EP4162575A2 - Ableiter und schaltungsanordnung mit dem ableiter - Google Patents

Ableiter und schaltungsanordnung mit dem ableiter

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Publication number
EP4162575A2
EP4162575A2 EP21731987.0A EP21731987A EP4162575A2 EP 4162575 A2 EP4162575 A2 EP 4162575A2 EP 21731987 A EP21731987 A EP 21731987A EP 4162575 A2 EP4162575 A2 EP 4162575A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
voltage
arrester
trigger
base body
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.)
Pending
Application number
EP21731987.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eduard DORSCH
Frank Werner
Michael Mewes
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
TDK Electronics 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 TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
Publication of EP4162575A2 publication Critical patent/EP4162575A2/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • H01T2/00—Spark gaps comprising auxiliary triggering means
    • H01T2/02—Spark gaps comprising auxiliary triggering means comprising a trigger electrode or an auxiliary spark gap
    • 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
    • H01T15/00—Circuits specially adapted for spark gaps, e.g. ignition circuits
    • 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
    • H01T4/00—Overvoltage arresters using spark gaps
    • H01T4/10—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel
    • H01T4/12—Overvoltage arresters using spark gaps having a single gap or a plurality of gaps in parallel hermetically sealed

Definitions

  • the invention relates to an arrester for protection against overvoltages, in particular a gas discharge surge arrester and a circuit with the arrester.
  • a surge arrester or arrester for short, is used to limit dangerous or undesired surge voltages in electrical lines and devices. In this way, damage to cables and devices caused by overvoltage can be avoided.
  • Gas-filled arresters which are also referred to as gas arresters, are arresters in which an overvoltage in the gas arrester is reduced by the automatic ignition of a gas discharge. They work according to the gas-physical principle of arc discharge, with an arc forming in the gas-tight discharge space within nanoseconds after reaching an arrester response voltage, referred to as response voltage or ignition voltage for short. Due to the high current carrying capacity of the arc, the overvoltage is effectively short-circuited.
  • 3-electrode arresters known from the prior art are ignited by the overvoltage between one of the two potential-carrying electrodes A or B and a center electrode M connected to ground.
  • the ignition voltage can be set in the arrester through the composition of the gas mixture, gas pressure and the distance between the electrodes.
  • the protection level is determined based on the ignition voltage of the arrester.
  • the DC ignition value is lower than the surge voltage.
  • the factor can be around 1.5 or higher.
  • an arrester with a 1 kV DC ignition value can have a surge voltage of 1.5 kV.
  • Gas ignition in the arrester is partly a stochastic process. As a result, the measured values spread by up to +/- 20%.
  • the DC voltage ignition value in the arrester must be set correspondingly high in order to avoid ignition in normal operation at nominal network voltage. This also increases the surge voltage and thus the protection level of the arrester.
  • An arrester should have an ignition value that is well above the normal operating voltage. This must already apply to the DC ignition value. Since the specification of an arrester is also determined by the response surge voltage, you have to set or accept a higher ignition value for the response surge voltage, which would result in a consumer hanging on the line to be protected Overvoltage event can load with high voltage before the arrester ignites.
  • the object of the present invention is therefore to provide an arrester which ignites as precisely as possible at a desired voltage and with which the ignition voltage can then be set to a lower value than with known arresters.
  • the basic idea is to lower the protection level (essentially the surge voltage) of a known 3-electrode arrester by adding an additional trigger electrode.
  • a trigger electrode it is also possible to design the arrester in such a way that it ignites at a defined overvoltage, since the ignition can be triggered at an exact voltage.
  • Such an arrester like a known arrester, has an electrically insulating base body which encloses a cavity.
  • a first and a second electrode are arranged in the cavity at a distance AB from one another.
  • a trigger electrode is provided which is at a distance TM from the center electrode, where TM ⁇ AM, BM.
  • a trigger circuit for generating and applying a Trigger voltage or a trigger pulse on the trigger electrode completes the arrester.
  • the trigger voltage is set so that it is suitable for igniting a gas discharge between the trigger electrode and the center electrode. The overvoltage is then diverted to ground via the center electrode and thus rendered harmless.
