DE2911110A1

DE2911110A1 - Gasentladungs-ueberspannungsableiter mit fail-safe-verhalten

Info

Publication number: DE2911110A1
Application number: DE19792911110
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ing Grad Lange
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-03-21
Filing date: 1979-03-21
Publication date: 1980-09-25
Also published as: EP0016242A1; AU5662280A; JPS55128281A

Description

SlEItSlTS AXIISiTG-ESEILSCHAi¹T- Unser Zeichen Berlin und München YPA 79 ρ \ Q 5 Q

Gasentladungs-Überspannungsableiter mit Fail-Safe-Verhalten

Die Erfindung betrifft einen Gasentladungs-überspannungsableiter mit Pail-Safe-Yerhalten, bei dem bei Überlastung die Gasentladungsstrecke galvanisch kurzgeschlossen wird.

Der Personen- und Geräteschutz gegen elektrische Überspannungen muß in vielen Anwendungsfällen mit großer Zuverlässigkeit gewährleistet sein. Abhängig vom Einsatzort können in elektrischen Leitungen Überspannungen auftreten, die das Leistungsvermögen von üblicherweise verwendeten Gasentladungs-Überspannungsableitern übersteigen. Das kann beispielsweise dann geschehen, wenn eine Starkstromleitung mit einer Nachrichtenleitung in Berührung oder in sonstige Verbindung kommt. Die die Nachrichtenleitung absichernden Gasentladungs-Überspannungsableiter sind dann überfordert. In solchen Fällen soll bereits vor oder spätestens mit der Zerstörung des Gasentladungs-Überspannungsableiters ein

RH 1 EM / 20.3.1979

030039/0424

galvanischer Kurzschluß mit ausreichender Stromtragfähigkeit hergestellt werden. Dieser Kurzschluß verhindert, daß ein zerstörter und deswegen nicht mehr funktionsfähiger Gasentladungs-Überspannungsableiter als nurmehr vermeintlicher Schutz eine Gefährdung darstellen kann, sei es auch nur deswegen, weil er äußerlich intakt erscheint und deswegen nicht ausgewechselt wird. Ein Gasentladungs-Überspannungsableiter ist bereits schon dann nicht mehr funktionsfähig, wenn durch thermische Überlastung bzw. durch elektrische Überlastung und der daraus folgenden thermischen Überlastung die Dichtungen des Gehäuses beschädigt sind. Unter thermischer überlastung soll im folgenden eine Überlastung, gemeint sein, die beispielsweise entsteht, wenn ein Gasentladungs-Überspannungsableiter mehr als zehn Sekunden im Glimmbereich brennt. Der an sich geringe Strom erwärmt den gesamten Ableiter aber so, daß die Gehäuseabdichtungen gefährdet sind.

Bei der Packungsdichte von Gasentladungs-Überspannungsableitern in modernen Einrichtungen können thermische Verlustleistungen im Betrieb nur in begrenztem umfang abgeführt werden. Ein rechtzeitiger Kurzschluß kann deswegen auch die Zerstörung von Ableiterhalterungen und Ableitermagazinen verhindern.

Das Kurzschlußverhalten vor der Zerstörung des Gasentladungs-Überspannungsableiters ist als Pail-Safe-Verhalten bekannt und für den Fall eines inneren Kurz-Schlusses, beispielsweise in der DE-PS 2 101 417, beschrieben. Durch besondere Ausführung der inneren Elektroden verschmelzen diese bei zu hohem Strom nach der Zündung der Gasentladungsstrecke, bevor das" Gehäuse

durch Erwärmung undicht werden kann. 35

Weiter ist ein äußerer Kurzschlußmechanismus beispielsweise aus dem DGM 75 33 725 bekannt. Bei unzulässiger

,030039/0424

Erwärmung des Sasentladungs-Überspannungsableiters wird auf einer der äußeren Elektroden eine ¥eichlotpille zum Schmelzen gebracht. Dadurch schließt eine

Kurzschlußfeder die äußeren Elektroden kurz. 5

Die maximal tragbare thermische Verlustleistung soll möglichst noch nicht zu einem Kurzschluß führen. Im optimalen Pail ist die sogenannte Kurzschlußkennlinie den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt, d.h. der Kurzschluß erfolgt erst dann, wenn die thermische Verlustleistung kurz vor der sogenannten Zerstörungslinie liegt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Pail-Safe-Yerhalten in der ¥eise zu optimieren, daß die Leistungsfähigkeit des Gasentladungs-Überspannungsableiters und seiner Halterung bzw. eines Magazins mit mehreren G-asentladungs-Überspannungsableitern voll ausgenützt werden kann, daß aber ein sicherer Kurzschluß bei elektrischer und thermischer Überlastung garantiert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Gasentladungstiberspannungsableiter der eingangs ,genannten Art erfInctungsgemäS die Sombination folgender Merkmals vorgeschlagen:

a) die die G-asentla&ungs strecke bildenden inneren Elektroden sind so ausgeführt, da© -sie bei eiektrischer Überlastung des ^^s^BtlaiäTan^^iJbersiannMngsalaleiters vor der Zerstörung des |jasgefüllten £rf<Musres miteinander "vers-chmelzea «anä -so -ejtnen

b) zwlsehen den ^dürch einen isolator VisneiJianäfir getrennten t «In

vpa

2911110 79 P 105 OBRD

vor der Zerstörung des gasgefüllten Gehäuses die äußeren Elektroden kurzschließt.

