DE4203041A1 - Spannungssicherung fuer elektrische anlagen o. dgl. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungssicherung für elektrische Anlagen od. dgl. nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, edelgasgefüllte Überspannungsableiter als Sicherung gegen­ über Überspannungen und/oder Überströmen einzusetzen. Innerhalb eines isolierenden, üblicherweise aus Keramik oder aus Glas bestehenden Gehäuses sind mit Abstand einander gegenüberliegend zwei Elektroden angeordnet. An einander gegenüberliegenden Stirnflächen des Gehäuses können für einen Anschluß innerhalb einer elektrischen Anlage o. dgl. sich in axialer Richtung von dem Gehäuse erstreckende Gewindestifte ausgebildet sein. Es können aber auch Anschlüsse durch Anlage der Stirnflächen des Gehäuses an ent­ sprechend ausgebildeten Kontaktstücken gebildet werden.

Die Wirkungsweise derartiger Überspannungsableiter ist derart, daß beim Auf­ treten einer eine vorgegebene Ansprechspannung oder einen vorgegebenen Ansprechstrom überschreitenden Überspannung bzw. eines Überstroms ein Lichtbogen zwischen den beiden Elektroden auftritt. Die Seitenwandung des im allgemeinen zylinderförmig ausgebildeten Gehäuses kann durch den Lichtbo­ gen zerstört werden. Unter dem Einfluß des unter einem hohen Druck stehen­ den Edelgases kann es dabei zu einem explosionsartigen Bersten der Seiten­ wandung kommen. Dadurch kann kurzfristig die Ausbildung des für eine sichere Ableitung der Überspannung bzw. des Überstromes notwendigen Lichtbogens unterstützt werden. Andererseits führt die Zerstörung des Gehäuses jedoch dazu, daß das Edelgas, wie auch infolge der Erwärmung durch den Lichtbogen geschmolzene Teile der Elektroden nach außen austreten können. Der Austritt von Elektrodenteilen kann die Ausbildung einer gut leitenden Verbindung zwi­ schen den beiden Elektroden beeinträchtigen. Es kann dadurch nämlich eine für eine sichere Ableitung bspw. eines Kurzschlusses zu einer Erdung wün­ schenswerte Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen den beiden Elek­ troden zumindest behindert werden. Zum anderen kann der Austritt von Elektrodenmaterial und Edelgas zu einer Beeinträchtigung der Umwelt mit Schadstoffen führen.

Es ist weiter bekannt, bei einem Überspannungsableiter mit plattenförmigen Funkenstreckenelektroden und mit spannungsabhängigen Widerständen die Widerstände ringförmig auszubilden und die Elektroden innerhalb eines Hohl­ raumes, der durch die Widerstände gebildet wird, anzuordnen und mit Gießharz festzulegen (DE-PS 8 18 665).

Es ist weiter ein Überspannungsableiter für Hochspannungsanlagen bekannt (DE-PS 7 39 248), bei dem ein Ableiter mit zwei Funkenstreckenelementen in einem Porzellangehäuse mit einem durchgehenden hohlzylinderförmigen In­ nenraum angeordnet ist. Jedes der Funkenstreckenelemente ist in einem ge­ schlossenen Gehäuse untergebracht, in dem jeweils eine Anzahl von Schalt­ funkenstrecken angeordnet ist. Die Gehäuse werden jeweils über Federn in ih­ rer Lage gehalten und es sind zwischen den beiden Funkenstreckenelementen ventilartig wirkende, poröse Blöcke angeordnet.

Es ist ferner bei einer Funkenstreckenanordnung für Überspannungsableiter bekannt (DE-PS 7 59 498), die beiden Elektroden jeweils einer Einzelfunken­ strecke so auszubilden und zusammen mit einem Isoliermaterial so anzuord­ nen, daß infolge einer örtlichen Feldverdichtung Vorentladungen entstehen, die das Hauptentladungsgebiet zwischen den Elektroden beeinflussen können. Die bekannten Überspannungsableiter sind relativ aufwendig hinsichtlich ihres Aufbaus und ihres Einsatzes. Diese Überspannungsableiter sind weiterhin darauf gerichtet, daß mehrere Einzelfunkenstrecken im wesentlichen gleichen Aufbaus hintereinander geschaltet sind; Angaben betreffend die Anordnung eines edelgasgefüllten Überspannungsableiters innerhalb eines Paares von Außenelektroden sind nicht enthalten.

