EP2162961B1 - Vorrichtung und modul zum schutz vor blitzen und überspannungen - Google Patents
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- EP2162961B1 EP2162961B1 EP08761287A EP08761287A EP2162961B1 EP 2162961 B1 EP2162961 B1 EP 2162961B1 EP 08761287 A EP08761287 A EP 08761287A EP 08761287 A EP08761287 A EP 08761287A EP 2162961 B1 EP2162961 B1 EP 2162961B1
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- H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed
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Definitions
- the invention relates to a device for protection against lightning and overvoltage with two electrodes, the gas-tightly seal both end faces of a cylinder of insulating material and define a discharge space inside the chamber thus formed, and a module with these devices.
- Such devices are, inter alia, as lightning and / or overvoltage protection in the main power supply system of structural systems, in which the outer conductors are connected via a respective lightning arrester with the neutral conductor provided.
- a device is also referred to as a spark gap arrangement or arrester arrangement.
- Such a device will be described.
- Such devices are also in the FR 1105065 . FR 990361 . CH 345061 . DE 29810937 and the EP 1353422 described and may have multiple electrode plates.
- a surge arrester serves to avoid dangers to living beings, plant and equipment damage as well as fires.
- the purpose of lightning and overvoltage protection is to reduce overvoltages to a protection level of 1.5 kV and dissipate strong pulse currents up to 50 kA. In this case, jet flames and pressure waves are to be avoided in order to allow installation in typical installations without taking into account special safety distances and passive fire protection measures.
- the extinguishing capacity and the limitation of the line frequency secondary current must be such that: Do not trigger house connection fuses.
- Typical characteristics of such lightning and overvoltage protection devices are: a DC response voltage U ag > 600 V, a Anschmonyfur u as ⁇ 1.5 kV at a voltage increase of 5 kV / ⁇ s, a nominal surge current i SN of 50 kA at standard surge currents of 8 / 20 ⁇ s and 10/350 ⁇ s and each 15-fold load, as well as a line-frequency secondary current ⁇ 50 kA.
- a low dynamic response voltage is required.
- the required value is 1500 V when a ramp voltage of 5 kV / ⁇ s is applied.
- this level of protection and the other characteristics mean that ignition aids must be used.
- One way to improve ignition performance is to introduce a primer, e.g. graphite, which provides primary charge carriers, distorts the electric field, and improves dynamic detonation behavior via a sliding discharge along the ceramic surface of the inner wall of the cylinder.
- the invention is based on the object to provide a device of the type mentioned above, with the required characteristics can be achieved or exceeded.
- the device for protection against lightning and overvoltages provides two electrodes which seal both faces of the cylinder made of insulating material, in particular of alumina ceramic, gas-tight and define a discharge space in the interior of the chamber thus formed.
- at least one step is provided in the contact region of at least one of the electrodes and the cylinder such that the chamber extends beyond the inner wall of the cylinder.
- the electrodes are preferably made of copper or copper alloys.
- the chamber is the entire gas-filled interior that results after soldering or closing the cylinder to the electrodes.
- the discharge space is basically the chamber area, but a high-energy discharge to protect against lightning and overvoltages in a discharge gap, which is formed between each other with a small distance facing electrode surfaces, in particular in the central region of the device.
- the area of contact of the area of the end face of the cylinder is referred to, on which in principle the cylinder can be connected or soldered to the electrode.
- the contact region thus extends at least over the thickness of the inner wall of the cylinder.
- the insulation distance to the respective electrode extends at least by the length and height of the gradation. As a result, even with repeated shock and Continuous current loads achieved a high level of insulation of the device or the arrester during the entire life.
- the gradation is arranged in the front-side inner wall of the cylinder.
- the gradation is arranged in at least one of the electrodes.
- Ignition aids in particular, such as graphite ignition strips, which are applied to the inner wall of the cylinder and extend the view according to the inventive embodiment to the front-side inner wall of the cylinder, improve the ignition and the load capacity of the device or the arrester.
- the ignition aid improves the dynamic ignition behavior of the arrester, in particular by providing primary charge carriers, distorting the electric field and improving a sliding discharge along the surface of the ceramic cylinder.
- ignition aids that the electrodes are pasted with an activating compound which likewise improves the ignition behavior.