Eine solche Kombination eines inneren und äußeren Kurzschlusses erlaubt ein ideales Kurzschlußverhalten. Die Kurzschlußreaktion erfolgt nach idealer Kurzschlußkennlinie unabhängig davon, ob eine schnelle elektrische oder eine langsame thermische Überlastung die Ursache ist. Die Leistungsfähigkeit des Gasentladungs-Überspannungsableiters wird dabei voll ausgenutzt. Der Kurzschluß kann dicht unter die Zerstörungslinie gelegt werden. Dabei besteht die Möglichkeit, den Kurzschlußpunkt den individuellen Gegebenheiten des Einsatzortes anzupassen.

Fach einer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Kurzschlußbügel mit einer der äußeren Elektroden fest verbunden ist und gegen die eigene Federkraft von der anderen äußeren Elektrode durch einen Schmelzkörper abgehalten ist, der sich in thermischer Verbindung auf dem gasgefüllten Gehäuse befindet und bsi, -theirmischer überlastung des Gehäuses dureli Erweichen die federkraft des KürzsehluiSbügels freigibt,.

y VPA

Kombination des inneren Kurzschlußverhaltens, das "bei der Fertigung des Gasentladungs-Überspannungsableiters festgelegt ist, und des äußeren Kurzschlußverhaltens, das abhängig vom Einsatzort und der peripheren Bauteile angepaßt werden kann, ergibt ein ideales Kurzschlußverhalten. Je nach der Entfernung des Schmelzkörpers von der näherliegenden äußeren Elektrode reagiert der Schmelzkörper mit Verzögerung auf die Erwärmung dieser

äußeren Elektrode.
IO

Nach einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Kurzschlußbügel zumindest teilweise aus einem Bimetall besteht, das durch thermische Verbindung mit dem gasgefüllten Gehäuse vor dessen thermischer Überlastung die äußeren Elektroden kurzschließen läßt. Mit dem Bimetall wird nach Beendigung der thermischen Überlastung der Kurzschluß wieder aufgehoben. Das hat den Vorteil, daß der Gasentladungs-Überspannungsableiter wieder funktionsfähig wird, es sei denn, daß auch ein innerer Kurzschluß stattgefunden hat.

Auch bei dieser Ausgestaltung besteht die Möglichkeit, daß der Kurzschlußbügel an einer Stelle mit definiertem Abstand von den äußeren Elektroden auf dem dazwischenliegenden Isolator in thermischer Verbindung aufliegt. Der definierte Abstand erlaubt wieder eine Anpassung mit Hilfe der zeitlichen Verzögerung des Kurzschlusses über die definierte Länge der Wärmeleitung von den Elektroden zu der thermischen Verbindungsstelle mit dem Kurzschlußbügel. Allerdings kann auch im Falle des Kurzschlußbügels mit dem Bimetall der Kurzschlußbügel mit.. einer der beiden äußeren Elektroden fest verbunden sein.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden.

030039/0424

* ^YPA 79 P 1 0 5 0 8RD

Dabei zeigen die

Pig. 1 einen Gasentladungs-tJberspannungsableiter mit kombiniertem inneren und äußeren Kurzschiußverhalten im Längsschnitt, wobei ein möglicher innerer Elektrodenaufbau dargestellt ist und der äußere Kurzschluß über eine Schmelzpille bewerkstelligt wird, die

Pig. 2 dazu eine axiale Draufsicht, von den weiteren Figuren 3 bis 8 - jeweils nur der äußere Aufbau dargestellt und im folgenden abgekürzt als Ableiter bezeichnet - die

Pig. 3 einen Ableiter mit einem Kunststoffring als Schmelzkörper, die

Pig. 4 dazu eine axiale Draufsicht, die

Pig. 5 einen Ableiter mit einem Eimetall-Kurzschlußbügel und jeweils einem Kurzschiußkontakt an den äußeren Elektroden, die

Pig. 6 dazu eine axiale Draufsicht, die 25

Pig. 7 einen Ableiter mit einem Bimetall-Kurzschlußbügel, der mit einer Elektrode fest verbunden ist, und die

Pig. 8 dazu eine axiale Draufsicht.

