DE2718188C3

DE2718188C3 - Überspannungsschutzgerät

Info

Publication number: DE2718188C3
Application number: DE2718188A
Authority: DE
Inventors: Johannes Prof. Dr.-Ing. 8014 Neubiberg Wiesinger
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 1977-04-23
Filing date: 1977-04-23
Publication date: 1984-07-05
Also published as: IT1094509B; FR2388426A1; JPS5416646A; FR2388426B1; DE2718188A1; IT7822550A0; DE2718188B2; CH630204A5

Description

a) als Überspannungsableiter dient eine blitzstromtragfähige Luft-Überschlag-Funkenstrekke (2), deren Luft-Überschlagstelle (8) sich außerhalb ihrer topfförmig ausgebildeten Elektroden (5,6) befindet, wobei die Elektroden an den Stoßstellen durch eine Isolationsschicht (Isolierung 7) in Abstand gehalten sind.

b) der zylindrisch ausgebildete Varistor (1) ist zentrisch in den Innenräumen der Elektroden (5,6) angeordnet und steht mit ihnen an seinen Stirnflächen in stromleitender Verbindung.

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2. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als stromleitende Verbindung Kontaktplatten oder -federn (9) zwischen den Elektroden (5,6) und dem Varistor (1) vorgesehen sind.

3. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils aus einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke (2) und einem darin integrierten Varistor (1) bestehende Anordnungen in elektrischer Reihenschaltung und räumlich übereinander vorgesehen sind.

4. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen in ■ einem gemeinsamen Gehäuse (12,13) übereinandergestapelt sind. '35

5. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anordnungen in einem Abstand von der Innenwand des Gehäuses (12,13) befinden und demgegenüber zentriert sind.

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Überspannungsschutzgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiges Überspannungsschutzgerät ist aus der DE-OS 25 38 919 bekannt In dieser Druckschrift ist eine elektrische Parallelschaltung eines Varistors mit einem als Gasentladungsableiter ausgebildeten Überspannungsableiter beschrieben und dargestellt. Damit sollen zwei Ziele erreicht werden. Der Varistor spricht im Nano-Sekundenbereich (Stromleitung durch Festkör per) und damit wesentlich schneller als der Überspan nungsableiter (Stromleitung durch Gas) an, so daß der einem Überspannungsableiter immanente Zündverzug durch die schnellere Ableitung mittels des Varistors vermieden wird. Sobald beim Auftreten einer Über spannung ein entsprechender Strom über den Varistor fließt, entsteht an ihm ein Spannungsabfall, der bei entsprechender Auslegung der Bauteile des Überspannungsschutzgerätes im Normalfall die Zündspannung des Überspannungsabieiters erreicht. Dies hat zur Folge, daß der größere Teil des durch die Überspannung hervorgerufenen Stromes über den Überspannungsableiter geht, der elektrisch höher belastbar ist als ein Varistor. Damit soll eine elektrisch-thermische Überbeanspruchung des Varistors verhindert werden.

Nachteiliger Weise sind Gasentladungsableiter aufgrund der Tatsache, daß der Strom als Durchschlag in ihrem Innern fließt, größeren Strömen, wie sie infolge von Blitzschlägen auftreten, nicht gewachsen. Mit dem bekannten, vorstehend erläuterten Überspannungsschutzgerät wird daher oft schon beim Auftreten des ersten Teilblitzstromes eines üblicherweise multiplen Blitzes, mit Sicherheit aber bei den folgenden Teilblitzströmen kein Schutz mehr gegeben sein, da zunächst der Gasentladungsableiter und danach der Varistor zerstört werden. Hinzu kommt, daß bei dieser vorbekannten Anordnung Varistor und Gasentladungsableiter je eine Baueinheit für sich und nebeneinander angeordnet, sowie durch entsprechende Zuleitungen elektrisch miteinander verbunden sind. Abgesehen davon, daß eine solche Anordnung räumlich aufwendig ist, ist es bei dieser Anordnung ungünstig, daß auf die Verbindungsleitung beim Fließen höherer Ströme relativ hohe elektromagnetische Kräfte ausgeübt werden. Außerdem erhöhen die Induktivitäten der Verbindungsleitungen die Strom-Laufzeit zwischen Varistor und Überspannungsableiter, d. h. vermindern die Schutzwirkung. Schließlich ist es bei gasgefüllten Überspannungsableitern, die auch als Gas-Durchschlag-Funkenstrecke definiert werden können, von Nachteil, daß sie zu kurzen Durchschlagzeiten hin hohe Ansprechspannungen aufweisen. Das beißt, sie besitzen eine steile 3toßkennlinie. Damit wird aber die Spannung am Verbraucher und am Varistor nicht auf einen konstanten Wert begrenzt Auch besteht bei Gasentladungsableitern das Problem, daß das Schutzgas altert und langsam entweichen kann.

