EP2212976B1 - Überspannungsableiter mit thermischem überlastschutz - Google Patents

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EP2212976B1
EP2212976B1 EP08852430A EP08852430A EP2212976B1 EP 2212976 B1 EP2212976 B1 EP 2212976B1 EP 08852430 A EP08852430 A EP 08852430A EP 08852430 A EP08852430 A EP 08852430A EP 2212976 B1 EP2212976 B1 EP 2212976B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
surge arrestor
electrodes
surge arrester
spring
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.)
Not-in-force
Application number
EP08852430A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2212976A1 (de
Inventor
Gero Zimmermann
Thomas Westebbe
Peter Bobert
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.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2212976A1 publication Critical patent/EP2212976A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2212976B1 publication Critical patent/EP2212976B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/14—Means structurally associated with spark gap for protecting it against overload or for disconnecting it in case of failure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T1/00—Details of spark gaps
    • H01T1/02—Means for extinguishing arc

Definitions

  • the invention relates to a surge arrester with thermal overload protection and its use and a method for protecting a surge arrester from thermal overload.
  • An object to be solved is to provide a thermal overload protection for a surge arrester and a method that safely and easily protect the surge arrester from thermal overload. Furthermore, a use must be specified.
  • the surge arrester has at least two electrodes; it can be a two-electrode as well as a three-electrode surge arrester.
  • the surge arrester forms an interior space by means of a tubular insulator, preferably a ceramic cylinder, and external electrodes or external connections arranged at its front ends.
  • the at least two electrodes are soldered or welded to the external terminals and are typically opposite to each other as pin electrodes or as a tube electrode and Pen electrode, which projects into the tube electrode is formed.
  • the interior of the surge arrester is gas-tight against the environment and contains a gas.
  • Surge arresters are used in particular to short-circuit high pulse-shaped voltages of a few kV and currents of a few kA in a very short time or to discharge them to ground.
  • a prolonged load in the event of a fault for example when a mains current is short-circuited via power supply network or via a telecommunication network or a voltage arrester (power cross), can lead to an inadmissibly high heating of the surge arrester, which possibly leads to a fire.
  • a surge arrester is thermally stressed under a load with direct or alternating voltages or with direct or alternating currents. This case can sometimes also occur in lightning protection applications.
  • Surge arresters in the field of network protection for example in the power supply of buildings, serve to protect the network against lightning impulse currents and against overvoltages.
  • arcing occurs when a certain threshold voltage is exceeded.
  • the arc is maintained by the feeding current as long as the electrical conditions for the arc are met.
  • the arc creates a thermal load on the surge arrester that must not exceed specified values for the surge arrester and its installation environment. Inadmissibly high temperatures may cause the surge arrester to catch fire.
  • One of the at least two electrodes of the surge arrester is normally connected to the associated external terminal of the surge arrester by means of a fusible element under normal operating conditions.
  • the fusible element establishes an electrical contact and mechanically connects the electrode to the external connection.
  • the surge arrester further includes an extinguishing device arranged to extinguish an arc.
  • the arc either burns when the surge arrester responds between the two electrodes, or develops between the one electrode and the outer terminal when the fuse contacts and melts.
  • the extinguishing device is triggered by the melting of the fusible element at too high a thermal load.
  • the extinction of the arc is accomplished by extending the distance that the arc can travel or travel from one electrode to the other electrode or to the outer electrode of the surge arrester.
  • the electrical circuit that is closed in the arc flashover between the electrodes of the surge arrester and the voltage or current source connected to the external electrodes is separated. As a result, a circuit is interrupted, so that no further thermal load occurs.
  • the surge arrester with extinguishing device is set up so that the external integrity of the surge arrester is maintained even when the extinguishing device is triggered.
  • External integrity means that the housing assembly of the surge arrester remains intact and no Parts that could cause damage outside the surge arrester are detached or blown off.
  • the extinguishing device is preferably arranged completely inside the housing of the surge arrester.
  • the extinguishing of the arc prevents overheating of the overvoltage arrester due to thermal overload and causes the surge arrester to catch fire. At the same time, it is possible that an arc-extinguishing gas or medium from the outer region of the surge arrester flows into the interior of the surge arrester or in the vicinity of the extinguishing device and an arc generated by the separation process is deleted.
  • the melting element has the properties of a low-melting solder.
  • a soft solder or a braze can be used. This ensures that, in the event of a thermal load on the surge arrester, the solder of the melting element is first melted before the remaining elements of the surge arrester can be damaged. The melting solder triggers the extinguishing device and an existing or resulting from the melting arc is deleted.
  • the fusible element is configured to melt upon inadmissible heating and to cause the erasing device to move the one electrode to a position farther from the other electrode of the surge arrester, or to increase the distance formed therebetween.
  • This embodiment makes it possible, by the movement of the one electrode not only to ensure an extension of the distance between these two elements with respect to the other electrode, but also to move out the one electrode from the interior of the surge arrester so that it is safely inoperative. This achieves a particularly efficient protection against thermal overloading of the surge arrester and the device protected by it.
  • the fusible element is configured to melt when heated and to cause the erasing device to move an insulating member between the outer terminal and the one electrode.
  • the one electrode is formed in several parts and contains, in addition to the main electrode of the actual surge arrester, an auxiliary electrode with which the electrode is fixed in the surge arrester.
  • the electrode has a pin pointing away from the interior of the surge arrester, which pin is electrically connected to the outer electrode by means of the fuse element.
  • the fusible element is formed so that a gap is formed between the outer electrode and the one electrode connected thereto. In the case of an inadmissible heating of the surge arrester and a melting of the fusible element, an insulation element is moved in this gap, so that the connection between the external connection and the one electrode is separated and interrupted.
  • the extinguishing device has a spring with which the movements required for the insulation are implemented.
