EP2229716B1

EP2229716B1 - Überspannungsableiter mit niedriger ansprechstossspannung

Info

Publication number: EP2229716B1
Application number: EP08868256A
Authority: EP
Inventors: Jürgen Boy; Wolfgang DÄUMER
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2028-12-22
Also published as: JP2011508398A; DE102007063316A1; US20100309598A1; WO2009083239A1; ATE552635T1; KR20100098720A; JP5554721B2; CN101911408B; EP2229716A1; CN101911408A; US8189315B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit niedriger Ansprechstoßspannung sowie dessen Verwendung.
Aus der Druckschrift DE 4330178 B4 ist ein Überspannungsableiter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Im Inneren des Überspannungsableiter kommt es bei Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung, der Zündspannung, zu einem Lichtbogenüberschlag zwischen zwei bzw. den drei Elektroden. Die Grenzspannung wird bei statischer oder stationärer Beanspruchung mit einem Anstieg der Spannung von 100 V/s als Ansprechgleichspannung Uag und bei dynamischer Belastung mit einem Anstieg der Spannung von 1 kV/µs als Ansprechstoßspannung uas bezeichnet. Der Lichtbogen wird durch den speisenden Strom aufrecht erhalten, solange die elektrischen Bedingungen für den Lichtbogen gegeben sind.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Überspannungsableiter anzugeben, der eine niedrige Ansprechstoßspannung aufweist, sowie eine Verwendung dafür.
Diese Aufgabe wird durch einen Überspannungsableiter gemäß Anspruch 1 gelöst.
Des weiteren wird die Aufgabe gemäß einer Verwendung nach Anspruch 12 gelöst.
Der Überspannungsableiter weist einen Innenraum auf, der mittels wenigstens eines Isolierkörpers, einer Mittelelektrode und zweier Seitenelektroden gebildet ist. Bei dem Überspannungsableiter handelt es sich um einen Dreielektrodenüberspannungsableiter. Die Elektroden des Überspannungsableiters sind insbesondere mittels wenigstens eines rohrförmigen Isolierkörpers, vorzugsweise wenigstens eines Keramikzylinders, zu dem Überspannungsableiter verbunden. Der Überspannungsableiter ist mit seinen sich in den Bereich der Mittelelektrode erstreckenden Seitenelektroden so eingerichtet, dass in dem Innenraum der Abstand zwischen den Seitenelektroden größer als die Abstände zwischen jeweils einer Seitenelektrode und der Mittelelektrode, aber kleiner als zwischen den Endbereichen der Mittelelektrode und einer Basis der Seitenelektroden ist. Der Überspannungsableiter ist eingerichtet, dass die Ansprechstoßspannung bei einem Spannungsanstieg von 1 kV/µs geringer als das 2,2-fache der nominalen Ansprechgleichspannung ist und vorgegebene Parameter der Mittelelektrode und einer der Seitenelektroden gleich sind.
Besonders vorteilhaft ist der Überspannungsableiter zylindrisch mit einem Außendurchmesser von weniger als 8 mm ausgebildet. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform hat der Überspannungsableiter einen Außendurchmesser von höchstens 5 mm. Durch die besonders kleine Bauform und die hervorragenden elektrischen Werte ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten, insbesondere zum Schutz kleiner elektronischer Geräte.
Der Überspannungsableiter zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, dass bei einer nominalen Ansprechgleichspannung von 230 V die Ansprechstoßspannung niedriger als 500 V ist und die Parameter für den Nennwechselstrom und den Nennstoßstrom zwischen jeweils einer Seitenelektrode bezüglich der Mittelelektrode symmetrisch und gleich sind. Selbst wenn die nominale Ansprechgleichspannung um +/-20% schwankt, zeichnet den Überspannungsableiter in vorteilhafter Weise eine Ansprechstoßspannung niedriger als 500 V aus.
Bei einem Nennwechselstrom von 10 A während der Dauer von 1 s bedeutet das jeweils einen Strom von 5 A, der von jeder der Seitenelektroden zur Mittelelektrode fließt. Der Überspannungsableiter erlaubt vorteilhaft eine 10-fache Wiederholung der Belastung mit dem Nennwechselstrom.
Bei einem Nennstoßstrom von 10 kA der normierten Form 8/20, d.h. einer Anstiegszeit von 8 µs und einer Rückenhalbwertszeit von 20 µs, bedeutet das jeweils einen Strom von +/-5 kA, der von jeder der Seitenelektroden zur Mittelelektrode fließt. Der Überspannungsableiter erlaubt vorteilhaft eine 10-fache Wiederholung der Belastung mit dem Nennstoßstrom.
