EP0920098B1

EP0920098B1 - Überspannungsschutzelement

Info

Publication number: EP0920098B1
Application number: EP99102644A
Authority: EP
Inventors: Holger Dr.-Ing. Altmaier; Klaus Prof. Dr.-Ing. Scheibe; Eberhard Dipl.-Ing. Lehmann
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 2003-09-17
Anticipated expiration: 2015-09-21
Also published as: EP0920098A3; EP0920098A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transienten Überspannungen, mit zwei Elektroden, einer zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und einem die Elektroden aufnehmenden Gehäuse, wobei jede Elektrode einen Anschlußschenkel und ein unter einem spitzen Winkel zu dem zugehörigen Anschlußschenkel verlaufendes Funkenhorn aufweist und zwischen den Funkenhörnern der beiden - mit Abstand zueinander angeordneten - Elektroden die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ausgebildet ist.

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

Neben dem Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht (vgl. die US-A-3 688 155), also einem solchen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, gibt es Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen also beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt (vgl. die DE - A - 27 18 188, die DE - A - 29 34 236 und die DE - A - 31 01 354).

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

Es sind nun bereits verschiedene Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke entwickelt worden, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind (vgl. die DE - A - 41 41 681, die DE - A - 41 41 682 und die DE - A - 42 44 051).

Einer älteren Patentanmeldung (vgl. die DE - A - 44 02 615) lag die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Überspannungsschutzelement insgesamt in seinem Überspannungsschutzverhalten zu verbessern, insbesondere auch in bezug auf die Ansprechspannung, das Blitzstoßstrom- und Netzfolgestrom-Tragfähigkeitsverhalten und das Netzfolgestrom-Löschverhalten.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist durch verschiedene Lehren gelöst, wobei diese Lehren alternativ, vor allem aber auch kumulativ angewendet werden können.

Eine erste Lehre nach der vorgenannten älteren Patentanmeldung hat zunächst und im wesentlichen zum Inhalt, daß die Funkenhörner der Elektroden in ihren an die Anschlußschenkel angrenzenden Bereichen mit einer durch die Anschlußschenkel verlaufenden Bohrung versehen sind. Diese Bohrungen sorgen dafür, daß im Augenblick des Ansprechens des Überspannungsschutzelementes ein verbessertes Zündund Lichtbogenlaufverhalten gegeben ist, insbesondere der Lichtbogen neben den Bohrungen durch eine thermisch-atmosphärische Beblasung "in Fahrt gesetzt wird".

Eine zweite Lehre nach der vorgenannten älteren Patentanmeldung hat zunächst und im wesentlichen zum Inhalt, daß zwischen den sich gegenüberstehenden Enden der Anschlußschenkel der beiden Elektroden eine - eine Gleitentladung auslösende - Zündhilfe vorgesehen ist. Bei dem gemäß dieser Lehre ausgeführten Überspannungsschutzelement ist gleichsam in den engsten Teil der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, also dort, wo ein Ansprechen stattfindet, eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke integriert. Die integrierte Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke hat eine relativ konstante und vor allem geringere Ansprechspannung als die dem eigentlichen Überspannungsschutz dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke. Einmal angesprochen, bei einer relativ konstanten niedrigen Ansprechspannung, führt die gezündete Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke zu einem "schlagartigen" Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke mit relativ hoher Stromtragfähigkeit, also hoher Blitzstoßstrom- und Netzfolgestromtragfähigkeit. Bei dieser Ausführungsform sind also die Vorteile einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke verwirklicht und deren Nachteile eliminiert.