  • the spring has the advantage that on the one hand the melting element mechanically biased and upon release of the fusible element by a relaxation of the spring an efficient movement of the leading electrode or the insulating element is performed to perform the insulation.
  • the spring is provided as a compression spring or as a tension spring.
  • a compression spring has the particular advantage that the spring support can be easily performed.
  • the extinguishing device is arranged in a space separated from the electrode of the surge arrester not connected to the fusible element.
  • This embodiment makes it possible on the one hand optimally optimize the interior of the actual surge arrester formed by the electrodes and the insulator to the specifications of the surge arrester.
  • the separated space accommodating the extinguishing device can be optimally designed for the function to be performed by the extinguishing device.
  • the separated space may contain a gas or a medium, which helps in triggering the melting element or the use of the extinguishing device to extinguish the resulting arc as efficiently as possible.
  • the spring is particularly preferably designed as a compression spring, which is biased in the normal state, ie without response of the fusible element between the outer terminal and the one electrode. This makes it possible that when melting the fusible element, the spring relaxes and pulls the electrode from the interior of the surge arrester by this movement and separates from the outer terminal.
  • the shape of the insulating element is adapted to the shape of the electrode.
  • the insulating member preferably has the shape of a pot, the walls of which move between the pin electrode and the outer terminal and presses against the bottom of the compression spring.
  • an embodiment of the spring is provided as a tension spring.
  • molten melting element With molten melting element, it is possible to actuate a contact element upon reaching the end position after the movement of the one electrode. By the spring and the contact element, an electrical contact is closed and generates an electrical signal. This electrical signal can be used for further processing, be used for example to display the functional state of the surge arrester.
  • the surge arrester can be used in a device which places high demands both on proper functioning and against thermal and other stresses.
  • a power supply network e.g. in a building
  • a telecommunications device or a telecommunications network which can be efficiently protected against lightning and other overvoltages by the surge arrester.
  • the surge arrester is not limited in its use and can also be used in any other electrical circuit in which high voltages must be dissipated by means of a surge arrester.
  • a method for protecting a surge arrester as described above from thermal overload the following steps are provided. If the surge arrester heats up excessively, the surge arrester heats up on the melting element, which is designed so that it melts when the thermal load is unduly high, before other parts of the surge arrester can catch fire. As a result of the melting of the fusible element, in a next step, an extinguishing device is triggered, which extends a path extending from one electrode of the surge arrester to the other electrode of the surge arrester or to the outer electrode. The extension of the route is effected in that in a preferred method step, the electrode is moved away from the other electrode and is further away in its end position. there the external integrity of the surge arrester is maintained.
  • an insulating element is moved into a space between the one electrode and the outer electrode with the aid of the extinguishing device.
  • the one space is formed by melting of the fusible element and released for the movement of the insulating element.
  • a contact element upon melting of the fusible element with the aid of the extinguishing device, a contact element is activated which generates an electrical signal and forwards it to a display or control device.
  • FIG. 1 schematically shows a first embodiment of a surge arrester.
  • FIG. 1a shows the normal state and
  • FIG. 1b the state after triggering the extinguishing device.
  • the surge arrester has an interior 10 as a discharge space, which is formed by a tubular insulator 11 and two outer electrodes 12 and 13 integrally formed on the outer sides of the insulator.
  • the interior of the surge arrester includes a tubular electrode 14 which is connected to the outer electrode 13 and a pin electrode 15 projecting into the tubular electrode 14, which is connected to the outer electrode 12.
  • the outer electrode 12 is formed cup-shaped and protrudes with its cup into the interior 10 of the surge arrester.
  • the cup bottom contains a hole 16 through which the inner electrode 15 is guided. Outside the inner space 10, the electrode 15 has a head 17 whose outer diameter is greater than the inner diameter of the hole 16.
  • the electrode 15 with head 17 is connected to the outer terminal 12 by means of a fusible element 18.
  • the melting element 18 is preferably designed as a soft solder or brazing alloy, so that in the normal state shown there is a good electrically conductive connection between the electrode 15 and the outer electrode 12.
  • the fusible element is designed such that it covers the bottom of the cup and optionally enters into the hole 16 of the outer electrode 12.
  • the the Interior 10 facing side of the head 17 of the electrode 15 is full on the cup bottom, so that the electrode 15 is guided exactly in the interior.
  • the head 17 has on the side facing away from the interior 10 of the electrode 15, a pin 19, on which a receptacle 20 is screwed. Between the receptacle 20 and the outer electrode 12, a compression spring 21 is arranged, which is supported against both the electrode 12 and the receptacle 20.
  • the receptacle 20 is guided in a tube 24 which is closed on the one hand by the electrode 12 and on the other hand by a connection 22.
  • the terminal 22 is also cup-shaped and protrudes with its cup bottom in the interior 23 inside.
  • the pin 19 of the electrode 15, the receptacle 20 and the compression spring 21 form the extinguishing device in connection with the melting element.
  • FIG. 1b the surge arrester is shown after tripping the melter. It can be seen that the melting element 18 has melted and the electrode 15 has been moved out of the interior 10 of the surge arrester by the force of the spring 21. As a result of the melting of the melting element 18, the compression spring 21 is in accordance with the pretensioned position FIG. 1a in a relaxed position according to FIG. 1b passed. The movement of the electrode 15 out of the interior 10 of the surge arrester is captured by the terminal 22, which forms a contact or closes in conjunction with the spring and the outer electrode. The distance formed between the two electrodes of the surge arrester or their spacing is thus extended so that the arc formed is extinguished.
  • the extinguishing device it is not necessary for the extinguishing device to be guided in a separate outer space 23, as long as constructive measures are taken to ensure that, when the extinguishing device is triggered, the external integrity of the surge arrester is maintained and no parts are removed.
