EP3127199B1

EP3127199B1 - Überspannungsableiter

Info

Publication number: EP3127199B1
Application number: EP15713185.5A
Authority: EP
Inventors: Maik Dittert; Thomas Meyer
Original assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Current assignee: Phoenix Contact GmbH and Co KG
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2019-12-25
Anticipated expiration: 2035-03-27
Also published as: EP3127199A1; DE102014104576A1; DE102014104576B4; CN106463911A; CN106463911B; WO2015150253A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, insbesondere für den Einsatz zwischen einem Neutralleiter N und einem Potentialausgleich PE, mit einem zylinderischen Gehäuse, mit zwei einander axial gegenüberliegenden Elektroden und mit einer im Inneren des Gehäuses ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer, wobei die Lichtbogenbrennkammer axial von den beiden Elektroden begrenzt ist und zwischen den beiden Elektroden eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht.
Wenn Überspannungen auftreten, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der jeweiligen Nennspannung liegen, müssen die betroffenen Geräte, Anlagen und Leitungen in möglichst kurzer Zeit mit dem Potentialausgleich kurzgeschlossen werden. Dafür werden je nach Einsatzort (Schutzzone) und Art der zu schützenden Geräte und Anlagen unterschiedliche Bauelemente verwendet. Die einzelnen Bauelemente unterscheiden sich dabei im Wesentlichen durch ihr Ansprechverhalten und ihr Ableitvermögen.
Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsableitern der hier in Rede stehenden Art ist eine Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung anspricht, wobei beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen entsteht. Dabei können sehr hohe und steil ansteigende Ströme mit Werten bis in den dreistelligen kA-Bereich über die Funkenstrecke fließen. Insbesondere Überspannungsableiter, die als Blitzstromableiter für den Einsatz zwischen einem Neutralleiter N und dem Potentialausgleich PE bzw. eimem PE-Leiter vorgesehen sind, müssen dabei über ein sehr hohes Stoßstromableitvermögen von bis zu 100 kA 10/350 µs verfügen. Aufgrund der dabei im Inneren des Überspannungsableiters auftretenden Drücke und Kräfte sind derartige Überspannungsableiter in der Regel in druckfesten Gehäusen angeordnet.
Überspannungsableiter mit einer Funkenstrecke haben zwar den Vorteil einer hohen Stoßstromtragfähigkeit, jedoch auch den Nachteil einer relativ hohen und auch nicht sonderlich konstanten Ansprechspannung. Daher werden zur Zündung von Funkenstrecken bereits seit langem unterschiedliche Arten von Zündhilfen verwendet, mit deren Hilfe die Ansprechspannung der Funkenstrecke bzw. des Überspannungsableiters verringert wird.
Bei Überspannungsableitern der in Rede stehenden Art - mit oder ohne Verwendung einer Zündhilfe - entsteht beim Zünden der Funkenstrecke über den Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden, über die - gewollt - der abzuleitende transiente Stoßstrom fließt. Bei anliegender Netzspannung kann über diese niederimpedante Verbindung jedoch auch ein unerwünschter Netzfolgestrom fließen, so dass man bestrebt ist, den Lichtbogen nach abgeschlossenem Ableitvorgang möglichst schnell zu löschen. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Zieles besteht darin, die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung nach dem Ansprechen der Funkenstrecke zu vergrößern. Eine andere Möglichkeit, den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, besteht in der Kühlung des Lichtbogens durch die Kühlwirkung von Isolierstoffwänden sowie die Verwendung von Gas abgebenden Isolierstoffen.
Aus der DE 103 38 835 A1 ist ein eingangs beschriebener Überspannungsableiter bekannt, bei dem das Auftreten eines Netzfolgestromes dadurch verhindert wird, dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, dass die Lichtbogenspannung größer als die erwartete Netzspannung ist. Damit die Ansprechspannung dieses Überspannungsableiters durch den relativ großen Abstand der beiden Elektroden der Funkenstrecke nicht zu groß ist, ist eine Zündhilfe vorgesehen, durch die die gewünschte Ansprechspannung des Überspannungsableiters eingestellt werden kann.
Um ein erneutes Zünden der Funkenstrecke zu verhindern, sind bei dem bekannten Überspannungsableiter Kühlkanäle im Gehäuse vorgesehen, durch die die in der Lichtbogenbrennkammer beim Ableitvorgang durch den Lichtbogen produzierten heißen, ionisierten Gase aus dem Gehäuse abgeführt werden. Damit die aus dem Gehäuse ausströmenden Gase keine zu hohe Temperatur aufweisen, müssen die Kühlkanäle so ausgebildet sein, dass sie eine ausreichend lange Wegstrecke zur Verfügung stellen, die das Plasma im Gehäuse entlangströmt. Bei dem aus der DE 103 38 835 A1 bekannten Überspannungsableiter wird dies dadurch erreicht, dass das Gehäuse zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Gehäusehälften koaxial zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den beiden Gehäuseteilen schraubenförmige Kühlkanäle angeordnet sind, durch die zum Einen das Plasma strömen kann, die zum Anderen gleichzeitig zur Verschraubung der beiden Gehäuseteile miteinander dienen.