Eine dritte Lehre nach der vorgenannten älteren Patentanmeldung hat zunächst und im wesentlichen zum Inhalt, daß das Gehäuse zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht, der bei einer Verbrennung keinen Kohlenstoff abgibt, oder zumindest teilweise mit einem solchen Kunststoff ausgekleidet ist. Normalerweise ist der Einbau von eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke bildenden Elektroden mit Funkenhörnern in ein relativ kleines, aus Kunststoff, der bei einer Erhitzung bzw. einer Verbrennung Kohlenstoff abgibt, bestehendes Gehäuse problematisch. Insbesondere kommt es aufgrund des nach dem Ansprechen entstehenden sehr heißen Lichtbogens zu einer Verbrennung des Kunststoffes und damit zu einer enormen Abgabe von Kohlenstoff. Das führt dazu, daß die Elektroden verschmutzen und keine Isolationsfestigkeit mehr vorhanden ist. Darüber hinaus beeinträchtigt auch der enorme Kohlenstoffanteil im Gasgemisch das Löschverhalten der Elektroden. Die zuvor beschriebenen Nachteile treten dann natürlich nicht auf, wenn das Gehäuse zumindest teilweise aus einem Kunststoff besteht, der bei einer Erhitzung bzw. einer Verbrennung keinen Kohlenstoff abgibt, oder wenn das Gehäuse zumindest teilweise mit einem solchen Kunststoff ausgekleidet ist.

Eine vierte Lehre nach der vorgenannten älteren Patentanmeldung hat zunächst und im wesentlichen zum Inhalt, daß die Seitenwandungen des Gehäuses relativ nahe an die Funkenhörner der Elektroden herangezogen sind. Durch diese Lehre tritt eine außerordentlich gute atmosphärische Beblasung des Lichtbogens ein. Er läuft sehr schnell an die Spitzen der Funkenhörner, frißt sich also nicht im Zündbereich fest.

Eine fünfte Lehre nach der vorgenannten älteren Patentanmeldung hat schließlich zunächst und im wesentlichen zum Inhalt, daß der den Funkenhörnern der Elektroden benachbarte Gehäusedeckel aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise aus Kupferwolfram besteht, wobei dann in aller Regel der Abstand zwischen den dem Gehäusedeckel benachbarten Enden der Funkenhörner der Elektroden und dem Gehäusedeckel so gewählt ist, daß zwischen den dem Gehäusedeckel benachbarten Enden der Funkenhörner und dem Gehäusedeckel Lichtbögen entstehen können. Bei diesem Überspannungsschutzelement wandert der Lichtbogen zunächst aus dem Zündbereich an die Spitzen der Funkenhörner. Dann bilden sich zwischen den Spitzen der Funkenhörner und dem aus elektrisch leitendem Material bestehendem Gehäusedeckel zwei Lichtbögen. Die sich dabei aufbauende Leiterschleife sorgt dafür, daß die beiden Lichtbögen hinter die Funkenhörner getrieben werden. Das hat zur Folge, daß sich zwei Lichtbögen ausbilden, die insgesamt für eine enorm hohe Bogenbrennspannung beim Netzfolgestrom sorgen. Das wiederum führt dazu, daß das Löschverhalten für den Netzfolgestrom sich wesentlich verändert hat, nämlich eine quasi-kurzschlußfeste Entladungsstrecke entstanden ist. Da die beiden Lichtbögen sich hinter den Funkenhörnern befinden, ist dadurch auch der empfindliche Zündbereich zwischen den Funkenhörnern außerordentlich gut geschützt.

Ausgehend von dem zuvor im einzelnen beschriebenen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich seines Überspannungsschutzverhaltens nochmals verbessertes Überspannungsschutzelement anzugeben.

Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement ist nun dadurch gekennzeichnet, daß die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke abgebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet ist und daß die Funkenhörner jeweils einen etwa rechtwinklig zum Anschlußschenkel verlaufenden geraden unteren Bereich und einen sich an den geraden Bereich anschließenden bogenförmigen oberen Bereich aufweisen. Im Hause der Anmelderin ist überraschender Weise festgestellt worden, daß sich aufgrund der zuvor beschriebenen Ausbildung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ein hinsichtlich seines Überspannungsschutzverhaltens nochmals verbessertes Überspannungsschutzelement im Gegensatz zu einem solchen mit einer einfach V- oder winkelförmig ausgebildeten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ergibt. Bei durchgeführten Versuchen ist festgestellt worden, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke das Plasma zwischen den beiden Funkenhörnern direkt und sehr schnell ausgeblasen wird, so daß sich durch die Erfindung eine hochblitzstromtragfähige und -netzfolgestromlöschfähige Trennfunkenstrecke und damit ein erheblich verbessertes Überspannungsschutzelement ergibt. Aufgrund des schnellen Ausblasens ist ein "Festfressen" des Lichtbogens im Zündbereich praktisch nicht mehr möglich.