  • the trigger electrode it is possible to trigger the ignition via the trigger voltage.
  • the trigger voltage can be generated as a function of an overvoltage applied between the first and the second electrode. It is important that the trigger circuit only generates a trigger voltage or a trigger pulse when the voltage in the line or the voltage between the first and second electrode exceeds a set value that corresponds to the desired protection level of the arrester.
  • the arrester according to the invention expanded with an additional trigger electrode has a lower (better) response surge voltage and thus also a lower protection level than a standard 3-electrode arrester.
  • the trigger circuit can generate a trigger voltage or a trigger pulse, by means of which the gas ignition is started in the entire interior of the arrester.
  • the main body of the arrester can comprise a ceramic and be filled with a gas.
  • the ionizability of the gas can be adjusted via its composition.
  • the arrester can have the geometry described below.
  • the first and the second electrodes are arranged along a longitudinal axis of the cavity and are diametrically opposite one another.
  • the center electrode is arranged on a side wall in the interior of the base body between the first and second electrodes.
  • the trigger electrode is also arranged on a side wall of the base body between the center electrode and the first and / or the second electrode.
  • the trigger electrode can be punctiform, pin or flat. It is advantageous if the distance to the center electrode can be set as precisely as possible. This allows the ignition voltage to be set more precisely.
  • the center electrode is designed to be closed in the shape of a ring and follows the entire circumference of the cavity along the side wall coaxially to the longitudinal axis, so that the same distance from the first and second electrodes is maintained everywhere.
  • the trigger electrode can also be annular and coaxial to the longitudinal axis and follow the entire circumference of the cavity along the side wall. It runs next to and everywhere at the same distance from the center electrode.
  • the base body is preferably of cylindrical design.
  • the base body and all electrodes can then be designed to be rotationally symmetrical to the longitudinal axis.
  • the trigger electrode points like a pin, protruding radially from the side wall in the direction of the longitudinal axis.
  • the trigger electrode connected to the trigger circuit is as Wire formed and guided through the side wall into the cavity and is formed there as a point protruding into the interior.
  • the trigger electrode can also have a rectangular or square area.
  • the arrester can be connected up in a circuit arrangement such as, for example, a power supply circuit. There it protects the circuit or a consumer connected to it from an overvoltage occurring in a power supply, such as that triggered by an event such as lightning.
  • the circuit has a first and a second line which are at different potentials, normally at an operating or mains voltage.
  • the first line is electrically connected to the first electrode and the second line to the second electrode of the arrester.
  • the arrester connected in parallel to the two conductors bridges them in a blocking manner.
  • One of the first and second lines is electrically connected to the trigger electrode via a trigger circuit.
  • the center electrode is connected to ground.
  • the trigger circuit comprises a series connection of a voltage-limiting element and a blocking capacitor.
  • the voltage-limiting element can be selected from a TVS diode, metal oxide varistor MOV or multilayer varistor MLV, for example. All these elements are characterized by the fact that they become conductive at a breakdown voltage, but are practically non-conductive at a voltage below this.
  • the voltage-limiting element is advantageously set to a voltage value that is set to the DC voltage ignition value between the first or second electrode and the center electrode. The spark gap between the trigger electrode and one of the three other electrodes of the arrester ignites regardless of the surge voltage that would arise between the three electrodes (without triggering).
  • Figure 1 shows a conventional 3-electrode arrester in a schematic cross section
  • FIG. 2 a first embodiment of a 3-electrode arrester with an additional trigger electrode in a schematic cross section
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a 3-electrode arrester with an additional trigger electrode in a schematic cross section
  • FIG. 5 shows a circuit arrangement with a first and a second conductor and an arrester connected in parallel therewith, including a trigger circuit.
  • FIG. 1 shows a conventional 3-electrode arrester in a schematic cross section.
  • a first electrode A and a second electrode B are arranged diametrically opposite one another along a longitudinal axis LA. They are spaced apart from one another.
  • the base body can comprise ceramic and is shaped, for example, as a hollow cylinder.
  • the ends of the base body can each be closed with a cap K1, K2, around the Complete the cavity in the main body in a gas-tight manner.