- the ignition properties of the device can be further improved if the ignition aids according to the invention extend on the inner wall of the cylinder except for the gradation in the front-side inner wall of the cylinder.
- the distance between the end of the ignition strips to the metallic electrodes (residual insulation) set and keep so low that the function of the ignition fuse is optimized.
- the ignition aids are widened in the transition region from the inner wall to the front-side inner wall of the cylinder. Further variations of the igniter geometry are designed to further enhance the dynamic detonation behavior of the arrester.
- the ignition strips thus formed are distributed at intervals of 45 ° over the inner circumference of the cylinder.
- the device is designed to be stackable for stacking a plurality of similar devices. As a result, it is easy to build modules with multiple devices that are individually interchangeable and can have different threshold voltages.
- At least one of the electrodes has both a cup-shaped region and a bead-like region, which extend in the longitudinal axis direction of the device in each case on both sides of the plane of the contact surface of the cylinder and the electrode. This allows a particularly efficient stacking, because the middle electrode of two arresters must be present only once, but is available as an electrode for both arresters.
- the arrester is formed so that the electrodes are mirrored at the transverse axis of the device. This allows efficient stacking with small dimensions of the module thus formed.
- the characteristics of a module of series-connected arresters can be optimized if a varistor is connected in parallel to at least part of the devices connected in series. If necessary, several varistors can be connected in parallel to combinations of arresters.
- a plurality of arresters with different response voltages are connected in series.
- a series connection of several arresters of different characteristics in one module allows the mastering of the required DC response voltage, the An Anlagenmonyriad and the power-frequency follow current.
- An additional wiring of several elements of the series connection with a varistor arranged in parallel favors the behavior under load with the required DC response voltage and the An videriad.
- the high arc voltage of the individual conductors limits the mains frequency follow current.
- the arc Due to the high heat capacity of the arrangement, in particular when using copper electrodes, and the good thermal conductivity of the filling gas, the arc is cooled efficiently and the extinguishing behavior is improved.
- a module comprises a holding device with two electrically conductive holders arranged on both sides of the module, which are connected by spacer insulators and clamp the module.
- An arrester according to FIG. 1a contains a housing which is formed of a cylinder 1 of insulating material, for example a ceramic of Al 2 0 3 , and two electrodes 2, 3, in particular with advantageous flow properties and high thermal conductivity, for example of copper.
- the electrodes are in particular symmetrical.
- Inside the chamber 7 formed by the housing is the discharge space.
- grading 4 in the ceramic a sufficiently high level of insulation of the arrester over its entire lifetime is ensured even with repeated shock and residual current loads. The gradation lengthens the wall-side insulation gap between the electrodes.
- FIG. 1b contains as another embodiment of a diverter a housing which is formed of a cylinder 11 of insulating material, for example a ceramic of Al 2 0 3 , and two electrodes 21, 31, in particular with advantageous flow properties and high thermal conductivity, for example of copper.
- the electrodes are in particular symmetrical. Inside the chamber 71 formed by the housing is the discharge space.
- a gradation 41 in the electrodes ensures a sufficiently high level of insulation of the arrester over its entire life, even with repeated shock and residual current loads. The gradation lengthens the wall-side insulation gap between the electrodes.
- an arrester has an outer diameter D of eg 30 mm and a height H of eg 3 mm or 4 mm.
- Stage 4 in the ceramic or 41 in the electrodes prevents a continuous vapor deposition layer in the case of an arc discharge in the arrester and thus insulation problems of the arrester, which can lead to a reduced or unusable function.
- the ignition behavior and the load capacity of the arrester can be further optimized.
- each arrester For the function of the device or the Zündstriches each arrester the distance of the Zündstrichs to the metallic electrodes of the arrester is important.
- the Zündstrichs into the stage in the ceramic advantageous because it improves the connection of the ignition strips. The way from the ignition end to the electrodes can be optimized thereby.
- Figure 1c shows the ignition strips 52 on the inner wall of the cylinder and the gradation 4 in detail and in perspective, Figure 1d .
- the ignition strips are widened.
- Other igniter geometries are of course provided.
- a metallization 6 is applied to a portion of the end face of the cylinder for the VerInstitutlötung with one of the electrodes.