Zwar ist bereits ein Überspannungsschutzelement bekannt (vgl. die US - A - 3,309,575), das, wie das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement, eine nichtsymmetrische Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist; die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ist bogenförmig ausgeführt. Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement unterscheidet sich von diesem bekannten Überspannungsschutzelement dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement die Elektroden jeweils einen besonderen Anschlußschenkel aufweisen und die Funkenhörner unter einem Winkel zu dem zugehörigen Anschlußschenkel verlaufen, während bei dem zuvor angesprochenen bekannten Überspannungsschutzelement solche Anschlußschenkel nicht verwirklicht sind, und daß bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aus einem unteren Bereich und einem oberen Bereich besteht, wobei der untere Bereich durch gerade Bereiche der beiden Funkenhörner gebildet ist, die unteren Bereiche der beiden Funkenhörner also parallel zueinander verlaufen, während bei dem zuvor angesprochenen bekannten Überspannungsschutzelement die beiden die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke bildenden Elektroden durchgängig bogenförmig ausgeführt sind.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, daß erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden.

Grundsätzlich ist es zur zumindest teilweisen Erzielung der obengenannten Vorteile möglich, die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen 10° und 180° abzubiegen. Ein besonders vorteilhaftes Überspannungsschutzverhalten und eine sehr schnelle Bewegung des Lichtbogens zu den Spitzen der Funkenhörner ergibt sich jedoch dann, wenn die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke um etwa 90° abgebogen und/oder abgewinkelt ist. Im übrigen ist es vorteilhaft, wenn der untere Bereich der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke einen Winkel von etwa 10° bis 40°, vorzugsweise von etwa 20° bis 30° einschließt und die beiden Bereiche der Funkenhörner im wesentlichen stufenlos ineinander übergehen.

Weiterhin bietet es sich besonders an, daß sich die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke unmittelbar in eine im Gehäuse befindliche Ausblasöffnung hinein öffnet, so daß die entstehenden Abgase direkt ausgeblasen werden können und sich nicht im Gehäuse niederschlagen.

Darüber hinaus ist es von besonderem Vorteil, wenn innerhalb des Gehäuses mindestens eine eine Mehrzahl von Löschblechen aufweisende Löschblech-Anordnung vorgesehen ist. Die das Überspannungsschutzverhalten, insbesondere das Netzfolgestrom-Löschverhalten verbessernde Wirkung der Löschblech-Anordnung beruht darauf, daß der Lichtbogen in eine Reihe kurzer, hintereinander geschalteter Teillichtbögen aufgelöst wird und daß die Summe der Teillichtbögen einen höheren Spannungsbedarf hat als der ungeteilte Lichtbogen, so daß nach dem Spannungsnullwerden bzw. Stromnullwerden eine höhere Wiederzündspannung benötigt wird als bei einem ungeteilten Lichtbogen. Darüber hinaus bewirkt die Berührung des Lichtbogens bzw. der Teillichtbögen mit den relativ kalten, gut wärmeleitenden Löschblechen eine intensive Kühlung und damit Entionisierung des Lichtbogenplasmas.

Um ein schnelles und gutes Löschen des Lichtbogens zu erreichen, ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Löschblech-Anordnung in der oder im Anschluß an die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke im Bereich der Ausblasöffnung angeordnet ist. Hierdurch läuft der Lichtbogen quasi direkt in die Löschblech-Anordnung hinein.

Um den Lichtbogen noch schneller in die Löschblech-Anordnung hineinzutreiben, bietet es sich weiter an, Löschbleche aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Eisen zu verwenden. Das Zustandekommen der Kräfte, die den Lichtbogen in die Löschblech-Anordnung hineintreibt, erklärt sich bei der Verwendung von Löschblechen aus ferromagnetischem Material aus dem Bestreben des einen stromdurchflossenen Leiter umgebenden Magnetflusses, möglichst durch die magnetisch viel besser als Luft leitenden Löschbleche aus Eisen zu verlaufen; der Lichtbogen wird also von einer Löschblech-Anordnung, deren Löschbleche aus ferromagnetischem Material bestehen, angezogen.