  • the device of the cylindrical tube 24 and the terminal 22 is useful, however, because on the one hand uncontrolled movement of the electrode 15 is avoided from the surge arrester out.
  • a surge arrester by means of an insulating tube 11, preferably made of ceramic or plastic, and an outer electrode 13 is formed.
  • the outer electrode carries in the interior 10 of the surge arrester, an electrode 14 which is tubular in the embodiment, but may also be pin-shaped.
  • the counter electrode 30 to the electrode 14 is constructed in several parts. It contains in the interior of the surge arrester the pin electrode 31, which projects into the tube electrode 14. Alternatively, the two electrodes 14 and 31 may be implemented as opposed pin electrodes.
  • the interior 10 of the surge arrester is closed by an auxiliary electrode 32, which is cup-shaped and the cup bottom protrudes into the interior 10 and the pin electrode 31 carries.
  • the pin electrode 31 is soldered or welded to the center electrode 32, for example.
  • the electrode 30 On the side facing away from the interior 10, the electrode 30 has a pin 33 with a head 34.
  • the head 34 is adapted to fit within the cup of the center electrode 32 and be soldered or welded thereto.
  • the pin 33 or the electrode member 33 formed as a pin electrode is surrounded by an insulating tube 35 which is arranged between the center electrode 32 and an outer electrode 36 of the surge arrester.
  • the outer electrode 36 is shaped so that on the one hand enables a tight connection with the insulating tube 35 and on the other hand has a central hole 37 whose diameter is greater than the diameter of the pin 33 of the electrode 30.
  • the insulating tube 35 preferably has the same outer and inner diameter as the insulating tube 11 of the actual discharge path of the surge arrester. However, it is not necessary that the insulating tube 35 must be made of the same material as the insulating tube 11. However, the insulation tube 35 is preferably also a ceramic tube.
  • the outer electrode 36 On the side facing away from the insulating tube 35, the outer electrode 36 has an edge 38, are formed by the two paragraphs of the outer electrode 36.
  • the outer shoulder allows the attachment of a housing part 39, which is provided as a holding device for the spring of the extinguishing device. In a tension spring, the housing part 39 may also be omitted.
  • the interior of the facing paragraph of the outer electrode 36 receives a solder pad 40.
  • the Surface of this paragraph is aligned with the bottom of the pin 33, which is opposite to the head 34.
  • the solder disk 40 is designed so that it connects the shoulder of the outer electrode 36 with the pin 33 of the one electrode 30 electrically good.
  • the pot 41 has an edge thickness which is at most equal to the difference of the outer diameter of the pin 33 to the inner diameter of the outer electrode 36 may be.
  • a compression spring 42 is tensioned, which biases the insulating element 41 against the fusible element 40 in the normal state shown.
  • the insulation pot 41 has an extension 43, which does not extend over the entire edge of the pot, and which extends through the melting element 40 into the space 37 between the outer electrode and the inner electrode 30.
  • This extension allows, in the case of melting of the fusible element, that the insulating element 41 is guided on the pin 33 and can not tilt.
  • the insulating element 41 is pushed in the tripped state of the fusible element by means of the relaxing spring 42 via the pin 33 of the one electrode of the surge arrester or in the hole of the outer electrode.
  • the available for an arc free path between the outer electrode 36 is extended by the one electrode of the surge arrester.
  • the interior space 10 of the surge arrester is completely retained.
  • a resulting from the separation of the one electrode 30 and the outer terminal 36 arc is deleted on the one hand by the long isolation paths of the insulating element 41.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit thermischem Überlastschutz sowie dessen Verwendung und ein Verfahren zum Schutz eines Überspannungsableiters vor thermischer Überlastung.
  • Aus der DE 102005036265 A1 ist ein Überspannungsableiter bekannt.
  • Die Druckschrift US 5,198,791 A beschreibt eine Überspannungsschutzvorrichtung, die ein Überspannungsschutzelement mit zwei Elektroden aufweist, das über Zuleitungsdrähte, Schmelzelemente und eine Feder mit Außenanschlüssen verbunden ist. Beim Auslösen der Vorrichtung schmilzt eines der Schmelzelemente und die Feder zieht sich in Richtung eines der Außenanschlüsse zusammen, wodurch das Überspannungsschutzelement vom Stromkreis getrennt wird.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen thermischen Überlastschutz für einen Überspannungsableiter und ein Verfahren anzugeben, die den Überspannungsableiter sicher und einfach vor thermischer Überlast schützen. Weiterhin ist eine Verwendung anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird bei dem Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, bei der Verwendung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 und bei dem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
  • Der Überspannungsableiter weist wenigstens zwei Elektroden auf; es kann sich sowohl um einen Zweielektroden- als um einen Dreielektroden-Überspannungsableiter handeln. Der Überspannungsableiter bildet mittels eines rohrförmigen Isolators, vorzugsweise eines Keramikzylinders, sowie an dessen stirnseitigen Enden angeordneten Außenelektroden bzw. Außenanschlüsse einen Innenraum. In dem Innenraum sind die wenigstens zwei Elektroden mit den Außenanschlüssen verlötet oder verschweißt und stehen sich typischerweise als Stiftelektroden gegenüber oder sind als Rohrelektrode und Stiftelektrode, die in die Rohrelektrode ragt, ausgebildet. Der Innenraum des Überspannungsableiters ist gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen und enthält ein Gas.
