DE4141681C2

DE4141681C2 - Überspannungsschutzelement

Info

Publication number: DE4141681C2
Application number: DE19914141681
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof Dr Ing Scheibe; Eberhard Dipl Ing Lehmann; Holger Dipl Ing Bolls
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 1991-12-17
Filing date: 1991-12-17
Publication date: 1996-11-14
Anticipated expiration: 2011-12-18
Also published as: DE4141681A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transien ten Überspannungen, mit mindestens zwei - zumindest im wesentlichen - zylindri schen, vorzugsweise vertikal angeordneten Elektroden und einer zwischen den Elek troden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke.

Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Fernmeldeeinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen tran siente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elek tronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet wer den; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.

Neben den Überspannungsschutzelementen, von denen die Erfindung ausgeht (vgl. die DE-PSen 37 16 997, 38 37 051 und 39 10 435), also solchen mit einer Luft- Durchschlag-Funkenstrecke, gibt es Überspannungsschutzelemente mit einer Luft- Überschlag-Funkenstrecke, bei denen also beim Ansprechen eine Gleitentladung auf tritt (vgl. die DE-OSen 27 18 188, 29 34 236 und 31 01 354).

Bei Funkenstrecken unterscheidet man ganz allgemein zwischen Durchschlag-Fun kenstrecken und Überschlag-Funkenstrecken. Von einer Durchschlag-Funkenstrecke spricht man, wenn die Strombahn den betreffenden Isolierstoff durchsetzt, wenn also die Isolierfähigkeit eines Isolators bei Überschreiten einer bestimmten Spannung plötzlich verloren geht. Von einer Überschlag-Funkenstrecke spricht man dann, wenn die Strombahn entlang der Oberfläche eines festen oder flüssigen Isolators entsteht. Der Überschlag, den man auch als Gleitentladung bezeichnet, tritt bereits bei einer wesentlich geringeren Spannung auf als der Luft-Durchschlag. So beträgt die Durch schlagfeldstärke für Luft etwa 20 kV/cm, während die Überschlagfeldstärke bei troc kener Luft bei 7 bis 10 kV/cm liegt.

Überspannungsschutzelemente der Art, von der die Erfindung ausgeht, also mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, haben gegenüber Überspannungsschutzelementen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfä higkeit, jedoch den Nachteil einer höheren - und auch nicht sonderlich konstanten - Ansprechspannung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, in bezug auf die Ansprechspannung zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement, bei dem die zuvor hergeleitete und dargelegte Aufgabe gelöst ist, ist nun dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden mindestens eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke als stegartig ausgebildete Zündhilfe vorgesehen ist, deren Zünden zu einem anschlie ßenden Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke führt. Erfindungsgemäß ist also in das Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, das also eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist, gleichsam eine Hilfs-Luft-Überschlag- Funkenstrecke integriert. Die erfindungsgemäß integrierte Hilfs-Luft-Überschlag- Funkenstrecke, die als Zündhilfe dient, hat eine relativ konstante und vor allem ge ringere Ansprechspannung als die dem eigentlichen Überspannungsschutz dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke. Einmal angesprochen, bei einer relativ konstanten niedrigen Ansprechspannung, führt die gezündete Hilfs-Luft-Überschlag-Funken strecke zu einem "schlagartigen" Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke mit relativ hoher Stoßstromtragfähigkeit. Anders ausgedrückt sind bei dem erfindungs gemäßen Überspannungsschutzelement die Vorteile einer Luft-Durchschlag-Funken strecke und einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke verwirklicht und deren Nachteile eliminiert.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Über spannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, anderer seits auf Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit einer Zeichnung erläutert wer den. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfin dungsgemäßen Überspannungsschutzelements,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 1,

Fig. 3 in gegenüber der Fig. 1 wesentlich vergrößerter Darstellung, den Aus schnitt A aus Fig. 1,

Fig. 4 stark schematisch, einen Schnitt durch eine zweite bevorzugte Ausfüh rungsform eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements und

Fig. 5 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 4.

Die in den Figuren dargestellten Überspannungsschutzelemente dienen der Ablei tung von transienten Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Energiever sorgungsnetzen auftreten können, und weisen zunächst zwei im wesentlichen zylin drische, vertikal angeordnete Elektroden 1, 2 und eine zwischen den Elektroden 1, 2 wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 auf.

Im übrigen gilt für die beiden in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele er findungsgemäßer Überspannungsschutzelemente, daß eine Elektrode 1, die innere Elektrode, von der anderen Elektrode 2, der äußeren Elektrode, mantelförmig umge ben ist, so daß sich ein Ringraum zwischen den Elektroden 1, 2 ergibt.

Erfindungsgemäß ist zwischen den beiden Elektroden 1, 2 mindestens eine eine Gleit entladung oder einen Überschlag auslösende Zündhilfe 4 vorgesehen. Damit ist er findungsgemäß in das Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, das also eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 aufweist, gleichsam eine Hilfs-Luft- Überschlag-Funkenstrecke integriert. Die erfindungsgemäß integrierte Hilfs-Luft- Überschlag-Funkenstrecke hat eine relativ konstante und vor allem geringere An sprechspannung als die dem eigentlichen Überspannungsschutz dienende Luft- Durchschlag-Funkenstrecke 3. Einmal angesprochen, und zwar bei einer relativ kon stanten niedrigen Ansprechspannung, führt die gezündete Hilfs-Luft-Überschlag- Funkenstrecke zu einem "schlagartigen" Zünden der Luft-Durchschlag-Funken strecke 3 mit relativ hoher Stoßstromtragfähigkeit.