Bei einem Stoßstrom von 200 A der normierten Form 10/1000, d.h. einer Anstiegszeit von 10 µs und einer Rückenhalbwertszeit von 1000 µs, bedeutet das jeweils einen Strom von 100 A, der von jeder der Seitenelektroden zur Mittelelektrode fließt. Der Überspannungsableiter erlaubt vorteilhaft eine 300-fache Wiederholung der Belastung mit diesem die Lebensdauer und Belastbarkeit charakterisierenden Stoßstrom.
Der Innenraum des Überspannungsableiters ist gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen. Im Innenraum des Überspannungsableiters befindet sich ein Gas. Dadurch ergeben sich die Parameter des Überspannungsableiters vorteilhaft in reproduzierbarer Weise.
Bevorzugt wird der Überspannungsableiter in einer Telekommunikationseinrichtung, beispielsweise einem Telekommunikationsnetzwerk verwendet; er ist aber nicht auf Telekommunikationsnetzwerke eingeschränkt und kann auch in jeder anderen elektrischen Schaltung verwendet werden, in der hohe Spannungen mittels eines Überspannungsableiters abgeführt werden müssen. Insbesondere ist der Überspannungsableiter für Blitzschutzanwendungen geeignet, bei denen der Überspannungsableiter zumindest zeitweise an symmetrischen Spannungen gegen Erde liegt, bzw. liegen kann.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Seitenelektroden und die Mittelelektrode zusammengesetzt ausgeführt. Die Ausführungsform ermöglicht es, durch Verwendung unterschiedlicher Metalle bzw. Legierungen optimierte Ableiterbedingungen für den Innenraum zu schaffen und gleichzeitig sehr gute Löt- oder Schweißeigenschaften für die externen Anschlüsse der Elektroden zu bieten.
Es erweist sich als vorteilhaft, für die Elektroden im Innenraum des Überspannungsableiters Kupfer zu verwenden und die äußeren Anschlüsse aus einer Eisen-Nickel-Legierung vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist die Eisen-Nickel-Legierung, z.B. Fe₅₈Ni₄₂, verkupfert. Dadurch lassen sich optimale Eigenschaften im Innenraum und bei der Verschlusslötung des Überspannungsableiters erreichen.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Mittelelektrode aus einem Rohrteil, insbesondere aus Kupfer, und einem Ringteil, insbesondere aus Eisen-Nickel, zusammengesetzt. Das Rohrteil hat entweder eine gleich bleibende Wandstärke oder enthält im Bereich des Ringteils einen Wulst.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der der gasdichte und mit einem Gas gefüllte Innenraum des Überspannungsableiters einen Zusatz von Wasserstoff enthält. Der Anteil an Wasserstoff darf zwischen 5% und 30% betragen; typisch sind jedoch etwa 20% Wasserstoffzusatz. Dadurch wird die Aufbauzeit für eine Entladung beim Ansprechen des Überspannungsableiters verkürzt und die Ansprechstoßspannung verringert sich.
Zur Unterstützung des Aufbaus einer Entladung beim Ansprechen des Überspannungsableiters erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Innenraum an der Innenwand des Isolierkörpers mehrere Zündstriche enthält. Die Zündstriche sind entweder mit einer der Seitenelektroden elektrisch verbunden und erstrecken sich bis in den Entladungshinterraum hinter die Mittelelektrode, jedoch nicht bis tief in den Hinterraum der jeweils anderen Seitenelektrode. Dadurch werden Wandentladungen vermieden. Alternativ sind die Zündstriche mit keiner der Elektroden verbunden. In einer weiteren Ausführungsform werden mit Vorteil beide Alternativen der Zündstrichanordnung eingesetzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform haben die stiftförmigen Seitenelektroden stirnseitig eine Waffelung der Oberfläche, um in den Vertiefungen eine Aktivierungsmasse aufzunehmen. Die Aktivierungsmasse wirkt sich positiv auf einen Entladungsaufbau und deren Reproduzierbarkeit aus.
Der Überspannungsableiter wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren 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.
Gleiche Elemente oder Elemente mit gleichen Funktionen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Figur 1: zeigt eine Skizze eines Überspannungsableiters im Teilquerschnitt mit Seitenelektroden und einer Mittelelektrode,
Figur 2: zeigt eine Seitenelektrode eines Überspannungsableiters mit einer Abdeckscheibe,
Figur 3: zeigt eine schematische Skizze einer Mittelelektrode eines Überspannungsableiters,
Figur 4: zeigt eine Skizze eines Überspannungsableiters im Teilquerschnitt mit Seitenelektroden und einer Mittelelektrode für eine SMD-Montage,
Figur 5: zeigt eine schematische Skizze eines SMDmontierbaren Überspannungsableiters mit Kurzschlussbügel und
Figur 6: zeigt eine schematische Skizze eines Überspannungsableiters mit Kurzschlussbügel und Außenverdrahtung.