  • Überspannungsableiter dienen insbesondere dazu, hohe pulsförmige Spannungen von einigen kV und Ströme von einigen kA in sehr kurzer Zeit kurzzuschließen beziehungsweise zur Erde abzuleiten. Eine im Fehlerfall länger andauernde Belastung, zum Beispiel wenn ein Netzstrom über Stromversorgungsnetz oder über ein Telekommunikationsnetzwerk beziehungsweise einen Spannungsableiter kurzgeschlossen ist (Power Cross), kann es zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsableiters kommen, was möglicherweise zu einem Brand führt. Andererseits wird ein Überspannungsableiter bei einer Beanspruchung mit Gleich- oder Wechselspannungen bzw. mit Gleich- oder Wechselströmen thermisch belastet. Dieser Fall kann zeitweise auch bei Blitzschutzanwendungen auftreten. Überspannungsableiter im Bereich des Netzschutzes, beispielsweise in der Stromversorgung von Gebäuden, dienen zum Schutz des Netzes vor Blitzstoßströmen und vor Überspannungen.
  • Im Inneren des Überspannungsableiters kommt es bei Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung zu einem Lichtbogenüberschlag. Der Lichtbogen wird durch den speisenden Strom aufrecht erhalten, solange die elektrischen Bedingungen für den Lichtbogen gegeben sind. Der Lichtbogen erzeugt eine thermische Belastung des Überspannungsableiters, die für den Überspannungsableiter und für seine Einbauumgebung spezifizierte Werte nicht überschreiten darf. Durch unzulässig hohe Erwärmung besteht die Gefahr, dass der Überspannungsableiter in Brand gerät.
  • Eine der wenigstens zwei Elektroden des Überspannungsableiters ist im Normalfall und unter normalen Betriebsbedingungen mit Hilfe eines Schmelzelements mit dem zugehörigen Außenanschluss des Überspannungsableiters verbunden. Das Schmelzelement stellt einen elektrischen Kontakt her und verbindet die Elektrode mit dem Außenanschluss mechanisch.
  • Der Überspannungsableiter enthält weiter eine Löschvorrichtung, die eingerichtet ist, um einen Lichtbogen zu löschen. Der Lichtbogen brennt entweder bei einem Ansprechen des Überspannungsableiters zwischen den beiden Elektroden oder entsteht zwischen der einen Elektrode und dem Außenanschluss, wenn das Schmelzelement anspricht und schmilzt. Die Löschvorrichtung wird durch das Aufschmelzen des Schmelzelements bei zu hoher thermischer Belastung ausgelöst. Die Löschung des Lichtbogens erfolgt, indem die Wegstrecke, die der Lichtbogen von der einen Elektrode zu der anderen Elektrode oder zu der Außenelektrode des Überspannungsableiters zurücklegt oder zurücklegen kann, verlängert wird. Durch die Löschung des Lichtbogens wird der elektrische Kreis, der bei dem Lichtbogenüberschlag zwischen den Elektroden des Überspannungsableiters und der an die Außenelektroden angeschlossenen Spannungs- oder Stromquelle geschlossen ist, getrennt. Dadurch wird ein Stromkreis unterbrochen, so dass keine weitere thermische Belastung erfolgt.
  • Der Überspannungsableiter mit Löscheinrichtung ist so eingerichtet, dass auch bei ausgelöster Löscheinrichtung die äußere Integrität des Überspannungsableiters erhalten ist. Äußere Integrität bedeutet, dass die Gehäuseanordnung des Überspannungsableiters unversehrt erhalten bleibt und keine Teile abgelöst oder abgesprengt werden, die außerhalb des Überspannungsableiters Schaden anrichten könnten. Die Löschvorrichtung ist vorzugsweise vollständig im Innern des Gehäuses des Überspannungsableiters angeordnet.
  • Durch die Löschung des Lichtbogens wird verhindert, dass es durch eine thermische Überlastung zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsableiters kommt und der Überspannungsableiter in Brand gerät. Gleichzeitig ist es möglich, dass ein den Lichtbogen löschendes Gas oder Medium aus dem Außenbereich des Überspannungsableiters in den Innenraum des Überspannungsableiters oder in die Umgebung der Löschvorrichtung einströmt und ein durch den Trennvorgang erzeugter Lichtbogen gelöscht wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Schmelzelement die Eigenschaften eines niedrig schmelzenden Lotes auf. Als Alternativen sind ein Weichlot oder ein Hartlot einsetzbar. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einer thermischen Belastung des Überspannungsableiters zunächst das Lot des Schmelzelements aufgeschmolzen wird, bevor die übrigen Elemente des Überspannungsableiters Schaden nehmen können. Das aufschmelzende Lot löst die Löschvorrichtung aus und ein bereits bestehender oder durch den Schmelzvorgang entstehender Lichtbogen wird gelöscht.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schmelzelement ausgebildet, um bei einer unzulässigen Erwärmung zu schmelzen und die Löschvorrichtung zu veranlassen, die eine Elektrode in eine von der anderen Elektrode des Überspannungsableiters weiter entfernte Position zu bewegen bzw. den dazwischen gebildeten Abstand zu vergrößern. Diese Ausführungsform ermöglicht es, durch die Bewegung der einen Elektrode gegenüber der anderen Elektrode nicht nur für eine Verlängerung des Abstands zwischen diesen beiden Elementen zu sorgen, sondern die eine Elektrode auch aus dem Innenraum des Überspannungsableiters so weit herauszubewegen, dass dieser sicher funktionsunfähig wird. Dadurch wird ein besonders effizienter Schutz gegen thermische Überlastung des Überspannungsableiters und der durch sie geschützten Einrichtung erreicht.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Schmelzelement ausgebildet, um bei Erwärmung zu schmelzen und die Löschvorrichtung zu veranlassen, ein Isolationselement zwischen den Außenanschluss und die eine Elektrode zu bewegen. Bevorzugt ist die eine Elektrode mehrteilig ausgebildet und enthält neben der Hauptelektrode des eigentlichen Überspannungsableiters eine Hilfselektrode, mit der die Elektrode in dem Überspannungsableiter fixiert wird. Ferner weist die Elektrode einen von dem Innenraum des Überspannungsableiters wegweisenden Stift bzw. Zapfen auf, der mit der Außenelektrode mittels des Schmelzelements elektrisch verbunden ist. Das Schmelzelement ist so ausgebildet, dass zwischen der Außenelektrode und der damit verbundenen einen Elektrode ein Spalt gebildet ist. In diesem Spalt wird bei unzulässiger Erwärmung des Überspannungsableiters und bei einem Aufschmelzen des Schmelzelements ein Isolationselement bewegt, sodass die Verbindung zwischen dem Außenanschluss und der einen Elektrode aufgetrennt und unterbrochen ist.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Löschvorrichtung eine Feder auf, mit der die für die Isolation erforderlichen Bewegungen umgesetzt werden. Die Feder hat den Vorzug, dass sie einerseits das Schmelzelement mechanisch vorspannt und bei einem Auslösen des Schmelzelements durch eine Entspannung der Feder eine effiziente Bewegung der zu führenden Elektrode beziehungsweise des Isolationselements ausgeführt wird, um die Isolation durchzuführen. Je nach Gestaltung ist die Feder als Druckfeder oder als Zugfeder vorgesehen. Eine Druckfeder hat jedoch den besonderen Vorteil, dass die Federabstützung einfach ausgeführt sein kann.