Da das Gehäuse aus zwei koaxial zueinander angeordneten Gehäuseteilen besteht, die miteinander verschraubt werden, muss zur Gewährleistung einer ausreichenden mechanischen Stabilität die Wandstärke der beiden Gehäuseteile relativ groß sein, was zu einem entsprechend vergrößerten Außendurchmesser des Gehäuses insgesamt führt. Darüber hinaus besteht bei dem bekannten Überspannungsableiter - wie bei allen ausblasenden Funkenstrecken - das grundsätzliche Problem, dass durch das aus den Kanälen austretende ionisierte Gas elektrische Bauteile und Geräte, die sich im unmittelbaren Umfeld des Überspannungsableiters befinden, beeinträchtigt oder geschädigt werden können. US2431226A1 offenbart einen Überspannungsableiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den eingangs beschriebenen Überspannungsableiter derart weiterzuentwickeln, dass die zuvor genannten Nachteile nach Möglichkeit vermieden werden. Insbesondere soll dabei auf das Ausblasen von ionisierten Gasen verzichtet werden, wobei jedoch der Überspannungsableiter eine möglichst geringe Baugröße aufweisen soll.
Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass innerhalb des Gehäuses zwei Kammern ausgebildet sind, die jeweils über mindestens einen Kanal mit der Lichtbogenbrennkammer verbunden sind, wobei das Volumen der beiden Kammern zusammen größer als das Volumen der Lichtbogenbrennkammer ist, so dass nach dem Zünden der Funkenstrecke heißes ionisiertes Gas aus der Lichtbogenbrennkammer in die Kammern strömen kann. Vorzugsweise ist das Volumen der beiden der Entionisierung der Lichtbogenbrennkammer dienenden Kammern zusammen wesentlich größer als das Volumen der Lichtbogenbrennkammer, wobei das Verhältnis des Volumens der beiden Kammern zum Volumen der Lichtbogenbrennkammer mindestens 10 : 1, insbesondere etwa 20 : 1 beträgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter handelt es sich somit um einen gekapselten Überspannungsableiter der keine Ausström- oder Ausblasöffnungen aufweist, durch die ionisiertes Gas gewollt in die Umgebung abgegeben wird. Die beiden Kammern sind in Längsrichtung des Gehäuses auf einander gegenüberliegenden Seiten der Lichtbogenbrennkammer angeordnet, wobei die beiden Kammern jeweils einen axialen und einen radialen Abstand zur Lichtbogenbrennkammer aufweisen. Aus Sicht der Lichtbogenbrennkammer sind die beiden Kammern, die zur Aufnahme der beim Ableitvorgang entstehenden heißen, ionisierten Gase dienen, somit radial nach außen versetzt hinter den Elektroden bzw. deren die Lichtbogenbrennkammer begrenzenden Stirnseite angeordnet.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung der beiden Kammern innerhalb des Gehäuses ermöglichen zunächst, dass beim Ableitvorgang durch den brennenden Lichtbogen entstehende heiße, leitfähige Gase aus der Lichtbogenbrennkammer abströmen können, so dass ein Netzfolgestrom gelöscht und ein erneutes Zünden der Funkenstrecke unterhalb der Ansprechspannung des Überspannungsableiters verhindert wird. Darüber hinaus wird durch die Anordnung der beiden Kammern auf einander gegenüberliegenden Seiten der Lichtbogenbrennkammer und hinter den Elektroden durch das in die Kammern strömende Gas eine Kraft bzw. ein Druck in Richtung der Elektroden generiert, der dem Druck entgegenwirkt, der beim Zünden der Funkenstrecke in der Lichtbogenbrennkammer entsteht. Die Belastung der beiden Elektroden der Funkenstrecke wird dadurch verringert.
Das gewünschte große Volumen der beiden Kammern im Vergleich zum Volumen der Lichtbogenbrennkammer kann vorzugsweise dadurch relativ einfach realisiert werden, dass die beiden Kammern ringförmig ausgebildet sind. Dabei wird in vorteilhafter Weise der Umstand ausgenutzt, dass in der Regel im Gehäuse eines Überspannungsableiters im Bereich hinter den Elektroden am einfachsten der benötigte Volumen für die Kammern zur Verfügung gestellt werden kann, ohne dass die Außenabmessungen des Überspannungsableiters vergrößert werden müssen. Darüber hinaus führt die ringförmige Ausbildung der beiden Kammern auch zu einer geringeren mechanischen Belastung des Gehäuses, da die Drücke und Kräfte im Wesentlichen gleichmäßig verteilt auf das Gehäuse wirken.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Gehäuse des Überspannungsableiters ein zylinderförmiger Isolierkörper angeordnet, der eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Bohrung aufweist, in die die beiden Elektroden mit ihren der Lichtbogenbrennkammer zugewandten Stirnseite jeweils hineinragen, so dass der Isolierkörper die Lichtbogenbrennkammer radial umgibt. Außerdem ist der zumindest eine Kanal zumindest teilweise von dem Isolierkörper gebildet. Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter wird die Lichtbogenbrennkammer somit in axialer Richtung von den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden bzw. deren Stirnseiten und in radialer Richtung von dem zylinderförmigen Isolierkörper begrenzt. Hierbei ist die Begrenzung der Lichtbogenbrennkammer in radialer Richtung jedoch durch den mindestens einen Kanal unterbrochen, über den die Lichtbogenbrennkammer mit den beiden Kammern verbunden ist.