In beiden in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen ragt die Zündhilfe 4 nur teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 hinein. Im übrigen ist die Zündhilfe 4 stegartig ausgeführt, was bedeutet, daß sich die Zündhilfe 4 nicht über die gesamte Länge (vorliegend den gesamten Ringraum zwischen den Elektroden 1, 2) der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke erstreckt. Die Zündhilfe 4 besteht aus Kunst stoff, und zwar aus einem Kunststoff mit geringer Kriechstromfestigkeit, der bei Lichtbogeneinwirkung gast, nämlich elektronegative Gase freisetzt.

Weiter oben ist in bezug auf das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement ausgeführt, daß zwischen den beiden Elektroden 1, 2 mindestens eine - eine Gleitent ladung oder einen Überschlag auslösende Zündhilfe 4 vorgesehen ist. Vorzugsweise sind jedoch, wie dies der Fig. 5 entnommen werden kann, zwischen den beiden Elek troden 1, 2 drei Zündhilfen 4 - gleichmäßig über den Umfang verteilt - vorgesehen.

Das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes unterscheidet sich von dem in den Fig. 1 bis 3 dar gestellten Ausführungsbeispiel nun vor allem dadurch, daß eine dritte Elektrode 5 vorgesehen ist und die dritte Elektrode 5 die zweite Elektrode 2 mantelförmig um gibt. Es handelt sich hier also um eine Drei-Elektroden-Funkenstrecke. Dabei ist auch zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 mindestens eine Zündhilfe 6 vorgesehen. Tatsächlich sind zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 drei Zündhilfen 6 - gleichmäßig über den Umfang verteilt - vorge sehen. Die Zündhilfen 6 zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 sind gegenüber den Zündhilfen 4 zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 umfangsmäßig versetzt vorgesehen. Eine Zündhilfe 6 befindet sich immer genau in der Mitte zwischen zwei Zündhilfen 4.

Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß die Zündhilfen 4 bzw. 6 als Hilfs-Luft- Überschlag-Funkenstrecken zwischen den Elektroden 1 und 2 bzw. 2 und 5 wirken, mit den Zündhilfen 4 bzw. 6 also die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 zwischen den Elektroden 1 und 2 und die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 7 zwischen den Elektroden 2 und 5 "schlagartig" zum Zünden gebracht werden können. Folglich können die Zündhilfen 4 und 6 insgesamt so ausgelegt werden, daß mit Hilfe der Zündhilfen 4 und 6 das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Überspannungs schutzelemente gesteuert werden kann. Dazu kann eine Ausgestaltung hilfreich sein, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zündhilfen 6 zwischen der zweiten Elek trode 2 und der dritten Elektrode 5 eine andere Größe und/oder Form haben und/oder aus anderem Material bestehen als die Zündhilfen 4 zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2.

Schließlich kann das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Überspannungs schutzelemente auch dadurch beeinflußt werden, daß die Elektroden 1, 2 und/ oder die Elektrode 5, soweit vorhanden, unterschiedlich lang ausgeführt werden.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Zündhilfen 6 im einzelnen so ausgeführt sein können, wie dies in bezug auf die Zündhilfen 4 detailliert beschrieben ist.

Claims

1. Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transienten Überspannungen, mit mindestens zwei - zumindest im wesentlichen - zylindrischen, vorzugsweise vertikal angeordneten Elektroden und einer zwischen den Elektroden wirksamen Luft- Durchschlag-Funkenstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (1, 2) mindestens eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke als stegartig ausgebildete Zündhilfe (4) vorgesehen ist, deren Zünden zu einem anschließenden Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke führt.

2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) nur teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) hineinragt.

3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus Kunststoff besteht.

4. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus einem Kunststoff mit geringer Kriechstromfestigkeit besteht.

5. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus einem bei Lichtbogeneinwirkung gasenden, nämlich elek tronegative Gase freisetzenden Kunststoff besteht.

6. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Elektrode (1), die innere Elektrode, von der anderen Elektrode (2), der äußeren Elektrode, mantelförmig umgeben ist.

7. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (1, 2) mehrere, vorzugsweise drei Zündhilfen (4) - vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt - vorgesehen sind.

8. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Elektrode (5) vorgesehen ist und die dritte Elektrode (5) die zweite Elektrode (2) mantelförmig umgibt.

9. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auch zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) mindestens eine Zündhilfe (6) vorgesehen ist.

10. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) mehrere, vorzugs weise drei Zündhilfen (6) vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang verteilt - vor gesehen sind.

11. Überspannungsschutzelement nach den Ansprüchen 7 und 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Zündhilfen (6) zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) gegenüber den Zündhilfen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) umfangsmäßig versetzt vorgesehen sind.

12. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Zündhilfe bzw. die Zündhilfen (6) zwischen der zweiten Elek trode (2) und der dritten Elektrode (5) eine andere Größe und/oder Form haben und/oder aus anderem Material besteht bzw. bestehen als die Zündhilfe bzw. die Zündhilfen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2).

13. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2, 5) unterschiedlich lang ausgeführt sind.