Die DE-PS 11 92 733 zeigt eine Anordnung, bei der der abzuleitende Strom über eine Reihenschaltung eines Varistors mit einer Funkenstrecke geführt wird. Diese bekannte Anordnung entspricht also nicht der Gattung der Erfindung. Außerdem ist die dort vorgesehene Funkenstrecke nur eine Luft-Durchschlag-Funkenstrekke, bei der der Überschlag innerhalb der Elektroden erfolgt Eine ähnliche Anordnung zeigt die DE-OS 19 47 046.

Auch dort liegt der stoßstromtragfähige Varistor in Reihe mit der Funkenstrecke. Diese Schaltung entspricht ebenfalls nicht der Schaltung gemäß Gattung der Erfindung. Es werden auch hier Luft-Durchschlag-Funkenstrecken verwendet

Aus der DE-OS 23 37 743 ist eine blitzstromtragfähige Luft-Überschlagfunkenstrecke bekannt, deren Elektroden durch eine Isolationsschicht im Abstand voneinander gehalten sind und deren Luftüberschlagstelle sich außerhalb des zwischen ihren Elektroden gelegenen Raumes befinden. Da sich der Lichtbogen nicht mehr in einer engen, allseitig umgrenzten Kammer befindet, wird die vom Überschlag entstehende Energie wesentlich rascher und besser, und zwar nach außen abgeführt. Diese Vorveröffentlichung beinhaltet aber keinen Hinweis auf den Zusammenbau und das Zusammenwirken einer solchen Funkenstrecke mit einem Varistor.

Die CH-PS 3 02 293 zeigt eine integrierte Bauweise, bei der sich aber der spannungsabhängige Widerstand außen und die Funkenstrecke innen befinden. Damit ist der dort entstehende Lichtbogen von Bauteilen umgeben, d. h. eingehaust. Eine solche Funkenstrecke ist nicht blitzstromtragfähig und daher auch nicht zur Erzielung der Funktionen geeignet, die mit dem vorliegenden Überspannungsgerät erreicht werden sollen. Eine im Prinzip gleiche Einhausung einer Funkenstrecke ist bei einem Überspannungsableiter gemäß der DE-OS

15 88 771 vorhanden. Hier ist die Funkenstrecke räumlich in Reihe mit einem Varistor vorgesehen, wobei diese beiden Elemente von einem aus Isolierstoff bestehenden Gehäuse vollständig umgeben sind.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe augrunde, ein Überspannungsschutzgerät mit einem Varistor und einem Überspannungsableiter dahingehend zu verbessern, daß der Überspannungsableiter auch größere Ströme (mit höherer Amplitude, größerer Ladung und großem Stromquadratimpuls J i²dt), insbesondere erhebliche Teile des Blitzstromes aufgrund von nahen Blitzeinschlägen, aushalten kann. Darüberhinaus soll eine kompakte, raumsparende und induktivitätsarme Bauweise des Überspannungsschutzgerätes erzielt werdea Ferner soll die Spannung am Verbraucher und am Varistor auf einen nahezu konstanten Wert begrenzt werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst

Das erfindungsgemäße Überspannungss "hutzgerät sichert bei Beibehaltung der außerordentlich kurzen Ansprechzeit des Varistors durch die Luft-Überschlag-Funkenstrecke die Ableitung auch sehr hoher Ströme, wie sie bei Blitzeinschlägen auftreten. Im Gegensatz zum Gasentladungsableiter fließt bei einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke der Strom als Überschlag außen. Daher kann eine Luft-Überschlag-Funkenstrecke ohne weiteres den hohen Strom aufgrund eines nahen Blitzeinschlages, z. B. in ein Gebäude, und gegebenenfalls auch weitere Teilblitzströme multipler Blitze ableiten, wobei der Varistor weitgehend von Strömen entlastet, d. h. nicht überbelastet wird. Ein Zerreißen wie bei den bekannten Gasentladungsableitern oder auch ein Verschweißen der Funkenstrecke findet nicht statt Beim Auftreten geringerer Überspannungen und entsprechend weniger hoher abzuleitender Ströme spricht nur der Varistor als erste Schutzstufe an. In solchen Fällen ist der an ihm auftretende Spannungsabfall nicht hoch genug, um die Luft-Überschlag-Funkenstrecke zum Überschlag zu bringen. Erst bei größeren Belastungen wird die Luft-Überschlag-Funkenstrecke als zweite Schutzstufe (Überlastschutz für den Varistor) wirksam. Luft-Überschlag-Funkenstrecken haben eine praktisch horizontal verlaufende Stoßkennlinie, da ihre Ansprechspannungen zu kurzen Durchschlagzeiten hin nur geringfügig ansteigen. Hierdurch ist ein stets guter Schutz des Verbrauchers und des zu dieser Funkenstrekke parallel geschalteten Varistors möglich, denn bei der erfindungsgemäßen Anordnung begrenzt die Luft-Überschlag-Funkenstrecke die Spannung am Verbraucher und am Varistor immer auf einen nahezu konstanten Wert, d. h. diese Spannung wird nicht oder nur sehr geringfügig von der jeweiligen Durchschlagszeit beeinflußt Hinzu kommt der Vorteil, daß eine Luft-Überschlag-Funkenstrecke als Hochleistungs-Funkenstrecke von zum Beispiel 10OkA, 8/20 ausgeführt werden kann. Sie ist also mit hohen Strömen belastbar. Dabei bedeutet 8/20 eine genormte Wellenform mit 8 \is Stirnanstiegszeit und 20 μβ Rückenhalbwertzeit.

Das Überspannungsschutzgerät nach der Erfindung ist also allgemein einsetzbar, wobei sein bevorzugtes Anwendungsgebiet jedoch der Bereich ist, in dem mit direkten Blitzeinschlägen zu rechnen ist. Diese Über spannungsschutzgeräte werden z. B. in Gebäuden einzusetzen sein, die mit einer Blitzschutzanlage versehen sind und bei denen erhebliche Blitzstromanteile über die zu schützenden Anlagen fließen können.