In der Figur 1 ist eine erste Ausführungsform eines Überspannungsableiters 1 im (Teil-)Querschnitt dargestellt. Der Überspannungsableiter hat zwei aus jeweils zwei Teilen 2a, 2b und 3a, 3b zusammengesetzte Seitenelektroden. Die Seitenelektroden schließen mittels einer Verschlusslötung 7 zwei Isolierkörper 4a, 4b seitlich ab. Mittig zwischen den Isolierkörpern, die rohrförmig und aus Keramik sind, ist eine Mittelelektrode 5a, 5b angeordnet, die ebenfalls zusammengesetzt ist. Der so gebildete Innenraum des Überspannungsableiters ist gasdicht verschlossen und enthält ein Gas, das einen Wasserstoffanteil zwischen 5% und 30%, insbesondere jedoch einen Anteil von 20% hat.
Die Seitenelektroden haben außen eine je FeNi-Scheibe 2a, 3a, die verkupfert ist. Die Scheiben sind Stanzteile oder Kaltfließpressteile. Mit einer Lötverbindung 9 mittels eines SCP- oder AgCu-Lots oder mit einer Schweißverbindung sind die Scheiben mit je einer in den Innenraum hineinragenden Elektrode 2b, 3b aus Kupfer zusammengesetzt. Jede Elektrode 2b, 3b ist ein Drehteil oder ein Kaltfließpressteil und hat einen mit der Scheibe 2a, 3a verlöteten napfförmigen Elektrodenfuß und einen stiftförmigen Teil, der stirnseitig eine Waffelung 8 zur Aufnahme einer Aktivierungsmasse aufweist. Der Durchmesser des Elektrodenfußes ist gewählt, um die Elektrode in dem Keramikrohr 4 zu führen. Der stiftförmige Teil jeder Seitenelektrode 2, 3 ragt in den rohrförmigen Bereich der Mittelelektrode 5 hinein. Der Abstand der Stirnseiten der Seitenelektroden ist A.
Der Elektrodenfuß hat im Ausführungsbeispiel der Figur 1 einen Durchmesser D1 von 2,8 mm, während der stiftförmige Teil einen Durchmesser D2 von 1,6 mm hat, siehe Figur 2. Der Innendurchmesser des Isolierkörpers 4 beträgt 2,8 mm.
Die Mittelelektrode 5 wird gemäß Figur 3 aus einem Rohrteil 5b mit geringer Wandstärke und einem Ringteil 5a zusammengesetzt. Der Rohrteil 5b ist aus Kupfer oder einer Eisen-Nickel-Legierung, die vorzugsweise verkupfert ist. Die Länge des Rohrteils ist so beschaffen, dass es die Isolierkörper 4a, 4b bei einer Entladung abschattet und ein Vordringen einer Entladung in den Bereich des Isolierkörpers verhindert. Zugleich ist der Abstand B des Randes des Rohrteils 5b vom Fuß der Seitenelektrode 2b, 3b größer als der innere Elektrodenabstand C in radialer Richtung. Damit wird eine Nebenentladung sicher verhindert. Der Rohrteil ist in einer besonders vorteilhaften Ausführung mit einer Aktivierungsmasse bepastet.
Der Abstand A in Längsrichtung ist größer als der Abstand C in radialer Richtung, aber kleiner als der Abstand B.