Es ist ein weiterer, gattungsgemäßer Überspannungsableiter aus der DE-AS 19 22 823 bekannt, welcher einen mit einer Funkenstrecke versehenen Über­ spannungsableiter aufweist. Ab einer gewissen Größe der Überspannung ent­ steht in dem Überspannungsableiter ein Lichtbogen, welcher zu einer Erwär­ mung des gesamten Überspannungsableiters und damit einer Weichlotpille führt, wodurch diese Weichlotpille schmilzt und dadurch ein mit einer Feder vorgespanntes Kontaktstück mit einem Rand eines elektrisch leitenden Ge­ häuseteils zwecks einer widerstandsarmen Ableitung des elektrischen Stroms in Kontakt treten kann. Jedoch hat sich dieser Kontaktquerschnitt als zu klein erwiesen und der unkontrollierte Stromfluß über das Gehäuse als nicht wün­ schenswert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Spannungs­ sicherung mit einem Überspannungsableiter so weiterzubilden, daß in einfach auszubildender und einzusetzender Weise auch längerfristig ein Lichtbogen aufrechterhalten bzw. ein guter Kontakt zum Ableiten eines Überstromes bzw. einer Überspannung gegeben ist und daß ein Austritt von geschmolzenem Elektrodenmaterial zumindest weitgehend vermieden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Nach der Erfindung ist der Überspannungsleiter in einer Aufnahme zwischen einer ersten Außenelektrode und einer zweiten Außenelektrode angeordnet. Die Außenelektroden weisen jeweils einen Verbindungsflansch auf und sind über ihre beiden Verbindungsflansche aneinander befestigt. Die Stirnflächen der Verbindungsflansche sind hierbei einander zugewandt. Zwischen den Stirnflächen ist eine Isolierscheibe angeordnet zur elektrischen Trennung der Flansche und damit der beiden Außenelektroden voneinander. Wird die Seitenwandung des Überspannungsableiters durch den beschriebenen Lichtbogen zerstört, sieht die Erfindung vor, daß sich die einander gegenüberliegenden Stirnseiten der Verbindungsflansche und damit die Außenelektroden miteinander verschweißen. Die Isolierscheibe ist derart materialbeschaffen, daß sie bei der Verschweißung der beiden Außenelektroden aufgrund eines Lichtbogens verbrennt. Somit stört sie bei ansprechender Spannungssicherung den Schweißvorgang in keinster Weise und ermöglicht eine gute elektrische Kontaktierung zwischen den beiden Außenelektroden. Hierbei werden die einander zugewandten Stirnflächen der beiden Verbindungsflansche zumindest teilweise miteinander verschweißt. Die Ausgestaltung der Verbindungsflansche läßt eine Anpassung der Schweißfläche an die Stärke und die Einwirkdauer des Lichtbogens zu. Damit ist auch ein an die jeweilige Höhe des Kurzschlußstromes angepaßter, elektrisch leitender Durchgangsquerschnitt zwischen den beiden Elektroden gegeben.

Die einstückige Herstellung der Verbindungsflansche mit der jeweiligen Außenelektrode und des jeweiligen Anschlußstückes vermeidet vorteilhaft die Arbeitsweise der Spannungssicherung negativ beeinflussende Übergangswiderstände zwischen diesen elektrisch leitenden Teilen.

Die Aufnahme wird durch einen ersten sacklochförmigen Aufnahmebereich in der ersten Außenelektrode und einen sich daran anschließenden zweiten sacklochförmigen Aufnahmebereich in der zweiten Außenelektrode gebildet. Damit ist in einfacher Weise der Überspannungsableiter in der Spannungssicherung so angeordnet, daß während seines Ansprechens und der damit erfolgenden Ausbildung eines Lichtbogens keine geschmolzenen Teile der Elektroden nach außen gelangen können. Derartige Teile werden vielmehr in der Aufnahme zurückgehalten. Bei der erfindungsgemäßen Durch­ schlageinrichtung ist es wesentlich, daß Überspannungsableiter in einer gegenüber Elektrodenteilen im wesentlichen dichten Aufnahme gehalten werden. Die äußere Ausbildung der Überspannungsableiter ist dabei, solange die elektrische Charakteristik dem vorgesehenen Verwendungszweck entspricht, nur insofern zu berücksichtigen, als die Aufnahme in entsprechender Weise auszubilden ist. Es ist somit mit geringen Modifikationen betreffend Form und Abmessung der Aufnahme möglich, die erfindungsgemäße Spannungssicherung so anzupassen, daß jeweils geeignete, handelsübliche Überspannungsableiter eingesetzt werden können. Weiterhin ist es möglich, bestehende Anlagen mit Überspannungsableitern unter Beibehaltung dieser Art von Überspannungsableitern durch den Einsatz erfindungsgemäßer Spannungssicherungen nachzurüsten.

Erfindungsgemäß ist weiterhin der Überspannungsableiter gegenüber einem Bodenabschnitt des ersten oder zweiten Aufnahmebereichs über eine Feder vorgespannt, die zwischen dem Bodenabschnitt des gegenüberliegenden Aufnahmebereichs und der diesem zugewandten Kontaktfläche angeordnet ist. Damit wird zum einen in einfacher und sicherer Weise vermieden, daß der Überspannungsableiter bzw. eine oder beide seiner Kontaktflächen während seines Einbaus in die durch zwei Außenelektroden gebildete Aufnahme beschädigt werden können. Zum anderen wird durch die Vorspannung einer Kontaktfläche gegenüber dem zugewandten Bodenabschnitt einer Außenelektrode sichergestellt, daß ein gut leitender Kontakt zwischen dem Überspannungsableiter und einer Außenelektrode gebildet wird. Ein guter Kontakt gegenüber der anderen Außenelektrode ergibt sich über die Anlage der vorgespannten Feder.