  • In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Löschvorrichtung in einem von der nicht mit dem Schmelzelement verbundenen Elektrode des Überspannungsableiters abgetrennten Raum angeordnet. Diese Ausführungsform ermöglicht es, einerseits den durch die Elektroden und den Isolator gebildeten Innenraum des eigentlichen Überspannungsableiters optimal auf die Spezifikationen des Überspannungsableiters hin zu optimieren. Andererseits kann der abgetrennte Raum, der die Löschvorrichtung aufnimmt, optimal auf die von der Löschvorrichtung zu erfüllende Funktion hin ausgelegt sein. Beispielsweise ist es möglich, Materialien für den abgetrennten Raum und die Löschvorrichtung zu verwenden, die einem bei dem Trennvorgang entstehenden Lichtbogen beziehungsweise dem Lichtbogen bei dem Vorgang der Verlängerung des Elektrodenabstands widerstehen können, ohne in Brand zu geraten. Weiterhin kann der abgetrennte Raum ein Gas oder ein Medium enthalten, das bei Auslösen des Schmelzelements beziehungsweise dem Einsatz der Löschvorrichtung hilft, den entstehenden Lichtbogen möglichst effizient zu löschen.
  • In einer Ausführungsform, bei dem die eine Elektrode des Überspannungsableiters mittels der Löschvorrichtung von der anderen Elektrode entfernt wird, ist die Feder besonders bevorzugt als Druckfeder ausgebildet, die im Normalzustand, also ohne Ansprechen des Schmelzelements, zwischen dem Außenanschluss und der einen Elektrode vorgespannt ist. Dadurch wird es möglich, dass sich bei Aufschmelzen des Schmelzelements die Feder entspannt und durch diese Bewegung die Elektrode aus dem Innenraum des Überspannungsableiters herauszieht und von dem Außenanschluss trennt.
  • In einer Ausführungsform, bei der im Auslösefall des Schmelzelements ein Isolationselement zwischen die eine Elektrode und den Außenanschluss bewegt wird, ist es besonders vorteilhaft, an der Außenelektrode eine Abstützung für eine Druckfeder so vorzusehen, dass die Druckfeder im Auslösefall des Schmelzelements entspannt und das Isolationselement zwischen die eine Elektrode und den Außenanschluss bewegt. In diesem Fall ist die Form des Isolationselements an die Form der Elektrode angepasst. Bei einer Stiftelektrode hat das Isolationselement bevorzugt die Form eines Topfes, dessen Wände sich zwischen die Stiftelektrode und den Außenanschluss bewegen und gegen dessen Boden die Druckfeder drückt.
  • In abgewandelten Ausführungsformen ist eine Ausführung der Feder als Zugfeder vorgesehen.
  • Bei geschmolzenem Schmelzelement ist es möglich, mit Erreichen der Endposition nach der Bewegung der einen Elektrode ein Kontaktelement zu betätigen. Durch die Feder und das Kontaktelement wird ein elektrischer Kontakt geschlossen und ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses elektrische Signal kann zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise zur Anzeige des Funktionszustands des Überspannungsableiters genutzt werden.
  • Mit besonderem Vorteil lässt sich der Überspannungsableiter in einer Einrichtung einsetzen, die hohe Ansprüche sowohl an eine einwandfreie Funktion als auch gegenüber thermischen und sonstigen Belastungen stellt. Dazu gehören beispielsweise ein Stromversorgungsnetz, z.B. in einem Gebäude, oder eine Telekommunikationseinrichtung oder ein Telekommunikationsnetzwerk, die mit dem Überspannungsableiter effizient gegen Blitz und sonstige Überspannungen geschützt werden können. Der Überspannungsableiter ist in seiner Verwendung nicht eingeschränkt und kann auch in jeder anderen elektrischen Schaltung verwendet werden, in der hohe Spannungen mittels eines Überspannungsableiters abgeführt werden müssen.
  • Bei einem Verfahren zum Schutz eines wie zuvor beschriebenen Überspannungsableiters vor thermischer Überlast sind die folgenden Schritte vorgesehen. Bei einer unzulässig starken Erwärmung des Überspannungsableiters erwärmt sich der Überspannungsableiter an dem Schmelzelement, das so ausgelegt ist, dass es bei unzulässig starker thermischer Belastung schmilzt, bevor andere Teile des Überspannungsableiters in Brand geraten können. Durch das Schmelzen des Schmelzelements wird in einem nächsten Schritt eine Löschvorrichtung ausgelöst, die eine von der einen Elektrode des Überspannungsableiters ausgehende Strecke zu der anderen Elektrode des Überspannungsableiters oder zu der Außenelektrode verlängert. Die Verlängerung der Strecke erfolgt dadurch, dass bei einem bevorzugten Verfahrensschritt die Elektrode von der anderen Elektrode fortbewegt wird und in ihrer Endposition weiter von dieser entfernt ist. Dabei wird die äußere Integrität des Überspannungsableiters erhalten.
