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Die
Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauelemente und
ist bei der konstruktiven Ausgestaltung eines gasgefüllten Überspannungsableiters
anzuwenden, der mit einer parallelgeschalteten Spannungsbegrenzungseinrichtung
mittels einer Metallhülse
zu einer speziellen Baugruppe vereinigt ist. Derartige Baugruppen
kommen insbesondere dort zur Anwendung, wo ein Bedürfnis besteht,
den möglichen
Ausfall eines gasgefüllten Überspannungsableiters
zusätzlich
abzusichern.
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Bei
einer bekannten Baugruppe dieser Art ist die parallelgeschaltete
Spannungsbegrenzungseinrichtung als Luftfunkenstrecke ausgebildet.
Beispielsweise ist hierzu auf die eine, mit einem zylindrischen
Anschlußstift
versehene Elektrode des Überspannungsableiters
eine dünne,
mit Löchern
versehene Isolierfolie aufgelegt, auf der ihrerseits eine ringscheibenförmige Hilfselektrode
aufliegt. Die so gebildete Luftfunkenstrecke und der Überspannungsableiter
sind mittels einer zylindrischen Metallhülse zu einer Baugruppe zusammengefaßt, wobei die
Metallhülse
die Hilfselektrode elektrisch mit der entsprechenden Elektrode des Überspannungsableiters
verbindet (
US 4 736
269 A ). Dabei erfolgt die axiale Verspannung der Luftfunkenstrecke
und des Überspannungsableiters
mit Hilfe des umgebördelten
Randes der Metallhülse,
der an mehreren am Umfang verteilt angeordneten Stellen bis auf
die Hilfselektrode heruntergedrückt
ist. Bei dieser bekannten Ausführungsform
erfolgt die Zentrierung des Überspannungsableiters
in der Metallhülse
mit Hilfe des rohrförmigen
Keramikisolators des Über spannungsableiters,
dessen Außendurchmesser
größer als
der Außendurchmesser
der beiden Elektroden des Überspannungsableiters
ist. – Bei
einer anderen, ähnlich
aufgebauten Ausführungsform
einer solchen Baugruppe können
die Elektroden und der Isolator des Überspannungsableiters den gleichen
Außendurchmesser
aufweisen. In diesem Fall erfolgt die Zentrierung des Überspannungsableiters
in der Metallhülse,
deren Innendurchmesser größer als
der Außendurchmesser
des Überspannungsableiters
ist,
mit Hilfe von gleichmäßig am Umfang
der Metallhülse verteilt
angeordneten, im Bereich des Keramikisolators liegenden Eindrückungen
(
US 5 142 434 A) .
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Bei
diesen bekannten Baugruppen besteht die Gefahr, daß die Durchschlagsspannung
der parallelgeschalteten Luftfunkenstrecke durch Feuchtigkeitseinfluß unter
die Zündspannung
des Überspannungsableiters
absinkt und daß nachfolgend
durch einmaliges Ansprechen der Luftfunkenstrecke das gesamte Bauelement
ausfällt.
Man hat daher bereits vorgeschlagen, diese parallelgeschaltete Luftfunkenstrecke
zu kapseln. Hierzu ist eine Anordnung bekannt, bei der die Luftfunkenstrecke
aus einem flachen, abgestuften Keramikzylinder mit aufgedampften
Metallschichten besteht. Diese Funkenstrecke ist auf die eine Elektrode
des Überspannungsableiters aufgesetzt
und mit dieser verlötet.
Weiterhin ist auf das mit der aufgesetzten Funkenstrecke versehene Ende
des Überspannungsableiters
eine Metallkappe gestülpt,
die einerseits mit einer Metallbeschichtung der Funkenstrecke verlötet und
andererseits gegenüber
dem zylindrischen Isolator des Überspannungsableiters
mittels eines silberhaltigen Epoxidharzes abgedichtet ist (
US 4 707 762 A ).
Eine derartige Kapselung der Luftfunkenstrecke ist fertigungstechnisch
relativ aufwendig.
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Aus
der Druckschrift
US
4,707,762 A ist eine Baugruppe zur Ableitung von elektrischen Überspannungen
bekannt, die einerseits einen gasgefüllten Überspannungsableiter, und andererseits
eine parallel zu diesem geschaltete Spannungsbegrenzungs-Vorrichtung
aufweist. Diese Vorrichtung weist einen ringförmig ausgebildeten Keramikkörper auf. Diese
Vorrichtung ist eine Luftfunkenstreckenvorrichtung und stellt ein
dicht verkapseltes Volumen für eine
Luftfunkenstrecke zur Verfügung.
Bei einer Luftfunkenstrecke erfolgt beim Erreichen einer Zündspannung
von z. B. etwa 800 V ein schlagartiger Spannungsrückfall auf
den Wert einer Brennspannung von ca. 20 V. Die Luftfunkenstrecke
kann die Überspannungsenergie
nicht aufnehmen und leitet diese an Widerstände der Erdung weiter.
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Aus
der Druckschrift
EP
0017337 A1 ist eine Anordnung bekannt, bei der ein Varistor
parallel zu einem gasgefüllten Überspannungsableiter
geschaltet ist.
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Aus
der Druckschrift
EP
0107762 A1 ist ein gasgefüllter keramischer Überspannungsableiter
mit einer parallel dazu geschalteten sekundären Schutzvorrichtung bekannt,
die zwei übereinander
angeordnete scheibenförmige
Elektroden aufweist. Zwischen den Elektroden ist eine isolierende
Oxidschicht vorgesehen. Beim Überschreiten
einer Grenzspannung wird die Oxidschicht zerstört, wobei eine elektrische Verbindung
zwischen den Elektroden entsteht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Baugruppe zur Ableitung
von elektrischen Überspannungen
anzugeben, deren Aufbau fertigungstechnisch einfach gestaltet ist.
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Die
Erfindung gibt eine Baugruppe zur Ableitung von elektrischen Überspannungen
an, die einerseits einen . gasgefüllten Überspannungsableiter und andererseits
einen mittels einer Metallhülse
elektrisch parallel zum Überspannungsableiter
geschalteten Varistor aufweist. Die Ansprechspannung des Varistors
liegt über
der Ansprechspannung des Überspannungsableiters.
Der Überspannungsableiter
besteht aus einem rohrförmigen
Keramikisolator mit zwei an den Enden des Keramikisolators angeordneten
Elektroden, von denen die zweite mit einem sich axial erstreckenden
zylindrischen Anschlußstift
versehen ist, wobei der Varistor auf die zweite Elektrode des Überspannungsableiters
aufgesetzt ist. Der gasgefüllte Überspannungsableiter
und der Varistor sind gemeinsam in der Metallhülse zentrisch angeordnet. Der Überspannungsableiter
und der Varistor sind vollständig
innerhalb der Metallhülse
angeordnet.
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Der
Varistor ist erfindungsgemäß ringförmig bzw.
als Hohlzylinder ausgebildet, dessen Stirnseiten metallisiert sind.
Der Varistor, der Keramikisolator und die Elektroden des Überspannungsableiters
weisen den gleichen oder annähernd
den gleichen Außendurchmesser
auf, wobei der Außendurchmesser des
Varistors und des Überspannungsableiters
kleiner als der Innendurchmesser der Metallhülse ist.
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Die
elektrische Parallelschaltung eines Überspannungsableiters und einer
Spannungsbegrenzungseinrichtung ist an sich bekannt (
DE 23 55 421 A1 ) Patentanspruch
1 sowie Spalte
2, Zeilen
46 bis
65).
Bei dieser konkreten Parallelschaltung wird durch die Verwendung
eines Varistors, dessen Ansprechspannung nur wenig über der
des Überspannungsableiters
liegt, die unvermeidliche Zundverzögerung des gasgefüllten Überspannungsableiters ausgeschaltet.
Als Ansprechspannung des Varistors gilt in aller Regel die Spannung,
bei der der Varistor einen Strom von 1 mA führt. Als Varistor-Material
wird dabei insbesondere Zinkoxid verwendet, siehe die Druckschrift
US 3905006 A .