Aufgrund der räumlichen Ir.tegrierung des Varistors in die Luft-Überschlag-Funkenstrecke ermöglicht die Erfindung ferner eine sehr kompakte und damit raumsparende Bauweise. Laufzeiteffekte zwischen Varistor und Überspannungsableiter werden minimalisiert da Verdrahtungen zwischen diesen ineinanderangeordneten Bauelementen vermieden sind Vielmehr können die durch die Überspannung hervorgerufenen Ströme ohne Schleifenbildung und im wesentlichen in gerader Linie durch den Varistor und die Luft-Überschlag-Funkenstrecke hindurchgehen. Hierdurch und aufgrund der ίο genannten kompakten Bauweise kann mau auch hohe Stromkräfte, wie sie insbesondere bei Blitzströmen infolge naher Blitzeinschläge auftreten, mechanisch auffangen, bzw. bewältigen. An dieser Stelle sei erwähnt, daß man ferner die Parallelschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes (Varistors) mit einem Ventil- ableiter kennt wobei der Ventilableiter aus einer Funkenstrecke und einem damit elektrisch in Reihe geschalteten Begrenzungswiderstand besteht Varistor, Funkenstrecke und Begrenzungswiderstand werden in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet in üblicher Weise miteinander verdrahtet und das gesamte Gehäuseinnere wird durch eine Kunstharzmasse vergossen. Die Kunstharzmasse trägt zwar dazu bei, die auftretenden Stromkräfte zu bewältigen. Nachteiligerweise ist aber auch diese Anordnung sehr raumaufwen dig. Außerdem verhindert zumindest verzögert die Kunstharz-Vergußmasse die Abfuhr der im Überspannungsfall entstehenden Stromwärme, insbesondere der Stromwärme am Varistor. Auch diese Nachteile sowie die Nachteile der erläuterten Überspannungsableiter mit eingeschlossener Funkenstrecke sind mit dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzgerät vermieden. Weiter ist es nach der Erfindung vorteilhaft, daß die Elektroden der Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Varistor umschließen und mit ihm in einer stromleitenden Verbindung stehen. Dadurch geht die Spannung zum einen etwa in Richtung der Längsachse des Überspannungsschutzgerätes durch die Elektroden der Funkenstrecke und den Varistor hindurch und/oder zum anderen über die beiden Elektroden und deren Luft-Überschlagstelle. Mit dieser Anordnung umgeben die beiden Elektroden den Varistor in Art eines Gehäuses. Dies zeigt nicht nur den erläuterten Vorteil der Kompaktheit, sondern auch den Vorteil einer möglichst direkten, geradlinigen Stromführung ohne die Bildung von Schleifen und Induktivitäten. Auf Verdrahtungen zwischen Varistor und Überspannungsableiter kann vollständig verzichtet werden. Dabei kann ferner gemäß der Erfindung der Varistor zentrisch innerhalb der Elektroden angeordnet sein. Der Stromübergang von den Elektroden zum Varistor kann dabei mittels Kontaktfedern oder -platten erfolgen. Zur günstigeren Stromverteilung kann der Innenraum der Elektroden topfförmig und der Varistor zylindrisch ausgebildet sein.

Die erläuterten Vorteile der Umschließung des Varistors durch die Elektroden sind nun gemäß der Erfindung mit den bereits erläuterten Vorteilen einer Luft-Überschlagstelle, die sich außerhalb der Elektroden befindet, funktionell verbunden.

Die Merkmale des Anspruches 2 ergeben eine besonders günstige stromleitende Verbindung zwischen den Elektroden und dem Varistor.

Die Erfindung erlaubt ferner gemäß einer weiteren Ausführungsform, daß mehrere, jeweils aus einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke und integriertem Varistor bestehenden Anordnungen in elektrischer Reihenschaltung und räumlich übereinander vorgesehen, z. B. in einem gemeinsamen Gehäuse übereinander gestapelt

sind. Damit kann man aus für eine bestimmte Spannung ausgelegten Überspannungsschutzgeräten nach dem Baukastensystem ein Überspannungsschutzgerät für einen Spannungsbetrag von einem entsprechenden Vielfachen schaffen. Dabei bleibt der angestrebte Vorteil einer möglichst geradlinigen Führung des Stromes ohne Schleifenbildung und ohne das Entstehen von größeren Induktivitäten voll erhalten.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein prinzipielles elektrisches Schaltbild,
Fig.2 im wesentlichen schematisch einen Schnitt durch ein Überspannungsschutzgerät nach der Erfindung,

F i g. 3 in gegenüber F i g. 2 verkleinertem Maßstab und ebenfalls irr, wesentlicher, schematisch mehrere Überspannungsschutzgeräte übereinandergestapelt,

F i g. 4 bis 6 verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Funkenstrecke.