Im Ausführungsbeispiel beträgt A = 0,56 mm, B = 0,68 mm und C = 0,4 mm. Der Außendurchmesser des Rohrteils 5b beträgt etwa 2,8 mm, ist in jedem Fall aber geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Isolierkörpers.
Mittig wird der Rohrteil 5b von einem Ringteil 5a aus vorzugsweise einer Eisen-Nickel-Legierung umschlossen. Der Ringteil kann verkupfert sein. Mit dem Ringteil lässt sich die Mittelelektrode symmetrisch zu den Isolierkörpern führen.
Die Mittelelektrode wird gemäß Figur 3 durch eine Lötung 11 hergestellt oder durch eine passgerechte Ineinanderfügung oder durch Punktschweißung mit Hilfe eines Lasers hergestellt. Bei letzterer Methode wird während der Vormontage das Rohr 5b im Ring 5a konzentrisch positioniert und zumindest einseitig durch einen oder mehrere Schweißpunkte im Spalt zwischen dem Rohr 5b und dem Ring 5a fest gepunktet. Eine elektrisch zuverlässige Kontaktierung zwischen dem Rohr 5b und dem Ring 5a wird dann bei der Verschlusslötung beispielsweise durch eine aufliegende Lötfolie gewährleistet. Die Elektrodenführung der Mittelelektrode an der Innenwand der Isolierkörper 4 erfolgt zweckmäßigerweise während der Verschlusslötung des Überspannungsableiters über den höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen Mittelelektrode 5 gegenüber den Isolierkörpern 4 aus Keramik. Auch die Seitenelektroden werden während der Verschlusslötung am Innendurchmesser des Keramikisolierkörpers geführt.
Der Überspannungsableiter weist an der Innenwand der Isolierkörper 4 Zündstriche 6 auf. Die Zündstriche 6a sind mit einer Seitenelektrode verbunden und erstrecken sich nicht bis über die Mitte des Überspannungsableiters hinaus. Die Zündstriche 6b ragen in den Entladungsraum hinein, aber sind mit keiner Elektrode verbunden.
Figur 4 unterscheidet sich von Figur 3 dadurch, dass der Überspannungsableiter SMD-fähig ist. Dazu hat die Außenscheibe 3c der Seitenelektrode 3 eine annähernd quadratische Form. Der Rohrteil 5c der Mittelelektrode hat einen Wulst im Bereich des Ringteils.
Figur 5 zeigt einen Überspannungsableiter gemäß Figur 4, dessen Mittelelektrode einen aufgeschweißten Kurzschlussbügel 12 hat, der mittels einer Folie 13 von den Seitenelektroden isoliert ist. Dadurch wird der Überspannungsableiter mit Hilfe des Bügels 12 kurzgeschlossen, wenn die thermische Belastung so groß wird, dass die Folie 13 schmilzt. Der Kurzschlussbügel ist aus CuBe, die Folie aus Hostaphan® oder Polypropylen.
Figur 6 zeigt einen Überspannungsableiter gemäß Figur 1 mir Kurzschlussbügel 12 und dreifacher äußerer Bedrahtung 14, 15 und 16 der drei Elektroden.
Der Überspannungsableiter gemäß den Ausführungsbeispielen hat einen Außendurchmesser D von 5mm und eine Länge von 7,8 mm. Er weist folgende Leistungsmerkmale auf:

Ansprechgleichspannung Uag = 230V +/- 20%,
Ansprechstoßspannung uas kleiner 500 V bei einer Spannungsanstieg von 1 kV/µs,
Wechselnennstrom I_WN = 10 A bei 1s und 10x Wiederholung, mit jeweils 5A zwischen einer Seitenelektrode und der Mittelelektrode,
Stoßnennstrom i_SN = 10 kA bei 8/20 µs, und 10x Wiederholung, mit jeweils dem Betrag von 5kA zwischen einer Seitenelektrode und der Mittelelektrode und
LD = 200A bei einem Stoßstrom der Form 10/1000 µs und 300x mit jeweils 100A zwischen einer Seitenelektrode und der Mittelelektrode.

Bezugszeichenliste

1, 10: Überspannungsableiter
2: Seitenelektrode
3: Seitenelektrode
4: Isolierkörper
5: Mittelelektrode
6: Zündstrich
7: Verschlusslötung
8: Waffelung
9: Elektrodenlötung
11: Lotring
12: Kurzschlussbügel
13: Folie
14: Anschlussdraht
15: Anschlussdraht
16: Anschlussdraht

Claims

Überspannungsableiter, aufweisend
zwei Seitenelektroden (2, 3), die sich in einen mittels wenigstens eines Isolierkörpers (4) und einer Mittelelektrode (5) gebildeten Innenraum erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass der stirnseitige Abstand (A) zwischen den Seitenelektroden (2, 3) größer als die Abstände (C) zwischen jeweils einer Seitenelektrode (2, 3) und der Mittelelektrode (5) ist und der Abstand (A) zwischen den Seitenelektroden (2, 3) kleiner als der Abstand (B) zwischen den Endbereichen der Mittelelektrode (5) und einer Basis der Seitenelektroden (2, 3) ist.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, der so eingerichtet ist, dass die Ansprechstoßspannung bei einem Spannungsanstieg von 1 kV/µs geringer als das 2,2-fache der nominalen Ansprechgleichspannung ist und vorgegebene Parameter der Mittelelektrode (5) und einer der Seitenelektroden (2, 3) gleich sind.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer zylindrischen Form und mit einem Außendurchmesser von weniger als 8 mm.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Seitenelektroden (2, 3) und/oder die Mittelelektrode (5) aus jeweils zwei Elektrodenteilen zusammengesetzt sind.
Überspannungsableiter nach Anspruch 4, wobei die Elektrodenteile im Innenraum des Überspannungsableiters Kupfer und die von außen zugänglichen Elektrodenteile eine Eisen-Nickel-Legierung enthalten.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Mittelelektrode (5) aus einem Rohrteil (5b) und aus einem Ringteil (5a) zusammengesetzt ist.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die von außen zugänglichen Elektrodenteile (2a, 3c) der Seitenelektroden (2, 3) rund oder quadratisch sind.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Seitenelektroden (2, 3) im Innenraum stiftförmig ausgeführt sind und konzentrisch zu der Mittelelektrode (5) in der Bereich der Mittelelektrode (5) hineinragen.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Innenraum ein Gas mit einem Wasserstoffzusatz enthält.
Überspannungsableiter nach Anspruch 9, bei dem die Stirnflächen der Seitenelektroden (2, 3) eine Waffelung (8) aufweisen.
Überspannungsableiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Innenraum Zündstriche (6) vorgesehen sind, die bei einer Kontaktierung mit einer der Seitenelektroden (2, 3) kürzer als die jeweilige Seitenelektrode (2, 3) ist.
Verwendung eines Überspannungsableiters nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem elektronischen Gerät oder in einem elektrischen Netz.