Erfindungsgemäß sind weiterhin die erste und/oder die zweite Außenelektrode zumindest bereichsweise von einer Isolierschicht umgeben. Damit ergibt sich in einfacher Weise eine abgeschlossene, betriebssichere und einfach einsetzbare Baueinheit. Durch eine gemeinsame Isolierschicht für beide Außenelektroden kann weiterhin ausgeschlossen werden, daß sich die feste Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Außenelektrode unbeabsichtigt lockert.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen betreffend die erfindungsgemäße Span­ nungssicherung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 angegeben.

Gemäß der erfindungsgemäßen Spannungssicherung weisen die erste und die zweite Außenelektrode jeweils einen ersten bzw. zweiten Verbindungsflansch auf. Für eine feste und sichere Verbindung beider Außenelektroden sind die beiden Flansche einander benachbart angeordnet und für einen einfachen und sicheren Einbau der Spannungssicherung in einer elektrischen Anlage oder dgl. schließt sich an jeden Flansch jeweils ein erstes bzw. zweites Anschlußstück an. Die Anschlußstücke können dabei für eine Schraubverbindung Bolzenge­ winde oder andere geeignete Anschlußmittel aufweisen.

In vorteilhafter Weise sind die erste und die zweite Außenelektrode über min­ destens eine Schraubverbindung miteinander verbunden, die durch Durch­ gangsbohrungen des ersten und des zweiten Verbindungsflansches geführt sind, wobei jede Schraubverbindung gegenüber einer Außenelektrode durch einen Isoliereinsatz isoliert ist. Damit können die beiden Außenelektroden ein­ fach und fest derart miteinander verbunden werden, daß im wesentlichen kein Zwischenraum für ein Austreten geschmolzener Elektrodenteile verbleibt.

Für eine gute Leitfähigkeit und Beständigkeit gegenüber einem Lichtbogen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß mindestens eine der Außenelektroden aus einer Nickel und Silizium enthaltenden Kupferlegierung hergestellt ist. Dabei ergibt sich auch eine ausreichende Zugfestigkeit und Härte für die Anschluß­ stücke; ggf. können die Außenelektroden vergütet werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Isolierschicht durch eine Beschichtung mit einem Gießharz gebildet. Das Gießharz kann dabei durch Beschichten oder durch entsprechendes Tauchen der Spannungssi­ cherung aufgebracht werden. Es ergibt sich dabei insbesondre auch für den Übergangsbereich zwischen den beiden Außenelektroden eine gute Isolierung.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, daß die Feder bereichsweise durch eine in der Außenelektrode und/oder in dem Überspannungsableiter ausgebildete sacklochförmige Federaufnahme geführt wird. Damit wird in ein­ facher Weise der Einbau der Feder während des Zusammenbaus der Spannungssicherung erleichtert und es ist ein Verkanten o. dgl. der Feder vermie­ den.

Für einen guten Kontakt der Feder zu einer Außenelektrode und/oder einer Kontaktfläche hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Feder mindestens einen geschliffenen Endbereich aufweist.

Es ist ferner von Vorteil, daß die Feder aus einem Bronzedraht hergestellt ist. Damit hat die Feder eine gute Leitfähigkeit bspw. für eine Übertragung von Stromstößen vorgebbarer Größe. Sie weist weiterhin die für die Erzeugung der Vorspannung erforderlichen mechanischen Eigenschaften auf und verdampft schließlich im Überspannungs- bzw. Überstromfall, wodurch sie zur Ausbildung eines Lichtbogens beiträgt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind der erste und/oder der zweite Aufnahmebereich mit geringem radialem und/oder axialem Übermaß gegenüber dem Gehäuse des Überspannungsableiters ausgebildet. Dadurch, daß die Form und Abmessung der Aufnahme im wesentlichen dem Überspan­ nungsableiter entsprechend ausgebildet sind, wird in einfacher Weise die Aus­ bildung und die Aufrechterhaltung eines Lichtbogens gefördert.

Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, daß sich von der Aufnahme in im wesentlichen radialer Richtung ein oder mehrere Entlüftungskanäle durch mindestens eine der beiden Außenelektroden erstrecken. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn mindestens ein Entlüftungskanal im Bereich zwischen den beiden Außenelektroden ausgebildet ist. Über die radialen Entlüftungskanäle kann ein Druckabbau erfolgen, ohne daß dabei Elektrodenteile nach außen gelangen können. Zum Druckabbau kann die Isolierschicht durch ausströ­ mendes Gas durchstoßen werden. In besonders einfacher Weise können Ent­ lüftungskanäle im Übergangsbereich der beiden Außenelektroden durch die Isolierschicht verlaufend ausgebildet werden; sie können bspw. aber auch als Rillen in der Stirnfläche einer oder beider Außenelektroden ausgebildet werden.