In Pig. 1 ist mit 1 eine rohrförmige Keramik- oder Glasgehäusewand eines sogenannten Knopfabieiters bezeichnet, die als Isolator zwischen zwei napfförmigen Elektroden 2 und 3 an den Rohrenden liegt. Die Elektroden 2 und 3 sind an den liapfrändern gasdicht mit den Stirnseiten der Gehäusewand 1 verbunden und bilden mit

030039/0424

ihr einen edelgasgefüllten Gasentladungsraum. Die Napfböden ragen axial in das Innere der Gehäusewand 1 hinein und tragen jeweils auf ihrer inneren Seite ein aufgeschweißtes Metallplättchen 4 "bzw. 5> die als innere Elektroden dienen mit einem Pail-Safe-Verhalten, wie es in der DE-PS 21 01 417 "beschrieben ist. Auf den äußeren Seiten der Napfboden ist jeweils ein Zuleitungsdraht 6 bzw. 7 aufgeschweißt. Die Napfränder bilden die äußeren Elektroden im Sinne der vorliegenden Beschreibung des äußeren Kurzschlusses. Zu diesem Zweck ist auf den äußeren Hand der Elektrode 2 ein Kurzschlußbügel 8 aufgeschweißtj der sich über den Rand längs der Gehäusewand zum äußeren Rand der anderen Elektrode 3 erstreckt. Er ist gegen die andere Elektrode 3 federnd ausgebildet und wird von dieser Elektrode 3 durch eine Schmelzpille 9 aus Metall oder Kunststoff abgehalten. Diese Schmelzpille 9 sitzt an einer Stelle auf der Gehäusewand 1, wo ihre Entfernung von dem einen Elektrodenrand 3 etwa die Hälfte von ihrer Entfernung von dem anderen Elektrodenrand 2 beträgt .

Die axiale Draufsicht der Fig. 2 zeigt die eine äußere Elektrode 2, den Zuleitungsdraht 6 und den Kurzsohlußbügel 8, der an zwei Befestigungszungen mit vier Schweißpunkten auf dem äußeren Rand der Elektrode 2 aufliegt.

Tritt ein Überlastungsstrom nach dem Zünden des Ableiters auf, dann verschmelzen die beiden inneren Elektroden 4 und 5 miteinander und bilden dadurch einen dauerhaften Kurzschluß, bevor ein Defekt durch Wärmeentwicklung an der Dichtung zwischen Gehäusewand 1 und den Elektroden 2 und 3 auftreten kann. Eine Erwärmung beispielsweise durch eine längere Glimmentladung, wo ein innerer Kurzschluß nicht entstehen kann, die aber der

030039/0424

79 P 1 0 5 0 BRO

JBT VPA

Abdichtung zwischen Gehäusewand und den Elektroden 2 und 3 gefährlich werden kann, bewirkt mit einer Zeitverzögerung entsprechend der Entfernung der Schmelzpille 9 von der äußeren Elektrode 3 und der Wärmeleitfähigkeit der Gehäusewand 1, daß die Schmelzpille ihren Schmelzpunkt erreicht und dem Federdruck des Kurzschlußbügels 3 nachgibt. Dadurch federt das Kontaktende des Kurzschlußbügels 8 gegen die äußere Elektrode 3 und schließt die beiden äußeren Elektroden 2 und 3 kurz.

Die Fig. 3 enthält in einer Längsansicht von außen wieder eine Gehäusewand 1 und äußere Elektroden 2 und 3, die ohne Anschlußdrähte ausgeführt sind. Der innere Kurzschlußmechanismus entspricht dem der Fig. 1 und ist der Einfachheit halber weggelassen. Statt der Schmelzpille 9 ist um die Gehäusewand 1 ein Kunststoffring gelegt, wieder mit einer definierten Entfernung von der äußeren Elektrode 3· Die Funktion des Kunststoffrings 10 entspricht der der Schmelzpille 9· Als Variante ist der Kurzschlußbügel 8 nicht mit zwei Zungen an der äußeren Elektrode 2 befestigt, sondern in einer fertigungstechnisch einfacheren Version als weiterführender Blechstreifen quer über die äußere Elektrode 2, wie es in der Fig. 4 in der axialen Draufsicht dargestellt ist.