  • the caps K1, K2 can also be made of ceramic and can be connected to the base body, for example by means of hard soldering.
  • the electrodes can comprise Cu.
  • FeNi or WCu are also suitable as electrode metals or as a coating for the electrodes.
  • a voltage applied to the first and second electrode exceeds the protection level of the arrester, the gas mixture inside the arrester is ignited.
  • a spark gap is created along a discharge gap at or bm.
  • the discharge gas is then distributed throughout the entire interior of the arrester. If the voltage rise at electrodes A and B or along one of the sections am and bm is not too steep and is in the range of seconds, the arrester ignites at the DC voltage ignition value. If, on the other hand, the increase is rapid and e.g. in the ps range, ignition only takes place at the response surge voltage, which is somewhat higher than the DC voltage ignition value.
  • FIG. 3 shows a voltage curve with voltage increases at different rates over one of the ignition values.
  • Curve 1 corresponds to the course when the response surge voltage is exceeded quickly (in the ps range).
  • Curve 2 corresponds to the course when the DC voltage ignition value is exceeded more slowly (within seconds). After the discharge, the voltage falls back to the value U A R C in both cases.
  • U A M corresponds in curve 1 to the response surge voltage between the first or second electrode and the
  • U A M corresponds to the DC voltage ignition value between the first or second electrode and the center electrode.
  • the value of the response surge voltage is also the effective ignition voltage of the arrester.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a 3-electrode arrester with an additional trigger electrode T in a schematic cross section.
  • the arrester can correspond to a known 3-electrode arrester such as that described with reference to FIG.
  • the trigger electrode T is arranged on a side wall of the base body between the center electrode and the first or second electrode Ab or B in such a way that its distance tm from the center electrode M is smaller than the distance am, bm from the first or second Electrode to center electrode. The shorter the distance between two electrodes ab, am, bm or tm in the arrester, the lower the ignition voltage required to build up a spark gap between these two electrodes.
  • the DC ignition value and the response surge voltage of the "tm" section are therefore lower than those of the "am” or "bm" section.
  • the trigger electrode T can, as shown, be a wire-shaped conductor, for example, guided through the side wall of the base body, or a pin, for example made of Cu.
  • the tip of the trigger electrode can protrude a little into the cavity or just break through the side wall.
  • the side wall of the base body can be covered with a graphite line
  • the trigger voltage for the trigger pulse can be adjusted approximately to the DC ignition value of the "on” route. This ensures that the response surge voltage of the "on” route and thus also the protection level is the same or slightly higher than the protection level of the line at the DC voltage ignition value.
  • the trigger electrode fulfills a trigger function for the entire arrester.
  • First and second electrodes A, B are also ignited against the center electrode M after the triggering.
  • the protection level of the arrester depends on the surge voltage of the path "tm" between trigger and Center electrode. This can be set to a value that is surely exceeded by the trigger voltage.
  • the voltage curve in the event of a voltage rise in the arrester according to the invention is shown by curve 3 in FIG.
  • the ignition is triggered at a voltage UTM that is just above the DC voltage ignition value of the conventional 3-electrode arrester (without trigger electrode).
  • a further increase in voltage as in curve 1 of the conventional arrester is reliably avoided.
  • the protection level is therefore approximately the same for differently fast or steep voltage rises and can be set to a lower value overall than with the conventional 3-electrode arrester.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a 3-electrode arrester with an additional trigger electrode in a schematic cross section.
  • the trigger electrode is applied in the form of a ring or a hollow cylinder and coaxially to the longitudinal axis on the side wall.
  • the trigger electrode can also be designed as a metallic plate which fills the cross section of the interior space and in which only a passage is left free for possible discharge paths at or bm.
  • FIG. 5 shows a circuit arrangement with a first line L + and a second line L-, between which a voltage is applied, usually a mains voltage or a supply voltage.
  • the arrester AL is arranged between the two lines.
  • the first and second electrodes are electrically connected to one of the two lines L each. Since the first and second electrodes are galvanically separated, the arrester is non-conductive below its ignition voltage along one of its discharge paths. The center electrode of the arrester A1 is connected to ground.