  • In einem anderen bevorzugten Verfahrensschritt wird mit Hilfe der Löschvorrichtung ein Isolationselement in einen Raum zwischen der einen Elektrode und der Außenelektrode bewegt. Der eine Raum wird durch Aufschmelzen des Schmelzelements gebildet und für die Bewegung des Isolationselements freigegeben.
  • In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird beim Schmelzen des Schmelzelements mit Hilfe der Löschvorrichtung ein Kontaktelement aktiviert, das ein elektrisches Signal erzeugt und zu einer Anzeige- oder Steuereinrichtung weiterleitet.
  • Die Anordnung und das Verfahren werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen und rein schematisch zur Erläuterung der Elemente und des Verfahrens dargestellt. Gleiche Elemente oder Elemente mit gleicher Funktion sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    einen Überspannungsableiter gemäß einer ersten Ausführungsform im Normalzustand und nach einer Auslösung der Löschvorrichtung,
    Figur 2
    einen Überspannungsableiter gemäß einer zweiten Ausführungsform im Normalzustand und nach einer Auslösung der Löschvorrichtung.
  • Figur 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Überspannungsableiters. Figur 1a zeigt den Normalzustand und Figur 1b den Zustand nach Auslösung der Löschvorrichtung.
  • Gemäß Figur 1a weist der Überspannungsableiter einen Innenraum 10 als Entladeraum auf, der durch einen rohrförmigen Isolator 11 und zwei an den Außenseiten des Isolators angeformte Außenelektroden 12 und 13 gebildet wird. Als Ableiterstrecke enthält der Innenraum des Überspannungsableiters eine rohrförmige Elektrode 14, die mit der Außenelektrode 13 verbunden ist und eine in die rohrförmige Elektrode 14 hineinragende Stiftelektrode 15, die mit der Außenelektrode 12 verbunden ist.
  • Die Außenelektrode 12 ist napfförmig gebildet und ragt mit ihrem Napf in den Innenraum 10 des Überspannungsableiters hinein. Der Napfboden enthält ein Loch 16, durch das die Innenelektrode 15 geführt ist. Außerhalb des Innenraums 10 weist die Elektrode 15 einen Kopf 17 auf, dessen Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser des Lochs 16 ist. Die Elektrode 15 mit Kopf 17 ist mit dem Außenanschluss 12 mit Hilfe eines Schmelzelements 18 verbunden.
  • Das Schmelzelement 18 ist vorzugsweise als Weichlot oder Hartlot ausgebildet, sodass im gezeigten Normalzustand eine gute elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrode 15 und der Außenelektrode 12 besteht. Das Schmelzelement ist so ausgebildet, dass es den Napfboden abdeckt und gegebenenfalls in das Loch 16 der Außenelektrode 12 hineingeht. Die dem Innenraum 10 zugewandte Seite des Kopfes 17 der Elektrode 15 liegt satt auf dem Napfboden an, sodass die Elektrode 15 in dem Innenraum exakt geführt wird.
  • Der Kopf 17 weist auf der dem Innenraum 10 abgewandten Seite der Elektrode 15 einen Zapfen 19 auf, auf den eine Aufnahme 20 aufgeschraubt ist. Zwischen der Aufnahme 20 und der Außenelektrode 12 ist eine Druckfeder 21 angeordnet, die sich sowohl gegen die Elektrode 12 als auch die Aufnahme 20 abstützt. Im Ausführungsbeispiel wird die Aufnahme 20 in einem Rohr 24 geführt, das einerseits durch die Elektrode 12 und andererseits durch einen Anschluss 22 verschlossen ist. Der Anschluss 22 ist ebenfalls napfförmig ausgebildet und ragt mit seinem Napfboden in den Innenraum 23 hinein. Der Zapfen 19 der Elektrode 15, die Aufnahme 20 und die Druckfeder 21 bilden in Verbindung mit dem Schmelzelement die Löschvorrichtung.
  • Gemäß Figur 1b ist der Überspannungsableiter nach Auslösen der Schmelzvorrichtung gezeigt. Dabei wird erkennbar, dass das Schmelzelement 18 aufgeschmolzen ist und die Elektrode 15 aus dem Innenraum 10 des Überspannungsableiters durch die Kraft der Feder 21 herausbewegt worden ist. Durch das Aufschmelzen des Schmelzelements 18 ist die Druckfeder 21 aus der vorgespannten Lage gemäß Figur 1a in eine entspannte Lage gemäß Figur 1b übergegangen. Aufgefangen wird die Bewegung der Elektrode 15 aus dem Innenraum 10 des Überspannungsableiters heraus durch den Anschluss 22, der in Verbindung mit der Feder und der Außenelektrode einen Kontakt bildet bzw. schließt. Die zwischen den beiden Elektroden des Überspannungsableiters gebildete Strecke bzw. ihr Abstand ist somit so verlängert, dass der gebildete Lichtbogen gelöscht ist.