F: g. 1 zeigt die elektrische Parallelschaltung eines Varistors 1 mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke 2. Anschlüsse 3 und 4 liegen zwischen den zu schützenden Leitungen, z. B. dem Phasen- und dem Schutzleiter. Wie eingangs erläutert, spricht der Varistor 1 sofort an und verhindert das Auftreten einer unzulässigen Überspannung. Die Luft-Überschlag-Funkenstrecke 2 spricht nur bei extrem hohen Strömen, wie sie bei nahen Blitzeinschlägen zu erwarten sind, mit einem gewissen Zündverzug an und übernimmt dann zum Schutz des Varistors 1 nahezu die gesamte Stromableitung. Derartige Überspannungsschutzgeräte werden z. B. an die Klemmen von Transformatoren, Generatoren, Motoren und Schaltern angesetzt, da hier in Folge von Schalthandlungen Spannungsspitzen auftreten. Sie können ferner zum Schutz elektrischer Schaltkreise oder Einrichtungen gegen Überspannungen dienen. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist jedoch die sichere Ableitung von Überspannungen und -strömen aufgrund von Blitzeinschlägen.

Gemäß F i g. 2 umgeben die beiden Elektroden 5, 6 topfförmig den zylindrischen Varistor 1. Mit 7 ist eine isolierung (z. B. Glimmer) zwischen den Elektroden 5,6 bezeichnet, so daß deren Luft-Überschlagstelle bei 8 außei halb der Elektroden gebildet wird.

Um Leitungen bzw. Verdrahtungen zu vermeiden, erfolgt der Stromübergang von den Elektroden 5,6 zum Varistor 1 durch Kontaktplatten oder -federn 9, die sich zwischen den Innenstirnflächen der Innenräume der Elektroden und den Außenstirnflächen des Varistors befinden und unter einem entsprechenden Anpreßdruck stehen. Es ist ersichtlich, daß man hiermit kürzeste Stromwege erreicht, die in F i g. 2 schematisch strichpunktiert angedeutet sind. Der Stromweg 10 geht über die erste Elektrode 5, durch den Varistor 1 und die zweite Elektrode 6 und verteilt sich etwa über den gesamten Flächenquerschnitt dieser Teile. Sofern die Funkenstrecke anspricht, verteilen sich die weiteren Stromwege 11 über die Elektroden 5, 6 und die Luftüberschlagsstellen 8. Damit ergibt sich das erläuterte günstige dynamische Verhalten bei hohen Strömen.

Die kompakte und in sich geschlossene Ausgestaltung des Überspannungsgerätes nach der Erfindung erlaubt in einfacher Weise ein Übereinanderstapeln mehrerer solcher Überspannungsschutzgeräte und damit ein entsprechendes Vervielfachen der Ansprech- oder Schutzspannung. F i g. 3 zeigt hierzu ein Gehäuse 12 mit Deckel 13 und den Zu- und Ableitungen 3,4, in dem vier einzelne Überspannungsschutzgeräte übereinander gestapelt sind. An ihren Stoßflächen 14 sind sie entweder durch ihr direktes Anliegen aneinander oder durch gesonderte, in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel elektrisch verbunden und damit in Reihe geschaltet. Eine im wesentlichen geradlinige Führung des Stromes ist auch hier verwirklicht. Um genügend Platz für die Luft-Überschlagstellen 8 zu schaffen, ist zwischen den Elektroden und der Innenfläche des ebenfalls zylindrischen Gehäuses 12 ein zylindrischer Ringspalt 15 gelassen. Zentrierarme oder -flansche 16 der Elektroden sichern deren zentrische Lage im Gehäuse 12.

Die Ausgestaltung der Elektroden und insbesondere die Anordnung, bzw. Lage der Überschlagsstelle können verschieden sein. Sie könnten wie dargestellt topfförmig, aber auch als Klötze oder Stäbe ausgebildet sein. Ferner sind Ausgestaltungen der Elektroden bezüglich der Anordnung ihrer Luft-Überschlagstellen gemäß den Ausführungsmöglichkeiten der Fig.4 bis 6 möglich, wobei in diesen Beispielen alle übrigen Bauteile nicht gekennzeichnet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Überspannungsschutzgerät zur Ableitung von Blitzströmen mit einem Varistor und einem dazu elektrisch parallelgeschalteten Überspannungsableiter, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: