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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter
niedriger Spannung des Typs, der vor allem zum Schutz
elektronischer Anlagen verwendet wird.
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Man weiß, daß das Phänomen Blitzschlag sehr starke Momentanströme
von in Einzelfällen 10.000 bis 100.000 Ampere auslösen kann, die
in äußerst kurzen Zeitspannen Spannungen von 10 bis 20 Millionen
Volt erreichen können. Um den Schutz gegen Blitzeinschlag in
elektronische Geräte zu gewährleisten, schaltet man in den
Stromkreis Überspannungsleiter, die aus Bauteilen bestehen, die sich
unter normalen Bedingungen wie neutrale Elemente verhalten, die
jedoch bei starker, durch Blitzeinschlag hervorgerufene
Überspannung, zu Leitern werden und somit die Isolierung des Geräts
gewährleisten, indem sie den vom Blitzeinschlag erzeugten Strom in
den Boden ableiten.
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Ein guter Überspannungsableiter, der elektronische Geräte
schützen soll, muß drei Hauptmerkmale aufweisen. Zuerst muß er eine
hohe Stromstoßgeschwindigkeit haben, um die Energie des
Blitzeinschlags, die andernfalls die elektronischen Geräte zerstören
würde, schnell in den Boden zu leiten. Die
Stromstoßgeschwindigkeit ist umso höher, je geringer die Induktivität des
Überspannungsableiters ist. Dann muß er in der Lage sein, seine
Wirksamkeit lange genug aufrecht zu erhalten, damit die Ableitung der
Energie in den Boden genügend lange andauert, um klassische
Mittel der Leitungsunterbrechung anwenden zu können. Diese Dauer der
Wirksamkeit ist umso länger, je höher der mechanische Widerstand
des Überspannungsableiters in alle Richtungen ist. Er muß
außerdem schnell montier- und schnell wieder von seinem Träger
abmontierbar sein.
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Um solche Funktionen zu gewährleisten, benutzt man üblicherweise
Gasentladungsableiter. Diese Gasentladungsableiter weisen jedoch
Nachteile auf, insbesondere den Nachteil, daß die Verzögerung
sehr groß ist, sodaß in einigen Fällen und insbesondere in Fällen
von sehr starken und schnellen Blitzeinschlägen die Schädigung
der elektronischen Geräte noch vor der Ableitung des Stroms in
den Boden durch den Gasentlader auftritt.
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Außerdem sind Überspannungsableiter bekannt, die aus
zylindrischen Rohrelementen bestehen und Varistoren und/oder Zenerdioden
enthalten, die in ein isolierendes Harz getaucht sind. Solche
Vorrichtungen müssen in der Lage sein, auf sehr kleinem Raum sehr
hohe, impulsartige Ströme in die Erde abzuleiten und gleichzeitig
an den Enden akzeptable Spannungen aufrechtzuerhalten. Man stellt
dabei fest, daß solche Überspannungsableitsysteme stark überhöhte
Werte erreichen können. So ist mit einem Varistor die Möglichkeit
gegeben, Ströme von 5.000 Ampere in einer Zeitspanne von 10
Mikrosekunden abzuleiten und dabei an den Enden eine Spannung von
1.500 Volt aufrechtzuerhalten. Die so in einem solchen Varistor
entwickelte Leistung entspricht 7,5 Megawatt. Solche Leistungen,
die in äußerst kurzen Zeitspannen entwickelt werden, sind sehr
schwierig zu kanalisieren, sodaß die Überspannungsableiter sich
manchmal wie richtige "Miniaturbomben" verhalten und dabei
folglich nicht nur den Überspannungsableiter selbst zerstören können,
sondern auch die elektronischen Elemente, die sie ja eigentlich
schützen sollen.
