EP1566868B1 - Overvoltage arrester element and ignition device for an overvoltage arrester element - Google Patents

Overvoltage arrester element and ignition device for an overvoltage arrester element Download PDF

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EP1566868B1
EP1566868B1 EP05003261A EP05003261A EP1566868B1 EP 1566868 B1 EP1566868 B1 EP 1566868B1 EP 05003261 A EP05003261 A EP 05003261A EP 05003261 A EP05003261 A EP 05003261A EP 1566868 B1 EP1566868 B1 EP 1566868B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ignition
overvoltage protection
electrodes
ignition element
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP05003261A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP1566868A2 (en
EP1566868A3 (en
Inventor
Rainer Dipl.-Ing. Durth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP1566868A2 publication Critical patent/EP1566868A2/en
Publication of EP1566868A3 publication Critical patent/EP1566868A3/en
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Publication of EP1566868B1 publication Critical patent/EP1566868B1/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T4/00Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01TSPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00Details of spark gaps
    • H01T1/20Means for starting arc or facilitating ignition of spark gap

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection element for deriving transient overvoltages, comprising at least two electrodes, with at least one ignition element of insulating material arranged between the electrodes and an air breakdown spark gap which acts between the electrodes, wherein the air breakdown spark gap between the two electrodes create an arc.
  • the invention also relates to an ignition element for use in an overvoltage protection element, wherein the ignition element is arranged and designed such that a region of weakened insulation (ignition region) is provided between the two electrodes.
  • Electrical, but especially electronic measuring, control, regulating and switching circuits are sensitive to transient overvoltages, as may occur in particular by atmospheric discharges, but also by switching operations or short circuits in power grids.
  • This sensitivity has increased as electronic components, in particular transistors and thyristors, are used; above all, increasingly used integrated circuits are to a great extent endangered by transient overvoltages.
  • Overvoltages can significantly damage electrical and electronic equipment and systems. The damage is not limited to industrial and commercial plants. Also the building technology, up to the devices of the daily use in the private household, like kitchen devices, telephone system, television sets and hi-fi systems as well as computers are affected. Without effective protection against overvoltages, high costs for repair or new acquisition of the affected systems and equipment can be expected.
  • Overvoltages are all voltages that are above the upper tolerance limit of the rated voltage. These include in particular, the transient overvoltages, which can occur due to atmospheric discharges, but also by switching operations or short circuits in power supply networks and galvanically, inductively or capacitively coupled into electrical circuits.
  • overvoltage protection element or overvoltage protection devices have been developed and known for more than twenty years.
  • An essential part of overvoltage protection elements of the type in question here is at least one spark gap, which responds at a certain overvoltage, the response, and thus prevents that in the protected by an overvoltage protection circuit overvoltages occur that are greater than the operating voltage of the spark gap.
  • the GB 545 677 A discloses an overvoltage protection element having two electrodes and a very thin layer of dielectric material disposed between the electrodes and coated on an electrode. When an overvoltage occurs, it comes to a large number of discharges between the two electrodes through the pores of the layer, so that a large surge current carrying capacity is given.
  • the overvoltage protection element according to the invention has two electrodes and an air-breakdown spark gap existing between the two electrodes.
  • air breakdown spark gap is generally a breakdown spark gap meant; So it should also be a breakdown spark gap, in which not air, but another gas between the electrodes is present.
  • overvoltage protection elements with an air breakdown spark gap there are overvoltage protection elements with an air flashover spark gap, in which a sliding discharge occurs when responding.
  • Overvoltage protection elements with an air breakdown spark gap have over overvoltage protection elements with an air flashover spark gap the advantage of a higher surge current carrying capacity, but the disadvantage of a higher - and not very constant - Anschschreib. Therefore, various overvoltage protection elements have been proposed with an air breakdown spark gap, which have been improved with respect to the response voltage.
  • ignition aids have been realized in various ways in the region of the electrodes or the effective between the electrodes air breakdown spark gap, z. B. such that between the electrodes at least one of a sliding discharge triggering ignition aid has been provided, which at least partially protrudes into the air breakdown spark gap, is web-like and made of plastic (see. DE 41 41 681 A1 . DE 42 44 051 A1 or DE 44 02 615 A1 ).
  • the spark gap and the two ignition electrodes are arranged with respect to the two main electrodes such that the fact that the spark gap has addressed, the air breakdown spark gap between the two main electrodes responds.
  • the response of the Zündschnkenstrekke leads to an ionization of existing in the air breakdown spark gap air, so that - abruptly - after response of the spark gap then the air breakdown spark gap between the two main electrodes responds.
  • the ignition aids lead to an improved, namely lower and more constant response voltage.
  • a disadvantage of an active ignition aid is that an additional ignition circuit with an ignition switching element required to realize a response of the spark gap.
  • the Zündfunkenstrec-ke or the ignition circuit with the ignition switch are destroyed by the lightning current or the usually occurring Netz mergestrom.
  • an overvoltage protection element according to the preamble of claim 1 is made DE-A-4244051 known.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a Studentsnapsssehutzelement of the type described above, in which in a particularly simple and effective manner a relatively low and constant as possible operating voltage can be guaranteed.
  • the ignition element used for this purpose should be as simple and therefore inexpensive to manufacture.
  • the overvoltage protection element according to the invention in which the object indicated above is achieved, is now initially and essentially characterized in that when a voltage is applied to the ignition element, a discharge on the surface of the ignition element leads to a conductive connection between the two electrodes, wherein the conductive Compound has a low current carrying capacity, so that it is at a load of this conductive connection with a leakage current due to the low current carrying capacity of the conductive connection to a "burning" of the conductive connection comes.
  • the ignition element is chosen or dimensioned such that when a voltage greater than the operating voltage of the overvoltage protection element is applied, a sliding discharge occurs on the surface of the ignition element which leads to a conductive connection between the two electrodes adjacent to the ignition element. If this conductive connection is loaded with a leakage current, then due to the low current-carrying capacity of the conductive connection, the conductive connection will "burn up”. By this "burning" of the ignition is ionized, so that it comes - suddenly - to ignite the air breakdown spark gap between the two electrodes.
  • the overvoltage protection element according to the invention differs significantly from the known overvoltage protection elements. From the prior art (see. 198 56 939 A1 Although it is known to arrange an element made of insulating material between the two electrodes, this element, however, in accordance with its function as a service holder, consists of an insulating material which permanently ensures the desired insulation between the two electrodes even in the case of a pending arc.
  • an overvoltage protection element is also known in which an ignition element made of insulating material is arranged between the two electrodes, in this known overvoltage protection element the ignition of the air breakdown spark gap is effected only by a sliding discharge occurring at the ignition element.
  • the known overvoltage protection element is characterized by the arrangement of the ignition element thus realizes an auxiliary air flashover spark gap between the two electrodes; a conductive connection between the two electrodes via the ignition element, however, is not provided.
  • the above-described arrangement and design of the ignition element can preferably take place in that the region of weakened insulation (ignition region) is realized by a recess in the ignition element.
  • this recess may simply be a hole made in the ignition element, in which case the ignition region is completely surrounded by the ignition element.
  • the material used for the ignition element may preferably be a plastic with a relatively low CTI value (Comperative Trecking Index).
  • CTI value Comperative Trecking Index
  • plastics for example POM, are used with the highest possible CTI value.
  • the ignition element is arranged and designed such that when an arc occurs between the electrodes, a charring of the surface of the ignition element occurs. This ensures that when a renewed occurrence of an overvoltage the initial conditions of a conductive, low current carrying connection between the two electrodes on the surface of the ignition element are present again, so that it again to an initial ignition of the air-Durzzi spark gap and a "burning" the conductive connection and thus leads to an ionization of the ignition range.
  • an overvoltage protection element is provided which has a constant response with a low response voltage even if there are several overvoltages that occur in succession.
  • a conductive, low current carrying coating is applied on the surface of the ignition element according to a preferred embodiment. This ensures a conductive connection between the two electrodes, which is independent of the charring which occurs due to the discharge on the surface of the ignition element.