  • a trigger circuit TS connects one of the two conductors L to the trigger electrode.
  • the trigger circuit comprises at least one series circuit made up of a voltage-limiting element SE and a blocking capacitor SK.
  • the voltage-limiting element SE has a release voltage above which it becomes electrically conductive.
  • the trigger voltage can be set to a desired value and, in the case of the arrester according to the invention, lies between the DC voltage ignition value and the response surge voltage along the discharge paths am and bm.
  • the voltage-limiting element SE can be selected from a TVS diode, metal oxide varistor MOV or multilayer varistor MLV, for example.
  • GK base body GS graphite line Kl first cap K2 second cap L- second line L + first line LA longitudinal axis of the base body M center electrode SE voltage-limiting element SK blocking capacitor T trigger electrode tm discharge path and distance between T and M TS trigger circuit

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
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Abstract

Es wird vorgeschlagen, den Schutzpegel eines bekannten 3-Elektroden Ableiters durch Hinzufügen einer zusätzlichen Triggerelektrode zu senken. Der Schutzpegel kann so auf einen Wert eingestellt werden, der unterhalb der Ansprechstoßspannung des bekannten 3-Elektroden Ableiters ohne Triggerelektrode liegt. So kann der Ableiter bei einer definierten Überspannung zünden, durch die eine Triggerspannung bzw. einen Triggerimpuls an der Triggerelektrode ausgelöst wird.

Description

Beschreibung
Ableiter und Schaltungsanordnung mit dem Ableiter
Die Erfindung betrifft einen Ableiter zum Schutz vor Überspannungen, insbesondere einen Gasentladungs überspannungsableiter und eine Schaltung mit dem Ableiter.
Ein Überspannungsableiter, kurz Ableiter, dient zur Begrenzung gefährlicher oder unerwünschter Überspannungen in elektrischen Leitungen und Geräten. Dadurch kann eine überspannungsbedingte Schädigung der Leitungen und Geräte vermieden werden.
Gasgefüllte Ableiter, die auch als Gasableiter bezeichnet werden, sind Ableiter, bei denen eine anliegende Überspannung im Gasableiter durch das selbsttätige Zünden einer Gasentladung abgebaut wird. Sie arbeiten nach dem gasphysikalischen Prinzip der Bogenentladung, wobei sich nach Erreichen einer Ableiteransprechspannung, kurz als Ansprechspannung oder als Zündspannung bezeichnet, innerhalb von Nanosekunden ein Lichtbogen im gasdichten Entladungsraum bildet. Durch die hohe Stromtragfähigkeit des Bogens wird die Überspannung effektiv kurzgeschlossen.
Aus dem Stand der Technik bekannte 3-Elektroden Ableiter werden durch die Überspannung zwischen einer der beiden potentialführenden Elektroden A bzw. B und einer mit Masse verbundenen Mittelelektrode M gezündet.
Die Zündspannung kann im Ableiter durch Zusammensetzung der Gasmischung, Gasdruck und die Elektrodenabstände eingestellt. Anhand der Zündspannung des Ableiters wird der Schutzpegel ermittelt .
Bei einem Ableiter wird grundsätzlich zwischen zwei Zündspannungen unterschieden:
• DC spark-over voltage oder Gleichspannungs-Zündwert. Diese Zündspannung ist maßgeblich, wenn der Spannungsanstieg im Bereich 100 V/s bis 1 k V/s liegt
• Impulse spark-over voltage oder Ansprechstoßspannung. Diese Zündspannung ist maßgeblich, wenn der Spannungsanstieg im Bereich 100 V/ps bis 10 kV/ps liegt
Der Gleichspannung-Zündwert ist niedriger als die Ansprechstoßspannung. Der Faktor kann bei ca. 1,5 oder höher liegen. Z.B. kann ein Ableiter mit 1 kV Gleichspannung- Zündwert eine Ansprechstoßspannung von 1,5 kV haben.
Die Gaszündung im Ableiter ist zum Teil ein stochastischer Prozess. Dadurch streuen die gemessenen Werte bis zu +/-20%. Entsprechend hoch muss der Gleichspannungszündwert im Ableiter eingestellt werden, um die Zündung im Normalbetrieb an Netz-Nominalspannung zu vermeiden. Dadurch erhöht sich auch die Ansprechstoßspannung und somit der Schutzpegel des Ableiters .