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Man kennt außerdem Überspannungsableiter, die in
Hochspannungsleitungen, die zur Verteilung des elektrischen Stroms dienen,
eingebaut sind. In diesen Stromleitungen können die entwickelten
Ströme oberhalb des Überspannungsableiters, je nach
Wechselstromwiderstand des Stromeinspeisungstransformators Spitzenwerte von
6 bis 25 Kiloampere in einer Zeitspanne von 100 Millisekunden
erreichen. Um den Schutz der Einrichtungen sicherzustellen, ist es
wesentlich, daß die verwendeten Überspannungsableiter die Erdung
aufrechterhalten und daß nicht Trennvorrichtungen wie z. B.
Überlastschalter selbst die Unterbrechung sicherstellen. Es ist also
sehr wichtig zumindest die Zerstörung dieser
Überspannungsableiter zu verzögern, bis die Unterbrechereinrichtungen wirksam
wer
den. Jedoch sind die Bauteile, die zur Herstellung der
Überspannungsableitungsvorrichtungen verwendet werden, normalerweise in
Gehäuse aus Harzen eingebettet, die vor allem wegen ihrer
isolierenden Eigenschaften Verwendung finden. Man weiß jedoch, daß die
Materialien, die am besten isolieren leider nur mit mittelmäßigen
mechanischen Eigenschaften ausgestattet sind.
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Die Hersteller dieser Art von Vorrichtungen sahen sich also mit
der Notwendigkeit konfrontiert, das mechanische Verhalten der
Gehäuse, die die Bestandteile umschließen, zu verstärken, indem
sie sie versteifen und die ganze Vorrichtung in härtbare
isolierende Harze tauchen.
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Diese Lösungen sind nicht zufriedenstellend, da sie sich
einerseits als gefährlich herausstellen und andererseits wenig wirksam
sind, sowohl hinsichtlich des mechanischen Widerstands als auch
hinsichtlich der elektrischen Merkmale des Geräts.
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Diese Lösungen sind deshalb gefährlich, weil das Harz, das den
Bereich umgibt, in dem der starke Momentanstrom erzeugt wird,
Risse bekommt, was die Entstehung eines Lichtbogens begünstigt,
der die Karbonisation dieses Harzes auslöst. Der so produzierte
Kohlenstoff gewährleistet die Konduktivität und der Strom, der
aus der Überspannung oder aus einem Energienetz stammt, geht
durch ihn hindurch, wobei der betroffene Bereich schnell erhitzt
wird. Dadurch wird die Karbonisation erhöht und durch den
Kumulationseffekt führt dies zu einer raschen Zerstörung des
Überspannungsableiters, die sogar ein Feuer in diesem Geräteteil
verursachen kann.
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Diese Lösungen sind außerdem nicht sehr wirksam, weil die
Harzmasse zwischen der Stelle, wo der Momentanstrom erzeugt wird und
dem Bereich, wo sich die steife Schutzhülle befindet, ein
geschmeidiges und/oder elastisches Polster bildet, das das
Auftreten von Rissen begünstigt und so einen Ausgangspunkt für Brüche
bildet, wodurch die mechanischen Eigenschaften des
Überspannungsableiters herabgesetzt werden.
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Man hat im Patent FR-A-2 678 765 ebenfalls einen
Überspannungsableiter vorgeschlagen, der zum Schutz von Freileitungen dient
und der aus einem Gehäuse besteht, das eine Röhre mit
Längsöffnungen enthält, in deren Innern Varistoren angebracht sind. Ein
Elastomersilikon füllt die leeren Teile zwischen dem Umkreis der
Varistoren und der Innenfläche des Rohres aus. Der elektrische
Kontakt wird an beiden Enden der Röhre hergestellt.
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Eine solche Vorrichtung mag zum Schutz von Freileitungen
zufriedenstellend sein, jedoch nicht, wenn es darum geht, elektronische
Apparate zu schützen. Einerseits ist die Reaktionszeit aufgrund
der langen Verbindungen und der daraus resultierenden zu hohen
Induktivitäten zu hoch und andererseits ist der physische Schutz
gegen Explosion nicht ausreichend sichergestellt und in einigen
Fällen ist diese sogar gewollt, um damit einen Anzeiger für den
Ablauf der Nutzlebensdauer des Überspannungsableiters zu haben.