Werden bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement Löschbleche aus Eisen verwendet, so empfiehlt es sich, die Löschbleche mit einem Oberflächenüberzug aus korrosionsbeständigem Material, vorzugsweise aus Silber oder aus Nickel, zu versehen.

Wenn zuvor davon gesprochen worden ist, daß das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement Löschbleche aufweist, so handelt es sich dabei vorzugsweise um Löschbleche mit rechteckigem Querschnitt, wobei die Löschbleche einen Querschnitt mit einem Verhältnis der Länge zur Breite von etwa 4 : 1 bis etwa 2 : 1, vorzugsweise von etwa 3 : 1 haben.

Schließlich bietet es sich an, die bei der Bildung des Lichtbogens auftretenden Abgase nicht nur durch eine Ausblasöffnung, sondern auch durch eine, der Ausblasöffnung im Gehäuse gegenüberliegende Abgasöffnung abzulassen. Dementsprechend ist das größere Funkenhorn konstruktiv ausgebildet, so daß es die entstehenden Abgase einerseits in Richtung der Ausblasöffnung führt, andererseits ein Abströmen in Richtung der Abgasöffnung ermöglicht. Durch die Ausbildung einer weiteren Öffnung - der Abgasöffnung - ist die Gefahr, daß sich die Abgase innerhalb des Gehäuses niederschlagen und dadurch die Funktion des Überspannungsschutzelementes beeinträchtigen, erheblich vermindert worden.

Die zuvor im einzelnen beschriebenen Maßnahmen sind für sich von erfinderischer Bedeutung; sie können also auch bei Überspannungsschutzelementen realisiert werden, bei denen die Lehre bzw. die Lehren der eingangs behandelten älteren Patentanmeldung nicht verwirklicht sind. Besondere Bedeutung kommt den zuvor beschriebenen Maßnahmen jedoch zu in Verbindung mit der Lehre bzw. den Lehren der eingangs behandelten älteren Patentanmeldung.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus weiteren, nicht im einzelnen erwähnten Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und der Zeichnung selbst. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen

Fig. 1: einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes,
Fig. 2: einen Schnitt durch das Überspannungsschutzelement aus Fig. 1 entlang der Schnittlinie II - II in Fig. 1,
Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes und
Fig. 4: einen Schnitt durch das Überspannungsschutzelement aus Fig. 3 entlang der Schnittlinie IV - IV in Fig. 3.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Überspannungsschutzelemente 1 dienen zur Ableitung von transienten Überspannungen und zur Begrenzung von Stoßströmen. In den Fig. 1 und 2 einerseits sowie 3 und 4 andererseits sind zwei unterschiedliche Ausführungsformen von Überspannungselementen 1 dargestellt. Beide Ausführungsformen haben aber im wesentlichen den gleichen Aufbau. Jedes der Überspannungsschutzelemente 1 weist auf zwei Elektroden 2, 3, eine zwischen den Elektroden 2, 3 wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 und ein die Elektroden 2, 3 aufnehmendes Gehäuse 5. Jede Elektrode 2, 3 weist auf einen Anschlußschenkel 6, 7 und ein unter einem Winkel zu dem Anschlußschenkel 6, 7 verlaufendes Funkenhorn 8, 9. Der erwähnte Winkel zwischen dem jeweiligen Anschlußschenkel 6, 7 und dem Funkenhorn 8, 9 bezieht sich auf die Funktionsfläche des Funkenhorns 8, 9. Die Funkenhörner 8, 9 der beiden - mit Abstand zueinander angeordneten - Elektroden 2, 3 bilden zusammen die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4. Dadurch, daß die Funkenhörner 8, 9 in der zuvor erläuterten Weise unter einem Winkel zu den Anschlußschenkeln 6, 7 verlaufen, ist die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 winklig und vorzugsweise spitz zulaufend ausgeführt.