Mit Hilfe des zylinderförmigen Isolierkörpers kann der mindestens eine Kanal zwischen der Lichtbogenbrennkammer und den beiden Kammern einfach dadurch realisiert werden, dass im Isolierkörper entsprechende Ausnehmungen, Öffnungen oder Freiräume ausgebildet sind, die eine Strömung des Gases von der Lichtbogenbrennkammer in die beiden Kammern ermöglichen. Der eigentliche Kanal muss dabei nicht vollständig von dem Isolierkörper umgeben sein, sondern kann auch - ganz oder Abschnittsweise - von einem Abschnitt des Isolierkörpers und einem Abschnitt eines anderen, dem Abschnitt des Isolierkörpers gegenüberliegenden Bauteil gebildet sein. Darüber hinaus dient der Isolierkörper auch zur Gewährleistung der dauerhaften Isolation zwischen den beiden Elektroden und zur mechanischen Stabilität der Funkenstrecke, indem der Isolierkörper sicherstellt, dass der Abstand der beiden Elektroden zueinander auch nach einem Ableitvorgang unverändert bleibt.
Konstruktiv ist der Isolierkörper dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass er einen die Bohrung umgebenden inneren Abschnitt und einen hülsenförmigen äußeren Abschnitt aufweist, der in Längsrichtung des Gehäuses eine größere Erstreckung als der innere Abschnitt hat. Der hülsenförmige äußere Abschnitt dient dabei auch zur Isolierung der Elektroden gegenüber dem Gehäuse, insbesondere wenn dieses vorzugsweise aus Metall besteht, während der inneren Abschnitt zur Gewährleistung der dauerhaften Isolation zwischen den beiden Elektroden und zur mechanischen Stabilität der Funkenstrecke dient. Darüber hinaus ist zumindest ein Teil des Kanals zwischen dem inneren Abschnitt und dem äußeren Abschnitt des Isolierkörpers ausgebildet.
Vorzugsweise weist dabei der innere Abschnitt des Isolierkörpers zwei kreisbogenförmige Stege auf, die sich in Umfangsrichtung des inneren Abschnitts nur in einem kleinen Bereich überlappen und in Längsrichtung des Gehäuses hintereinander angeordnet sind. Die beiden kreisförmigen Stege bilden somit zusammen zumindest einen Teil der radialen Begrenzung der Bohrung des Isolierkörpers, wobei die beiden Stege jedoch axial versetzt zueinander angeordnet sind. Die beiden kreisbogenförmigen Stege weisen somit eine in Längsrichtung des Gehäuses sich erstreckende Dicke auf, die geringer als die entsprechende Gesamtdicke des inneren Abschnitts des Isolierkörpers ist, so dass jeweils ein Freiraum verbleibt, durch den das ionisierte Gas strömen kann. Darüber hinaus weisen die beiden kreisbogenförmigen Stege zumindest in den Bereichen, in denen sie sich nicht überlappen, einen radialen Abstand zum äußeren Abschnitt des Isolierkörpers auf, so dass das Gas zwischen den Stegen und dem äußeren Abschnitt hindurchströmen kann.
Durch die beiden kreisbogenförmigen Stege sind zwei Kanäle ausgebildet, die die Lichtbogenbrennkammer jeweils mit beiden Kammern verbinden. Die beiden Kanäle weisen dabei jeweils einen ersten radial verlaufenden Kanalabschnitt und einen zweiten axial verlaufenden Kanalabschnitt auf, wobei die ersten Kanalabschnitte mit der Lichtbogenbrennkammer und die zweiten Kanalabschnitte jeweils mit beiden Kammern verbunden sind. Heißes ionisiertes Gas, das nach dem Zünden der Funkenstrecke durch den Lichtbogen in der Lichtbogenbrennkammer entsteht, kann somit radial an den beiden kreisbogenförmigen Stegen vorbei bzw. entlang strömen und dann axial zwischen dem äußeren Rand der kreisbogenförmigen Stege und dem äußeren Abschnitt des Isolierkörpers hindurch und entlang der Innenfläche des hülsenförmigen äußeren Abschnitts in die beiden Kammern strömen.
