerten Schnitt abgebildet ist. Beim Zusammenbau
der tberspannungs-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung werden die Enden des aus
Keramik bestehenden Abstandsrohres 10 in geeigneter Weise metallisiert, wie dies
bei 12 und 14 angedeutet ist, und es werden Lötzwischenlagen in Form von Scheiben
16
und 18, welche aus Kupfer oder einer Kupfer-Silberlegierung hergestellt sein können,
an den metallisierten Enden angeordnet. Dann werden dünnwandige hohle Elektroden
20 und 22, die vorzugsweise aus Kovar hergestellt sind, von beiden Enden aus in
das Keramikrohr 10 eingeführt, wobei jede dieser Elektroden einen ringförmigen radialen
Flansch 24 aufweist, mit dem die Elektroden an den Lötscheiben 16 und Tß anliegen.
Die Elektroden 20 und 22 sind an ihren inneren, einander gegenüberliegenden Enden
26 und 28 zylindrisch ausgebildet und erweitern sich nach außen in Richtung auf
die hinteren Enden bis zu den Flanschen 24.
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Um die Elektroden 20 und 22 innerhalb des Abstandsrohres 10 festzulegen,
wird die anordnung aus diesen Teilen mit den Lötzwischenlagen 16 und 18 einer erhöhten
Temperatur unterworfen, um die gesamte Anordnung zusammenzulöten, wobei das Innere
der Umhüllung evakuiert ist. Das Rohr 10 kann manchmal mit einer Ablagerung 32 eines
Getter-Materials versehen sein, das unerwünschte Gase innerhalb der Umhüllung 30
absorbiert. Die Ablagerung 32 kann mit einer üblichen elektronischen anlage aufplattiert
sein0 Die Elektroden 20 und 22 weisen Endteile mit Endwänden 34 und 36 auf, die
einander gegenüberliegen und einen Spalt 38 begrenzen. Die Elektrodenendwände sind
an ihren gegeneinanderliegenden Enden konkav ausgebildet9 um eine Ablagerung 40
aus einem Material, wie z.B. Zäsiumchlorid, aufzunehmen.
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Gemäß einem besonders bedeutsamen Merkmal der Erfindung ist die Überspannungs-Schutzvorrichtung
mit einer Einrichtung versehen, die nach einer lang andauernden Bogenentladung zwischen
den Elektroden einen Dauerkontakt herstellt, wobei eine Einrichtung vorgesehen ist,
die über eine angemessene Zeit einen Druck auf die Elektrodenendwände ausübt, um
eine solche Verbindung herzustellen0
Bei der Ausführungsform gemäß
den Fig. 1 bis 3 weist diese Einrichtung zur Bildung eines dauerhaften metallischen
Kontakts ein schmelzbares Metall 42 auf, das in jeder hohlen Elektrode aufgenommen
ist. Daher füllt das Schmelzbare Material im wesentlichen das Innere einer jedenElektrode
bis zu den Endwänden 34 und 96 auf und kann aus einem Lötmittel oder einer schweißbaren
Legierung, beispielsweise einer Blei und Zinn enthaltenden Legierung bestehen. Das
Lötmittel hat einen geringeren Schmelzpunkt als die Endwände 34 und 96 der Elektroden
20 und 22. Innerhalb des schmelzbaren Metalls 42 und an der Innenseite einer Endwand
kann eine radioaktive Stelle 44 vorgesehen sein, die als Anreger diente Dieses radioaktive
Material, z.B. Radium, erzeugt eine Ionisierung vor der Bogenentladung und unterstützt
somit die bildung einer Lichtbogenentladung bei einer konstanten Durchschlagspannung.