In der Fig. 5 ist wiederum ein Ableiter mit Gehäusewand 1 und zwei äußeren Elektroden 2 und 3 in äußerer Längsansicht dargestellt. Der innere Kurzschlußmecha:- nismus kann wieder dem nach Fig. 1 entsprechen. Der äußere Kurzschlußmechanismus wird durch einen Bimetallstreifen bewerkstelligt, der in thermischer Verbindung ,'■ mit der Gehäusewand 1 steht. Der Bimetallstreifen 11 ^

erstreckt sich längs des Ableiters und wird etwa in g

030 039/0424

VPA

der Mitte durch eine metallische Spange 12 auf der Gehäusewand 1 gehalten. Die Enden des Bimetallstreifens 11 bewegen sich bei Erwärmung zu den äußeren Elektroden 2 und 3 hin und schließen sie kurz, in der Pig. 5 gestrichelt eingezeichnet. Nach Beenden der Erwärmung wird der Kurzschluß wieder aufgehoben, wenn der Bimetallstreifen 11 sich wieder streckt. Aus der axialen Draufsicht in Pig. 6 ist der Klemmsitz der

Spange 12 auf der Gehäusewand 1 zu ersehen. 10

Auch die Pig. 7 enthält eine äußere Längsansicht eines Ableiters mit Gehäusewand 1, äußeren Elektroden 2 und 3 und mit nicht dargestelltem inneren Kurzschlußmechanismus. Der äußere Kurzschlußmechanismus besteht aus einem einzigen Bimetallstreifen 13> der mit der äußeren Elektrode 2 fest verbunden ist und quer über deren äußerem Rand liegt. Er erstreckt sich über den Rand hinaus gebogen längs der Gehäusewand 1 bis zur anderen äußeren Elektrode 3> wo er bei Erwärmung deren radialen äußeren Rand berührt und dadurch die beiden äußeren Elektroden 2 und 3 kurzschließt. Nach Abkühlen wird auch hier der Kontakt wieder geöffnet, so daß der Ableiter wieder funktionsfähig ist, falls nicht ein innerer bleibender Kurzschluß stattgefunden hat.

Die erfindungsgeraäße Kombination eines inneren und äußeren Kurzschlusses ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie läßt sich mit demselben Vorteil auch auf Mehrstreckenabieiter und auf Kombinationen mehrerer Ableiter anwenden.

9 Patentansprüche
8 Figuren

030039/0 4 24

Claims

VPA 79 P 1 0 5 0 SRO Pat entansOrilche

1. Gasentladungs-Überspannungsableiter mit Fail-Safe-Yerhalten, bei dem bei Überlastung die Gasentladungsstrecke galvanisch kurzgeschlossen "wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die die Gasentladungsstrecke bildenden inneren Elektroden (4,5) sind so ausgeführt, daß sie bei elektrischer Überlastung des Gasentladungs-Überspannungsableiters vor der Zerstörung des gasgefüllten Gehäuses miteinander verschmelzen und so einen inneren Kurzschluß herbeiführen;

b) zwischen den durch einen Isolator (1) voneinander

getrennten äußeren Elektroden (2,3) befindet sich mindestens ein Kurzschlußbügel (8,11,12,13)» der bei thermischer Überlastung vor der Zerstörung des gasgefüllten Gehäuses die äußeren Elektroden (2,3) kurzschließt.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußbügel (8) mit einer (2) der äußeren Elektroden (2,3) fest verbunden ist und gegen die eigene Federkraft von der anderen äußeren Elektrode (3) durch einen Schmelzkörper (9,10) abgehalten ist, der sich in thermischer Verbindung auf dem gasgefüllten Gehäuse befindet und bei thermischer Überlastung des Gehäuses durch Erweichen die Federkraft des Kurzschlußbügels (8) freigibt.

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, d a durch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (9) eine Weichlotpille ist, die sich in definiertem Abstand von den äußeren Elektroden (2,3) auf dem dazwischenliegenden Isolator (1) befindet.

030 039/04 2 4

ORIGINAL INSPECTED

4. Überspannungsableiter nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (9) aus Kunststoff ist und sich auf dem Gehäuse in definiertem Abstand zwischen den äußeren Elektroden (2,3) befindet.

5. Überspannungsableiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (10) ein um das Gehäuse gelegter Kunststoffring (10) ist.

6. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußbügel (11,12,13) zumindest teilweise aus einem Bimetall (11,13) besteht, das durch thermische Verbindung mit dem gasgefüllten Gehäuse vor dessen thermischer Überlastung die äußeren Elektroden (2,3) kurzschließen läßt.

7. Überspannungsableiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußbügel (11,12) an einer Stelle mit definiertem Abstand von den äußeren Elektroden (2,3) auf dem dazwischenliegenden Isolator (1) in thermischer Verbindung aufliegt.

8. Überspannungsableiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußbügel (13) mit einer (2) der äußeren Slektroden (2,3) fest verbunden ist.

9. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Abstand der thermischen Verbindungsstelle von den äußeren Elektroden (2,3) eine zeitliche Verzögerung des äußeren Kurzschlusses nach Eintritt einer Elektrodenerwärmung bestimmt ist.

030039/0424