Der erfindungsgemäße Überspannungsableiter weist vorzugsweise eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Zündhilfe auf, die zumindest ein Zündelement und eine Zündelektrode umfasst. Das Zündelement und die Zündelektrode stehen dabei mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung, wobei das Zündelement auf der einen Seite mit der einen Elektrode und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode elektrisch leitend verbunden ist. Von ihrem grundsätzlichen Aufbau kann die bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter verwendete Zündhilfe so aufgebaut sein, wie auch die in der DE 103 38 835 A1 beschriebene Zündhilfe aufgebaut ist. Beim Zünden der Zündhilfe fließt zunächst ein Strom vom ersten Anschluss über das Gehäuse, die Zündelektrode und das Zündelement zur weiten Elektrode bzw. zum zweiten Anschluss. Dabei führt der Stromfluss über das Zündelement zu einer Entladung bzw. einem Initiallichtbogen zwischen der Zündelektrode und der dem Zündelement zugeordneten Elektrode, was dann zu einem Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden führt.
Damit das Zündelement und die Zündelektrode - wie zuvor beschrieben - mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung stehen können, weist der innere Abschnitt des Isolierkörpers vorzugsweise einen Aufnahmebereich für das Zündelement und die Zündelektrode auf, der eine Öffnung zur Lichtbogenbrennkammer hat, über die die Zündelektrode und das Zündelement mit dem Lichtbogenbrennkammer in Berührung stehen. Der am inneren Abschnitt des Isolierkörpers ausgebildete Aufnahmebereich ist vorzugsweise in Umfangsrichtung des inneren Abschnitts zwischen den beiden kreisbogenförmigen Stegen angeordnet, so dass der innere Abschnitt des Isolierkörpers in Umfangsrichtung in drei Bereiche unterteilt ist, nämlich die beiden kreisbogenförmigen Stege, die sich in einem kleinen Bereich überlappen, und den Aufnahmebereich für das Zündelement und die Zündelektrode, wobei dieser vorzugsweise gegenüberliegend von dem Überlappungsbereich angeordnet ist.
Um eine hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten und die beim Ableitvorgang auftretenden Kräfte sicher beherrschen zu können, besteht das Gehäuse vorzugsweise aus Metall, insbesondere aus Stahl. Außerdem ist das Gehäuse zweiteilig ausgebildet, wobei es aus einem topfförmigen ersten Gehäuseteil und einem dazu korrespondierenden Gehäusedeckel besteht. Der Gehäusedeckel weist dabei vorzugsweise ein Außengewinde auf, so dass dieser in das erste Gehäuseteil eingeschraubt werden kann, welches dazu ein entsprechendes Innengewinde aufweist. Durch die Ausbildung des Gehäuses mit einem topfförmigen ersten Gehäuseteil und einem Gehäusedeckel kann der Außendurchmesser des Gehäuses im Vergleich zu dem aus der DE 103 38 835 A1 bekannten Gehäuse mit zwei im wesentlichen gleich lang ausgebildeten koaxialen Gehäusehälften verringert werden, ohne dass die Wandstärke des ersten Gehäuseteils verringert oder der im Inneren des Gehäuses zur Verfügung stehende Platz reduziert wird.
Wie für sich aus dem Stand der Technik bekannt ist, sind auch bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter die beiden Elektroden jeweils in der Stirnseite eines Elektrodenhalters angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass für die Elektroden einerseits und für die Elektrodenhalter andererseits unterschiedliche Materialien verwendet werden können, wobei die Elektroden selber in der Regel aus Wolfram oder einem Verbundwerkstoff, beispielsweise einer Wolfram-Kupferlegierungen und die Elektrodenhalter aus Messing bestehen. Während die den Elektroden abgewandten Enden der Elektrodenhalter zum elektrischen Anschluss der Elektroden jeweils an einer Stirnseite des Gehäuses aus diesem herausragen, liegt die die Elektroden aufnehmende Stirnseite der Elektrodenhalter jeweils auf einer Seite am inneren Abschnitt des Isolierkörpers an, so dass die die Elektroden umgebende Stirnseite der Elektrodenhalter durch den inneren Abschnitt des Isolierkörpers abgedeckt sind.