Ein Ableiter sollte einen Zündwert haben, der deutlich über der normalen Betriebsspannung liegt. Dies muss bereits für den Gleichspannung-Zündwert gelten. Da die Spezifikation eines Ableiters auch nach der Ansprechstoßspannung bestimmt wird, muss man einen höheren Zündwert für die Ansprechstoß spannung einstellen bzw. in Kauf nehmen, der einen an der zu schützenden Leitung hängenden Verbraucher bei einem Überspannungsereignis stark mit hoher Spannung belasten kann, bevor der Ableiter zündet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Ableiter anzugeben, der möglichst exakt bei einer gewünschten Spannung zündet und mit dem die Zündspannung dann auf einen geringeren Wert als bei bekannten Ableitern eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einem Ableiter nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie eine Schaltungsanordnung mit dem Ableiter sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Grundlegende Idee ist es, den Schutzpegel (im Wesentlichen die Ansprechstoßspannung) eines bekannten 3-Elektroden Ableiters durch Hinzufügen einer zusätzlichen Triggerelektrode zu senken. Mit einer Triggerelektrode gelingt es gleichzeitig, den Ableiter so auszubilden, dass er bei definierter Überspannung zündet, da eben die Zündung bei einer exakten Spannung getriggert werden kann.
Ein solcher Ableiter weist wie ein bekannter Ableiter einen elektrisch isolierenden Grundkörper auf, der einen Hohlraum einschließt. Eine erste und eine zweite Elektrode sind im Hohlraum im Abstand AB zueinander angeordnet. Eine dazwischen bzw. seitlich versetz angeordnete Mittelelektrode weist zur ersten und zweiten Elektrode einen Abstand AM bzw. BM auf, wobei für die Entfernungen/Strecken gilt: AM = BM < AB.
Darüber hinaus ist eine Triggerelektrode vorgesehen, die zur Mittelelektrode einen Abstand TM aufweist, wobei TM < AM, BM. Eine Triggerschaltung zum Erzeugen und Anlegen einer Triggerspannung bzw. eines Triggerimpulses an der Triggerelektrode vervollständigt den Ableiter. Die Triggerspannung ist so eingestellt, dass sie zum Zünden einer Gasentladung zwischen der Triggerelektrode und der Mittelelektrode geeignet ist. Über die Mittelelektrode wird die Überspannung dann an Masse abgeleitet und somit unschädlich gemacht.
Mit Hilfe der Triggerelektrode gelingt es, die Zündung über die Triggerspannung auszulösen. Die Triggerspannung kann in Abhängigkeit von einer zwischen erster und zweiter Elektrode anliegenden Überspannung erzeugt werden. Maßgeblich ist, dass die Triggerschaltung erst dann eine Triggerspannung bzw. einen Triggerimpuls erzeugt, wenn die Spannung in der Leitung bzw. die Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode einen eingestellten Wert übersteigt, der dem gewünschten Schutzpegel des Ableiters entspricht.
Der mit einer zusätzlichen Triggerelektrode erweiterte erfindungsgemäße Ableiter hat eine niedrigere (bessere) Ansprechstoßspannung und so auch einen niedrigeren Schutzpegel als ein dem Standard 3-Elektroden Ableiter.
Durch die Triggerschaltung kann eine Triggerspannung bzw. ein Triggerimpuls erzeugt werden, durch den die Gaszündung im gesamten Innenraum des Ableiters gestartet wird.
Der Grundkörper des Ableiters kann eine Keramik umfassen und mit einem Gas befüllt sein. Über dessen Zusammensetzung kann die Ionisierbarkeit des Gases eingestellt werden.