Wie sich aus den einzelnen Figuren ergibt, sind die beiden Funkenhörner 8, 9 in ihren an die Anschlußschenkel 6, 7 angrenzenden Bereichen jeweils mit einer vorzugsweise parallel zu den Anschlußschenkeln 6, 7 verlaufenden Bohrung 10, 11 versehen, die im Ausführungsbeispiel der gezeigten Figuren mittig in den Funkenhörnern 8, 9 der Elektroden 2, 3 verwirklicht sind. Bei den dargestellten Ausführungsformen ist in jedem Funkenhorn 8, 9 jeweils nur eine einzige Bohrung 10, 11 vorgesehen. Es ist allerdings auch möglich, zwei übereinander vorgesehene Bohrungen in einem Funkenhorn vorzusehen. Die in den Funkenhörnern 8, 9 der Elektroden 2, 3 des Überspannungsschutzelementes 1 vorgesehenen Bohrungen 10, 11 sorgen dafür, daß im Augenblick des Ansprechens des Überspannungsschutzelementes 1, also des Zündens, der entstandenen Lichtbogen neben den Bohrungen 10, 11 durch eine thermische und/oder elektrische und/oder magnetische Druck- und/oder Krafteinwirkung "in Fahrt gesetzt wird", also von seiner Entstehungsstelle wegwandert.

Im übrigen kann den Figuren entnommen werden, daß in den dargestellten Ausführungsbeispielen die Funkenhörner 8, 9 der Elektroden 2, 3 an beiden Seiten jeweils mit einer Fase 12, 13 versehen und an ihren einander zugewandten Seiten konvex ausgebildet sind. Die Anfasung der Funkenhörner 8, 9 der Elektroden 2, 3 verhindert, daß es zu Materialabträgen an den Kanten der Funkenhörner 8, 9 kommt. Die vorzugsweise realisierte Maßnahme, die Funkenhörner 8, 9 der Elektroden 2, 3 an ihren einander zugewandten Seiten konvex auszubilden, führt dazu, daß der nach einem Ansprechen des Überspannungsschutzelementes 1 entstehende Lichtbogen vorzugsweise mittig im Bereich der Funkenhörner 8, 9 entsteht und mittig zu den Enden bzw. Spitzen der Funkenhörner 8, 9 läuft.

Bei den beiden in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen von Überspannungsschutzelementen 1 ist zwischen den sich gegenüberstehenden Enden der Anschlußschenkel 6, 7 und im unteren Bereich der beiden Funkenhörner 8, 9 der beiden Elektroden 2, 3 eine - eine Gleitentladung auslösende - Zündhilfe 14 vorgesehen. Diese Zündhilfe 14 besteht vorzugsweise aus einem Isolierstoff, der bei einer Zustandsänderung, beispielsweise einer Erhitzung, keinen Kohlenstoff in funktionsbeeinträchtigendem Maße abgibt, und geringfügig, vorzugsweise 0,1 mm oder mehr, in die von den Funkenhörnern 6 der Elektroden 2 gebildete Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 hineinragt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ragt die Zündhilfe 14 bis in die Mitte der Bohrungen 10, 11 in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 hinein. Im übrigen ist die Zündhilfe 14, wie sich dies aus den Fig. 2 und 4 ergibt, an ihrer der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 zugewandten Seite V-förmig ausgebildet. An die V-förmige Ausbildung kann sich ein nach unten hin erstreckender schmaler Schlitz anschließen, der nicht dargestellt ist. Dieser Schlitz in der Zündhilfe 14 beeinflußt positiv die Ansprechspannung.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen von Überspannungsschutzelementen 1 ist nun durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen gleichsam in den engsten Teil der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4, nämlich dort, wo ein Ansprechen bzw. Zünden stattfindet, eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke integriert. Diese integrierte Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke hat eine relativ konstante und vor allem geringere Ansprechspannung als die dem eigentlichen Überspannungsschutz dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4. Einmal angesprochen, bei einer relativ konstanten niedrigen Ansprechspannung, führt die gezündete Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke zu einem "schlagartigen" Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 mit relativ hoher Stromtragfähigkeit.