Damit bei der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters, bei dem das Gehäuse aus Metall besteht, keine elektrisch leitende Verbindung der beiden Elektrodenhalter über das metallische Gehäuse erfolgen kann, sind die Elektrodenhalter jeweils von einer beidseitig offenen Isolierhülle umgeben. Insbesondere in Verbindung mit dem hülsenförmigen äußeren Abschnitt des Isolierkörpers ist dadurch eine sichere und dauerhafte Isolierung zwischen den beiden Elektrodenhaltern und damit auch zwischen den an den Elektrodenhaltern angeschlossenen Leitern, insbesondere einem Neutralleiter und dem Potentialausgleich bzw. einem PE-Leiter gewährleistet.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters,
Fig. 2: einen ersten Längsschnitt durch den Überspannungsableiter gemäß Fig. 1,
Fig. 3: einen um 90° gedrehten zweiten Längsschnitt durch den Überspannungsableiter gemäß Fig. 1,
Fig. 4: eine Explosionsdarstellung des Überspannungsableiters,
Fig. 5: eine perspektivische Darstellung eines Isolierkörpers des Überspannungsableiters, und
Fig. 6: eine Draufsicht auf den Isolierkörper gemäß Fig. 5.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen einen erfindungsgemäßen Überspannungsableiter 1, wobei in der Fig. 4 eine Explosionsdarstellung des Überspannungsableiters 1 dargestellt ist, so dass die einzelnen Bauteile des Überspannungsableiters 1 erkennbar sind. Der erfindungsgemäße Überspannungsableiter 1 ist insbesondere für den Einsatz zwischen einem Neutralleiter N und dem Potentialausgleich PE vorgesehen, so dass der Überspannungsableiter 1 eine Stoßstromableitvermögen von bis zu 100 kA 10/350 µs aufweisen muss. Darüber hinaus müssem Netzfolgeströme bis 100 A sicher gelöscht werden können.
Der Überspannungsableiter 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf, in dessen Innerem zwei einander axial gegenüberliegende Elektroden 3, 4 angeordnet sind. Das Gehäuse 2 ist dabei aus Stahl und weist ein topfförmiges erstes Gehäuseteil 2a und einen Gehäusedeckel 2b auf, der in das erste Gehäuseteil 2a eingeschraubt ist. Hierdurch wird ein druckfestes und gleichzeitig sehr kompaktes Gehäuse zur Verfügung gestellt. Die beiden Elektroden 3, 4 begrenzen mit ihren einander gegenüberliegenden Stirnseiten die in dem Gehäuse 2 ausgebildete Lichtbogenbrennkammer 5, so dass zwischen den beiden Elektroden 3, 4 eine Funkenstrecke ausgebildet ist. Der Abstand der beiden Elektroden voneinander und damit die Erstreckung der Lichtbogenbrennkammer 5 in Längsrichtung des Gehäuses 2 beträgt bei dem dargestellten Überspannungsableiter 1 weniger als 1 mm, vorzugsweise nur etwa 0,8 mm.
Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, sind innerhalb des Gehäuses 2 zwei Kammern 6, 7 ausgebildet, die beide über zwei Kanäle 8, 9 mit der Lichtbogenbrennkammer 5 verbunden sind. Die beiden Kammern 6, 7 sind dabei in Längsrichtung des Gehäuses 2 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Lichtbogenbrennkammer 5 angeordnet. Darüber hinaus weisen die beiden Kammern 6, 7 jeweils einen axialen und radialen Abstand zur Lichtbogenbrennkammer 5 auf, so dass die beiden Kammern 6, 7 aus Sicht der Lichtbogenbrennkammer 5 radial nach außen versetzt hinter den Elektroden 3, 4 angeordnet sind. Das Volumen der beiden ringförmigen Kammern 6, 7 zusammen ist dabei wesentlich größer als das Volumen der Lichtbogenbrennkammer 5. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des Volumens der beiden Kammern 6, 7 zum Volumen der Lichtbogenbrennkammer 5 etwa 20 : 1.
Beim Ableitvorgang durch den brennenden Lichtbogen entstehende heiße, leitfähige Gase können somit durch die Kanäle 8, 9 in die der Entionisierung und Kühlung dienenden ringförmigen Kammern 6, 7 strömen, so dass ein innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 anstehender Lichtbogen schnell gelöscht und ein erneutes Zünden sicher verhindert wird. Durch die Anordnung der Kammern 6, 7 hinter den Elektroden 3, 4 werden die heißen, ionisierten Gase in Bereiche geführt, die sowohl hinsichtlich der Gefahr einer erneuten Zündung als auch hinsichtlich der Isolation zwischen den beiden Elektroden 3, 4 unkritisch sind. Da die ringförmigen Kammern 6, 7 von dem aus Metall bestehenden Gehäuse 2 umgeben sind, wird auch eine gute und schnelle Wärmeabgabe an das Gehäuse 2 und damit eine rasche Abkühlung der Gase ermöglicht. Da die Kammern 6, 7 keine Öffnungen bzw. Austrittskanäle aufweisen, so dass heißes ionisierte Gas nicht aus dem Gehäuse 2 ausgeblasen wird, besteht auch nicht die Gefahr, dass in der Nähe des Überspannungsableiters 1 angeordnete elektrische Bauteile und Geräte beeinträchtigt werden.
Ein wesentliches Bauteil des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1 ist der im Inneren des Gehäuses 2 angeordnete zylinderförmige Isolierkörper 10, der in den Fig. 5 und 6 vergrößert dargestellt ist. Der Isolierkörper 10 weist eine sich in Längsrichtung des Gehäuses 2 erstreckende Bohrung 11 auf, in die die beiden Elektroden 3, 4 jeweils mit ihrer der Lichtbogenbrennkammer 5 zugewandten Stirnseite hineinragen. Der Isolierkörper 10 weist einen die Bohrung 11 umgebenden inneren Abschnitt 12 und einen hülsenförmigen äußeren Abschnitt 13 auf, der in Längsrichtung des Gehäuses 2 eine deutlich größere Erstreckung als der innere Abschnitt 12 hat, wie aus den beiden Schnittdarstellungen gemäß den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist.