  • Grundsätzlich ist es nicht notwendig, dass die Löschvorrichtung in einem separaten Außenraum 23 geführt wird, solange durch konstruktive Maßnahmen dafür gesorgt ist, dass bei Auslösen der Löschvorrichtung die äußere Integrität des Überspannungsableiters erhalten bleibt und keine Teile abgelöst werden. Die Vorrichtung aus dem zylindrischen Rohr 24 und dem Anschluss 22 ist jedoch zweckmäßig, weil dadurch einerseits eine unkontrollierte Bewegung der Elektrode 15 aus dem Überspannungsableiter heraus vermieden wird. Andererseits ist es möglich, den Innenraum 23 mit einem Gas oder einem Medium zu füllen, das bei einer Bewegung der Elektrode 15 in den Raum 23 hinein durch die entstehende Öffnung 16 in den Innenraum des Überspannungsableiters 10 strömt und hilft, einen Lichtbogen zwischen der Elektrode 15 und der Elektrode 14 zu löschen.
  • Gemäß Figur 2a ist wie zuvor ein Überspannungsableiter mittels eines Isolationsrohrs 11, vorzugsweise aus Keramik oder Kunststoff, und einer Außenelektrode 13 gebildet. Die Außenelektrode trägt im Innenraum 10 des Überspannungsableiters eine Elektrode 14, die im Ausführungsbeispiel rohrförmig ist, aber auch stiftförmig sein kann. Die Gegenelektrode 30 zur Elektrode 14 ist mehrteilig aufgebaut. Sie enthält im Innenraum des Überspannungsableiters die Stiftelektrode 31, die in die Rohrelektrode 14 hineinragt. Alternativ können die beiden Elektroden 14 und 31 als gegenüberstehende Stiftelektroden ausgeführt sein.
  • Der Innenraum 10 des Überspannungsableiters wird durch eine Hilfselektrode 32 abgeschlossen, die napfförmig ausgebildet ist und deren Napfboden in den Innenraum 10 hineinragt und die Stiftelektrode 31 trägt. Die Stiftelektrode 31 ist beispielsweise mit der Mittelelektrode 32 verlötet oder verschweißt. Auf der dem Innenraum 10 abgewandten Seite weist die Elektrode 30 einen Zapfen 33 mit einem Kopf 34 auf. Der Kopf 34 ist so angepasst, dass er in den Napf der Mittelelektrode 32 passt und mit dieser verlötet oder verschweißt ist. Der Zapfen 33 beziehungsweise der als Stiftelektrode ausgebildete Elektrodenteil 33 ist von einem Isolationsrohr 35 umgeben, das zwischen der Mittelelektrode 32 und einer Außenelektrode 36 des Überspannungsableiters angeordnet ist.
  • Die Außenelektrode 36 ist so geformt, dass sie einerseits einen dichten Anschluss mit dem Isolationsrohr 35 ermöglicht und andererseits ein zentrisches Loch 37 aufweist, dessen Durchmesser größer als der Durchmesser des Zapfens 33 der Elektrode 30 ist. Das Isolationsrohr 35 weist vorzugsweise den gleichen Außen- und Innendurchmesser auf wie das Isolationsrohr 11 der eigentlichen Entladungsstrecke des Überspannungsableiters. Es ist jedoch nicht notwendig, dass das Isolationsrohr 35 aus dem gleichen Material wie das Isolationsrohr 11 bestehen muss. Bevorzugt ist das Isolationsrohr 35 jedoch ebenfalls ein Keramikrohr.
  • Auf der dem Isolationsrohr 35 abgewandten Seite weist die Außenelektrode 36 einen Rand 38 auf, durch den zwei Absätze der Außenelektrode 36 gebildet werden. Der Außenabsatz ermöglicht die Befestigung eines Gehäuseteils 39, das als Haltevorrichtung für die Feder der Löschvorrichtung vorgesehen ist. Bei einer Zugfeder kann der Gehäuseteil 39 auch entfallen. Der dem Innenraum zugewandte Absatz der Außenelektrode 36 nimmt eine Lotscheibe 40 auf. Die Oberfläche dieses Absatzes fluchtet mit dem Boden des Zapfens 33, der dem Kopf 34 gegenüberliegt.
  • Die Lotscheibe 40 ist so ausgeführt, dass sie den Absatz der Außenelektrode 36 mit dem Zapfen 33 der einen Elektrode 30 elektrisch gut verbindet. Auf den Raum beziehungsweise Spalt 37, der zwischen der Außenelektrode 36 und dem Zapfen 33 der einen Elektrode gebildet ist, drückt außenseitig ein Isoliertopf 41. Der Topf 41 hat eine Randdicke, die höchstens gleich der Differenz des Außendurchmessers des Zapfens 33 zu dem Innendurchmesser der Außenelektrode 36 sein darf. Zwischen den Boden des Isoliertopfes 41 und das Außengehäuse 39 ist eine Druckfeder 42 gespannt, die im gezeigten Normalzustand das Isolationselement 41 gegen das Schmelzelement 40 vorspannt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Isolationstopf 41 eine sich nicht über den ganzen Rand des Topfes erstreckende Verlängerung 43 auf, die durch das Schmelzelement 40 hindurch in den Raum 37 zwischen Außenelektrode und Innenelektrode 30 zeigt. Diese Verlängerung ermöglicht es im Fall des Schmelzens des Schmelzelements, dass das Isolationselement 41 auf dem Zapfen 33 geführt ist und nicht verkanten kann.
  • Gemäß Figur 2b ist das Isolationselement 41 im ausgelösten Zustand des Schmelzelements mit Hilfe der sich entspannenden Feder 42 über den Zapfen 33 der einen Elektrode des Überspannungsableiters beziehungsweise in das Loch der Außenelektrode geschoben. Dadurch wird die für einen Lichtbogen verfügbare freie Wegstrecke zwischen der Außenelektrode 36 von der einen Elektrode des Überspannungsableiters verlängert. In dieser Ausführungsform bleibt auch bei Auslösen des Schmelzelements der Innenraum 10 des Überspannungsableiters vollständig erhalten.