Es sind auch handelsübliche Überspannungsableiter in vorteilhafter Weise einsetzbar, bei denen sich von dem Gehäuse mindestens ein Gewindestift er­ streckt. Dieser wird jeweils von einem sich an einen Aufnahmebereich in axialer Richtung anschließenden Sackloch aufgenommen, dessen Durchmesser ein geringes Übermaß gegenüber demjenigen des Gewindestifts aufweist. Damit wird in einfacher Weise sichergestellt, daß ein guter Kontakt zwischen dem Überspannungsableiter und den Außenelektroden vorhanden ist, der durch die Gewindestifte im wesentlichen nicht beeinflußt wird. Mit Vorteil kann dabei durch den Gewindestift oder durch die Gewindestifte das Einsetzen des Über­ spannungsableiters in die Aufnahme erleichtert werden; es kann damit auch die Feder geführt werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer Spannungssicherung mit einzelnen oder mehreren der genannten Merkmale zum Ableiten von Gleichstromüberströmen bzw. -überspannungen nach Anspruch 14 erwiesen. Dabei werden, wie bei dem Einsatz in Wechsel- oder Drehstromanlagen, jeweils Teillichtbögen zwischen den Elektroden des Überspannungsableiters und zwischen diesem und der die Feder tragenden Bodenfläche einer Außenelektrode ausgebildet, die sich zu einem einzigen Lichtbogen vereinigen.

Für die Ausbildung eines Lichtbogens ist es dabei von Vorteil, daß zur Ausbil­ dung eines Teillichtbogens die Feder so ausgelegt ist, daß sie zumindest teil­ weise verdampft.

Zwei Ausführungsbeispiele für erfindungsgemäße Spannungssicherungen werden anhand der Zeichnung mit weiteren Einzelheiten erläutert. Es zeigen jeweils in einer teilweise geschnittenen Vorderansicht:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem mit Gewindestiften versehenen Überspannungsableiter, und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem glatte Kontaktflächen auf­ weisenden Überspannungsableiter.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel für eine erfindungsge­ mäße, insgesamt mit 1 bezeichnete Spannungssicherung sind eine erste Außenelektrode 3 und eine zweite Außenelektrode 5 über drei Schraubverbin­ dungen 7, deren eine in Fig. 1 nicht dargestellt ist, fest miteinander verbunden.

Die einander zugewandten Abschnitte beider Außenelektroden 3, 5 sind flanschartig ausgebildet, so daß sich ein erster Verbindungsflansch 9 der ersten Außenelektrode 3 und ein zweiter Verbindungsflansch 11 der zweiten Außenelektrode 5 einander gegenüberliegen. Zwischen den beiden Verbindungsflanschen 9, 11 bzw. den beiden einander zugewandten Stirnflächen beider Außenelektroden 3, 5 Ist eine ringförmige Isolierscheibe 13 angeordnet, um die beiden Außenelektroden 3, 5 gegeneinander elektrisch zu isolieren. Dem gleichen Zweck dienen Isoliereinsätze 15, von denen jeweils einer in eine der beiden Durchgangsbohrungen der zweiten Außenelektrode 5 eingesetzt ist, um einen Schraubbolzen 7′ jeder Schraubverbindung 7 gegenüber der zweiten Außenelektrode 5 elektrisch zu isolieren. Der Gewindebereich jedes Schraubbolzens 7′ steht ebenso wie die Schrauben­ mutter 7″ jeder Schraubverbindung 7 mit der ersten Außenelektrode 3 in direk­ tem Kontakt. In axialer Richtung der Spannungssicherung 1 schließt sich an jeden Verbindungsflansch 9, 11 jeweils ein erstes bzw. ein zweites Verbin­ dungsstück 17, 19 an. Das erste Verbindungsstück 17 ist mit einem Bolzenge­ winde versehen, mit dem zwei Schraubenmuttern 21 verschraubt sind, zwi­ schen denen in nicht dargestellter Weise ein Anschlußteil zur Verbindung mit einer elektrischen Anlage o. dgl. befestigt werden kann. Das zweite Anschlußteil 19 weist eine quer zur Längsachse verlaufende Durchgangs­ bohrung 23, sowie eine in Richtung der Längsachse zu diesem führende Gewindebohrung auf. Über eine in die Gewindebohrung eingeschraubte Schraube 25 kann ein in die Durchgangsbohrung 23 eingeführtes, nicht dargestelltes Anschlußstück zum Anschließen der Spannungssicherung 1 ge­ klemmt werden.

In einem Aufnahmeraum 27, der im wesentlichen als zylinderförmiger Hohlraum durch einen ersten Aufnahmebereich 29 der ersten Außenelektrode 3 und einen sich daran in axialer Richtung anschließenden zweiten Aufnahmebereich 31 der zweiten Außenelektrode 5 gebildet wird, ist ein Überspannungsableiter 33, mit einem im wesentlichen dichten, zylinderförmigen Gehäuse eingesetzt, von dem aus sich in Richtung in die erste Außenelektrode 3 und die zweite Außenelek­ trode 5 Gewindestifte 35 bzw. 37 erstrecken. Die beiden Gewindestifte 35, 37 sind jeweils in Sacklochbohrungen 39 bzw. 41 eingeführt, die sich von dem er­ sten bzw. von dem zweiten Aufnahmebereich 29 bzw. 31 zur Mitte hin erstrecken. Durch die Sacklochbohrungen 39, 41 sind die Voraussetzungen für die Aufnahme derartiger handelsüblicher Überspannungsleiter geschaffen, ohne daß von den Anschluß- bzw. Kontaktmöglichkeiten über die Gewindestifte, die sich als unzureichend erweisen könnten, Gebrauch gemacht wird.