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Die Überspannungs-Schutzvorrichtung ist in geeigneter Weise mittels
eines mit 46 bezeichneten Halters abgestiltzt und mit dem zu schützenden Kreis verbunden,
wobei dieser Halter Federklammer 4& und 50 aufweist, die an einer isolierten
Grundplatte 52 befestigt sind, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die Federklammern
48 und 50 tragen an ihren Enden Kappen 54 und 56, die im Querschnitt in Fig. 1 dargestellt
sind. Diese Kappen nehmen die Flansche 24 an den Enden der Überspannungs-Schutzvorrichtung
auf. Die Federklammern 48 und 50 drücken die Kappen gegen die Flansche 24, um einen
guten Kontakt zwischen diesen Teilen herzustellen, jedoch umgreifen diese Kappen
die Flansche ziemlich lose, um das Eindringen von Gasen und inbesondere die Auswirkung
des atmosphärischen Druckes auf die hinteren Enden der Elektroden 20 und 22 zu ermöglichen.
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Die Überspannungs-Schutzvorrichtung gemäß der Erfindung ist an eine
zu schützende Leitung oder zwischen eine Leitung
und Erde mittels
der Federklammern 48 und 50 angeschlossen0 Will ein bestimmter Spannungszustand
parallel zu der Überspannungs-Schutzvorrichtung erreicht werden, z.B. als Ergebnis
eines hohen Spannungsprunges, so wird der Spalt 58 durch eine Bogenentladung überbrückt,
wodurch der hohe Spannungssprung kurzgeschlossen und die in der Leitung befindliche
Anlage geschützt wird. Wie weiter oben be schrieben, Ist eine Bogenentladung insbesondere
wenn sie lange andauert, in der Lage, die Betriebseigenschaften der Überspannungs-Schutzeinrichtung
zu verändern, z.B.
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durch Änderung der Breite des Spaltes 38. Gemäß der vorliegenden Erfindung
sind die Hohlräume der Elektroden 20 und 22 mit einer Menge schmelzbaren metalls
42 versehen.
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Wahrznd des normalen Betriebes der Schutzvorrichtung ist das schmelzbare
Metall ein Festkörper und bildet zusammen mit den Elektroden ein geschlossenes Ganzes
und trägt aufgrund der zusätzlichen Masse zur Wärmeübertragung bei0 Das schmelzbare
Material innerhalb der Elektroden verschleießt auch die winzigen Feinlunker, die
während der Herstellung der Elektroden unentdeckt bleiben.
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Eine Bogenentladung, die über eine längere Zeit andauert, und z.B.
Langzeit-Federströme führt, neigt dazu, die Endwände 34 und 36 und das schmelzbare
Metall 42 zu erweichen. Da der äußere atmosphärische Druck größer als der Druck
im Inneren der Umhüllung 30 ist, drückt er über das schmelzbare Metall 42 die Endwände
34 und 36 gegen einander, um einen Kontakt herzustellen. Zu diesem Zweck kann eine
ausreichende Fläche dieser Endwände vorgesehen werden, um eine zentrale Verformung
einer jeden Endwandin Richtung auf die gegenüberliegende Elektrode zu ermöglichen.
In einem anderen Falle schmilzt eine oder mehrere der Endwände, als die Folge der
Hitze der Rogenentladung
und gibt das schmelzbare Metall 42 frei,
welches ebenfalls schmilzt, wobei dieses schmelzbare Metall durch die zerstörte
Endwand unter dem Einfluß des atmosphärischen Drukkes,der auf das hintere Ende der
Elektrode einwirkt, strömt.
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Auf diese Weise ist ein Kontakt aus schmelzbarem Material gebildet,
wie dies bei 58 in Fig. 3 angedeutet ist. Solches weitere schmelzbare Material kann
in die Umhüllung 30 durch den Atmosphärendruck gedrückt werden, wenn es erforderlich
ist, einen dauerhaften Kurzschluß parallel zu dem Spalt zu erzeugen, wobei der Kurzschluß
am Ende der Bogenentladung bestehen bleibt. Die Vorrichtung gemäß vorliegen der
Erfindung ermöglicht so ein eingebautes Sicherheitsmerkmal, in dem eine feste Verbindung
am Ende einer längeren Lichtbogenentladung endet, ohne daß Kontakte oder Khnliche
Einrichtungen an der Außenseite vorgesehen werden müßten.