Der Ableiter kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung die im Folgenden beschriebene Geometrie aufweisen. Die erste und die zweite Elektrode sind entlang einer Längsachse des Hohlraums angeordnet und stehen einander diametral gegenüber. Die Mittelelektrode ist an einer Seitenwand im Inneren des Grundkörpers zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet. Die Triggerelektrode ist ebenfalls an einer Seitenwand des Grundkörpers zwischen der Mittelelektrode und der ersten und/oder der zweiten Elektrode angeordnet. Die Triggerelektrode kann punktförmig, als Pin oder flächig ausgebildet sein. Vorteilhaft ist, wenn die Entfernung zur Mittelelektrode möglichst genau eingestellt werden kann. Dadurch kann die Zündspannung genauer eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführung ist die Mittelelektrode ringförmig geschlossen ausgebildet und folgt dem gesamten Umfang des Hohlraums entlang der Seitenwand koaxial zur Längsachse, so dass überall der gleiche Abstand zu erster und zweiter Elektrode eingehalten ist.
Dabei kann auch die Triggerelektrode ringförmig und koaxial zur Längsachse ausgebildet sein und dem gesamten Umfang des Hohlraums entlang der Seitenwand folgen. Sie verläuft dabei benachbart und überall im gleichen Abstand zur Mittelelektrode .
In einer solchen Ausgestaltung ist der Grundkörper vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. Grundkörper und alle Elektroden können dann rotationssymmetrisch zur Längsachse ausgebildet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführung weist die Triggerelektrode wie ein Pin von der Seitenwand radial vorspringend in Richtung der Längsachse. In einer einfachen Ausführung ist die mit der Triggerschaltung verbundene Triggerelektrode als Draht ausgebildet und durch die Seitenwand in den Hohlraum hinein geführt sein und ist dort als in den Innenraum ragende Spitze ausgebildet.
Die Triggerelektrode kann auch eine rechteckige oder quadratische Fläche aufweisen.
Der Ableiter kann in einer Schaltungsanordnung wie beispielsweise einer Stromversorgungsschaltung verschaltet sein. Dort schützt er die Schaltung oder einen damit verbundenen Verbraucher vor einer in einer Stromversorgung auftretenden Überspannung, wie sie zum Beispiel durch ein Ereignis wie z.B. einen Blitz ausgelöst werden kann.
Die Schaltung weist eine erste und eine zweite Leitung auf, die an unterschiedlichem Potential liegen, im Normalfall an einer Betriebs- oder Netzspannung. Die erste Leitung ist elektrisch mit der ersten Elektrode und die zweite Leitung mit der zweiten Elektrode des Ableiters verbunden. Bei Normalspannung überbrückt der parallel zu den beiden Leitern geschaltete Ableiter diese sperrend. Eine aus erster und zweiter Leitung ist elektrisch über eine Triggerschaltung mit der Triggerelektrode verbunden. Die Mittelelektrode ist mit Masse verbunden.
Die Triggerschaltung umfasst eine Reihenschaltung aus einem spannungsbegrenzenden Element und einem Sperrkondensator.
Das spannungsbegrenzende Element kann z.B. aus TVS Diode, Metalloxid-Varistor MOV oder Mehrlagenvaristor MLV ausgewählt sein. All diese Elemente zeichnen sich dadurch aus, dass sie bei einer Durchbruchspannung leitend werden, bei einer Spannung darunter aber praktisch nicht-leitend sind. Das spannungsbegrenzende Element ist vorteilhaft auf einen Spannungswert eingestellt, der dem Gleichspannungszündwert zwischen erster oder zweiter Elektrode und Mittelelektrode eingestellt ist. Damit zündet die Funkenstrecke zwischen der Triggerelektrode und einer der drei anderen Elektroden des Ableiters unabhängig von der Ansprechstoßspannung, die sich zwischen den drei Elektroden (ohne Triggerung) einstellen würde.
Der Unterschied zwischen Gleichspannungs-Zündwert und Ansprechstoßspannung spielt keine Rolle mehr, da die Zündung nun bereits beim Anlegen der Triggerspannung vollständig erfolgt und nicht erst beim Erreichen der Ansprechstoßspannung des 3-Elektrodenableiters.