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Die Lösungen, die vom vorigen Stand der Technik vorgeschlagen
werden, sind ebenfalls wenig wirksam hinsichtlich des schnellen
Ansteigens des Stromes des Überspannungsableiters. Man weiß, daß
ein Überspannungsableiter, um seine Wirksamkeit
aufrechtzuerhalten, die Eigenschaft aufweisen muß, sich schnell in Leitung zu
schalten, so daß seine Induktivität besonders gering sein muß,
um sein Einschalten nicht übermäßig zu verzögern. Bei den
Vorrichtungen des vorigen Standes der Technik zwingt ein starres
Gehäuse die Hersteller dazu, komplizierte Anschlüsse
durchzuführen, die auch noch gleichzeitig die Länge der Leitungen erhöhen
und folglich auch die Induktivität des Überspannungsableiters,
was wiederum dazu führt, daß dieser seine schnelle
Einschalteigenschaft verliert.
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Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, einen
Überspannungsableiter vorzustellen, der eine große Stromstoßgeschwindigkeit hat und
gleichzeitig einen ausreichenden mechanischen Widerstand, der es
ihm ermöglicht, seine Zerstörung hinauszuzögern, damit für
Stromunterbrechersysteme wie Trennschalter etc. genügend Zeit
verbleibt, wirksam zu werden. Außerdem ist dieser
Überspannungsab
leiter leichter und schneller in die Leitung ein- und wieder
auszuschalten.
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Die vorliegende Erfindung hat also einen Überspannungsableiter
zum Gegenstand, der ein Gehäuse, zwei elektrische Kontaktenden
und mindestens ein Gehäuseelement umfaßt und der mindestens ein
Schutzelement enthält, dessen Enden elektrisch mit denen der
Kontaktenden verbunden sind, wobei dieses Element in einen sich
im Gehäuse befindenden Isolierstoff getaucht ist, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens eine mechanisch belastbare Muffe
im Isolierstoff zwischen dem Gehäuseelement und dem Schutzelement
eingebettet ist und dadurch, daß das Gehäuse aus zwei voneinander
elektrisch isolierten Gehäuseelementen gebildet wird, welche die
beiden Kontaktenden darstellen.
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Bei einer Art des Einsatzes der vorliegenden Erfindung umfaßt das
Gehäuse zwei Gehäuseelemente, wobei mindestens eines dieser
Gehäuseelemente einen Boden oder eine mit dem Boden verbundene
Querwand besitzt, wobei der elektrische Kontakt zwischen dem
Schutzelement und dem Gehäuseelement über den genannten Boden
zustande kommt.
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Bei einer Variante dieser Einsatzart der vorliegenden Erfindung
umfaßt das andere Gehäuseelement ebenfalls einen Boden oder eine
Querwand, die mechanisch und elektrisch leitend mit dem Boden
verbunden ist, wobei das zweite Kontaktende des Schutzelements
mit dem Boden leitend verbunden ist. Diese Art des Einsatzes
ermöglicht ein schnelles und leichtes Einschalten und Aufbringen
des Überspannungsableiters.
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Bei einer anderen Einsatzart der Erfindung besteht die Muffe aus
gewebten Glas- oder Kohlenstoff-Fasern.
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Es empfiehlt sich darauf hinzuweisen, daß die
Überspannungsableitergehäuse, die eines der elektrischen Kontaktenden darstellen,
keine homogene mechanische Belastbarkeit an ihrer gesamten
Peripherie haben können. Da dieses Gehäuse Leiter für den
elektri
schen Strom ist, muß es notwendigerweise einen isolierenden
Bereich umfassen, der eine Durchführung für das zweite Kontaktende
freiläßt. Dieser Spalt bewirkt, daß das Gehäuse brüchiger ist und
reduziert so seine Explosionsfestigkeit.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, die brüchige Zone
des Überspannungsableitergehäuses zu kompensieren und sie
ermöglicht die Herstellung von Überspannungsableitern, die
gleichzeitig alle drei oben erwähnten Eigenschaften besitzen.
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Nachfolgend wird als nicht erschöpfendes Beispiel eine Form der
Ausführung der vorliegenden Erfindung mit Bezug zur beigefügten
Skizze beschrieben, auf der die Fig. 1 und 1a Schemaansichten
sind, die zwei Verwendungsarten eines Überspannungsableiters
entsprechend der vorliegenden Erfindung in den elektrischen
Schaltkreisen, zu deren Schutz sie bestimmt sind, darstellen.
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Die Fig. 2 ist eine axiale und Längsschnittperspektive einer
ersten Einsatzart des Überspannungsableiters entsprechend der
vorliegenden Erfindung.
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Die Fig. 3a bis 3d sind Ansichten, die schematisch die
verschiedenen Stufen der Einsatzmethode eines Überspannungsableiters
wie er in Fig. 2 dargestellt ist, darstellen.
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Die Fig. 4 ist eine axiale und Längsansicht einer anderen
Einsatzart des Überspannungsableiters entsprechend der
gegenständlichen Erfindung.
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Auf der Fig. 1 ist dargestellt, wie man zum Schutz eines
elektronischen Geräts 1, das durch eine elektrische Leitung 2 mit
Strom versorgt wird, einerseits zwischen der Erde 3 und der
Stromleitung 2 einen Überspannungsableiter 4 und andererseits
zwischen der Stromleitung 2 und dem Überspannungsableiter 4 einer
Überlastschalter 5 anordnet.
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Bei normalem Betrieb besitzt der Überspannungsableiter 4 eine
genügend hohe Impedanz, um sich wie ein neutrales Element zu
verhalten, so daß er den Betrieb des Geräts 1 nicht überlagert.
Jedoch bei starker Überspannung infolge von Blitzeinschlag oder
durch einen Defekt infolge "mittlerer Spannung" im Stromnetz (10
bis 30 KV), verhält sich der Überspannungsableiter wie ein
leitendes Element, so daß er den ankommenden Strom der Leitung 2 in
die Erde 3 ableitet und so das Gerät kurzschließt, was dessen
Schutz gewährleistet.
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Wir haben bei der Fig. 1a einen Überspannungsableiter
dargestellt, der verwendet wird, um die Sicherheit einer
Telefonleitung gegen Überspannungen zu gewährleisten. Bei dieser
Verwendungsart wird der Überlastschalter 5 durch eine
Strombegrenzungsvorrichtung 5' ersetzt, zum Beispiel ein CTP Element (CTP
= positiver Temperaturkoeffizient), d. h. ein Bauteil dessen
Impedanz mit der Erwärmung aufgrund des ihn durchlaufenden Stroms
zunimmt und der durch den Überspannungsableiter 4 abfließt. Die
Wirkung eines solchen Begrenzers ist langsam (in der
Größenordnung von einigen Millisekunden oder sogar einigen Sekunden).
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Der Überspannungsableiter 4 umfaßt elektronische Elemente wie zum
Beispiel Zenerdioden oder Varistoren, die sehr hohe
Stromstoßgeschwindigkeiten haben und die ihnen ein nahezu augenblickliches
Reaktionsvermögen auf Überspannungen verleihen, so daß die
Reaktion auf jeden Fall vor Aktivierung von Trennsteckern oder
Begrenzern 5' erfolgt.
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Wie vorher schon erwähnt, ist der Überspannungsableiter schon von
Strömen durchflossen, die extrem hohe Stromstärken entwickeln,
wenn der Blitzeinschlag auftritt, es ist also wichtig, daß seine
mechanische Widerstandsfähigkeit genügend hoch ist, damit er
diesen starken Stromstärken zumindest lange genug widerstehen kann,
um den Trennvorrichtungen 5 oder den Begrenzern 5' zu
ermöglichen, einzuwirken.
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Bei der Einsatzart der Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt
ist, umfaßt der Überspannungsableiter 4 ein Gehäuse 7, das aus
zwei zylindrischen Gehäuseelementen besteht, nämlich ein erstes
unteres Gehäuseelement 7a und ein zweites oberes Gehäuseelement
7b. Diese beiden Gehäuseelemente sind durch eine Distanz e
voneinander getrennt. Das untere Gehäuseelement 7a umfaßt in einem dem
einen Ende nahen Bereich einen Boden 9, der fabrikationsgeformt
ist. Im Boden 9 befindet sich im Mittelpunkt eine Öffnung 10,
durch die eine der beiden Anschlußbefestigungen 11a eines
Schutzelements 13, das hauptsächlich aus einer Zenerdiode besteht,
geführt ist. Diese Zenerdiode besteht in den meisten Fällen aus
Siliziumchips 20, aus Leistungsvernichtern 21, die zwischen den
Siliziumelementen und einem Isolierstoff mit starkem
nichtleitenden Widerstand in den Stromkreis geschaltet sind. Das obere
Gehäuseelement 7b umfaßt einen Chip 15, der den Boden bildet und
der zum Beispiel durch Schweißen nahe an einem seiner Enden an
der inneren Wand befestigt ist, so daß sie starr mit dem
Gehäuseelement 7b verbunden ist und in ausgezeichnetem elektrischen
Kontakt mit diesem ist. Der Chip 15 hat in der Mitte eine Öffnung
16, durch die die andere Anschlußbefestigung 11b des
Schutzelements 13 geführt ist. Die Anschlußbefestigungen 11a und 11b sind
jeweils durch Schweißen befestigt oder durch ein anderes
Verfahren, das gleichzeitig ihren mechanischen Widerstand und einen
guten elektrischen Kontakt mit dem Boden 9 und dem Chip 15
gewährleistet. Der innere Rauminhalt ist durch die inneren Wände der
Gehäuseelemente 7a, 7b, dem Boden 9, dem Chip 15 und der äußeren
Oberfläche des Schutzelements 13 begrenzt, in dem sich ein Harz
17 befindet, z. B. ein wärmeaushärtendes Harz oder Epoxydharz.
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Das Schutzelement 13 kann natürlich aus einem anderen Bestandteil
als einer Zenerdiode bestehen und man kann insbesondere auch
einen Varistor verwenden. Man kann somit allgemein sogenannte
nichtlineare Komponenten verwenden, d. h. Elemente, deren Merkmal
Spannung/Strom durch einen Stufenwert enden.
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Das Harz 17 wird einerseits wegen seiner isolierenden
Eigenschaften verwendet und andererseits wegen seines Haftvermögens an den
Gehäuseelementen 7a, 7b, sowie auch wegen seines eigenen
Widerstandsverhaltens.
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Eine Rohrmuffe 19 wird in diesem Rauminhalt zwischen den inneren
Wänden der Gehäuseelemente 7a, 7b des Schutzelements 13
angeordnet.
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Diese Muffe 19 besteht beispielsweise aus Glasfasern oder
Kohlenstoff-Fasern, die vorzugsweise geflochten sind.
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Der vorbeschriebene Überspannungsableiter besitzt einige Vorteile
gegenüber entsprechenden Vorrichtungen des vorigen Stands der
Technik, insbesondere hinsichtlich des mechanischen Widerstands
gegenüber Explosionen, hinsichtlich der Anschlüsse und
hinsichtlich des Herstellungsverfahrens und schließlich hinsichtlich der
Induktivität.
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Hinsichtlich des mechanischen Widerstands garantiert die Muffe
19 durch das härtbare Harz 17 die Konstanz der Gehäuseelemente
7a, 7b gegenüber den Belastungen und Beanspruchungen, die vor
allem in Längsrichtung wirken, wenn der Überspannungsableiter von
einem Blitzstrom wie die auf der Ebene der Siliziumchips 20
freigesetzte Energie, durch die er mit Intensitäten nahe einer
Explosion konfrontiert wird, durchflossen wird.