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Da das zylindrische Rohr 10 der Vorrichtung aus einem relativ starken
feuerfesten keramischen Material aufgebaut ist, besteht keine Gefahr, daß der Zylinder
10 während des Betriebes der Vorrichtung trotz der hohen Temperatur zerbricht.
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Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der
Erfindung, in dem gleiche Bezugszeichen gleiche Einzelteile bezeichnen. Weise Ausführungsform
hat annähernd die gleichen Äbmessungen die Vorrichtungen gemäß Fig. 1. Bei dieser
Äusführungsform stützen sich Kontaktstücke 60 und 62 auf relativ flachen Endwänden
54 und 36 der Elektroden 20 und 22 ab. Diese Kontaktstücke sind stabförmig mit konisch
zulaufenden Enden ausgebildet, mit denen sie an den Endwänden anliegen und weisen
erweiterte Köpfe 64 und 66 an den gegenüberliegenden Enden auf, wobei diese Köpfe
durch Endkappen 54 und 56 aufgenonmen sind.
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Die Kontaktstücke 60 und 62 sind normalerweise in ihrer dargestellten
Lage durch schmelzbares Metall 42 festgelegt, so daß selbst bei dem Einwirken der
Federklammern 50 und 48 die Kontaktstücke die dünnen Endwände 34 und 36 nicht zerstören
können. Wenn jedoch als Ergebnis einer langandauernden Bogenentladung die Wände
34 und 36 und ebenfalls das schmelzbare Metall 42 erweicht, drücken die federbelasteten
Kontaktstücke 60 und 62 die Endwände 34 und 36 gegeneinander. Die Endwände besitzen
gegeneinander gerichtete Plächen, die eine zentrale Verformung unter der Einwirkung
der Kontaktstücke 60 und 62 ermöglichen.
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Aus diesemGrunde werden die Endwände gegeneinander gedrückt und miteinander
in Berührung gebracht, wobei die Endwände an den Berührungsstellen miteinander verschmelzen.
Andererseits können die Endwände schmelzen, wodurch eines oder beide Kontaktstücke
60 und 62 die dauerhafte Kurzschlußverbindung bilden. Das schmelzbare Material 42
fließt dann ebenfalls in den Spalt und verbessert die Verbindung, wobei es dann
die Kontaktstücke in ihrer neuen Stellung hält.
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Obgleich die Anwesenheit des schmelzbaren Metalls 42 bei der Äusführungsform
gemäß Fig. 4 besonders erwünscht ist, um z.B. die Kontaktstücke in ihrer Ausgangslage
zu halten und die Bildung einer dauerhaften Verbindung zu unterstützen, ist es ersichtlich,
daß die Anwesenheit dieses Metalls nicht unbedingt erforderlich ist, da die Kontaktstücke
ihrerseits einen dauerhaften Kontakt zwischen den Elektroden als Folge einer langandauernden
Bogenentladung herstellen können.
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Das Material, aus dem die Kontaktstücke 60 und 62 bestehen, sollte
selbstverständlich leitend ssin und nachMöglichkeit einen höheren Schmelzpunkt--al<s
die Elektroden aufweisen,
um bei schmelzenden Elektroden die Verbindung
herzustellen. Es sei ebenfalls erwähnt, daß die Entfernung A in Fig. 4 vermehrt
um die Entfernung B nach MÖglichkeit die Breite des Spaltes 38 überschreiten sollte,
wodurch ein dauerhafter Kontakt zwischen den vorderen Enden der Kontaktstücke 60
und 62 hergestellt ist, bevor die Köpfe 64 und 66 die Flansche 24 der Elektroden
erreichen.