Aus den Fig. 5 und 6 ist erkennbar, dass der innere Abschnitt 12 des Isolierkörpers 10 zwei kreisbogenförmige Stege 14, 15 aufweist, die sich in Umfangsrichtung des inneren Abschnitts 12 nur in einem kleinen, stegartigen Bereich 16 überlappen und in Längsrichtung des Gehäuses 2 hintereinander angeordnet sind. Die beiden kreisbogenförmigen Stege 14, 15 weisen außerdem einen radialen Abstand zum äußeren Abschnitt 13 des Isolierkörpers 10 auf, so dass zwischen dem äußeren Rand der kreisbogenförmigen Stege 14, 15 und dem hülsenförmigen äußeren Abschnitt 13 zwei Durchgänge 17 für das Gas gebildet sind, die einen Teil der beiden Kanäle 8, 9 bilden.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weisen die beiden Kanäle 8, 9 jeweils einen ersten radial verlaufenden Kanalabschnitt 8a, 9a und einen zweiten axial verlaufenden Kanalabschnitt 8b, 9b auf. Die ersten Kanalabschnitte 8a, 9a, die auf einer Seite jeweils von einem Steg 14, 15 begrenzt sind, sind mit der Lichtbogenbrennkammer 5 verbunden, während die zweiten Kanalabschnitte 8b, 9b jeweils mit beiden Kammern 6, 7 verbunden sind. Die zwischen den kreisbogenförmigen Stegen 14, 15 und dem hülsenförmigen äußeren Abschnitt 13 vorgesehenen Durchgänge 17 ermöglichen es dabei, dass heißes ionisiertes Gas, über beide Kanäle 8, 9 aus der Lichtbogenbrennkammer 5 in beide Kammern 6, 7 strömen kann. Das Gas kann somit aus der Lichtbogenbrennkammer 5 radial an den beiden kreisbogenförmigen Stegen 14, 15 vorbei bzw. entlang strömen und dann axial entlang der Innenfläche des hülsenförmigen äußeren Abschnitts 13 in beide Kammern 6, 7 strömen.
Der Isolierkörper 10 dient außerdem noch zur Aufnahme eines Zündelements 18 und einer Zündelektrode 19, die zusammen eine Zündhilfe für die Funkenstrecke des Überspannungsableiters 1 bilden. Hierzu ist in dem inneren Abschnitt 12 des Isolierkörpers 10 ein Aufnahmebereich 20 vorgesehen, der eine Öffnung 21 zur Lichtbogenbrennkammer 5 hat, so dass das Zündelement 18 und die Zündelektrode 19 durch die Öffnung 21 mit der Lichtbogenbrennkammer 5 in Berührung stehen, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Aus der Draufsicht auf den Isolierkörper 10 gemäß Fig. 6 ist erkennbar, dass der Aufnahmebereich 20 in Umfangsrichtung des inneren Abschnitts 12 zwischen den beiden kreisbogenförmigen Stegen 14, 15 angeordnet ist, wobei sich die beiden kreisbogenförmigen Stege 14, 15 und der Aufnahmebereich 20 jeweils über etwa ein Drittel des Umfangs des inneren Abschnitts 12 des Isolierkörpers 10 erstrecken.
Der innere Abschnitt 12 des Isolierkörpers 10 ist somit funktional in drei Bereiche aufgeteilt, wobei in dem Aufnahmebereich 20 für das Zündelement 18 und die Zündelektrode 19 die Zündung der Funkenstrecke erfolgt, während die kreisbogenförmigen Stege 14, 15 jeweils einen Teil der beiden Kanäle 8, 9 für die Strömung des ionisierten Gases aus der Lichtbogenbrennkammer 5 in die beiden zylindrischen Kammern 6, 7 bilden. Um eine ausreichende Stabilität des Isolierkörpers 10 zu gewährleisten, ist der stegartige Bereich 16, in dem sich die kreisbogenförmigen Stege 14, 15 überlappen, mit dem äußeren Abschnitt 13 des Isolierkörpers 10 verbunden. Dadurch ist auch der stegartige Bereich 16 sehr stabil ausgebildet, so dass sichergestellt ist, dass der Abstand der beiden Elektroden 3, 4 zueinander dauerhaft unverändert bleibt. Hierzu dient neben dem stegartigen Bereich 16 auch der Rand des Aufnahmebereichs 20, der ebenfalls mit dem äußeren Abschnitt 13 des Isolierkörpers 10 verbunden und die gleiche Dicke wie der stegartige Bereich 16 aufweist.