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Die Muffe 19 übt ebenfalls eine Widerstandsfunktion gegenüber den
Belastungen die in Querrichtung wirken, aus, d. h. in einer zur
Längsachse yy' des Überspannungsableiters senkrechten Richtung,
insbesondere im Mittel-Abstandsteil e, der zwischen den beiden
Gehäuseelementen 7a und 7b vorgesehen ist, um sie elektrisch
voneinander zu isolieren und der einen Brüchigkeitsbereich des
Überspannungsableiters darstellt.
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Außerdem wurde festgestellt, daß die Muffe 19 noch eine andere
Funktion erfüllt, nämlich die, die Risse, die im Harz entstehen,
auf ein geringes Maß zu reduzieren (wenn nicht sogar vollständig
zu verhindern), so daß Phänomene wie Lichtbögen nicht mehr
auftreten können, was eine schnelle Zerstörung des
Überspannungsableiters somit verhindert.
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Hinsichtlich der Anschlüsse wird man feststellen, daß die
vorliegende Anschlußart deshalb interessant ist, weil sie besonders
kurze elektrische Leitungen verwendet, was die
Stromstoßgeschwindigkeit begünstigt. Außerdem ist aufgrund der zylindrischen Form
der Gehäuseelemente 7a und 7b der elektrische Anschluß des
Überspannungsableiterelements mit dem Anschlußgehäuse in das es
montiert ist, besonders effizient ausgeführt. Überdies erlaubt die
zylindrische Form des Gehäuses 7 eine symmetrische Anordnung der
aktiven Elemente, was die Induktivität nochmals verringert.
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Was Herstellungsmethode und Inbetriebnahme des oben beschriebenen
Überspannungsableiters angeht, zeigt ein Beispiel die vier
Hauptstufen seiner Inbetriebnahme, die auf den Fig. 3a bis 3d
dargestellt sind.
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Im Verlauf der ersten Stufe (Fig. 3a) geht man von einer Röhre
12 aus, deren Länge a der Länge des fertigen
Überspannungsableiterelements entspricht und die einen Boden 9 umfaßt. Man
führt dann eine Anschlußklammer 11a des Schutzelements 13 durch
die Öffnung 10 und befestigt diese Klammer 11a dann durch
Schweißen auf dem Boden 9. Im Verlauf der zweiten Stufe (Fig.
3b) versieht man das Schutzelement 13 mit der Muffe 19 und gießt
dann das Harz ins Innere der Röhre 12. Im Verlauf der dritten
Phase (Fig. 3c) installiert man den Chip 15 indem die zweite
Anschlußklammer 11b des Schutzelements 13 durch die Öffnung 16
derselben geführt wird. Man befestigt dann einerseits den Chip
15 auf der Röhre 12 und andererseits die Anschlußklammer 11b auf
dem Chip 15 durch Schweißen. Im Verlauf der vierten Stufe (Fig.
3d) führt man einen kreisförmigen Brennschnittspalt, zum Beispiel
durch Drehen in der Mitte der Röhre 12 durch, um diese in zwei
elektrisch vollkommen voneinander getrennte Gehäuseelemente 7a,
7b zu trennen.
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Die vom Kläger durchgeführten Versuche haben erbracht, daß ein
solcher Überspannungsableiter in der Lage ist, die vom
Blitzeinschlag stammende Energie einerseits rasch genug in die Erde
abzuleiten, um die Zerstörung der elektronischen Geräte zu
verhindern und andererseits die Ableitung lange genug
aufrechtzuerhalten, damit konventionelle Leitungsunterbrecher genug
Zeit zur Einwirkung haben.
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Man kann natürlich, je nach Erfindung, innerhalb des Gehäuses 7
mehrere Schutzelemente 13a und 13b entweder parallelgeschaltet
wie auf Fig. 4 dargestellt oder im Gegenteil in Serie
geschaltet, miteinander verbinden. Man kann auch zwischen das Gehäuse
7 und dem Schutzelement 13 mehrere koaxial angeordnete Muffen
zwischenschalten.