  • Ein durch das Trennen der einen Elektrode 30 und des Außenanschlusses 36 entstehender Lichtbogen wird einerseits durch die langen Isolationswege des Isolationselementes 41 gelöscht. Es ist jedoch auch möglich, den zwischen dem Isolationsrohr 35 und dem Zapfen 33 der einen Elektrode gebildeten Innenraum mit einem Gas oder einem Material zu füllen, das bei einem Lichtbogen die Löschung des Lichtbogens unterstützt.
  • Die Beschreibung der angegebenen Gegenstände und Verfahren ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen, soweit technisch sinnvoll, beliebig miteinander kombiniert werden. So können der beschriebene Gegenstand und das Verfahren z.B. auch mit einer Rohrelektrode anstatt einer Stiftelektrode realisiert werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Innenraum
    11
    Isolationsrohr
    12, 13, 36
    Außenanschluss
    14, 15, 30
    Elektroden des Überspannungsableiters
    16, 37
    Loch einer Außenelektrode
    17
    Kopf einer Elektrode
    18, 40
    Schmelzelement
    19, 33
    Außenzapfen einer Elektrode des Überspannungsableiters
    20
    Aufnahme
    21, 42
    Druckfeder
    22
    Anschluss der Löschvorrichtung
    23
    Innenraum der Löschvorrichtung
    24
    rohrförmiger Isolierteil
    31
    Innenelektrode einer Elektrode
    32
    Mittelelektrode einer Elektrode
    33
    Außenzapfen einer Elektrode
    34
    Kopf eines Außenzapfens einer Elektrode
    35
    Isolationskörper
    38
    Rand einer Außenelektrode
    39
    Gehäuse
    41
    Isolationselement
    43
    Verlängerung des Randes des Isolationselements

Claims (15)

  1. Überspannungsableiter mit
    - wenigstens zwei gegeneinander isolierten Elektroden (14, 15; 14, 30), die jeweils mit einem Außenanschluss (12, 13; 13, 36) verbunden sind, mit
    - einem Schmelzelement (18; 40), das eine erste der wenigstens zwei Elektroden (15; 30) mit einem ersten Außenanschluss (12; 36) des Überspannungsableiters verbindet, und mit
    - einer Löschvorrichtung (19, 20, 21; 41, 42), die durch das Schmelzen des Schmelzelements ausgelöst wird und eingerichtet ist, um einen Lichtbogen zu löschen, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der ersten (15) der wenigstens zwei Elektroden ausgehende Strecke zur zweiten (14) der wenigstens zwei Elektroden verlängert wird oder dass mittels eines Isolationselementes (41) eine von der ersten (30) der wenigstens zwei Elektroden ausgehende Strecke zum ersten Außenanschluss (36) verlängert wird.
  2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1,
    bei dem die äußere Integrität des Überspannungsableiters bei ausgelöster Löschvorrichtung erhalten ist.
  3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem mittels der Löschvorrichtung die erste (15; 30) der wenigstens zwei Elektroden in eine von der zweiten (14) der wenigstens zwei Elektroden weiter entfernte Position bewegbar ist.
  4. Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Löschvorrichtung eine Feder (21; 42) aufweist, die sich gegen eine Aufnahme (20) der einen Elektrode (15) abstützt und das Schmelzelement (18) auf Zug beansprucht.
  5. Überspannungsableiter nach Anspruch 4,
    bei dem die Feder als Druckfeder ausgebildet ist, die zwischen dem einem der zwei Außenanschlüsse (18) und der ersten Elektrode (15) vorgespannt ist.
  6. Überspannungsableiter nach Anspruch 1 oder 2,
    bei dem mittels der Löschvorrichtung das Isolationselement (41) in eine Position zwischen dem ersten Außenanschluss (36) und der ersten Elektrode (30) bewegbar ist.
  7. Überspannungsableiter nach Anspruch 6,
    bei dem das Isolationselement topfförmig ausgebildet ist, wobei die Wand mit Hilfe einer Feder (42) zwischen die erste Elektrode (30) und dem ersten Außenanschluss (36) bewegbar ist.
  8. Überspannungsableiter nach Anspruch 7,
    bei dem die Feder (42) sich gegen eine Halterung (39) und das Isolationselement (41) abstützt, wobei das Isolationselement an seinem freien Ende das Schmelzelement (40) auf Druck beansprucht.
  9. Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem bei dem das Schmelzelement ausgebildet ist, um bei Erwärmung zu schmelzen und ein Gas mit Lichtbogen löschenden Eigenschaften freizugeben.
  10. Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei dem die Löschvorrichtung in einem von der zweiten der wenigstens zwei Elektroden abgetrennten Raum (23; 39) angeordnet ist.
  11. Verwendung eines Überspannungsableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Stromversorgungsnetz oder in einer Telekommunikationseinrichtung.
  12. Verfahren zum Schutz eines Überspannungsableiters nach einem der Ansprüche 1 bis 10 vor thermischer Überlastung mit folgenden Schritten:
    - Auslösen der Löschvorrichtung durch Schmelzen des Schmelzelements bei einer thermischen Überlastung,
    - Verlängerung einer Strecke, die von der zweiten der wenigstens zwei Elektroden des Überspannungsableiters zu der ersten der wenigstens zwei Elektroden des Überspannungsableiters gebildet ist, oder Verlängerung einer von der ersten der wenigstens zwei Elektroden ausgehenden Strecke zum ersten Außenanschluss mittels eines Isolationselements,
    - Erhalten der äußeren Integrität des Überspannungsableiters.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    bei dem die Verlängerung der Strecke durch eine Relativbewegung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des Überspannungsableiters erfolgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13,
    bei dem ein Kontaktelement aktiviert wird, das ein elektrisches Signal erzeugt.
  15. Verfahren nach Anspruch 12,
    bei dem die Verlängerung der Strecke durch Bewegung des Isolationselements in einen durch das geschmolzene Schmelzelement frei gegebenen Raum erfolgt.
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