Der Überspannungsableiter 33 ist von handelsüblicher Bauart mit einer den je­ weiligen Erfordernissen für eine Spannungssicherung 1 entsprechend angepaßten elektrischen Charakteristik. Danach ist der Überspannungsableiter 33 so ausgelegt, daß Stromstoßbelastungen bzw. Spannungsstöße vorgebbarer Größe und Dauer einwirken können, ohne daß dabei der Überspannungsablei­ ter anspricht. Der Überspannungsableiter 33 hat üblicherweise ein Gehäuse aus Keramik oder aus einem entsprechenden Isoliermaterial, bspw. aus Glas, in dem mit Abstand voneinander zwei nicht dargestellte Elektroden ausgebildet sind. Das Innere des Überspannungsableiters 33 ist mit unter Druck stehendem Edelgas gefüllt.

Zwischen der Sacklochbohrung 39 und dem ersten Aufnahmebereich 29 ist in der ersten Außenelektrode 3 eine sacklochförmige Federaufnahme 43 ausge­ bildet, in die eine Feder 45 eingesetzt ist. Die der Feder 45 zugewandte Kontaktfläche des Überspannungsableiters 33 weist den Gewindestift 35 umgebend einen vertieften Bereich 47 auf, in den ein Endbereich der Feder 45 eingreift. Durch die Feder 45, die vorliegend auf einer Seite durch den Ge­ windestift 35 und/oder durch die Federaufnahme 43 geführt wird und die auf der anderen Seite durch die Vertiefung 47 geführt wird, ist der Überspannungsableiter 33 so vorgespannt, daß seine der Feder 45 abgewandte Kontaktfläche 49 an einer Bodenfläche des zweiten Aufnahmebereichs 31 unter einem Anpreß­ druck anliegt. Damit ist ein guter Kontakt des Überspannungsableiters 33 ge­ genüber der zweiten Außenelektrode 5 gegeben; für einen guten Kontakt zu der ersten Außenelektrode 3 können, zur Erzielung einer großen Kontaktfläche, die Enden der Feder 45 geschliffen sein. Die Feder 45 besteht aus Federbronze, so daß sie zum einen den mechanischen Anforderungen aufgrund der Vor­ spannung des Überspannungsableiters 33 genügt und zum anderen den An­ forderungen an eine hohe Leitfähigkeit entspricht. Damit wird für den Normalbe­ trieb sichergestellt, daß etwa auftretende Strom- bzw. Spannungsstöße ohne Beeinträchtigung der Feder 45 aufgenommen werden können. Die Feder 45 kann schließlich zum Ausbilden eines Lichtbogens aufgrund einer auftretenden Überspannung bzw. eines auftretenden Überstroms verdampfen, um dadurch die Ausbildung und die Aufrechterhaltung des Lichtbogens einzuleiten bzw. zu fördern. Dabei dient die durch das Verdampfen gebildete Metallwolke als Zünd­ initiator für die Ausbildung eines Teilichtbogens. Als besonders günstig hat sich die Ausbildung der Feder 45 aus einer Bronze der Werkstoffbezeichnung CuSn 6 F 95 erwiesen.

Für die Ausbildung der ersten und der zweiten Außenelektrode 3, 5 hat sich eine Kupferlegierung der Werkstoffbezeichnung CuNi 2 Si F 49 als vorteilhaft erwiesen, die bspw. unter dem Handelsnamen "Kuprodur" vertrieben wird. Da­ mit genügen die beiden Außenelektroden 3, 5 den für einen sicheren Anschluß der Spannungssicherung 1 in einer elektrischen Anlage gegebenen Anforde­ rungen und es ist damit gleichzeitig sichergestellt, daß sich bei der Ausbildung eines Lichtbogens eine gute Leitfähigkeit zum Ableiten eines Kurzschlusses bzw. einer Überspannung bzw. eines Überstroms ergibt, ohne daß der Bestand beider Außenelektroden 3, 5 durch die Ausbildung eines Lichtbogens wesent­ lich beeinträchtigt wird. Die aus diesem Werkstoff hergestellten Außenelektro­ den 3, 5 können ggf. vergütet werden. Die beiden Außenelektroden 3, 5 sind von einer gemeinsamen Isolierschicht 51 umgeben, die aus einem Gießharz besteht, das durch Tauchen oder Umspritzen aufgebracht wird. Durch die Iso­ lierschicht 51 werden sowohl die beiden Verbindungsflansche 9, 11 als auch sich jeweils daran anschließende Abschnitte der Anschlußstücke 17, 19 um­ mantelt.