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Die Big. 5 und 6 zeigen eine weitere Äusführungsform der Erfindung,
bei der eine radioaktive Stelle 32' oder ein radioaktiver Streifen 32" an der Außenseite
des Zylinders 10 angeordnet ist, im Gegensatz zu der Anordnung der Stelle 32 innerhalb
des Zylinders, wie dies bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 der Fall ist. Dieses
radioaktive Bnregermaterial kann nach der Herstellung der Vorrichtung aufgebracht
und in geeigneter Weise durch ein geschmolzenes Lötmittel oder Blei 68 überdeckt
werden, wodurch diese Ablagerung nicht leicht freigelegt werden kann.
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Line weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig.
7 dargestellt, in welcher gleiche Bezugs£eichen gleiche Teile bezeichnen. Bei dieser
Äusführungsform ist der Keramikzylinder in zwei Abschnitte 10A und 103 unterteilt
und weist eine ringförmige Elektrode 70 zwischen diesen beiden Teilen auf. Die ringförmige
Elektrode 70 ist an dem Keramikmaterial in der gleichen Weise festgelegt, wie dies
in bezug auf die Elektroden 20 und 22 beschrieben wurde. Auch hier ist das Keramikmaterial
metallisiert und die Elektrode ist durch Lötscheiben befestigt.
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Die ringförmige Elektrode 70 gemäß Fig. 7 ist in ähnlicher Weise hohl
ausgebildet und mit einem schmelzbaren Material 72 z.B. ein Lötmittel ausgefüllt
und steht an ihrem äußeren Umfang mit der Atmosphäre in Verbindung, wodurch bei
einem
Durchschlagen und einem Schmelzen der Elektrode 70 der atmosphärische
Druck das Lötmittel in den Spalt hineindrückt und einen dauerhaften betriebssicheren
Kurzschluß erzeugt Hierbei sollte erwähnt werden, daß eine Bogenentladung zwischen
den Elektroden 20 und 22 oderzwischen einer dieser Elektroden und der Elektrode
70 -oder zwischen allen drei Elektroden eintreten kann.
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Die ringförmigeElektrode 70 ist mit geringem Abstand zu den Elektroden
20 und 22 angeordnet und ihre Achse verlauft im wesentlichen in Richtung der Längsachse
der Elektroden 20 und 22. Die Endwände der Elektroden 20 und 22 sind bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 7 in geeigneter Weise abgerundet, um ringförmige Spalte zwischen diesen
Elektroden und der Elektrode 70 sowie einen länglichen Spalt zwischen den Elektroden
20 und 22 zu schaffen0 Die Elektrode 70 ist gewöhnlich geerdet und die Federklammern
48 und 50 sind mit beiden Enden einer Leitung verbunden, die geschützt werden soll.
Zu diesem Zweck kann mit der Erdeelektrode 70 ein Vebindungsstück 74 an dem Außenumfang
der Elektrode 70 so verbunden sein, daß der Ätmosphärendruck auf das schmelzbare
Metall 72 innerhalb dieser Elektrode einwirken kann.
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Wahrend besonderer Abmessungen und Materialien im Hinblick auf die
Konstruktion der vorliegenden Erfindung erwahnt wurden, versteht es sich, daß die
Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Beispielsweise können die Elektroden der
Uberspannungsschutzvorrichtung aus einem anderen leitenden Material hergestellt
sein, welches keinen besonders hohen Schmelzpunkt oder Erweichungspunkt aufweist.
Darüber hinaus sind die Überspannungs-Schutzvorrichtungen gemäß der Erfindung häufig
in vorteilhafter Weise mit ihren Längsachsen in vertikaler Richtung und nicht wie
dargestellt in horizontaler Richtung angeordnet. Hierdurch wird bei
der
Bildung des betriebssicheren Kontaktes die Schwerkraft zusätzlich zu dem Atmosphärendruck
auf das schmelzbare Material einwirken.
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- Patentansprüche -