Damit ist es möglich, die Zündspannung genau einzustellen. Überspannungen können sich nur bis zur Auslösespannung des spannungsbegrenzenden Elements aufbauen. Überschreitet eine Überspannung zwischen erstem und zweitem Leiter diese Auslösespannung, wird eine Triggerspannung bzw. ein Triggerimpuls erzeugt, der an der Triggerelektrode die Zündung des Ableiters auslöst. Durch Kurzschluss von erster und/oder zweiter Elektrode mit der Mittelelektrode wird die Überspannung sofort und zuverlässig über die Mittelelektrode an Masse abgeleitet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs beispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Einzelne Teile können zur Verdeutlichung größert oder kleiner dargestellt sein. Es können den Figuren daher weder relative noch absolute Abmessungen entnommen werden. Es zeigen
Figur 1 einen konventionellen 3-Elektroden Ableiter im schematischen Querschnitt,
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines 3-Elektroden Ableiter mit zusätzlicher Triggerelektrode im schematischen Querschnitt,
Figur 3 verschiedene Spannungs/Zeitkurven bei verschiedenen Zündmechanismen im Ableiter,
Figur 4 eine zweite Ausführungsform eines 3-Elektroden Ableiter mit zusätzlicher Triggerelektrode im schematischen Querschnitt,
Figur 5 eine Schaltungsanordnung mit einem ersten und einem zweiten Leiter und einem dazu parallel geschalteten Ableiter samt Triggerschaltung.
Figur 1 zeigt einen konventionellen 3-Elektroden Ableiter im schematischen Querschnitt. Im Hohlraum eines elektrisch isolierenden Grundkörpers GK sind eine erste Elektrode A und eine zweite Elektrode B entlang einer Längsachse LA einander diametral gegenüber stehend angeordnet. Sie weisen zueinander einen Abstand ab auf. Zwischen erster Elektrode A und zweiter Elektrode B ist eine mit Masse verbundene Mittelelektrode M angeordnet, die zu erster und zweiter Elektrode eine Abstand am bzw. bm aufweist, wobei ab > 2am und am = bm. Der Grundkörper kann Keramik umfassen und ist z.B. als Hohlzylinder ausgeformt. Die Enden des Grundkörpers können mit jeweils einer Kappe K1,K2 verschlossen sein, um den Hohlraum im Grundkörper gasdicht abzuschließen. Die Kappen K1,K2 können ebenfalls aus Keramik sein und z.B. mittels Hartlötung mit dem Grundkörper verbunden sein.
Die Elektroden können Cu umfassen. Auch FeNi oder WCu sind als Elektrodenmetalle oder als Beschichtung der Elektroden geeignet .
Übersteigt eine an erste und zweite Elektrode angelegte Spannung den Schutzpegel des Ableiters wird das Gasgemisch im Inneren des Ableiters gezündet. Es entsteht zunächst eine Funkenstrecke entlang einer Entladungsstrecke am oder bm.
Die Gasendladung verteilt sich dann in dem ganzen Innenraum des Ableiters. Wenn der Spannungsanstieg an den Elektroden A und B bzw. entlang einer der Strecken am und bm nicht zu steil ist und im Sekundenbereich liegt, zündet der Ableiter beim Gleichspannungs-Zündwert. Wenn der Anstieg dagegen schnell und z.B. im ps Bereich erfolgt die Zündung erst bei der Ansprechstoßspannung, die um einiges höher liegt als der Gleichspannungs-Zündwert .
Die Figur 3 zeigt einen Spannungsverlauf bei verschieden schnellen Spannungsanstiegen über einen der Zündwerte. Kurve 1 entspricht dem Verlauf bei schnellem Übersteigen (im ps Bereich) der Ansprechstoßspannung. Kurve 2 entspricht dem Verlauf bei langsamerem Übersteigen (im Sekundenbereich) des Gleichspannungs-Zündwerts. Nach der Entladung fällt die Spannung in beiden Fällen auf den Wert UARC zurück.
UAM entspricht in der Kurve 1 der Ansprechstoßspannung zwischen erster bzw. zweiter Elektrode und der
Mittelelektrode . In der Kurve 2 entspricht UAM entspricht dem Gleichspannungs- Zündwert zwischen erster bzw. zweiter Elektrode und der Mittelelektrode. Im Normalfall, bei dem ein schneller Spannungsanstieg erfolgt, ist der Wert der Ansprechstoßspannung gleichzeitig auch die effektive Zündspannung des Ableiters.