Die erste und die zweite Außenelektrode 3, 5, die Feder 45 sowie der Über­ spannungsableiter 33 sind ebenso wie die Verbindungen bzw. die Kontakte zwischen diesen Elementen derart ausgelegt, daß unterhalb vorgebbarer An­ sprechwerte liegende Strom- bzw. Spannungsstöße aufgenommen werden können, ohne daß es zu einer Beeinträchtigung dieser Elemente oder der Kon­ takte kommt. Übersteigen derartige Spannungs- bzw. Stromstöße vorgebbare Ansprechwerte, dann führt eine derartige Überspannung bzw. ein Überstrom, bspw. beim Auftreten eines Kurzschlusses, zu einem Überschlag bzw. zu ei­ nem Stromfluß zwischen den Elektroden des Überspannungsableiters 33, so daß zwischen diesen nicht dargestellten Elektroden ein Teillichtbogen ausge­ bildet wird. Dieser Teillichtbogen führt zusammen mit dem Druck des innerhalb des Überspannungsableiters 33 befindlichen Edelgases dazu, daß das Ge­ häuse des Überspannungsableiters 33 explosionsartig zerstört wird. Durch die Anordnung des Überspannungsableiters 33 in der im wesentlichen dichten Aufnahme 27 wird dabei verhindert, daß Teile des zerstörten Gehäuses nach außen gelangen können. Durch die starke Erwärmung und den hohen Kurzschlußstrom verdampft die Feder 45 zumindest teilweise und es bildet sich dabei eine Metallwolke als Zündinitiator für einen weiteren Teillichtbogen im Bereich zwischen der ersten Außenelektrode 3 und dem verbliebenen Teil des Überspannungsableiters 33. Die beiden hintereinanderliegenden Teillichtbögen vereinigen sich dabei zu einem Gesamtlichtbogen, der über eine ausreichend lange Zeitdauer erhalten bleibt. Dabei werden unter dem Einfluß der Teillicht­ bögen bzw. des Gesamtlichtbogens Kontaktbereiche miteinander verschweißt, was zur Ausbildung einer elektrisch gut leitenden Verbindung und damit zu einer sicheren Ableitung der Überspannung bzw. des Überstromes beiträgt. Eine wesentliche Voraussetzung hierfür ist die Anordnung und der Aufbau der Feder 45 sowie eine gute Kontaktierung zwischen der Kontaktfläche 49 des Überspannungsableiters 33 und dem der Kontaktfläche 49 zugewandten Bodenabschnitt des Aufnahmebereiches 31.

In nicht dargestellter Weise können ein oder mehrere Entlüftungskanäle vor­ gesehen sein, die von der Aufnahme 27 in radial auswärtiger Richtung in einen Bereich außerhalb der beiden Außenelektroden 3, 5 führen. Damit kann nach einem Zerbersten des Gehäuses des Überspannungsableiters 33 der Druck des Edelgases abgebaut werden, der anderenfalls die Ausbildung bzw. Auf­ rechterhaltung des Lichtbogens beeinträchtigen könnte. Dies ist darauf zu­ rückzuführen, daß in dem durch die Ausbildung der Lichtbögen entstehendem Plasma Temperaturen von etwa 10 000°C auftreten können und deshalb das Edelgas stark erwärmt und expandiert wird.

Das aus einem Entlüftungskanal austretende Edelgas kann in einfacher Weise durch die Isolierschicht 51 ins Freie gelangen. In besonders einfacher Weise können ein oder mehrere Entlüftungskanäle im Übergangsbereich der ersten und zweiten Außenelektrode 3, 5 ausgebildet werden. Derartige Entlüf­ tungskanäle können dabei durch Aussparungen in der Isolierscheibe 13 gebil­ det sein; sie können aber auch bspw. durch radial verlaufende Rillen in einer Stirnfläche einer oder beider Außenelektroden 3, 5 ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Spannungssicherung 1 ist unter Verwendung handels­ üblicher Überspannungsableiter 33 einfach herstellbar und sie führt durch die angesprochene Ausbildung eines aus zwei Teillichtbögen bestehenden Licht­ bogens zur Verschweißung der an den Flanschen 9, 11 befindlichen Kontaktbereichen und folglich zu einem sicheren Ableiten auftretender Überspannungen bzw. Überströme.

Durch den Einsatz der Feder 45 wird weiterhin die Herstellung und der Zusam­ menbau der erfindungsgemäßen Spannungssicherung 1 erleichtert. Zum einen brauchen durch den Einsatz der Feder 45 nämlich keine allzugroßen Toleran­ zen hinsichtlich der Längenabmessung der Aufnahme 27 eingehalten zu wer­ den und zum anderen führt der Einsatz der Feder 45 dazu, daß Beschädigungen an einer Kontaktfläche des Überspannungsableiters 33 vermieden werden, die andernfalls durch eine Berührung oder ein Verkanten der Kontaktflächen gegenüber den jeweils benachbarten Bodenflächen der Aufnahmebereiche 29, 31 auftreten könnten. Für ein rasches Ausbilden und eine Aufrechterhaltung des Lichtbogens bzw. der Teillichtbögen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß, zumindest in radialer Richtung, die Form der Aufnahme 27 und deren Abmessung im wesentlichen der Form und der Abmessung des Überspannungsableiters 33 entspricht, so daß zwischen dem Gehäuse des Überspannungsableiters 33 und der Wandung der Aufnahme 27 nur ein geringer Zwischenraum ausgebildet ist.

Das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel entspricht im wesentli­ chen dem ersten Ausführungsbeispiel und es unterscheidet sich von diesem lediglich durch die Ausbildung des eingesetzten, handelsüblichen Überspan­ nungsableiters 133, durch die Ausbildung der Aufnahme 127 und durch die Anordnung der Feder 145. Mit dem ersten Ausführungsbeispiel übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel versehen und es wird hinsichtlich einer Beschreibung dieser Teile auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen.

Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel weist der zwischen die erste und die zweite Außenelektrode 3, 5 der Spannungssicherung 101 eingesetzte Über­ spannungsableiter 133 im Gegensatz zu demjenigen nach dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel keine sich in Längsrichtung erstreckenden Gewindestifte, sondern vielmehr ebene Endbereiche auf. Die Aufnahme 127 hat dementsprechend ebene Bodenbereiche 150, 160. Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungs­ beispiel sind somit keine sich an die Aufnahme 127 anschließenden, sackloch­ förmigen Bohrungen vorgesehen. Die Feder 145 liegt auf der einen Seite unmittelbar an dem Bodenbereich 160 des ersten Aufnahmebereichs 129 und an ihrer anderen Seite unmittelbar an einer ebenen Kontaktfläche des Überspannungsableiters 133 an. Die der Feder 145 gegenüberliegende Kontaktfläche des Überspannungsableiters 133 kontaktiert den Bodenbereich 150. Dieser ist ein Teil des Aufnahmebereichs 131.

Die Wirkungsweise der Spannungssicherung 101 gemäß dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel entspricht derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels. Die er­ findungsgemäßen Spannungssicherungen 1, 101 sind zu Überspannungsschutz elektrischer Wechsel- bzw. Drehstromanlagen einsetzbar. In besonders vor­ teilhafter Weise ist die Spannungssicherung 1 gemäß dem ersten Ausfüh­ rungsbeispiel auch im Bereich hoher Gleichspannungen von etwa 1500 V, also auf dem Gebiet der Mittelspannungstechnik einsetzbar. Die Spannungssiche­ rung 101 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist besonders für Span­ nungen bis etwa 800 V geeignet. Insbesondere hat sich ein Einsatz der erfin­ dungsgemäßen Spannungssicherungen 1 bei elektrischen Einrichtungen für Eisenbahnen als vorteilhaft erwiesen. Dabei können bei Betriebsspannungen von etwa 1500 Volt sehr hohe Stromstärken auftreten. So kann allein der nor­ male Anfahrstrom bei schweren Güterzuglokomotiven im Bereich von etwa 8000 bis 10 000 A liegen. Die erfindungsgemäße Spannungssicherung 1 spricht dabei auch beim Auftreten derartiger Anfahrströme noch nicht so an, daß Lichtbögen ausgebildet werden.

Bei einer bestimmten Überspannung bzw. einem bestimmten Überstrom bildet sich jedoch zwischen den Elektroden der des Überspannungsableiters 33 ein Teillichtbogen aus. Nach einer bestimmten Einwirkungsdauer zerstört dieser das Gehäuse des Überspannungsableiters 33. Die Überspannung bzw. der Überstrom führt außerdem zum Verdampfen der Feder 45 und dadurch zum Aufbau einer Metallwolke als Zündinitiator für einen zweiten Teillichtbogen. Die beiden Teillichtbögen vereinigen sich zu einem einzigen Lichtbogen. Dieser überbrückt die beiden Verbindungsflansche 9, 11. Dies führt zu einer Verschweißung der Randkanten der beiden Verbindungsflansche 9, 11 im Bereich der Aufnahme 27.

Die bisher als elektrische Isolierung zwischen den Verbindungsflanschen 9, 11 wirkende Isolierscheibe 13 verbrennt bei der hohen Temperatur während des Schweißvorganges. Bei größeren Überströmen und damit auch höheren Temperaturen während des Schweißvorganges werden auch die der Aufnahme 27 entfernteren Bereiche der sich gegenüberliegenden Stirnseiten der Verbindungsflansche 9, 11 miteinander verschweißt. Die Verschweißungszone vergrößert sich also entsprechend einem größeren Überstrom radial nach außen. Der nun elektrisch leitende Durchgangsquerschnitt zwischen den Verbindungsflanschen 9, 11 ist also immer genügend groß, um ein gutes Ableiten des Überstromes gegen das Erdpotential zu gewährleisten. Die Verschweißung schafft außerdem eine sichere und entsprechend dauerhafte Verbindung zu einer an die Spannungssicherung 1 angeschlossenen Erdung. Zum Anschluß dieser Erdung eignet sich z. B. das Anschlußstück 17 oder das Anschlußstück 19.

Bezugszeichenliste

  1 Spannungssicherung
  3 erste Außenelektrode
  5 zweite Außenelektrode
  7 Schraubverbindung
  7′ Schraubbolzen
  7′′ Schraubenmutter
  9 erster Verbindungsflansch
 11 zweiter Verbindungsflansch
 13 Isolierscheibe
 15 Isoliereinsatz
 17 erstes Anschlußstück
 19 zweites Anschlußstück
 21 Schraubenmutter
 23 Durchgangsbohrung
 25 Schraube
 27 Aufnahme
 29 erster Aufnahmebereich
 31 zweiter Aufnahmebereich
 33 Überspannungsableiter
 35 Gewindestift
 37 Gewindestift
 39 Sacklochbohrung
 41 Sacklochbohrung
 43 Federaufnahme
 45 Feder
 47 vertiefter Bereich
 49 Kontaktfläche
 51 Isolierschicht
101 Spannungssicherung
127 Aufnahme
129 Aufnahmebereich
131 Aufnahmebereich
133 Überspannungsableiter
145 Feder
150 Bodenbereich
160 Bodenbereich