Das Gehäuse 5 des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes 1 besteht zumindest teilweise aus einem Kunststoff, der bei einer Erhitzung bzw. einer Verbrennung keinen Kohlenstoff abgibt. Alternativ kann vorgesehen sein, daß das Gehäuse eine Auskleidung aus einem Kunststoff aufweist, der bei einer Erhitzung bzw. Verbrennung keinen Kohlenstoff abgibt.

Wesentlich ist nun für vorliegende Erfindung, daß die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 abgebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet ist und daß die Funkenhörner 8, 9 jeweils einen etwa rechtwinklig zum Anschlußschenkel 6, 7 verlaufenden geraden unteren Bereich und einen sich an den geraden Bereich anschließenden bogenförmigen oberen Bereich aufweisen. Durch diese besondere Ausbildung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke wird einerseits sichergestellt, daß das zwischen den Funkenhörnern 8, 9 gebildete Plasma direkt und schnell ausgeblasen und andererseits und als Folge davon, daß der Lichtbogen schnell, sicher und gut gelöscht wird. Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Funkenstrecke eine hoch-blitzstromtrag- und -netzfolgestromlöschfähige Trennfunkenstrecke.

Vorzugsweise ist die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 zwischen 10° und 180°, insbesondere um etwa 90° abgebogen und/oder abgewinkelt und schließt der untere Bereich der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 einen Winkel von etwa 10° bis 40°, vorzugsweise von etwa 20° bis 30° ein.

Die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen bieten sich deshalb an, weil zwischen den einzelnen, zuvor erwähnten Bereichen ein stufenloser Übergang vorhanden ist und es nicht zu unbeabsichtigten Materialabträgen an Kanten oder Stufen kommt.

Die beiden in den Fig. 1 und 2 einerseits sowie 3 und 4 andererseits dargestellten Ausführungsformen haben jeweils eine weitere Gemeinsamkeit, nämlich daß sich die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 in eine im Gehäuse 5 befindliche Ausblasöffnung 15 hinein öffnet. Dies bedeutet also, daß das Plasma direkt bzw. unmittelbar zusammen mit entstehenden Abgasen über die Ausblasöffnung 15 ausgeblasen werden kann.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ist eine Löschblech-Anordnung 16 innerhalb des Gehäuses 5 vorgesehen, die eine Mehrzahl von Löschblechen 17 aufweist. Die Löschblech-Anordnung 16 ist im Anschluß an die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 angeordnet, vorzugsweise im Bereich der Ausblasöffnung 15, und zwar direkt vor dieser. Die Löschbleche 17, die vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, bestehen aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Eisen. Aus "löschtechnischen" Gründen bietet es sich an, daß die Löschbleche einen Querschnitt mit einem Verhältnis der Länge zur Breite von etwa 4 : 1 bis 2 : 1, vorzugsweise von etwas 3 : 1 haben. Außerdem können die Löschbleche 17 mit einem Oberflächenüberzug aus korrosionsbeständigem Metall, vorzugsweise aus Silber oder aus Nickel, versehen sein.

Neben den in der Ausblasöffnung 15 vorgesehenen Löschblechen 17 weist die Löschblech-Anordnung 16 noch ein oberstes Löschblech 18 bzw. einen obersten Leiter und ein unterstes Löschblech 19 bzw. einen untersten Leiter auf. Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ist das oberste Löschblech 18 auf dem gleichen Potential wie das größere Funkenhorn 8, während das untere Löschblech 19 auf dem gleichen Potential liegt wie das kleinere Funkenhorn 9. Die jeweiligen Löschbleche 18, 19 sind mit den jeweiligen Funkenhörnern 8, 9 galvanisch verbunden. Auch hierbei sollte vorgesehen sein, daß der Übergang vom größeren Funkenhorn 8 auf das oberste Löschblech 18 und vom kleineren Funkenhorn 9 zum untersten Löschblech 19 im wesentlichen stufenlos ist.