Aus den Fig. 5 und 6 ist darüber hinaus erkennbar, dass der äußere Abschnitt 13 des Isolierkörpers 10 eine Aussparung 22 aufweist, die in Umfangsrichtung des Isolierkörpers 10 betrachtet, korrespondierend zum Aufnahmebereich 20 für das Zündelement 18 und die Zündelektrode 19 im inneren Abschnitt 12 angeordnet ist. Die Aussparung 22 gewährleistet es, dass die Zündelektrode 19 mit ihrem äußeren, der Lichtbogenbrennkammer 5 abgewandten Rand mit dem Gehäuse 2 in Berührung steht. Darüber hinaus erleichtert die Ausbildung der Aussparung 22 im äußeren Abschnitt 13 des Isolierkörpers 10 die Montage des Überspannungsableiters 1, da so die Zündelektrode 19 und das Zündelement 18 einfacher in den Aufnahmebereich 20 am inneren Abschnitt 12 des Isolierkörpers 10 eingelegt werden können.
Insbesondere aus den Schnittdarstellungen gemäß den Fig. 2 und 3 ist ersichtlich, dass die beiden vorzugsweise aus Wolfram bestehenden Elektroden 3, 4 jeweils in der Stirnseite eines Elektrodenhalters 23, 24 angeordnet sind. Aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2 ist dabei erkennbar, dass die die Elektroden 3, 4 aufnehmende Stirnseite der Elektrodenhalter 23, 24 jeweils auf einer Seite am inneren Abschnitt 12 des Isolierkörpers 10, nämlich jeweils an einem kreisbogenförmigen Steg 14. bzw. 15 anliegen. Die den Elektroden 3, 4 abgewandten Enden der Elektrodenhalter 23, 24 ragen dagegen aus dem Gehäuse 2 heraus, wozu in dem Boden des topfförmigen ersten Gehäuseteils 2a und in dem Gehäusedeckel 2b jeweils eine Bohrung 25, 26 abgeordnet ist.
Die im Inneren des Isolierkörpers 10 ausgebildeten radial verlaufenden Kanalabschnitte 8a, 9a werden somit jeweils auf einer Seite von einem kreisbogenförmigen Steg 14, 15 und auf der anderen Seite von dem gegenüberliegenden Bereich der Stirnseite eines Elektrodenhalters 23, 24 begrenzt. Die beim Ableitvorgang entstehenden heißen ionisierten Gase können dabei ungehindert durch die Kanalabschnitte 8a, 9a strömen, so dass es nicht zu Ablagerungen von leitfähigen Partikeln an den Stirnseiten der Elektrodenhalter 23, 24 kommt. Außerdem werden die Stirnseiten der Elektrodenhalter 23, 24 auch nicht über einen längeren Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt. Dadurch wird verhindert, dass es bei aus Messing bestehenden Elektrodenhaltern 23, 24 zu einer Beschädigung der Elektrodenhalter 23, 24 oder zu Leckströmen oder Kurzschlüssen aufgrund von leitfähigen Ablagerungen kommt.
Um eine elektrische Verbindung zwischen dem metallischen Gehäuse 2 und den Elektrodenhaltern 23, 24 zu verhindern, sind die beiden Elektrodenhalter 23, 24 jeweils von einer beidseitig offenen Isolierhülle 27, 28 umgeben. Damit die Isolierung zwischen dem - in den Figuren rechten Elektrodenhalter 24 und dem topfförmigen ersten Gehäuseteil 2a auch im Bereich der Aussparung 22 im äußeren Abschnitt 13 des Isolierkörpers 10 sichergestellt ist, weist die dem Elektrodenhalter 24 zugeordnete Isolierhülle 28 einen axial und radial überstehenden Kragen 29 auf, der in die Aussparung 22 eingreift, so dass die Isolierung zum ersten Gehäuseteil 2a nur im Bereich des Zündelements 18 und der Zündelektrode 19 unterbrochen ist.

Claims

Überspannungsableiter zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, insbesondere für den Einsatz zwischen einem Neutralleiter N und einem Potentialausgleich PE, mit einem zylinderischen Gehäuse (2), mit zwei einander axial gegenüberliegenden Elektroden (3, 4) und mit einer im Inneren des Gehäuses (2) ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer (5),
wobei im Gehäuse (2) ein zylinderförmiger Isolierkörper (10) angeordnet ist, der eine sich in Längsrichtung des Gehäuses (2) erstreckende Bohrung (11) aufweist, in die die beiden Elektroden (3, 4) mit ihren der Lichtbogenbrennkammer (5) zugewandten Stirnseite jeweils hineinragen, so dass der Isolierkörper (10) die Lichtbogenbrennkammer (5) radial umgibt,
wobei die Lichtbogenbrennkammer (5) in axialer Richtung von den beiden Elektroden (3, 4) und in radialer Richtung von dem zylindrischen Isolierkörper (10) begrenzt ist, und
wobei zwischen den beiden Elektroden (3, 4) eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden (3, 4) ein Lichtbogen entsteht,
wobei innerhalb des Gehäuses (2) zwei Kammern (6, 7) ausgebildet sind, die jeweils über mindestens einen Kanal (8, 9) mit der Lichtbogenbrennkammer (5) verbunden sind, so dass nach dem Zünden der Funkenstrecke heißes ionisiertes Gas aus der Lichtbogenbrennkammer (5) in die Kammern (6, 7) strömen kann,
wobei das Volumen der beiden Kammern (6, 7) zusammen größer als das Volumen der Lichtbogenbrennkammer (5) ist,
wobei die beiden Kammern (6, 7) in Längsrichtung des Gehäuses (2) auf einander gegenüberliegenden Seiten der Lichtbogenbrennkammer (5) angeordnet sind und vom Gehäuse (2) umgeben sind, und
wobei die Kanäle (8, 9) zumindest teilweise vom Isolierkörper (10) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (6,7) jeweils einen axialen und radialen Abstand zur Lichtbogenbrennkammer (5) aufweisen.
Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper (10) einen die Bohrung (11) umgebenden inneren Abschnitt (12) und einen hülsenförmigen äußeren Abschnitt (13) aufweist, der in Längsrichtung des Gehäuses (2) eine größere Erstreckung als der innere Abschnitt (12) aufweist.
Überspannungsableiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Abschnitt (12) des Isolierkörpers (10) zwei kreisbogenförmige Stege (14, 15) aufweist, die sich in Umfangsrichtung des inneren Abschnitt (12) nur in einem kleinen Bereich (16) überlappen und in Längsrichtung des Gehäuses (2) hintereinander angeordnet sind, wobei die beiden kreisbogenförmigen Stege (14, 15) einen radialen Abstand zum äußeren Abschnitt (13) des Isolierkörpers (10) aufweisen, so dass zwei Kanäle (8, 9) ausgebildet sind, die die Lichtbogenbrennkammer (5) jeweils mit beiden Kammern (6, 7) verbinden, wobei die beiden Kanäle (8, 9) jeweils einen ersten radial verlaufenden Kanalabschnitt (8a, 9a) und einen zweiten axial verlaufenden Kanalabschnitt (8b, 9b) aufweisen, wobei die ersten Kanalabschnitte (8a, 9a) mit der Lichtbogenbrennkammer (5) und die zweiten Kanalabschnitte (8b, 9b) jeweils mit beiden Kammer (6, 7) verbunden sind.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (2) eine Zündhilfe angeordnet ist, die ein Zündelement (18) und eine Zündelektrode (19) aufweist, wobei das Zündelement (18) und die Zündelektrode (19) mit der Lichtbogenbrennkammer (5) in Berührung stehen und das Zündelement (18) auf der einen Seite mit der einen Elektrode (4) und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode (19) elektrisch leitend verbunden ist.
Überspannungsableiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Abschnitt (12) des Isolierkörpers (10) einen Aufnahmebereich (20) für das Zündelement (18) und die Zündelektrode (19) aufweist, wobei der Aufnahmebereich (20) eine Öffnung (21) zur Lichtbogenbrennkammer (5) hat.
Überspannungsableiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich (20) des inneren Abschnitts (12) des Isolierkörpers (10) in Umfangsrichtung des inneren Abschnitt (12) zwischen den beiden kreisbogenförmigen Stegen (14, 15) angeordnet ist.
Überspannungsableiter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Abschnitt (13) des Isolierkörpers (10) eine Aussparung (22) aufweist, die korrespondierend zu Aufnahmebereich (20) für das Zündelement (18) und die Zündelektrode (19) am inneren Abschnitt (12) angeordnet ist.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) aus Metall, insbesondere aus Stahl besteht und zweiteilig ausgebildet ist, nämlich ein topfförmiges erstes Gehäuseteil (2a) und einen Gehäusedeckel (2b) aufweist.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (3, 4) jeweils in der Stirnseite eines Elektrodenhalters (23, 24) angeordnet sind, wobei die die Elektroden (3, 4) aufnehmende Stirnseite der Elektrodenhalter (23, 24) jeweils auf einer Seite am inneren Abschnitt (12) des Isolierkörpers (10) anliegen und die den Elektroden (3, 4) abgewandten Enden der Elektrodenhalter (23, 24) jeweils an einer Stirnseite des Gehäuses (2) aus dem Gehäuse (2) herausragen.
Überspannungsableiter nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenhalter (23, 24) jeweils von einer beidseitig offenen Isolierhülle (27, 28) umgeben sind, durch die die Elektrodenhalter (23, 24) gegenüber dem Gehäuse (2) isoliert sind.
Überspannungsableiter nach Anspruch 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierhülle (28) an ihrer der Lichtbogenbrennkammer (5) zugewandten Seite einen axial und radial überstehenden Kragen (29) aufweist, der in die Aussparung (22) des äußeren Abschnitts (13) des Isolierkörpers (10) hineinragt.
Überspannungsableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (6, 7) ringförmig ausgebildet sind.