- FIG. 1a or FIG. 1b trained arrester connected in series and form a module.
- FIG. 2 or FIG. 3 provided in which the insulating ceramics 12, 14, 16 and 18 with respect to the electrodes 22, 32 and the electrodes 23a, 23b relative to the insulating ceramics 13, 15 and 17 are stepped.
- At least one of the electrodes has both a cup-shaped region 25, 35 or 27, 28 and a bead-shaped region 24, 34 and 26, which extend in the longitudinal axis direction of the device respectively on both sides of the plane of the contact surface of the cylinder and the electrode.
- This allows a particularly efficient stacking because the middle electrode 25 or 28 of two arresters must be present only once, but is available as an electrode to both associated arresters.
- the arresters are designed so that the electrodes are mirrored on the transverse axis of the device. This allows efficient stacking with small dimensions of the module thus formed.
- FIG. 3 Several devices or arresters are connected in series. It is particularly space-saving when two devices connected in series have a central common electrode, which is formed as one of the two electrodes of each of the two devices.
- the overall arrangement is according to FIG. 4 from a series connection of individual arresters FS200 and FS600 with the same (FS200) or different characteristics, eg with response DC voltages of 200V or 600V.
- An external wiring of different sections is advantageous. This wiring is preferably done with varistors V1, V2, V3. However, it can also be realized in another way with the aim of achieving a rapid increase in potential at one or more individual conductors under dynamic load.
- FIG. 4a shows the same arrester arrangement as FIG. 4a , but with two 200V varistors V3, each connected in series with three series-connected arresters FS200 and with each other in series.
- Figure 4c shows the same arrester arrangement as FIG. 4a but with a varistor V2 with 420V, which is connected in parallel to the six arresters FS200.
- the series circuit of individual arresters FS200 and FS600 which is preferably realized by clamping in an electrically conductive, tong-shaped holder 61, 62, 63, taking into account the mounting ability in standardized rail systems, shows FIG. 5 ,
- the holders 61 and 63 are insulated from each other by spacers.
- Parallel to the arresters FS 200, a varistor V is connected.
- the clamping allows easy adaptation of the electrical properties to the application, by individual arresters can be varied or replaced and an external wiring of different sections can be made.
- This wiring is preferably carried out with varistors, but can also be realized in another way with the aim to achieve a rapid increase in potential at one or more Einzelableiter under dynamic load.
Landscapes
- Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
- Thermistors And Varistors (AREA)
- Gas-Insulated Switchgears (AREA)
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen mit zwei Elektroden, die beide Stirnflächen eines Zylinders aus isolierendem Material gasdicht verschließen und im Innern der so gebildeten Kammer einen Entladungsraum definieren, sowie ein Modul mit diesen Vorrichtungen.
- Derartige Vorrichtungen sind u. a. als Blitz- und/oder Überspannungsschutz im Hauptstromversorgungssystem baulicher Anlagen, bei dem die Aussenleiter über je einen Blitzstromableiter mit dem Neutralleiter verbunden sind, vorgesehen. Eine derartige Vorrichtung wird auch als Funkenstreckenanordnung oder Ableiteranordnung bezeichnet. In der
JP 2006024423 FR 1105065 FR 990361 CH 345061 DE 29810937 und derEP 1353422 beschrieben und können mehrere Elektrodenplatten haben. - Ein Ableiter dient zur Vermeidung von Gefahren für Lebewesen, von Anlagen- und Geräteschäden sowie von Bränden. Aufgabe des Blitz- und Überspannungsschutzes ist die Herabsetzung von Überspannungen auf einen Schutzpegel von 1,5 kV und Ableitung starker Impulsströme bis zu 50 kA. Dabei sind Stichflammen und Druckwellen zu vermeiden, um einen Einbau in typische Einrichtungen ohne Beachtung besonderer Sicherheitsabstände und passiver Brandschutzmaßnahmen zu ermöglichen. Das Löschvermögen und die Begrenzung des netzfrequenten Folgestroms müssen so ausgelegt sein, dass Hausanschlusssicherungen nicht auslösen. Schließlich ist eine Kompatibilität zu standardisierten Montagesystemen und eine Unempfindlichkeit gegenüber klimatischen Einflüssen und Verschmutzung gefordert.