  • the coating can be realized, for example, by a chemical, thermal or electrothermal charring of the surface of the ignition element in the manufacture of the overvoltage protection element.
  • the voltage protection element is advantageously connected in series with the overvoltage protection element.
  • a voltage switching element can be provided in particular a gas-filled surge arrester, a varistor or a suppressor diode.
  • the voltage switching element is selected or dimensioned so that it becomes conductive at the response voltage of the overvoltage protection device, ie "switches".
  • the overvoltage is applied to the overvoltage protection element or to the two electrodes, which then leads to the ignition of the air breakdown spark gap previously described in detail by the initial ignition triggered by the ignition element.
  • the ignition element described above which is provided for use in the above-described overvoltage protection element, is characterized particularly simple and inexpensive to produce, that the ignition element consists of at least two electrically conductive layers and at least one interposed insulating layer, wherein the insulating layer by gluing or Press with the electrical conductive Layers is connected and has a range of weak insulation (ignition).
  • the production of the ignition element according to the invention can be carried out according to the known manufacturing processes for multilayer printed circuit boards (multilayer printed circuit boards), which largely known materials, ie copper foils for the electrically conductive layers and polyimide films or FR4 films for the insulating layer can be used ,
  • electrically conductive layers or foils in particular of copper foils and of insulating foils, for example polyimide foils, makes it possible to produce very small distances between the conductive layers with very narrow dimensional tolerances.
  • the electrically conductive layers are so far apart or insulated by the insulating layer from each other so that the electrical insulation is well above the expected in the worst case response of the overvoltage protection element.
  • copper foils or polyimide foils or FR4 foils with standard available thicknesses of 35 ⁇ m, 50 ⁇ m, 70 ⁇ m or 100 ⁇ m can be used both for the electrically conductive layers and for the insulating layer.
  • other metallic foils or electrically conductive plastic films can be used instead of copper foils.
  • the region of weakened insulation (ignition region) in the insulating layer in which both the initial ignition and the actual ignition of the air breakdown spark gap takes place, can simply pass through a recess or hole in the insulating layer and optionally in one or both be realized electrically conductive layers.
  • a hole which is formed both in the insulating layer and in the two conductive layers can be produced, for example, simply by a corresponding hole after lamination of the individual layers.
  • an inventive overvoltage protection element is shown only in terms of its basic structure.
  • the illustrated overvoltage protection element includes a first electrode 1, a second electrode 2, an ignition element 3 arranged between the two electrodes 1 and 2, and an air-breakdown spark gap 4 existing between the two electrodes 1 and 2.
  • Shock spark gap 4 is formed between the two electrodes 1 and 2 - not shown - arc over which the lightning current to be derived flows.
  • the ignition element 3 is now arranged so that between the two electrodes 1 and 2, a region of weakened insulation (ignition area) is formed, in which the arc is formed when igniting the air breakdown spark gap 4.
  • the ignition element 3 is formed so that when a voltage applied to the ignition element 3, a discharge on the surface 5 of the ignition element 3 leads to a conductive connection between the two electrodes 1 and 2, wherein the conductive connection has only a low current carrying capacity. If a leakage current then begins to flow via this conductive connection, due to the low current carrying capacity of the conductive connection, the conductive connection will burn up and thus ionize the ignition region, which leads to a sudden ignition of the air breakdown spark gap 4.
  • the resulting during ignition of the air breakdown spark gap 4 arc ensures at a suitable dimensioning of the ignition element 3 that it comes to a "charring" on the surface 5 of the ignition element 3. This ensures that, in the event of a renewed occurrence of an overvoltage, there is again a conductive, low-current-carrying connection between the two electrodes 1 and 2, which in turn causes a burn-up and thus an initial ignition of the air-breakdown spark gap 4 during a load with a leakage current and thus leads to an ignition of the overvoltage protection element.
  • an additional voltage switching element 6 for example, a varistor and / or a gas-filled surge arrester connected in series.
  • the voltage switching element 6 is dimensioned so that it becomes conductive at the response voltage of the overvoltage protection device.
  • the overvoltage protection device If an overvoltage occurs at the overvoltage protection device, this leads to a switching of the voltage switching element 6, so that then the overvoltage is applied to the two electrodes 1 and 2, resulting in the previously described ignition of the air breakdown spark gap 4 by the current ignition triggered initial ignition of the ignition element 3 leads.
  • the voltage switching element 6 prevents, in the normal case, ie when no overvoltage is applied, a - then unwanted - current flows through the overvoltage protection element.
  • ignition element 3 consists of two conductive layers 7, 8 and an insulating layer 9 arranged therebetween, wherein the region of weakened insulation is realized by a recess 10 in the insulating layer 9.
  • the recess for example, according to the Fig. 1 and 3 can be formed as a central hole can be easily prepared by drilling or milling. It can - as this is a comparison of Fig. 2 and 4 shows - the recess 10 may be formed either only in a conductive layer 7 or in both conductive layers 7, 8.
  • the production of the ignition element 3 according to the invention is now particularly simple in that the known from the production of multilayer printed circuit boards (multilayer printed circuit boards) manufacturing processes can be applied.
  • the conductive layers 7, 8, which may be, for example, standardized copper foils, be connected to the insulating layer 9 by lamination.
  • the materials known from the production of multilayer circuit boards such as polyimide films or FR-4 films, with their default available thicknesses of 35 to 100 ⁇ m.
  • the insulating layer 9 has a slightly larger outer diameter than the conductive layers 7, 8, so that at the edge region 11 of the ignition element 3 is given by an extended creepage increased insulation, whereby ignition in this area is prevented.
  • Fig. 5 shows an embodiment of a firing element 3, which has a plurality of conductive layers 7, 8 and a plurality of insulating layers 9.
  • the three conductive layers 7, 7 'and 7 "and the three conductive layers 8, 8' and 8" are electrically connected to each other, so that although a total of six conductive layers 7, 7 ', 7 “and 8, 8 ', 8 "are present, but these have only two different potentials, wherein the two potentials are arranged alternately to each other and each separated by an insulating layer 9.
  • the six conductive layers shown even more conductive Layers can be arranged alternately with two different potentials.
  • the ignition element 3 has a plurality of conductive layers 7, 7 ', 8, 8' and a plurality of insulating layers 9, wherein the conductive layers 7, 7 'and 8, 8' are electrically connected to each other so that only two different potentials are present here ,
  • the two different potentials are not arranged several times alternately.
  • the advantage of this embodiment compared to the embodiment according to Fig. 2 is that after the ignition of the air breakdown spark gap 4, the arc jumps directly on the outer conductive layers 7, 8, so that a larger arc is present.
  • FIG. 7 and 8th two embodiments of an ignition element 3 with three horizontally one above the other ( Fig. 7 ) or four horizontally juxtaposed potentials ( Fig. 8 ).
  • Such ignition elements 3 are thus suitable for use in an overvoltage protection element which is used in a three-phase network.
  • a third conductive layer 13 is provided, which is separated from the second conductive layer 8 by a second insulating layer 14, so that the three conductive layers 7, 8, 13 have three different potentials.
  • conductive layers 8, 13, 15 and 16 are provided, which are each not electrically connected to each other.
  • the conductive layers 8, 13, 15 and 16 are each formed in a segment of a circle and arranged side by side, wherein the circular conductive layer 7 is arranged opposite to all.
  • initial firing of the respective air breakdown spark gap 4 occurs, due to the arrangement of the individual conductive layers 8, 13 , 15 and 16 to each other or to the conductive layer 7 ignition of all air breakdown spark gap 4 takes place.
  • the desired level of protection is ensured not only between the active phase conductors (L1, L2, L3) and the neutral conductor (N) or between the neutral conductor (N) and the ground (PE) but between all line branches.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zum Ableiten von transienten Überspannungen, mit mindestens zwei Elektroden, mit mindestens einem zwischen den Elektroden angeordneten Zündelement aus isolierendem Material und mit einer zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Daneben betrifft die Erfindung noch ein Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement, wobei das Zündelement so angeordnet und ausgebildet ist, daß zwischen den beiden Elektroden ein Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) vorgesehen ist.The invention relates to an overvoltage protection element for deriving transient overvoltages, comprising at least two electrodes, with at least one ignition element of insulating material arranged between the electrodes and an air breakdown spark gap which acts between the electrodes, wherein the air breakdown spark gap between the two electrodes create an arc. In addition, the invention also relates to an ignition element for use in an overvoltage protection element, wherein the ignition element is arranged and designed such that a region of weakened insulation (ignition region) is provided between the two electrodes.

Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse 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. Überspannungen können in erheblichem Umfang elektrische und elektronische Geräte und Anlagen zerstören. Die Schäden begrenzen sich dabei nicht nur auf industrielle und gewerblichen Anlagen. Auch die Gebäudetechnik, bishin zu den Geräten des täglichen Gebrauchs im privaten Haushalt, wie Küchengeräte, Telefonanlage, Fernsehgeräte und Hifi-Anlagen sowie Computer sind betroffen. Ohne wirkungsvolle Schutzmaßnahmen gegen Überspannungen sind mit hohe Kosten für Reparatur oder Neuanschaffung der betroffenen Anlagen und Geräte zu rechnen.Electrical, but especially electronic measuring, control, regulating and switching circuits, especially telecommunications equipment and systems, are sensitive to transient overvoltages, as may occur in particular by atmospheric discharges, but also by switching operations or short circuits in power grids. This sensitivity has increased as electronic components, in particular transistors and thyristors, are used; above all, increasingly used integrated circuits are to a great extent endangered by transient overvoltages. Overvoltages can significantly damage electrical and electronic equipment and systems. The damage is not limited to industrial and commercial plants. Also the building technology, up to the devices of the daily use in the private household, like kitchen devices, telephone system, television sets and hi-fi systems as well as computers are affected. Without effective protection against overvoltages, high costs for repair or new acquisition of the affected systems and equipment can be expected.

Elektrische Stromkreise arbeiten mit der für sie spezifizierten Spannung, der Nennspannung, normalerweise störungsfrei. Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzelement bzw. Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt.Electrical circuits operate at the voltage specified for them, the nominal voltage, normally without interference. This does not apply if surges occur. Overvoltages are all voltages that are above the upper tolerance limit of the rated voltage. These include in particular, the transient overvoltages, which can occur due to atmospheric discharges, but also by switching operations or short circuits in power supply networks and galvanically, inductively or capacitively coupled into electrical circuits. In order to protect electronic measuring, control, and switching circuits, especially telecommunications equipment and installations, wherever they are used against transient overvoltages, overvoltage protection element or overvoltage protection devices have been developed and known for more than twenty years.

Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsschutzelementen der hier in Rede stehenden Art ist mindestens eine Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung, der Ansprechspannung, anspricht und damit verhindert, daß in dem durch eine Überspannungsschutzeinrichtung geschützten Stromkreis Überspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind.An essential part of overvoltage protection elements of the type in question here is at least one spark gap, which responds at a certain overvoltage, the response, and thus prevents that in the protected by an overvoltage protection circuit overvoltages occur that are greater than the operating voltage of the spark gap.

Die GB 545 677 A offenbart ein Überspannungsschutzelement mit zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden angeordneten sehr dünnen Schicht aus dielektrischem Material, die als Beschichtung auf einer Elektrode aufgebracht ist. Beim Auftreten einer Überspannung kommt es dabei zu Vielzahl von Entladungen zwischen den beiden Elektroden durch die Poren der Schicht, so daß eine große Stoßstromtragfähigkeit gegeben ist.The GB 545 677 A discloses an overvoltage protection element having two electrodes and a very thin layer of dielectric material disposed between the electrodes and coated on an electrode. When an overvoltage occurs, it comes to a large number of discharges between the two electrodes through the pores of the layer, so that a large surge current carrying capacity is given.

Aus der DE 23 37 743 A1 ist eine Funkenstrecke mit zwei Elektroden und einer zwischen den Elektroden angeordneten, die Elektroden auf Abstand haltenden Isolationsschicht bekannt, bei der sich die Überschlagstelle zwischen einer Außenseite der einen Elektrode und einer Außenseite der anderen Elektrode befindet, so daß die Überschlagstelle nicht mehr in einer geschlossenen Kammer vorgesehen ist. Dadurch kann die beim Überschlag entstehende Energie rascher abgeführt werden.From the DE 23 37 743 A1 is a spark gap with two electrodes and arranged between the electrodes, the electrodes spaced insulation layer known in which the flashover between an outside of the one electrode and an outside of the other electrode is, so that the flashover no longer in a closed chamber is provided. As a result, the energy generated during the rollover can be dissipated more quickly.

Eingangs ist ausgeführt worden, daß das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement zwei Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. Mit Luft-Durchschlag-Funkenstrecke ist ganz allgemein eine Durchschlag-Funkenstrecke gemeint; umfaßt sein soll damit also auch eine Durchschlag-Funkenstrecke, bei der nicht Luft, sondern ein anderes Gas zwischen den Elektroden vorhanden ist. Neben Überspannungsschutzelementen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt.Initially, it has been stated that the overvoltage protection element according to the invention has two electrodes and an air-breakdown spark gap existing between the two electrodes. With air breakdown spark gap is generally a breakdown spark gap meant; So it should also be a breakdown spark gap, in which not air, but another gas between the electrodes is present. In addition to overvoltage protection elements with an air breakdown spark gap, there are overvoltage protection elements with an air flashover spark gap, in which a sliding discharge occurs when responding.

Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber Überspannungsschutzelementen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren - und auch nicht sonderlich konstanten - Ansprechspannung. Deshalb sind bereits verschiedene Überspannungsschutzelemente mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorgeschlagen worden, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind. Dabei sind im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke in verschiedener Weise Zündhilfen realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke hineinragt, stegartig ausgeführt ist und aus Kunststoff besteht (vgl. z. B. DE 41 41 681 A1 , DE 42 44 051 A1 oder DE 44 02 615 A1 ).Overvoltage protection elements with an air breakdown spark gap have over overvoltage protection elements with an air flashover spark gap the advantage of a higher surge current carrying capacity, but the disadvantage of a higher - and not very constant - Ansprechspannung. Therefore, various overvoltage protection elements have been proposed with an air breakdown spark gap, which have been improved with respect to the response voltage. In this case, ignition aids have been realized in various ways in the region of the electrodes or the effective between the electrodes air breakdown spark gap, z. B. such that between the electrodes at least one of a sliding discharge triggering ignition aid has been provided, which at least partially protrudes into the air breakdown spark gap, is web-like and made of plastic (see. DE 41 41 681 A1 . DE 42 44 051 A1 or DE 44 02 615 A1 ).

Die bei den bekannten Überspannungsschutzelementen vorgesehenen, zuvor angesprochenen Zündhilfen können gleichsam als "passive Zündhilfen" bezeichnet werden, "passive Zündhilfen" deshalb, weil sie nicht selbst "aktiv" ansprechen, sondern nur durch eine Überspannung ansprechen, die an den Hauptelektroden auftritt.The above-mentioned in the known overvoltage protection elements, previously mentioned Zündhilfen can be referred to as "passive Zündhilfen", "passive ignition aids" because they do not respond "active", but respond only by an overvoltage that occurs at the main electrodes.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 198 03 636 ist ein Überspannungsschutzelement bzw. eine Überspannungsschutzeinrichtung mit zwei Elektroden, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe bekannt. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung ist die Zündhilfe als "aktive Zündhilfe" ausgebildet, nämlich dadurch, daß neben den beiden Elektroden - dort als Hauptelektroden bezeichnet - noch zwei Zündelektroden vorgesehen sind. Diese beiden Zündelektroden bilden eine zweite, als Zündfunkenstrecke dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung gehört zu der Zündhilfe außer der Zündfunkenstrecke noch ein Zündkreis mit einem Zündschaltelement. Bei Anliegen einer Überspannung an der bekannten Überspannungsschutzeinrichtung sorgt der Zündkreis mit dem Zündschaltelement für ein Ansprechen der Zündfunkenstrecke. Die Zündfunkenstrecke bzw. die beiden Zündelektroden sind in bezug auf die beiden Hauptelektroden derart angeordnet, daß dadurch, daß die Zündfunkenstrecke angesprochen hat, die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden anspricht. Das Ansprechen der Zündfunkenstrekke führt zu einer Ionisierung der in der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke vorhandenen Luft, so daß - schlagartig - nach Ansprechen der Zündfunkenstrecke dann auch die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden anspricht.From the German patent application 198 03 636 is an overvoltage protection element or an overvoltage protection device with two electrodes, with an effective between the two electrodes air breakdown spark gap and a starting aid known. In this known overvoltage protection device the ignition aid is designed as an "active ignition aid", namely the fact that in addition to the two electrodes - there referred to as main electrodes - two ignition electrodes are provided. These two ignition electrodes form a second, serving as a spark gap air breakdown spark gap. In this known overvoltage protection device belongs to the ignition aid except the spark gap nor a firing circuit with an ignition switch. When applying an overvoltage to the known overvoltage protection device, the ignition circuit with the ignition switching element ensures a response of the spark gap. The spark gap and the two ignition electrodes are arranged with respect to the two main electrodes such that the fact that the spark gap has addressed, the air breakdown spark gap between the two main electrodes responds. The response of the Zündschnkenstrekke leads to an ionization of existing in the air breakdown spark gap air, so that - abruptly - after response of the spark gap then the air breakdown spark gap between the two main electrodes responds.

Bei den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspannungsschutzelementen mit Zündhilfen führen die Zündhilfen zu einer verbesserten, nämlich niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung. Nachteilig bei einer aktiven Zündhilfe ist jedoch, daß ein zusätzlichere Zündkreis mit einem Zündschaltelement erforderlich, um ein Ansprechen der Zündfunkenstrecke zu realisieren. Dabei besteht die Gefahr, daß die Zündfunkenstrec-ke bzw. der Zündkreis mit dem Zündschaltelement durch den Blitzstrom oder den zumeist auftretenden Netzfolgestrom zerstört werden.In the known, previously described embodiments of overvoltage protection elements with ignition aids, the ignition aids lead to an improved, namely lower and more constant response voltage. A disadvantage of an active ignition aid, however, is that an additional ignition circuit with an ignition switching element required to realize a response of the spark gap. There is a risk that the Zündfunkenstrec-ke or the ignition circuit with the ignition switch are destroyed by the lightning current or the usually occurring Netzfolgestrom.

Insbesondere, ist ein Überspannungschutzelement, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 aus DE-A-4.244.051 bekannt.In particular, an overvoltage protection element according to the preamble of claim 1 is made DE-A-4244051 known.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Überspannungssehutzelement der eingangs beschriebenen Art zur Verfügung zu stellen, bei dem auf besonders einfache und effektive Art und Weise eine relativ niedrige und möglichst konstante Ansprechspannung gewährleistet werden kann. Das dazu verwendete Zündelement soll dabei möglichst einfach und damit kostengünstig hergestellt werden können.The invention is therefore an object of the invention to provide a Überspannungssehutzelement of the type described above, in which in a particularly simple and effective manner a relatively low and constant as possible operating voltage can be guaranteed. The ignition element used for this purpose should be as simple and therefore inexpensive to manufacture.

Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß beim Anliegen einer Spannung an dem Zündelement eine Entladung an der Oberfläche des Zündelements zu einer leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden führt, wobei die leitfähige Verbindung eine geringe Stromtragfähigkeit aufweist, so daß es bei einer Belastung dieser leitfähigen Verbindung mit einem Ableitstrom aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit der leitenden Verbindung zu einem "Aufbrennen" der leitenden Verbindung kommt.The overvoltage protection element according to the invention, in which the object indicated above is achieved, is now initially and essentially characterized in that when a voltage is applied to the ignition element, a discharge on the surface of the ignition element leads to a conductive connection between the two electrodes, wherein the conductive Compound has a low current carrying capacity, so that it is at a load of this conductive connection with a leakage current due to the low current carrying capacity of the conductive connection to a "burning" of the conductive connection comes.

Damit ist ein völlig neues Überspannungsschutzelement mit einem Zündelement bzw. ein völlig neues Zündelement zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement realisiert, wie sich aus der folgenden Funktionsbeschreibung ergibt:Thus, a completely new overvoltage protection element with an ignition element or a completely new ignition element for use in an overvoltage protection element is realized, as can be seen from the following functional description:

Das Zündelement ist so gewählt bzw. dimensioniert, daß beim Anliegen einer Spannung, die größer als die Ansprechspannung des Überspannungsschutzelements ist, eine Gleitentladung an der Oberfläche des Zündelements auftritt, die zu einer leitfähigen Verbindung zwischen den beiden - an dem Zündelement angrenzenden - Elektroden führt. Bei einer Belastung dieser leitfähigen Verbindung mit einem Ableitstrom kommt es dann aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit der leitenden Verbindung zu einem "Aufbrennen" der leitenden Verbindung. Durch dieses "Aufbrennen" wird der Zündbereich ionisiert, so daß es - schlagartig - zu einem Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden kommt.The ignition element is chosen or dimensioned such that when a voltage greater than the operating voltage of the overvoltage protection element is applied, a sliding discharge occurs on the surface of the ignition element which leads to a conductive connection between the two electrodes adjacent to the ignition element. If this conductive connection is loaded with a leakage current, then due to the low current-carrying capacity of the conductive connection, the conductive connection will "burn up". By this "burning" of the ignition is ionized, so that it comes - suddenly - to ignite the air breakdown spark gap between the two electrodes.

Durch die gewollt auftretende leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden der Luft-Durschlag-Funkenstrecke unterscheidet sich das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement wesentlich von den bekannten Überspannungsschutzelementen. Aus dem Stand der Technik (vgl. 198 56 939 A1 ) ist es zwar bekannt, zwischen den beiden Elektroden ein Element aus isolierendem Material anzuordnen, dieses Element besteht jedoch entsprechend seiner Funktion als Dienstanzhalter aus einem Isolierstoff, der auch bei einem anstehenden Lichtbogen die gewollte Isolation zwischen den beiden Elektroden dauerhaft gewährleistet.Due to the intentionally occurring conductive connection between the two electrodes of the air-Durschlag spark gap, the overvoltage protection element according to the invention differs significantly from the known overvoltage protection elements. From the prior art (see. 198 56 939 A1 Although it is known to arrange an element made of insulating material between the two electrodes, this element, however, in accordance with its function as a service holder, consists of an insulating material which permanently ensures the desired insulation between the two electrodes even in the case of a pending arc.

Aus der DE 42 44 051 A1 ist zwar ebenfalls ein Überspannungsschutzelement bekannt, bei dem zwischen den beiden Elektroden ein Zündelement aus isolierendem Material angeordnet ist, bei diesem bekannten Überspannungsschutzelement erfolgt die Zündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke jedoch nur dadurch, daß an dem Zündelement eine Gleitentladung auftritt. Bei dem bekannten Überspannungsschutzelement wird durch die Anordnung des Zündelements zwischen den beiden Elektroden somit eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke realisiert; eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden über das Zündelement ist dagegen nicht vorgesehen.From the DE 42 44 051 A1 Although an overvoltage protection element is also known in which an ignition element made of insulating material is arranged between the two electrodes, in this known overvoltage protection element the ignition of the air breakdown spark gap is effected only by a sliding discharge occurring at the ignition element. In the known overvoltage protection element is characterized by the arrangement of the ignition element thus realizes an auxiliary air flashover spark gap between the two electrodes; a conductive connection between the two electrodes via the ignition element, however, is not provided.

Die zuvor beschriebene Anordnung und Ausbildung des Zündelements kann vorzugsweise dadurch erfolgen, daß der Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) durch eine Aussparung im Zündelement realisiert ist. Bei dieser Aussparung kann es sich beispielsweise einfach um ein in dem Zündelement eingebrachtes Loch handeln, wobei dann der Zündbereich vollständig von dem Zündelement umgeben ist. Daneben ist es jedoch auch möglich den Zündbereich randseitig in dem Zündelement auszubilden.The above-described arrangement and design of the ignition element can preferably take place in that the region of weakened insulation (ignition region) is realized by a recess in the ignition element. For example, this recess may simply be a hole made in the ignition element, in which case the ignition region is completely surrounded by the ignition element. In addition, however, it is also possible to form the ignition area at the edge in the ignition element.

Als Material für das Zündelement kann vorzugsweise ein Kunststoff mit einem relativ niedrigen CTI-Wert (Comperative Trecking Index) verwendet werden. Durch die Verwendung eines Kunststoffes mit einem niedrigen CTI-Wert - und damit mit einer niedrigen Kriechstromfestigkeit - wird die gewollte Ausbildung der leitfähigen Verbindung an der Oberfläche des Zündelements gefördert. Im Unterschied dazu werden bei bekannten Überspannungsschutzelementen für die zwischen den Elektroden angeordneten Distanzhalter Kunststoffe, beispielsweise POM, mit einem möglichst hohen CTI-Wert verwendet.The material used for the ignition element may preferably be a plastic with a relatively low CTI value (Comperative Trecking Index). By using a plastic with a low CTI value - and thus with a low tracking resistance - the desired formation of the conductive compound on the surface of the ignition element is promoted. In contrast, in known overvoltage protection elements for the spacers arranged between the electrodes, plastics, for example POM, are used with the highest possible CTI value.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Zündelement so angeordnet und ausgebildet, daß beim Anstehen eines Lichtbogens zwischen den Elektroden eine Verkohlung der Oberfläche des Zündelements auftritt. Dadurch wird erreicht, daß bei einem erneuten Auftreten einer Überspannung die Anfangsbedingungen einer leitfähigen, gering stromtragfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden an der Oberfläche des Zündelements erneut vorliegen, so daß es wieder zu einer Initialzündung der Luft-Durschlag-Funkenstrecke und zu einem "Aufbrennen" der leitenden Verbindung und somit zu einer Ionisierung des Zündbereichs kommt. Dadurch wird ein Überspannungsschutzelement zur Verfügung gestellt, welches auch bei mehreren, zeitlich nacheinander auftretenden Überspannungen ein konstantes Ansprechverhalten mit einer niedrigen Ansprechspannung aufweist.According to a further preferred embodiment of the invention, the ignition element is arranged and designed such that when an arc occurs between the electrodes, a charring of the surface of the ignition element occurs. This ensures that when a renewed occurrence of an overvoltage the initial conditions of a conductive, low current carrying connection between the two electrodes on the surface of the ignition element are present again, so that it again to an initial ignition of the air-Durschlag spark gap and a "burning" the conductive connection and thus leads to an ionization of the ignition range. As a result, an overvoltage protection element is provided which has a constant response with a low response voltage even if there are several overvoltages that occur in succession.

Zur Verbesserung des Ansprechverhaltens des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements beim ersten Anliegen einer Überspannung ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung auf der Oberfläche des Zündelements eine leitfähige, gering stromtragfähige Beschichtung aufgebracht. Dadurch wird eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden gewährleistet, die unabhängig von der durch die Entladung an der Oberfläche des Zündelements auftretenden Verkohlung ist. Die Beschichtung kann dabei beispielsweise durch eine chemische, thermische oder elektrothermische Verkohlung der Oberfläche des Zündelements bei der Herstellung des Überspannungsschutzelements realisiert werden.To improve the response of the overvoltage protection element according to the invention at the first application of an overvoltage, a conductive, low current carrying coating is applied on the surface of the ignition element according to a preferred embodiment. This ensures a conductive connection between the two electrodes, which is independent of the charring which occurs due to the discharge on the surface of the ignition element. The coating can be realized, for example, by a chemical, thermal or electrothermal charring of the surface of the ignition element in the manufacture of the overvoltage protection element.

Da bei dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden realisiert ist bzw. beim Anlegen einer Überspannung durch Entladung an der Oberfläche des Zündelements realisiert wird, ist dem Überspannungsschutzelement vorteilhafterweise ein Spannungsschaltelement in Reihe geschaltet. Ein Spannungsschaltelement kann dabei insbesondere ein gasgefüllter Überspannungsableiter, ein Varistor oder eine Suppressordiode vorgesehen sein. Durch das zusätzlich in Reihe geschaltete Spannungsschaltelement wird dabei verhindert, daß über das Überspannungsschutzelement im Normalfall, d. h. wenn keine Überspannung anliegt, ein Strom fließt. Bei einer derartigen Überspannungsschutzeinrichtung, die dann aus dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement und dem zusätzlichen Spannungsschaltelement besteht, ist das Spannungsschaltelement so gewählt bzw. dimensioniert, daß es bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird, also "schaltet". Dadurch liegt dann an dem Überspannungsschutzelement bzw. an den beiden Elektroden die Überspannung an, was dann zu dem zuvor im einzelnen beschriebenen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke durch die von dem Zündelement ausgelöste Initialzündung führt.Since in the above-described overvoltage protection element according to the invention, a conductive connection between the two electrodes is realized or is realized by applying an overvoltage by discharging on the surface of the ignition element, the voltage protection element is advantageously connected in series with the overvoltage protection element. A voltage switching element can be provided in particular a gas-filled surge arrester, a varistor or a suppressor diode. By additionally connected in series voltage switching element is prevented that over the overvoltage protection element in the normal case, d. H. if there is no overvoltage, a current flows. In such an overvoltage protection device, which then consists of the overvoltage protection element according to the invention and the additional voltage switching element, the voltage switching element is selected or dimensioned so that it becomes conductive at the response voltage of the overvoltage protection device, ie "switches". As a result, the overvoltage is applied to the overvoltage protection element or to the two electrodes, which then leads to the ignition of the air breakdown spark gap previously described in detail by the initial ignition triggered by the ignition element.

Das eingangs beschriebene Zündelement, das zur Verwendung bei dem zuvor beschriebenen Überspannungsschutzelement vorgesehen ist, ist dadurch besonders einfach und kostengünstig herstellbar, daß das Zündelement aus mindestens zwei elektrisch leitfähigen Schichten und mindestens einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht besteht, wobei die isolierende Schicht durch Verkleben bzw. Verpressen mit den elektrischen leitfähigen Schichten verbunden ist und einen Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) aufweist. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Zündelements kann dabei entsprechend den bekannten Herstellungsprozessen für mehrschichtige Leiterplatten (Multilayer-Leiterplatten) erfolgen, wobei größtenteils auch die daraus bekannten Materialien, d. h. Kupferfolien für die elektrisch leitfähigen Schichten und Polyimidfolien bzw. FR4-Folien für die isolierende Schicht verwendet werden können.The ignition element described above, which is provided for use in the above-described overvoltage protection element, is characterized particularly simple and inexpensive to produce, that the ignition element consists of at least two electrically conductive layers and at least one interposed insulating layer, wherein the insulating layer by gluing or Press with the electrical conductive Layers is connected and has a range of weak insulation (ignition). The production of the ignition element according to the invention can be carried out according to the known manufacturing processes for multilayer printed circuit boards (multilayer printed circuit boards), which largely known materials, ie copper foils for the electrically conductive layers and polyimide films or FR4 films for the insulating layer can be used ,

Die Verwendung von elektrisch leitfähigen Schichten bzw. Folien, insbesondere von Kupferfolien und von isolierenden Folien, beispielsweise Polyimidfolien, ermöglicht es sehr geringe Abstände zwischen den leitfähigen Schichten bei sehr engen Maßtoleranzen herzustellen. Die elektrisch leitfähigen Schichten sind dabei durch die isolierende Schicht so weit voneinander zu beabstanden bzw. zu isolieren, daß die elektrische Isolation deutlich über der im ungünstigsten Fall zu erwartenden Ansprechspannung des Überspannungsschutzelements liegt. In der Praxis können dabei sowohl für die elektrisch leitfähigen Schichten als auch für die isolierende Schicht Kupferfolien bzw. Polyimidfolien oder FR4-Folien mit standardmäßig zur Verfügung stehenden Dicken von 35 µm, 50 µm, 70 µm oder 100µm verwendet werden. Selbstverständlich können jedoch anstelle von Kupferfolien auch andere metallische Folien oder elektrisch leitfähige Kunststofffolien verwendet werden.The use of electrically conductive layers or foils, in particular of copper foils and of insulating foils, for example polyimide foils, makes it possible to produce very small distances between the conductive layers with very narrow dimensional tolerances. The electrically conductive layers are so far apart or insulated by the insulating layer from each other so that the electrical insulation is well above the expected in the worst case response of the overvoltage protection element. In practice, copper foils or polyimide foils or FR4 foils with standard available thicknesses of 35 μm, 50 μm, 70 μm or 100 μm can be used both for the electrically conductive layers and for the insulating layer. Of course, however, other metallic foils or electrically conductive plastic films can be used instead of copper foils.

Der Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) in der isolierenden Schicht, in dem sowohl die Initialzündung als auch die eigentliche Zündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke stattfindet, kann einfach durch eine Aussparung bzw. ein Loch in der isolierenden Schicht und gegebenenfalls zusätzlich in einer oder beiden elektrisch leitfähigen Schichten realisiert sein. Dabei kann ein Loch, welches sowohl in der isolierenden Schicht als auch in den beiden leitfähigen Schichten ausgebildet ist, beispielsweise einfach durch eine entsprechende Bohrung nach dem Laminieren der einzelnen Schichten erzeugt werden.The region of weakened insulation (ignition region) in the insulating layer, in which both the initial ignition and the actual ignition of the air breakdown spark gap takes place, can simply pass through a recess or hole in the insulating layer and optionally in one or both be realized electrically conductive layers. In this case, a hole which is formed both in the insulating layer and in the two conductive layers can be produced, for example, simply by a corresponding hole after lamination of the individual layers.

Bei einer entsprechenden Dimensionierung der elektrisch leitfähigen Schichten können diese direkt die Funktion der Elektroden eines Überspannungsschutzelements übernehmen, so daß dann ein derartiges Zündelement selber als Überspannungsschutzelement fungieren kann. In der Regel werden die leitfähigen Schichten des Zündelements jedoch so ausgeführt, daß durch sie die Elektroden des Überspannungsschutzelements direkt kontaktiert werden können.With a corresponding dimensioning of the electrically conductive layers, these can directly assume the function of the electrodes of an overvoltage protection element, so that then such an ignition element itself can function as an overvoltage protection element. In general, the However, conductive layers of the ignition element designed so that they can be contacted directly by the electrodes of the overvoltage protection element.

Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, daß erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement bzw. das erfindungsgemäße Zündelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und 8 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1
eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelements,
Fig. 2
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündelements,
Fig. 3
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zündelements,
Fig. 4
ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements, ähnlich der Ausführung gemäß Fig. 1,
Fig. 5
ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements mit einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen und isolierenden Schichten,
Fig. 6
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündelements mit einer Mehrzahl von elektrisch leitfähigen und isolierenden Schichten,
Fig. 7
ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements für ein mehrphasiges Überspannungsschutzsystem und
Fig. 8
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Zündelements für ein mehrphasiges Überspannungsschutzelement.
In particular, there are a variety of ways to design and develop the overvoltage protection element according to the invention or the ignition element according to the invention. Reference is made on the one hand to the patent claims 1 and 8 subordinate claims, on the other hand to the following description of preferred embodiments in conjunction with the drawings. In the drawing show
Fig. 1
a schematic diagram of an embodiment of an overvoltage protection element according to the invention,
Fig. 2
A first embodiment of an ignition element according to the invention,
Fig. 3
A second embodiment of an ignition element according to the invention,
Fig. 4
an embodiment of an ignition element, similar to the embodiment according to Fig. 1 .
Fig. 5
an embodiment of an ignition element having a plurality of electrically conductive and insulating layers,
Fig. 6
a further embodiment of an ignition element with a plurality of electrically conductive and insulating layers,
Fig. 7
an embodiment of an ignition element for a multi-phase overvoltage protection system and
Fig. 8
a further embodiment of a firing element for a multi-phase overvoltage protection element.

In der Fig, 1 ist ein erfindungsgemäßes Überspannungsschutzelement nur hinsichtlich seines prinzipiellen Aufbaus dargestellt. Zu dem dargestellten Überspannungsschutzelement gehören eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2, ein zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 angeordnetes Zündelement 3 und eine zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4. Beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 entsteht zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein - nicht dargestellter - Lichtbogen über den der abzuleitende Blitzstrom fließt.In the Fig, 1 an inventive overvoltage protection element is shown only in terms of its basic structure. The illustrated overvoltage protection element includes a first electrode 1, a second electrode 2, an ignition element 3 arranged between the two electrodes 1 and 2, and an air-breakdown spark gap 4 existing between the two electrodes 1 and 2. When the air is ignited Shock spark gap 4 is formed between the two electrodes 1 and 2 - not shown - arc over which the lightning current to be derived flows.

Das Zündelement 3 ist nun so angeordnet, daß zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein Bereich geschwächter Isolation (Zündbereich) ausgebildet ist, in dem beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 der Lichtbogen entsteht. Erfindungsgemäß ist das Zündelement 3 so ausgebildet, daß bei Anliegen einer Spannung an dem Zündelement 3 eine Entladung an der Oberfläche 5 des Zündelements 3 zu einer leitfähigen Verbindung zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 führt, wobei die leitfähige Verbindung nur eine geringe Stromtragfähigkeit aufweist. Beginnt nun über diese leitfähige Verbindung ein Ableitstrom zu fließen, so kommt es aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit der leitfähigen Verbindung zu einem Aufbrennen der leitfähigen Verbindung und damit zu einer Ionisierung des Zündbereichs, was zu einem schlagartigen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 führt.The ignition element 3 is now arranged so that between the two electrodes 1 and 2, a region of weakened insulation (ignition area) is formed, in which the arc is formed when igniting the air breakdown spark gap 4. According to the invention the ignition element 3 is formed so that when a voltage applied to the ignition element 3, a discharge on the surface 5 of the ignition element 3 leads to a conductive connection between the two electrodes 1 and 2, wherein the conductive connection has only a low current carrying capacity. If a leakage current then begins to flow via this conductive connection, due to the low current carrying capacity of the conductive connection, the conductive connection will burn up and thus ionize the ignition region, which leads to a sudden ignition of the air breakdown spark gap 4.

Der beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 entstehende Lichtbogen sorgt bei einer geeigneten Dimensionierung des Zündelements 3 dafür, daß es zu einer "Verkohlung" an der Oberfläche 5 des Zündelements 3 kommt. Dadurch wird erreicht, daß bei einem erneuten Auftreten einer Überspannung wieder eine leitfähige, gering stromtragfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorliegt, die bei einer Belastung mit einem Ableitstrom wiederum zu einem Aufbrennen und damit zu einer Initialzündung der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 und damit zu einem Zünden des Überspannungsschutzelemets führt.The resulting during ignition of the air breakdown spark gap 4 arc ensures at a suitable dimensioning of the ignition element 3 that it comes to a "charring" on the surface 5 of the ignition element 3. This ensures that, in the event of a renewed occurrence of an overvoltage, there is again a conductive, low-current-carrying connection between the two electrodes 1 and 2, which in turn causes a burn-up and thus an initial ignition of the air-breakdown spark gap 4 during a load with a leakage current and thus leads to an ignition of the overvoltage protection element.

Da bei einem derartigen Überspannungsschutzelement auch beim Anliegen der Normalspannung - gewollt - eine leitfähige Verbindung zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 vorliegt, ist gemäß Fig. 1 dem eigentlichen Überspannungsschutzelement ein zusätzliches Spannungsschaltelement 6 beispielsweise ein Varistor und/oder ein gasgefüllter Überspannungsableiter in Reihe geschaltet. Bei einer derartigen Überspannungsschutzeinrichtung, die aus dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement und dem zusätzlichen Spannungsschaltelement 6 besteht, ist das Spannungsschaltelement 6 so dimensioniert, daß es bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird. Tritt an der Überspannungsschutzeinrichtung eine Überspannung auf, so führt dies zu einem Schalten des Spannungsschaltelements 6, so daß dann die Überspannung an den beiden Elektroden 1 und 2 anliegt, was zu dem zuvor beschriebenen Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 durch die durch die Stromzündung ausgelöste Initialzündung des Zündelements 3 führt. Auf der anderen Seite verhindert das Spannungsschaltelement 6, daß im Normalfall, d. h. wenn keine Überspannung anliegt, ein - dann unerwünschter - Strom über das Überspannungsschutzelement fließt.Since in such an overvoltage protection element, even when the normal voltage is applied, a conductive connection between the two electrodes 1 and 2 is present, as desired Fig. 1 the actual overvoltage protection element, an additional voltage switching element 6, for example, a varistor and / or a gas-filled surge arrester connected in series. In such an overvoltage protection device, which consists of the overvoltage protection element according to the invention and the additional voltage switching element 6, the voltage switching element 6 is dimensioned so that it becomes conductive at the response voltage of the overvoltage protection device. If an overvoltage occurs at the overvoltage protection device, this leads to a switching of the voltage switching element 6, so that then the overvoltage is applied to the two electrodes 1 and 2, resulting in the previously described ignition of the air breakdown spark gap 4 by the current ignition triggered initial ignition of the ignition element 3 leads. On the other hand, the voltage switching element 6 prevents, in the normal case, ie when no overvoltage is applied, a - then unwanted - current flows through the overvoltage protection element.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Zündelements 3 anhand der Fig. 2 bis 8 erläutert.Hereinafter, preferred embodiments of the ignition element 3 according to the invention based on the Fig. 2 to 8 explained.

Das in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Zündelement 3 besteht aus zwei leitfähigen Schichten 7, 8 und einer dazwischen angeordneten isolierenden Schicht 9, wobei der Bereich geschwächter Isolation durch eine Aussparung 10 in der isolierenden Schicht 9 realisiert ist. Die Aussparung, die beispielsweise gemäß den Fig. 1 und 3 als mittiges Loch ausgebildet sein kann, kann einfach durch Bohren oder Fräsen hergestellt werden. Dabei kann - wie dies ein Vergleich der Fig. 2 und 4 zeigt - die Aussparung 10 entweder nur in einer leitfähigen Schicht 7 oder in beiden leitfähigen Schichten 7, 8 ausgebildet sein.That in the Fig. 2 to 4 illustrated ignition element 3 consists of two conductive layers 7, 8 and an insulating layer 9 arranged therebetween, wherein the region of weakened insulation is realized by a recess 10 in the insulating layer 9. The recess, for example, according to the Fig. 1 and 3 can be formed as a central hole can be easily prepared by drilling or milling. It can - as this is a comparison of Fig. 2 and 4 shows - the recess 10 may be formed either only in a conductive layer 7 or in both conductive layers 7, 8.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Zündelements 3 ist nun dadurch besonders einfach, daß die von der Herstellung mehrschichtiger Leiterplatten (Multilayer-Leiterplatten) bekannten Herstellungsprozesse angewendet werden können. So können die leitfähigen Schichten 7, 8, bei den es sich beispielsweise um standardisierte Kupferfolien handeln kann, mit der isolierenden Schicht 9 durch Laminieren verbunden werden. Auch für die isolierende Schicht 9 eignen sich dabei die aus der Herstellung von Multilayer-Leiterplatten bekannten Materialien, wie Polyimidfolien oder FR-4-Folien, mit ihren standardmäßig zur Verfügung stehenden Dicken von 35 bis 100 µm. Dadurch kann der Abstand zwischen den direkt mit den Elektroden 1 und 2 verbindbaren leitfähigen Schichten 7, 8 sehr gering aber dennoch sehr genau eingestellt werden, wodurch sehr geringe Ansprechspannungen realisierbar sind.The production of the ignition element 3 according to the invention is now particularly simple in that the known from the production of multilayer printed circuit boards (multilayer printed circuit boards) manufacturing processes can be applied. Thus, the conductive layers 7, 8, which may be, for example, standardized copper foils, be connected to the insulating layer 9 by lamination. Also suitable for the insulating layer 9 are the materials known from the production of multilayer circuit boards, such as polyimide films or FR-4 films, with their default available thicknesses of 35 to 100 μm. As a result, the distance between the conductive layers 7, 8, which can be connected directly to the electrodes 1 and 2, can be set very small but nevertheless very accurately, as a result of which very low response voltages can be realized.

Bei einer - in den Ausführungsbeispielen dargestellten - kreisförmigen Ausbildung des Zündelements 3 weist die isolierende Schicht 9 einen geringfügig größeren Außendurchmesser als die leitfähigen Schichten 7, 8 auf, so daß am Randbereich 11 des Zündelements 3 durch eine verlängerte Kriechstrecke eine erhöhte Isolation gegeben ist, wodurch ein Zünden in diesem Bereich verhindert wird.In a - shown in the embodiments - circular design of the ignition element 3, the insulating layer 9 has a slightly larger outer diameter than the conductive layers 7, 8, so that at the edge region 11 of the ignition element 3 is given by an extended creepage increased insulation, whereby ignition in this area is prevented.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Zündelements 3, das mehrere leitfähige Schichten 7, 8 und mehrere isolierende Schichten 9 aufweist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei die drei leitfähige Schichten 7, 7' und 7" und die drei leitfähige Schichten 8, 8' und 8" jeweils elektrisch miteinander verbunden, so daß zwar insgesamt sechs leitfähige Schichten 7, 7', 7" und 8, 8', 8" vorhanden sind, diese jedoch nur zwei verschiedene Potentiale aufweisen, wobei die beiden Potentiale jeweils abwechselnd zueinander angeordnet und jeweils durch eine isolierende Schicht 9 getrennt sind. Natürlich können anstelle der gezeigten sechs leitfähige Schichten auch noch mehr leitfähige Schichten abwechselnd mit zwei unterschiedlichen Potentialen angeordnet sein. Fig. 5 shows an embodiment of a firing element 3, which has a plurality of conductive layers 7, 8 and a plurality of insulating layers 9. In the illustrated embodiment, the three conductive layers 7, 7 'and 7 "and the three conductive layers 8, 8' and 8" are electrically connected to each other, so that although a total of six conductive layers 7, 7 ', 7 "and 8, 8 ', 8 "are present, but these have only two different potentials, wherein the two potentials are arranged alternately to each other and each separated by an insulating layer 9. Of course, instead of the six conductive layers shown, even more conductive Layers can be arranged alternately with two different potentials.

Durch eine derartige Vervielfachung des prinzipiell in Fig. 2 gezeigten Aufbaus des Zündelements 3 können herstellungsbedingte Schwankungen bezüglich der Eigenschaften der isolierenden Schichten 9 und dadurch bedingte Schwankungen hinsichtlich der Ansprechspannung des Zündelements 3 ausgeglichen werden. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des Zündelements 3 wird die Initialzündung stets von dem Teilzündelement 3' ausgelöst, daß die geringste Ansprechspannung aufweist, d. h. bei ansonsten gleichen Eigenschaften bei dem Teilzündelement 3' mit der dünnsten isolierenden Schicht 9.By such a multiplication of the principle in Fig. 2 shown construction of the ignition element 3 manufacturing variations due to the properties of the insulating layers 9 and consequent fluctuations in the response voltage of the ignition element 3 can be compensated. At the in Fig. 5 illustrated embodiment of the ignition element 3, the initial ignition is always triggered by the Teilzündelement 3 'that has the lowest response voltage, ie with otherwise identical properties in Teilzündelement 3' with the thinnest insulating layer. 9

Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 weist das Zündelements 3 mehrere leitfähige Schichten 7, 7', 8, 8' und mehrere isolierende Schichten 9 auf, wobei die leitfähigen Schichten 7, 7' und 8, 8' elektrisch miteinander verbunden sind, so daß auch hier lediglich zwei unterschiedliche Potentiale vorliegen. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 sind hier jedoch die beiden unterschiedlichen Potentiale nicht mehrfach abwechselnd angeordnet. Der Vorteil dieser Ausführungsform im Vergleich zu der Ausführung gemäß Fig. 2 besteht darin, daß nach dem Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 der Lichtbogen direkt auf die außenliegenden leitfähigen Schichten 7, 8 überspringt, so daß ein größerer Lichtbogen ansteht.Also in the embodiment according to Fig. 6 For example, the ignition element 3 has a plurality of conductive layers 7, 7 ', 8, 8' and a plurality of insulating layers 9, wherein the conductive layers 7, 7 'and 8, 8' are electrically connected to each other so that only two different potentials are present here , In contrast to the embodiment according to Fig. 5 Here, however, the two different potentials are not arranged several times alternately. The advantage of this embodiment compared to the embodiment according to Fig. 2 is that after the ignition of the air breakdown spark gap 4, the arc jumps directly on the outer conductive layers 7, 8, so that a larger arc is present.

Die Fig. 7 und 8 zeigen schließlich zwei Ausführungsbeispiele eines Zündelements 3 mit drei horizontal übereinander (Fig. 7) bzw. vier horizontal nebeneinander angeordneten Potentialen (Fig. 8). Derartige Zündelemente 3 eignen sich somit zur Verwendung bei einem Überspannungsschutzelement, das in einem Drei-Phasen-Netz eingesetzt wird. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist dabei bei dem Zündelement 3 gemäß Fig. 7 eine dritte leitfähige Schicht 13 vorgesehen, die von der zweiten leitfähigen Schicht 8 durch eine zweite isolierende Schicht 14 getrennt ist, so daß die drei leitfähigen Schichten 7, 8, 13 drei unterschiedliche Potentiale aufweisen.The Fig. 7 and 8th Finally, two embodiments of an ignition element 3 with three horizontally one above the other ( Fig. 7 ) or four horizontally juxtaposed potentials ( Fig. 8 ). Such ignition elements 3 are thus suitable for use in an overvoltage protection element which is used in a three-phase network. In contrast to the embodiment according to Fig. 2 is in accordance with the ignition element 3 Fig. 7 a third conductive layer 13 is provided, which is separated from the second conductive layer 8 by a second insulating layer 14, so that the three conductive layers 7, 8, 13 have three different potentials.

Bei dem Zündelement 3, wie es in Fig. 8 dargestellt ist, sind neben einer kreisförmigen leitfähigen Schicht 7 und einer ebenfalls kreisförmigen isolierenden Schicht 9 weitere leitfähige Schichten 8, 13, 15 und 16 vorgesehen, die jeweils elektrisch nicht miteinander verbunden sind. Die leitfähigen Schichten 8, 13, 15 und 16 sind dabei jeweils kreissegmentartig ausgebildet und nebeneinander angeordnet, wobei die kreisförmigen leitfähige Schicht 7 allen gegenüberliegend angeordnet ist. Bei einer anstehenden Überspannung zwischen der ersten leitfähigen Schicht 7 und einem der anderen leitfähigen Schichten 8, 13, 15 oder 16 kommt es dann zunächst zu einer Initialzündung der jeweiligen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4, wobei aufgrund der Anordnung der einzelnen leitfähigen Schichten 8, 13, 15 und 16 zueinander bzw. zur leitfähigen Schicht 7 eine Zündung aller Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 4 erfolgt. Bei einer entsprechenden Schaltung des Überspannungsschutzelements ist dadurch der gewünschte Schutzpegel nicht nur zwischen den aktiven Phasenleitern (L1, L2, L3) und dem Neutralleiter (N) bzw. zwischen dem Neutralleiter (N) und der Erde (PE) sondern zwischen allen Leitungszweigen sichergestellt.In the ignition element 3, as in Fig. 8 are shown, in addition to a circular conductive layer 7 and a likewise circular insulating Layer 9 further conductive layers 8, 13, 15 and 16 are provided, which are each not electrically connected to each other. The conductive layers 8, 13, 15 and 16 are each formed in a segment of a circle and arranged side by side, wherein the circular conductive layer 7 is arranged opposite to all. In the event of a pending overvoltage between the first conductive layer 7 and one of the other conductive layers 8, 13, 15 or 16, initial firing of the respective air breakdown spark gap 4 occurs, due to the arrangement of the individual conductive layers 8, 13 , 15 and 16 to each other or to the conductive layer 7 ignition of all air breakdown spark gap 4 takes place. In a corresponding circuit of the overvoltage protection element thereby the desired level of protection is ensured not only between the active phase conductors (L1, L2, L3) and the neutral conductor (N) or between the neutral conductor (N) and the ground (PE) but between all line branches.

Claims (13)

  1. Overvoltage protection element for discharging transient overvoltages comprising at least two electrodes (1, 2), having at least one ignition element (3) of insulating material located between the electrodes (1, 2) and an air breakdown spark gap (4) which acts between the electrodes (1, 2), wherein an arc being formed when the air breakdown spark gap (4) between the two electrodes (1, 2) is ignited, and
    wherein the ignition element (3) is arranged and designed so that an area with weakened insulation, i.e. ignition area, is provided between the two electrodes (1, 2),
    characterized in,
    that when a voltage is applied to the ignition element (3), a discharge on the surface (5) of the ignition element (3) leads to a conductive connection between the two electrodes (1, 2), wherein the conductive connection has a low current-carrying capacity,
    so that when this conductive connection is loaded with a discharge current the conductive connection "bums out" due to the low current-carrying capacity of the conductive connection.
  2. Overvoltage protection element according to claim 1, characterized in that the area with weakened insulation is realized by a recess (10) in the ignition element (3).
  3. Overvoltage protection element according to claim 1 or 2, characterized in that the ignition element (3) consists of plastic or another insulating material with a relatively low CTI value.
  4. Overvoltage protection element according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the conductive connection is formed only on the surface (5) of the ignition element (3).
  5. Overvoltage protection element according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the ignition element (3) is arranged and designed so that when there is an arc between the electrodes (1, 2), a "carbonization" of the surface (5) of the ignition element (3) occurs.
  6. Overvoltage protection element according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a conductive coating with low current-carrying capacity is applied to the surface (5) of the ignition element (3).
  7. Overvoltage protection element according to claim 6, characterized in that the coating is realized by a chemical, thermal or electro-thermal carbonization.
  8. Ignition element for use in an overvoltage protection element according to any one of claims 1 to 7,
    characterized in
    that the ignition element (3) consists of at least two electrically conductive layers (7, 8) and at least one insulating layer (9) located between them, wherein the insulating layer (9) is connected to the electrically conductive layers (7, 8) by adhesion or, respectively, by pressing and having an area with weakened insulation (5), i.e. ignition area.
  9. Ignition element according to claim 8, characterized in that the area with weakened insulation is realized by a recess (10) or, respectively a hole in the insulating layer (9) and, where applicable, additionally in the electrically conductive layer (7) or, respectively, in the electrically conductive layers (7, 8), in particular by means of drilling or milling.
  10. Ignition element according to claim 8 or 9, comprising at least three electrically conductive layers (7, 7', 8, 8') and at least two insulating layers (9), characterized in that at least two electrically conductive layers (7, 7', 8, 8') are electrically connected to one another.
  11. Ignition element according to any one of claims 8 to 10, characterized in that copper foils are used as electrically conductive layers (7, 8) and polyimide film or FR4 film is used as an insulating layer (9).
  12. Ignition element according to any one of claims 8 to 11, characterized in that conductive components, for example, fibers or metal particles are located insulated in the insulating layer (9).
  13. Ignition element according to any one of claims 8 to 12, characterized in that the electrically conductive layers (7, 8) and/or the insulating layer (9) have a thickness of less than 0.2 mm, preferably from 35 µm to 70 µm.
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