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Bei
einer gemäß der Erfindung
ausgebildeten Baugruppe ist mit der Verwendung eines Varistors ein
negativer Einfluß von
Feuchtigkeit auf die Ansprechspannung der Spannungsbegrenzungseinrichtung
weitestgehend ausgeschaltet. Sofern die Baugruppe während des
Betriebes in besonderer Weise feuchtigkeitsgefährdet ist, kann man den Varistor
in dem nicht metallisierten Bereich seiner Oberfläche zusätzlich mit
einer feuchtigkeitsabweisenden Substanz versiegeln. Als feuchtigkeitsabweisende Substanz
kommt beispielsweise ein aushärtbares
Silikonöl
oder ein Silikonharz in Betracht, wobei die Versiegelung durch Tränken oder
Tauchen und anschließende
Wärmebehandlung
erreicht wird. Der Varistor kann aber auch – gegebenenfalls zusätzlich – auf der
inneren und der äußeren Mantelfläche mit einer
isolierenden Beschichtung versehen sein, beispielsweise in Form
einer Glasur. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Baugruppe als
Ganzes am offenen Ende der Metallhülse zu versiegeln, beispielsweise
mit einem Gießharzverguß. -Da zur
Herstellung des Varistors keine spezielle Formgebung mit eng begrenzten
Abmessungen und für
dessen Anordnung keine besonderen Justiermaßnahmen erforderlich sind,
lassen sich die einzelnen Bauteile der Baugruppe leicht handhaben
und sind damit einem automatisierten Fertigungsablauf zugänglich.
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Die
Zentrierung des Ableiters und des Varistors in der Metallhülse kann
beispielsweise dadurch erfolgen, daß mehrere Abstandhalter in
Form von Eindrückungen
vorgesehen sind, mit denen die Metallhülse sowohl im Bereich der Mantelfläche des
Keramikisolators als auch im Bereich der Mantelfläche des
Varistors am Umfang gleichmäßig verteilt
versehen ist. Beispielsweise können
jeweils drei Eindrückungen
vorgesehen sein, die entweder punktförmig ausgebildet sind oder
die Form von axial verlaufenden Kerben haben. In diesem Fall ist
es erforderlich, die äußere Mantelfläche des
Varistors mit einer isolierenden Beschichtung zu versehen, beispielsweise mit
einer Glasschicht (Glasur). Eine andere Art der Zentrierung besteht
darin, als Abstandhalter ein rohrförmiges Isolierteil zu verwenden,
welches zwischen der Metallhülse
einerseits und dem Überspannungsableiter
und dem Varistor andererseits angeordnet ist. Bei einem solchen
Isolierteil kann es sich um eine bandartige Bewicklung, insbesondere
aber um einen Schrumpfschlauch handeln, der den Überspannungsableiter und den
Varistor umfaßt.
Ein solches Isolierteil gewährleistet
zusätzlich,
daß zwischen
der zweiten Elektrode des Überspannungsableiters
und der Metallhülse
kein elektrischer Überschlag
erfolgen kann.
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Als
fertigungstechnisch besonders geeignet hat sich eine Zentrierung
erwiesen, bei der die Metallhülse
nur zur Zentrierung des Überspannungsableiters
mit Eindrückungen
versehen ist und bei der zur Zentrierung des Varistors auf diesen
ein ringförmiger Abstandhalter
aus Isoliermaterial aufgebracht ist, beispielsweise ein Gummiring
oder ein Schlauchstück.
Alternativ kann zur Zentrierung des Varistors ein Abstandhalter
verwendet. werden, der aus einer napfartigen Hilfselektrode besteht,
welche auf der zweiten Elektrode aufliegt und deren Wandung aus mehreren
fingerartigen Lappen besteht, wobei die freien Enden dieser fingerartigen
Lappen unter Zwischenschaltung einer Isolierschicht aus einem schmelzbaren
Kunststoff federnd an der Innenwand der Metallhülse anliegen. Ein derartiger
Abstandhalter gewährleistet
zugleich ein sogenanntes fail-safe-Verhalten der Baugruppe (s.
US 4 912 592 A Teil
8 und
US 4 984 125 A Teil
14).
Die Isolierschicht kann dabei auf die Enden der fingerartigen Lappen oder
auf die Innenwand der Metallhülse
aufgebracht sein oder es kann eine Isolierfolie zwischen der Metallhülse und
der Kappe ange ordnet sein.
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Die
gegenseitige Zuordnung von Überspannungsableiter
und Varistor einerseits und Metallhülse andererseits läßt sich
insbesondere fertigungstechnisch erleichtern, wenn auf die zweite
Elektrode des Varistors eine ringscheibenförmige Hilfselektrode aufgelegt
ist, deren Außendurchmesser
dem Innendurchmesser der Metallhülse
entspricht. In diesem Fall wird bei der Herstellung des Bauelementes
der Rand am offenen Ende der Metallhülse an einigen am Umfang verteilt
angeordneten Stellen gegen die Hilfselektrode gedrückt, die
ein gutes Widerlager bildet. Dabei kann die Hilfselektrode selbst
als Tellerfeder ausgebildet sein oder zusätzlich mit einer Tellerfeder
belegt sein, um eine sichere axiale Verspannung der Bauteile zu
gewährleisten.