- Typische Kenndaten derartiger Blitz- und Überspannungsschutzvorrichtungen sind: eine Ansprechgleichspannung Uag > 600 V, eine Ansprechstoßspannung uas ≤ 1,5 kV bei einem Spannungsanstieg von 5 kV/µs, ein Nenn-Stoßstrom iSN von 50 kA bei Norm-Stoßstromverläufen von 8/20 µs und 10/350 µs und jeweils 15-facher Beanspruchung sowie ein netzfrequenter Folgestrom ≤ 50 kA.
- Beim Ansprechen eines Ableiters entsteht ein Lichtbogen, der Verbrennungsprodukte erzeugt, die sich als leitfähige Bedampfung auf dem Innenzylinder der Keramik bzw, des isolierenden Materials niederschlagen können und einen Isolationsfehler bewirken.
- Zur Erfüllung der Schutzfunktion ist eine niedrige dynamische Ansprechspannung gefordert. Für das gesamte Bauelement liegt der geforderte Wert bei 1500 V, wenn eine rampenförmig mit 5 kV/µs ansteigende Spannung angelegt wird. Für einen einzelnen Ableiter bedeuten dieser Schutzpegel und die übrigen Kenndaten, dass Zündhilfen eingesetzt werden müssen. Ein Weg zur Verbesserung des Zündverhaltens ist die Einbringung eines Zündstriches, z.B. aus Graphit, der Primärladungsträger bereitstellt, das elektrische Feld verzerrt und über eine Gleitentladung entlang der Keramikoberfläche der Innenwand des Zylinders das dynamische Zündverhalten verbessert.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art anzugeben, mit der die geforderten Kenndaten erreicht oder übertroffen werden können.
- Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentansprüches. Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
- Die Vorrichtung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen sieht zwei Elektroden vor, die beide Stirnflächen des Zylinders aus isolierendem Material, insbesondere aus Aluminiumoxid-Keramik, gasdicht verschließen und im Innern der so gebildeten Kammer einen Entladungsraum definieren. Innerhalb der Kammer ist im Kontaktbereich zumindest einer der Elektroden und des Zylinders wenigstens eine Abstufung derart vorgesehen, dass sich die Kammer bis über die Innenwand des Zylinders hinaus erstreckt.
- Die Elektroden sind bevorzugt aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Die Kammer ist der gesamte gasgefüllte Innenraum, der sich nach dem Verlöten bzw. Verschließen des Zylinders mit den Elektroden ergibt. Der Entladungsraum ist grundsätzlich der Kammerbereich, jedoch wird eine energiereiche Entladung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen in einer Entladungsstrecke erfolgen, die zwischen zueinander mit geringem Abstand zugewandten Elektrodenoberflächen, insbesondere im zentralen Bereich der Vorrichtung, gebildet wird. Als Kontaktbereich ist der Bereich der Stirnseite des Zylinders bezeichnet, an dem grundsätzlich der Zylinder mit der Elektrode verbunden bzw. verlötet werden kann. Der Kontaktbereich erstreckt sich demnach wenigstens über die Dicke der Innenwand des Zylinders.
- Durch die Abstufung verlängert sich die Isolationsstrecke zur jeweiligen Elektrode hin zumindest um die Länge und Höhe der Abstufung. Dadurch wird auch bei wiederholten Stoß- und Folgestrombelastungen ein hohes Isolationsniveau der Vorrichtung bzw. des Ableiters während der gesamten Lebensdauer erreicht.
- Es ist vorgesehen, dass die Abstufung in der stirnseitigen Innenwand des Zylinders angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend ist die Abstufung in zumindest einer der Elektroden angeordnet.
- Zündhilfen, insbesondere wie Zündstriche aus Graphit, die auf der Innenwand des Zylinders aufgebracht sind und die sicht gemäβ der erfinderischen Ausführungsform bis auf die stirnseitige Innenwand des Zylinders erstrecken, verbessern das Zündverhalten und die Belastbarkeit der Vorrichtung bzw. des Ableiters. Die Zündhilfe verbessert das dynamische Zündverhalten des Ableiters, indem sie insbesondere Primärladungsträger bereit stellt, das elektrische Feld verzerrt und eine Gleitentladung entlang der Oberfläche des Keramikzylinders verbesset.
- Alternativ oder ergänzend ist an Zündhilfen vorgesehen, dass die Elektroden mit einer Aktivierungsmasse bepastet sind, die das Zündverhalten ebenfalls verbessern.
- Weiter verbessern lassen sich die Zündeigenschaften der Vorrichtung, wenn sich die Zündhilfen gemäβ der Erfindung auf der Innenwand des Zylinders bis auf die Abstufung in der stirnseitigen Innenwand des Zylinders erstrecken. Dadurch lässt sich der Abstand des Endes der Zündstriche zu den metallischen Elektroden (Restisolation) einstellen und so gering halten, dass die Funktion des Zündstriches optimiert ist. Insbesondere ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Zündhilfen im Übergangsbereich von der Innenwand zu der stirnseitigen Innenwand des Zylinders verbreitert sind. Weitere Variationen der Geometrie des Zündstrichs sind so vorgesehen, dass sie das dynamische Zündverhalten des Ableiters weiter verbessern.
- In einer Ausführungsform sind die so gebildeten Zündstriche im Abstand von 45° über den Innenumfang des Zylinders verteilt.
- Die Vorrichtung ist so konstruiert, dass sie zur Stapelung mehrerer gleichartiger Vorrichtungen stapelbar ausgebildet ist. Dadurch lassen sich in einfacher Weise Module mit mehreren Vorrichtungen aufbauen, die einzeln austauschbar sind und unterschiedliche Ansprechspannungen haben können.
- In einer Ausführungsform weist zumindest eine der Elektroden sowohl einen napfförmigen Bereich als auch einen sickenförmigen Bereich auf, die sich in Längsachsenrichtung der Vorrichtung jeweils beiderseits der Ebene der Kontaktfläche des Zylinders und der Elektrode erstrecken. Das ermöglicht eine besonders effiziente Stapelung, weil die mittlere Elektrode zweier Ableiter nur einmal vorhanden sein muss, aber beiden Ableitern als Elektrode zur Verfügung steht.
- In einer Ausführungsform ist der Ableiter so ausgebildet, dass die Elektroden an der Querachse der Vorrichtung gespiegelt sind. Das ermöglicht eine effiziente Stapelung mit geringen Abmessungen des so gebildeten Moduls.
- Bei einem Modul sind mehreren Vorrichtungen bzw. Ableiter in Reihe geschaltet. Besonders platzsparend ist es, wenn zwei in Reihe geschaltete Vorrichtungen eine mittlere gemeinsame Elektrode aufweisen, die als eine der beiden Elektroden jeder der zwei Vorrichtungen ausgebildet ist.
- Die Eigenschaften eines Moduls aus in Serie geschalteten Ableitern lassen sich optimieren, wenn parallel zu mindestens einem Teil der in Reihe geschalteten Vorrichtungen ein Varistor geschaltet ist. Bedarfsweise können auch mehrere Varistoren zu Kombinationen von Ableitern parallel geschaltet sein.
- In einer Ausführungsform des Moduls sind mehrere Ableiter mit unterschiedlicher Ansprechspannung in Reihe geschaltet.
- Die Verwendung eines oder mehrerer Ableiter mit einem hermetisch abgeschlossenen gasgefüllten Gehäuse ermöglicht die Vermeidung von Stichflammen oder Druckwellen.
- Eine Reihenschaltung mehrerer Ableiter unterschiedlicher Charakteristik in einem Modul ermöglicht die Beherrschung der geforderten Ansprechgleichspannung, der Ansprechstoßspannung und des netzfrequenten Folgestroms. Eine zusätzliche Beschaltung mehrerer Elemente der Reihenschaltung mit einem parallel dazu angeordneten Varistor begünstigt das Verhalten bei Beanspruchung mit der geforderten Ansprechgleichspannung und der Ansprechstoßspannung. Die hohe Lichtbogenspannung der Einzelableiter begrenzt den netzfrequenten Folgestrom.
- Durch die hohe Wärmekapazität der Anordnung, insbesondere bei Verwendung von Kupferelektroden, und die gute Wärmeleitfähigkeit des Füllgases wird der Lichtbogen effizient gekühlt und das Löschverhalten verbessert.
- Ein Modul umfasst in einer praktischen Ausführungsform eine Haltevorrichtung mit zwei beidseits des Moduls angeordneten elektrisch leitfähigen Haltern, die durch Abstandsisolatoren verbunden sind und das Modul klemmen. Die mögliche niedrige Bauhöhe eines Ableiters und auch einer Reihenschaltung von Ableitern in einem Modul, die bedarfsweise zwischen Kontaktelemente geklemmt wird, vereinfacht die Montage der Vorrichtung.
- Der Aufbau eines Ableiters und die Möglichkeit eines modularen Aufbaus mehrerer Ableiter ermöglicht eine Optimierung der Vorrichtung. Die Verwendung und die Gestaltung von Zündstrichen unterstützt das definierte Ansprechen der Vorrichtung.
- Die Kombination von Ableitern mit Varistoren einen verbesserten Schutz der zu schützenden Anlage.
- Die oben beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert.
- Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente, die einander gleichen oder die die gleichen Funktionen übernehmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
- Figur 1a
- zeigt einen Ableiter mit einer Abstufung in dem Zylinder aus isolierendem Material,
- Figur 1b
- zeigt einen Ableiter mit einer Abstufung in jeder der beiden Elektroden,
- Figur 1c
- zeigt einen isolierenden Zylinder mit einer Abstufung und Zündstrichen auf der Innenwand und der Abstufung,
- Figur 1d
- zeigt den Zylinder gemäß
Figur 1c in perspektivischer Darstellung, - Figur 2
- zeigt ein erstes Modul mit einer Reihenschaltung gestapelter Ableiter,
- Figur 3
- zeigt ein zweites Modul mit einer Reihenschaltung gestapelter Ableiter,
- Figur 4a-c
- zeigt Ersatzschaltbilder von Modulen mit Varistoren, die parallel zu Ableitern liegen und
- Figur 5
- zeigt ein drittes Modul mit einem Varistor in einer Klemmhalterung.
- Ein Ableiter gemäß
Figur 1a enthält ein Gehäuse, das aus einem Zylinder 1 aus isolierendem Material, z.B. einer Keramik aus Al203, und zwei Elektroden 2, 3, insbesondere mit vorteilhaften Fließeigenschaften und hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Kupfer, gebildet ist. Die Elektroden sind insbesondere symmetrisch. Im Innern der durch das Gehäuse gebildeten Kammer 7 befindet sich der Entladungsraum. Durch eine Abstufung 4 in der Keramik wird auch bei wiederholten Stoß- und Folgestrombelastungen ein ausreichend hohes Isolationsniveau des Ableiters über seine gesamte Lebensdauer gewährleistet. Die Abstufung verlängert die wandseitige Isolationsstrecke zwischen den Elektroden. - Gemäß
Figur 1b enthält als anderes Ausführungsbeispiel eines Ableiters ein Gehäuse, das aus einem Zylinder 11 aus isolierendem Material, z.B. einer Keramik aus Al203, und zwei Elektroden 21, 31, insbesondere mit vorteilhaften Fließeigenschaften und hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Kupfer, gebildet ist. Die Elektroden sind insbesondere symmetrisch. Im Innern der durch das Gehäuse gebildeten Kammer 71 ist der Entladungsraum. Durch jeweils eine Abstufung 41 in den Elektroden wird auch bei wiederholten Stoß- und Folgestrombelastungen ein ausreichend hohes Isolationsniveau des Ableiters über seine gesamte Lebensdauer gewährleistet. Die Abstufung verlängert die wandseitige Isolationsstrecke zwischen den Elektroden. - Gemäß
Figuren 1a und 1b hat ein Ableiter einen Außendurchmesser D von z.B. 30 mm und eine Höhe H von z.B. 3 mm oder 4 mm. - Die Stufe 4 in der Keramik oder 41 in den Elektroden verhindert eine durchgängige Bedampfungsschicht bei einer Lichtbogenentladung im Ableiter und damit Isolationsprobleme des Ableiters, die zu einer reduzierten oder unbrauchbaren Funktion führen können.
- Durch die Verwendung von Zündstrichen 5 bzw. 51 auf der Innenfläche des Gehäuses und einer Bepastung der Elektroden mit einer Aktivierungsmasse können das Zündverhalten und die Belastbarkeit des Ableiters weiter optimiert werden.
- Für die Funktion der Vorrichtung bzw. des Zündstriches jedes Ableiters ist dabei der Abstand des Zündstrichs zu den metallischen Elektroden des Ableiters wichtig. Bei einer Ausführungsform gemäß
Figur 1a ist bevorzugt eine Formgebung des Zündstrichs bis in die Stufe in der Keramik vorteilhaft, da sie die Anbindung der Zündstriche verbessert. Der Weg vom Zündstrichende zu den Elektroden lässt sich dadurch optimieren. -
Figur 1c zeigt die Zündstriche 52 auf der Innenwand des Zylinders und der Abstufung 4 im Detail und perspektivisch,Figur 1d . Im Kantenbereich zwischen der Innenwand des Zylinders und der Abstufung 4 sind die Zündstriche verbreitert. Andere Zündstrichgeometrien sind selbstverständlich vorgesehen. Eine Metallisierung 6 ist für die Verschlusslötung mit einer der Elektroden auf einen Teil der Stirnseite des Zylinders aufgebracht. - Nach der Verschlusslötung, bei der vorteilhaft ein Gasgemisch hoher Wärmeleitfähigkeit und druckabhängig leicht einstellbarer Durchschlagsfestigkeit, z.B. Ar-/H2-/Ne-Gemische)verwendet wird, liegt ein hermetisch dicht gasgefüllter Ableiter mit definiert eingestellten statischen und dynamischen Zündeigenschaften und einer hohen Lichtbogenspannung vor.
- Um Schutz vor höheren Spannungen und Blitzen zu erhalten, werden bevorzugt mehrere der gemäß
Figur 1a oder Figur 1b ausgebildeten Ableiter in Reihe geschaltet und bilden ein Modul. Zur Optimierung des Bauvolumens und des Fertigungsprozesses sind weitere Ausführungsbeispiele gemäßFigur 2 oderFigur 3 vorgesehen, in denen die Isolierkeramiken 12, 14, 16 und 18 gegenüber den Elektroden 22, 32 bzw. die Elektroden 23a, 23b gegenüber den Isolierkeramiken 13, 15 und 17 abgestuft sind. - Gemäß
Figur 2 undFigur 3 weist zumindest eine der Elektroden sowohl einen napfförmigen Bereich 25, 35 bzw. 27, 28 als auch einen sickenförmigen Bereich 24, 34 bzw. 26 auf, die sich in Längsachsenrichtung der Vorrichtung jeweils beiderseits der Ebene der Kontaktfläche des Zylinders und der Elektrode erstrecken. Das ermöglicht eine besonders effiziente Stapelung, weil die mittlere Elektrode 25 bzw. 28 zweier Ableiter nur einmal vorhanden sein muss, aber beiden zugeordneten Ableitern als Elektrode zur Verfügung steht. - Die Ableiter sind so ausgebildet, dass die Elektroden an der Querachse der Vorrichtung gespiegelt sind. Das ermöglicht eine effiziente Stapelung mit geringen Abmessungen des so gebildeten Moduls.
- Bei den Modulen gemäß
Figur 2 bzw.Figur 3 sind mehrere Vorrichtungen bzw. Ableiter in Reihe geschaltet. Besonders platzsparend ist es, wenn zwei in Reihe geschaltete Vorrichtungen eine mittlere gemeinsame Elektrode aufweisen, die als eine der beiden Elektroden jeder der zwei Vorrichtungen ausgebildet ist. - Die Gesamtanordnung besteht gemäß
Figur 4 aus einer Reihenschaltung einzelner Ableiter FS200 und FS600 mit gleichen (FS200) oder unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. mit Ansprechgleichspannungen von 200V oder 600V. Eine äußere Beschaltung verschiedener Teilstrecken ist vorteilhaft. Diese Beschaltung erfolgt bevorzugt mit Varistoren V1, V2, V3. Sie kann aber auch in anderer Weise mit dem Ziel realisiert werden, bei dynamischer Belastung einen schnellen Potentialanstieg an einem oder mehreren Einzelableiter zu erreichen. - Eine bevorzugte Ausführungsform aus 6 Elementen FS200 mit Uag=200 V und einem Element FS600 mit Uag=600 V in Kombination mit zwei Varistoren V1 mit 250V und V2 mit 420V zeigt
Figur 4a. Figur 4b zeigt die gleiche Ableiteranordnung wieFigur 4a , jedoch mit zwei Varistoren V3 zu je 200V, die jeweils parallel zu drei seriell geschalteten Ableitern FS200 und zueinander in Serie geschaltet sind.Figur 4c zeigt die gleiche Ableiteranordnung wieFigur 4a , jedoch mit einem Varistor V2 mit 420V, der parallel zu den sechs Ableitern FS200 geschaltet ist. - Die Reihenschaltung von Einzelableitern FS200 und FS600, die vorzugsweise durch eine Klemmung in einem elektrisch leitfähigen, zangenförmigen Halter 61, 62, 63 unter Beachtung der Montierbarkeit in standardisierten Schienensystemen realisiert wird, zeigt
Figur 5 . Die Halter 61 und 63 sind durch Abstandshalter voneinander isoliert. Parallel zu den Ableitern FS 200 ist ein Varistor V geschaltet. - Die Klemmung ermöglicht die einfache Anpassung der elektrischen Eigenschaften an den Anwendungsfall, indem einzelne Ableiter variiert oder ausgetauscht werden können und eine äußere Beschaltung verschiedener Teilstrecken vorgenommen werden kann. Diese Beschaltung erfolgt bevorzugt mit Varistoren, kann aber auch in anderer Weise mit dem Ziel realisiert werden, bei dynamischer Belastung einen schnellen Potentialanstieg an einem oder mehreren Einzelableiter zu erreichen.
Claims (12)
- Vorrichtung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen mit zwei Elektroden (2, 3; 21, 31; 22, 32), die beide Stirnflächen eines Zylinders (1; 11; 12) aus isolierendem Material gasdicht verschließen und im Innern der so gebildeten Kammer einen Entladungsraum (7; 71) definieren, wobei innerhalb der Kammer im Kontaktbereich zumindest einer der Elektroden und des Zylinders wenigstens eine Abstufung (4; 41; 42) derart vorgesehen ist, dass sich die Kammer bis über die Innenwand des Zylinders hinaus erstreckt, dass die Innenwand des Zylinders Zündhilfen (5; 51) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass diese Zündhicfen sich bis auf die stirnseitige Innenwand des Zylinders erstrecken.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Abstufung in der stirnseitigen Innenwand des Zylinders und/oder in zumindest einer der Elektroden angeordnet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Zündhilfen (51, 52) strichförmig sind und sich bis auf die Abstufung in der stirnseitigen Innenwand des Zylinders erstrecken.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Zündhilfen im Übergangsbereich von der Innenwand zu der stirnseitigen Innenwand des Zylinders verbreitert sind.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die stapelbar zur Stapelung mehrerer gleichartiger Vorrichtungen ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der zumindest eine der Elektroden sowohl einen napfförmigen Bereich (25, 35) als auch einen sickenförmigen Bereich (24, 34) aufweist, die sich in Längsachsenrichtung der Vorrichtung jeweils beiderseits der Ebene der Kontaktfläche des Zylinders und der Elektrode erstrecken.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Elektroden an der Querachse der Vorrichtung gespiegelt sind.
- Modul, umfassend mehrere in Reihe geschaltete Vorrichtungen (FS200, FS600) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
- Modul nach Anspruch 8, bei dem zwei in Reihe geschaltete Vorrichtungen eine mittlere gemeinsame Elektrode (32, 35, 36; 28) aufweisen, die als eine der beiden Elektroden jeder der zwei Vorrichtungen ausgebildet ist.
- Modul nach Anspruch 8 oder 9, umfassend eine Haltevorrichtung mit zwei beidseits des Moduls angeordneten elektrisch leitfähigen Haltern (61, 62), die durch Abstandsisolatoren (63) verbunden sind und das Modul klemmen.
- Modul nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem parallel zu mindestens einem Teil der in Reihe geschalteten Vorrichtungen ein Varistor (V; V1, V2; V3) geschaltet ist.
- Modul nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem mehrere Vorrichtungen mit unterschiedlicher Ansprechspannung in Reihe geschaltet sind.
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