DE7907949U1 - Gasentladungs-ueberspannungsableiter mit fail-safe-verhalten - Google Patents

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAPT Unser Zeichen Berlin und München VPA 79 ρ \ Q 5 Q

Gasentladungs-Überspannungsableite.r mit Fail-Safe-Verhalten

Die Erfindung betrifft einen Gasentladungs-Überspannungsableiter mit Fail-Safe-Verhalten, bei dem bei Überlastung die Gasentladungsstrecke galvanisch kurzgeschlossen wird.

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

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

Bei der Packungsdichte von Gasentladungs-Überspannungs- l] ableitern in modernen Einrichtungen können thermische $ Verlustleistungen im Betrieb nur in begrenztem Umfang §ΐ abgeführt werden. Ein rechtzeitiger Kurzschluß kann deswegen auch die Zerstörung von Ableiterhalterungen und Ableitermagazinen verhindern.

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

durch Erwärmung andient werden kann. 35

Weiter ist ein äußerer Kurzschlußmechanismus beispiels- § weise aus dem DGM 75 33 725 bekannt. Bei unzulässiger

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Erwärmung des Gasentladungs-Überspannungsableiters wird auf einer der äußeren Elektroden eine Weichlotpille zum Schmelzen gebracht. Dadurch schließt eine

Kurzschlußfeder die äußeren Elektroden kurz. 5

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

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

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Gasentladun^s-Überspannungsableiter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Kombination folgender Merkmale vorgeschlagen:

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

t>) zwischen den durch einen Isolator voneinander getrennten äußeren Elektroden befindet sich mindestens ein Kurzschlußbügel, der bei thermischer Überlastung

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vor der Zerstörung des gasgefüllten Gehäuses die äußeren Elektroden kurzschließt.

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

Nach einer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Kurzschlußbügel mit einer der äußeren Elektroden fest verbunden ist und gegen die eigene Federkraft von der anderen äußeren Elektrode durch einen Schmelzkörper abgehalten ist, der sich in thermischer Verbindung auf dem gasgefüllten Gehäuse befindet und bei thermischer Oberlastung des Gehäuses durch Erweichen die Federkraft des Kurzschlußbügels freigibt.

Dabei besteht die Möglichkeit, daß der Schmelzkörper eine Weichlotpille ist, die sich in definiertem Abstand von den äußeren Elektroden auf dem dazwischenliegenden Isolator befindet oder daß der Schmelzkörper aus Kunststoff ist und sich auf dem Gehäuse in definiertem Abstand zwischen den Elektroden befindet. Der Schmelzkörper kann auch ein um das Gehäuse gelegter Kunststoffring sein.

In beiden Fällen erlaubt der definierte Abstand des Schmelzkörpers von den äußeren Elektroden ein optimales Anpassen der maximalen thermischen Belastbarkeit. Die

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

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

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

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

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Dabei zeigen die

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

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

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

Pig. 4 dazu eine axiale Draufsicht, die

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

Fig, 6 dazu eine axiale Draufsicht, die
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Pig. 7 einen Ableiter mit einem Bimetall-Kurzschlußbügel, der mit einer Elektrode fest verbunden ist, und die

Pig. 8 dazu eine axiale Draufsicht.

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

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

Die axiale Draufsicht der Pig. 2 zeigt die eine äußere Elektrode 2, den Zuleitungsdraht 6 und den Kurzschlußbügel 8, der an zwei Befestigungszungen mit vier

Schweißpunkten auf dem äußeren Rand der Elektrode 2 % aufliegt.

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

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

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

In der Pig. 5 ist wiederum ein Ableiter mit Gehäusevand 1 und zwei äußeren Elektroden 2 und 3 in äußerer Längsansicht dargestellt. Der innere Kurzschlußmechanismus kann wieder dem nach Pig. 1 entsprechen. Dez äußere Kurzschlußmechanismus wird durch einen Bimetallstreifen bewerkstelligt, der in thermischer Verbindung mit der Gehäusewand 1 steht. Der Bimetallstreifen 11 erstreckt sich längs des Ableiters und wird etwa in

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

Spange 12 auf der Gehäusewand 1 zu ersehen. 10

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

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

9 Patentansprüche
8 Figuren

Claims (7)

Schutzansprüche - 1 - VPA 79 G 1050 BRD

1. Gasentladungs-Überspannungsableiter mit Fail-Safe-Verhalten, bei dem bei Überlastung die Gasentladungsstrecke galvanisch kurzgeschlossen wird, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
a) Innere Elektroden (4, 5) bus einem bei elektrischer Überlastung schmelzenden Kateriel;

b) zumindest ein äußerer KurzschluSbügel zwischen den durch einen Isolator (1) voneinander getrennten äußeren Elektroden (2, 3);

c) der Kurzschlußbügel (8) ist mit einer (2) der äußeren Elektroden (2, 3) fest verbunden und gegen die eigene Federkraft von der anderen äußeren Elektrode (3) durch einen Schmelzkörper (9, 10) abgehalten, der sich auf dem gasgefüllten Gehäuse befindet.

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

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzkörper (9) aus Kunststoff ist und sich auf dem Gehäuse in definiertem Abstand zwischen den äußeren Elektroden (2, 3) befindet.

4. überspannungsableiter nach '-nspruch 3, dadurch gekennzei chnet, daß der Schmelzkörper (10) ein um das Gehäuse gelegter Kunststoffring (10) ist.

5. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, daß der Kurzschlußbügel (11, 12, 13) zumindest teilweise aus einem Bimetall (11,13)

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besteht, das durch thermische Verbindung mit dem gasgefüllten Gehäuse vor dessen thermischer Überlastung die äußeren Elektroden (2, 3) kurzschließen läßt.

6. Überspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzei chnet. daß der Kurzschlußbügel (11, 12) an einer Stelle mit definiertem Abstand vor. den äußeren Elektroden (2, 3) auf dem da ζ vischerJ. legenden Isolator (1) in thermischer Verbindung aufliegt.

7. Überspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennze ichnet, daß der Kurz schlußj-^:'gel (13) mit einer (2) der äußeren Elektroden (2, 3) fest verbunden ist.