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Die
Verwendung einer ringscheibenförmigen Hilfselektrode
kann weiterhin dazu dienen, im Bereich des Bauelementes einen weiteren
Entladungsweg zu schaffen. Dies ist dann gegeben, wenn der Innendurchmesser
der ringscheibenförmigen
Hilfselektrode um 0,2 bis 2 mm größer ist als der Außendurchmesser
des zylindrischen Anschlußstiftes
der zweiten Elektrode des Überspannungsleiters.
Durch diese Dimensionierung wird zwischen der Hilfselektrode und
dem zylindrischen Anschlußstift
ein Entladungsspalt gebildet, über
den der Varistor kurzschließbar ist.
Dies kommt dann zum Tragen, wenn der Überspannungsableiter ausgefallen
ist und der Varistor angesprochen hat und wenn aufgrund der Strombelastung
und der daraus resultierenden Erhitzung des Varistors der Ringspalt
zwischen der Hilfselektrode und dem Anschlußstift durch aus dem Varistor
austretende Gase ionisiert wird. Der dann entstehende Lichtbogen
führt entweder
zu einem Kurzschluß zwischen
Hilfselektrode und Metallstift oder zu einem Schmelzen einer unterhalb
oder oberhalb des Bauelementes angeordneten Lötpille, wie sie beispielsweise
aus
1 der
US 4 502 087 A bekannt ist.
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Die
Dimensionierung des Varistors, d.h, insbesondere die Festlegung
von Höhe
und Wandstärke sowie
die Materialauswahl (insbesondere auf der Basis von Zink-Oxid) können so
getroffen werden, daß die
Ansprechspannung des Varistors in definierter Weise, z.B. wenigstens
40 % über
der Ansprechspannung des Überspannungsableiters
liegt. Bei einer Ansprechspannung des Überspannungsableiters von etwa
350 Volt kann also der Varistor so dimensioniert sein, daß er bei
einer anliegenden Spannung
von 100 Volt einen Strom von kleiner/gleich
0,5 μA,
von
200 Volt einen Strom von kleiner/gleich 5 μA,
von 650 Volt einen Strom
von etwa 1 mA,
von 750 Volt einen Strom von etwa 1 A und
von
1000 Volt einen Strom von etwa 30 A
führt.
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Vier
Ausführungsbeispiele
der neuen Baugruppe sind in den 1 bis 4 im Querschnitt dargestellt
dargestellt.
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Dabei
zeigt
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1 eine Ausführungsform
mit Zentrierung des Ableiters und des Varistors mit Hilfe von Eindrückungen
in der Metallhülse,
während
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2 eine Ausführungsform
mit Zentrierung mittels eines rohrförmigen Isolierteiles zeigt.
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3 zeigt weiterhin eine Ausführungsform, bei
der auf die Hilfselektrode zusätzlich
eine Tellerfeder aufgesetzt ist und bei der Überspannungsableiter und Varistor
auf unterschiedliche Weise zentriert sind.
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4 zeigt eine Ausführungsform,
bei der zur Zentrierung des Varistors eine napfartige Hilfselektrode
vorgesehen ist.
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Die
Baugruppe gemäß 1 besteht aus dem Überspannungsableiter 1,
dem spannungsabhängigen
Widerstand 6 und der Metallhülse 9 mit der Hilfselektrode 8.
Der Überspannungsableiter 1 weist dabei
eine erste Elektrode 2, einen Keramikisolator 4 und
eine zweite Elektrode 3 auf, wobei die zweite Elektrode 3 mit
einem zylindrischen, axial angeordneten Anschlußstift 5 versehen
ist.
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Der
spannungsabhängige
Widerstand 6 in Form eines Zinkoxyd-Varistors hat eine hohlzylindrische
Form, wobei die beiden Stirnflächen – in nicht näher dargestellter
Weise – metallisiert
und sowohl die innere als auch die äußere Mantelfläche mit
einer Glasur 7 versehen sind. Diese Glasur hat eine Schichtdicke
von etwa 0,1 bis 0,25 mm. Die Höhe des
Hohlzylinders beträgt
beispielsweise 3,1 mm bei einem Außendurchmesser von etwa 7,3
mm und einer Wanddicke von etwa 2,1 mm. Außerdem ist der Varistor mit
einer feuchtigkeitsabweisenden Substanz versiegelt.