Um nun einen möglichst schnellen und guten Abtransport der bei der Entstehung des Lichtbogens auftretenden Abgase aus dem Gehäuse 5 zu realisieren, eine Niederschlagung im Gehäuse 5 weitestgehend zu vermeiden, ist bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform vorgesehen, daß die Breite des größeren Funkenhorns 8 zumindest im oberen Bereich geringer ist als die Breite des Gehäuses 5 und daß gegenüberliegend der Ausblasöffnung 15 eine Abgasöffnung 20 im Gehäuse vorgesehen ist. Zweckmäßigerweise ist beidseitig zwischen dem größeren Funkenhorn 8 und dem Gehäuse 5 je ein Schlitz 21, 22 vorgesehen, an den sich in Ausströmrichtung der Abgase die Abgasöffnung 20 anschließt. Insgesamt ergibt sich bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform ein beidseitiger Austritt der Abgase.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind die Schlitze 21, 22 nicht vorgesehen. Hierbei sind die Seitenwandungen 23, 24 des Gehäuses 5 bis an die Funkenhörner 8, 9 herangezogen. Dadurch ergibt sich ein außerordentlich gutes Laufverhalten des Lichtbogens; er läuft sehr schnell an die Spitzen der Funkenhörner 8, 9.

Claims

Überspannungsschutzelement (1) zur Ableitung von transienten Überspannungen, mit zwei Elektroden (2, 3), einer zwischen den Elektroden (2, 3) wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4) und einem die Elektroden (2, 3) aufnehmenden Gehäuse (5), wobei jede Elektrode (2, 3) einen Anschlußschenkel (6, 7) und ein unter einem Winkel zu dem zugehörigen Anschlußschenkel (6, 7) verlaufendes Funkenhorn (8, 9) aufweist und zwischen den Funkenhörnern (8, 9) der beiden - mit Abstand zueinander angeordneten - Elektroden (2, 3) die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4) abgebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet ist und daß die Funkenhörner (8, 9) jeweils einen etwa rechtwinklig zum Anschlußschenkel (6, 7) verlaufenden geraden unteren Bereich und einen sich an den geraden Bereich anschließenden bogenförmigen oberen Bereich aufweisen.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4) zwischen 10° und 180°, insbesondere um etwa 90° abgebogen und/oder abgewinkelt ist oder/und daß der untere Bereich der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4) einen Winkel von etwa 10° bis 40°, vorzugsweise von etwa 20° bis 30° einschließt.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bereiche der Funkenhörner (8, 9) im wesentlichen stufenlos ineinander übergehen.
Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4) unmittelbar in eine im Gehäuse (5) befindliche Ausblasöffnung (15) hinein öffnet.
Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Gehäuses (5) mindestens eine Löschblech-Anordnung (16) mit einer Mehrzahl von Löschblechen (17) vorgesehen ist und daß die Löschblech-Anordnung (16) vorzugsweise in der oder vorzugsweise unmittelbar im Anschluß an die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (4) angeordnet ist.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschblech-Anordnung (16) im Bereich der Ausblasöffnung (15) angeordnet ist.
Überspannungsschutzelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschbleche (17) aus ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Eisen bestehen oder/und mit einem Oberflächenüberzug aus korrosionsbeständigem Metall, vorzugsweise aus Silber oder Nickel, versehen sind.
Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Löschbleche (17) einen rechteckigen Querschnitt, vorzugsweise mit einem Verhältnis der Länge zur Breite von etwa 4 : 1 bis etwa 2 : 1, insbesondere von etwa 3 : 1 haben.
Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das oberste Löschblech (18) auf dem gleichen Potential wie das größere Funkenhorn (8) und das unterste Löschblech (19) auf dem gleichen Potential wie das kleinere Funkenhorn (9) liegen.
Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des größeren Funkenhorns (8) zumindest im oberen Bereich geringer ist als die Breite des Gehäuses (5) und vorzugsweise, gegenüberliegend der Ausblasöffnung (15), im Gehäuse (5) eine Abgasöffnung (20) vorgesehen ist oder/und daß beidseitig zwischen dem größeren Funkenhorn (8) und den Seitenwandungen (23, 24) des Gehäuses (5) je ein Schlitz (21, 22) vorgesehen ist.