Claims (15)

1. Spannungssicherung für elektrische Anlagen od. dgl.

• a) mit zwei zumindest teilweise mit einer Isolierschicht (51) umgebenen Außenelektroden (3, 5) und
• b) mit einem in einer Aufnahme (27, 127) zwischen den beiden Außenelektroden (3, 5) angeordneten Überspannungsableiter (33, 133), wobei
• c) der Überspannungsableiter (33, 133) ein dichtes Gehäuse enthält,
  • c₁) das an einander gegenüberliegenden Stirnseiten Kontaktflächen (49) aufweist,
  • c₂) das mit Edelgas gefüllt ist und
  • c₃) in dem in einem vorgegebenen Abstand einander gegenüberliegend zwei Elektroden angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

• d) daß die erste Außenelektrode (3) einen ersten Verbindungsflansch (9) aufweist und die zweite Außenelektrode (5) einen zweiten Verbindungsflansch (11) aufweist, wobei sich an den ersten Verbindungsflansch (9) ein erstes Anschlußstück (17) anschließt und sich an den zweiten Verbindungsflansch (11) ein zweites Anschlußstück (19) anschließt,
• e) daß der erste Verbindungsflansch (9) und der zweite Verbindungsflansch (11)
  • e₁) mit ihren Stirnflächen einander zugewandt benachbart angeordnet sind und
  • e₂) unter Zwischenlage einer Isolierscheibe (13) zwischen ihren Stirnflächen miteinander verbunden sind,
• f) daß die Isolierscheibe (13) die erste Außenelektrode (3) und die zweite Außenelektrode (5) elektrisch voneinander trennt,
• g) daß die Aufnahme (27, 127) durch einen ersten sacklochförmigen Aufnahmebereich (29, 129) in der ersten Außenelektrode (3) und einen sich daran anschließenden zweiten sacklochförmigen Aufnahmebereich (31, 131) in der zweiten Außenelektrode (5) gebildet ist und
• h) daß der Überspannungsableiter (33, 133) gegenüber einem Bodenabschnitt des ersten Aufnahmebereichs (29, 129) oder des zweiten Aufnahmebereichs (31, 131) über eine Feder (45, 145) vorgespannt ist, wobei die Feder zwischen dem Bodenabschnitt des jeweils gegenüberliegenden Aufnahmebereichs (31, 131, 29, 129) und der diesem Aufnahmebereich (31, 131, 29, 129) zugewandten Kontaktfläche (49) des Überspannungsableiters (33, 133) angeordnet ist.

2. Spannungssicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Außenelektrode (3, 5) über mindestens eine Schraubverbindung (7) miteinander verbunden sind, die durch Durchgangs­ bohrungen des ersten und des zweiten Verbindungsflansches (9, 11) geführt sind, wobei die Schraubverbindung (7) gegenüber einer Außenelektrode (5) durch einen Isoliereinsatz (15) isoliert ist.

3. Spannungssicherung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Außenelektroden (3, 5) aus einer Nickel und Sili­ zium enthaltenden Kupferlegierung hergestellt ist.

4. Spannungssicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (51) durch eine Beschichtung mit einem Gießharz gebildet wird.

5. Spannungssicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (45) bereichsweise durch eine in einer Außenelektrode (3) und/oder in dem Überspannungsableiter (33) ausgebildete sacklochförmige Federaufnahme (43, 47) geführt ist.

6. Spannungssicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (45, 145) mindestens einen geschliffenen Endbereich aufweist.

7. Spannungssicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (45, 145) aus Federbronze hergestellt ist.

8. Spannungssicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Aufnahmebereich (29, 129, 31, 131) mit geringem radialen und/oder axialen Übermaß gegenüber dem Gehäuse des Überspannungsableiters (33, 133) ausgebildet sind.

9. Spannungssicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich von der Aufnahme (27, 127) in im wesentlichen radialer Richtung ein oder mehrere Entlüftungskanäle durch mindestens eine der beiden Au­ ßenelektroden (3, 5) erstreckt.

10. Spannungssicherung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Entlüftungskanal im Bereich zwischen den beiden Au­ ßenelektroden (3, 5) durch die Isolierschicht (13) verlaufend ausgebildet ist.

11. Spannungssicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich von dem Gehäuse des Überspannungsableiters (33) mindestens ein Gewindestift (35, 37) erstreckt, der jeweils von einem sich an einen Aufnah­ mebereich (29, 31) in axialer Richtung anschließenden Sackloch (39, 41) aufgenommen wird, dessen Durchmesser ein geringes Übermaß gegenüber demjenigen des Gewindestifts (35, 37) aufweist.

12. Spannungssicherung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch sich zu einem Lichtbogen vereinigende Teillichtbögen zwischen den Elektroden des Überspannungsableiters (33, 133) und zwischen diesem und der die Feder (45, 145) tragenden Bodenfläche einer Außenelektrode (3).

13. Spannungssicherung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines Teillichtbogens die Feder (45, 145) so ausgelegt ist, daß sie zumindest teilweise verdampft.

14. Spannungssicherung insbesondere nach Anspruch 12 oder 13 zur Ableitung von Gleichstromüberströmen oder Gleichstromüberspannungen.