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Der
Varistor 6 ist auf die zweite Elektrode 3 des Überspannungsableiters
aufgesetzt und zentrisch zum Anschlußstift 5 angeordnet.
Auf den Varistor ist wiederum eine ringscheibenförmige Hilfselektrode 8 aufgelegt,
deren innerer Ringdurchmesser etwas kleiner als der Innendurchmesser
des Varistors 6 ist und deren Außendurchmesser größer als
der Außendurchmesser
des Varistors 6 ist. Varistor 6 und Überspannungsableiter 1 haben
einen annähernd gleichgroßen Durchmesser.
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Überspannungsableiter 1,
Varistor 6 und Hilfselektrode 8 sind innerhalb
einer zylindrischen Metallhülse 9 angeordnet,
auf deren Boden der Überspannungsableiter 1 aufliegt
und die am Rand 10 des offenen Endes mit mehreren am Umfang
verteilt angeordneten Eindrückungen 11 zur
Fixierung des Überspannungsableiters,
des Varistors und der Hilfselektrode innerhalb der Metallhülse versehen
ist. Weiterhin sind sowohl im Bereich des Keramikisolators 4 als
auch im Bereich des Varistors 6 am Umfang der Metallhülse gleichmäßig verteilt
angeordnete Eindrückungen 12 vorgesehen,
die zur Zentrierung des Überspannungsableiters
und des Varistors innerhalb der Metallhülse dienen.
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Der
Innendurchmesser der ringscheibenförmigen Hilfselektrode 8 ist
im übrigen
so dimensioniert, daß zwischen
der Hilfselektrode und dem Anschlußstift 5 ein Luftspalt 13 gebildet
ist, dessen Spaltbreite zwischen 0,1 und 1 mm liegt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist zur Zentrierung des Überspannungsableiters 1 und
des Varistors 6 innerhalb der Metallhülse 91 ein rohrförmiges Isolierteil
in Form eines Schrumpfschlauches 14 vorgesehen, der den Überspannungsableiter
und den Varistor umfaßt.
Durch Verwendung des Schrumpfschlauches erübrigen sich in der Metallhülse 91 zentrierende
Eindrückungen,
wie sie gemäß 1 vorgesehen sind. Weiterhin
wirkt der Schrumpfschlauch 14 bei Ausfall des Überspannungsableiters
einem möglichen
Kurzschluß zwischen
der Elektrode 3 und der Metallhülse 91 entgegen.
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Das
Ausführungsbeispiel
gemäß 3 enthält zusätzlich zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 eine Tellerfeder 17,
die auf die Hilfselektrode 8 aufgesetzt ist. Die Eindrückungen 11 in
der Metallhülse 92 erfassen
somit die Tellerfeder 17, mit deren Hilfe der Ableiter 1,
der Varistor 6 und die Hilfselektrode 8 axial
miteinander verspannt sind. – Weiterhin
ist nur der Überspannungsableiter 1 mittels
Eindrückungen 12 zentriert.
Zur Zentrierung des Varistors 6 ist auf diesen ein Schlauchstück 15 aufge bracht,
dessen Außendurchmesser
im aufgesetzten Zustand etwas kleiner als der Innendurchmesser der
Metallhülse 92 ist.
Anstelle des Schlauchstückes 15 kann
auch ein Gummiring 16 verwendet werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gemäß
4 ist der Überspannungsableiter
1 wie
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß
3 in der Metallhülse
92 mittels
mehrerer Eindrückungen
12 zentriert.
Zur Zentrierung des Varistors
6, dessen Stirnseiten mit
einer Metallisierung
61 versehen sind und dessen übrige Oberfläche mit
einem Silikonwachs feuchtigkeitsdicht versiegelt ist, dient die
napfartige Elektrode
20. Sie sitzt mit ihrem Boden
21 auf
der Elektrode
3 auf. Ihre Wand besteht aus fingerartigen
Lappen
22, wie es an sich aus der
US 4 132 915 A 4, Teil
32 bekannt ist.
Die Enden
23 der fingerartigen Lappen liegen federnd an
der Innenwand der Metallhülse
92 an,
wobei die Enden
23 einzeln mit einer Isolierschicht
24 aus
einem schmelzbaren Kunststoff umgeben sind.