Die folgende Tabelle gibt ein Beispiel für die elektrische Spezifikation eines solchen konventionellen 3-Elektroden Ableiters an:
Figur 2 eine erste Ausführungsform eines 3-Elektroden Ableiters mit zusätzlicher Triggerelektrode T im schematischen Querschnitt. Bis auf die Triggerelektrode T kann der Ableiter einem bekannten 3-Elektroden-Ableiter wie etwa anhand von Figur 1 beschrieben entsprechen. Die Triggerelektrode T ist an einer Seitenwand des Grundkörpers so zwischen Mittelelektrode und erster oder zweiter Elektrode Ab bzw. B angeordnet, dass ihr Abstand tm zur Mittelelektrode M kleiner ist als der Abstand am, bm von erster oder zweiter Elektrode zur Mittelelektrode. Je kürzer ein Abstand zwischen zwei Elektroden ab, am, bm oder tm im Ableiter ist, desto niedriger ist die erforderliche Zündspannung zum Aufbau einer Funkenstrecke zwischen diesen beiden Elektroden.
Der Gleichspannung-Zündwert und die Ansprechstoßspannung der „tm" Strecke sind dadurch geringer als die der „am" bzw. „bm" Strecke .
Die Triggerelektrode T kann wie dargestellt ein durch die Seitenwand des Grundkörpers geführter z.B. drahtförmiger Leiter oder ein Pin z.B. aus Cu sein. Die Spitze der Triggerelektrode kann ein Stück weit in den Hohlraum ragen oder nur die Seitenwand so gerade eben durchbrechen.
Weiter kann die Seitenwand des Grundkörpers mit einem Graphitstrich belegt sein
Mit einer einfachen Halbleiterschaltung (siehe auch Figur 5) kann die Auslösespannung für den Triggerimpuls in etwa dem Gleichspannungszündwertes der „am" Strecke angepasst werden. Damit wird erreicht, dass die Ansprechstoßspannung der „am" Strecke und somit auch der Schutzpegel gleich oder etwas höher ist als der Schutzpegel der am Strecke am Gleichspannungs-Zündwert .
Die Triggerelektrode erfüllt eine Triggerfunktion für den ganzen Ableiter. Auch erste und zweite Elektroden A,B werden nach der Triggerung gegen die Mittelelektrode M gezündet.
Der Schutzpegel des Ableiters hängt in diesem Fall von der Ansprechstoßspannung der Strecke „tm" zwischen Trigger- und Mittelelektrode ab. Diese kann auf einen Wert eingestellt werden, der von der Triggerspannung sicher übertroffen wird.
Der Spannungsverlauf bei einem Spannungsanstieg im erfindungsgemäßen Ableiter ist durch die Kurve 3 von Figur 3 dargestellt. Hier wird die Zündung bei einer Spannung UTM ausgelöst, die knapp über dem Gleichspannungs-Zündwert des konventionellen 3-Elektroden Ableiters (ohne Triggerelektrode) liegt. Ein weiterer Spannungsanstieg wie bei Kurve 1 des konventionellen Ableiters wird sicher vermieden .
Da bei langsamem Spannungsanstieg entsprechend Kurve 2 auch der Gleichspannungs-Zündwert überschritten werden kann, kann auch dieser Ableitprozess ausgelöst werden. Im Gegensatz zum konventionellen 3-Elektroden Ableiter liegt dieser Gleichspannungs-Zündwert aber nur knapp über der Ansprechstoßspannung für die Entladungsstrecke tm.
Der Schutzpegel ist daher für unterschiedlich schnelle oder steile Spannungsanstiege ungefähr gleich und kann insgesamt auf einen niedrigeren Wert eingestellt als beim konventionellen 3-Elektroden-Ableiter.
Figur 4 zeigt eine zweite Ausführungsform eines 3-Elektroden Ableiter mit zusätzlicher Triggerelektrode im schematischen Querschnitt. Hier ist die Triggerelektrode im Gegensatz zur punktförmigen Ausführung gemäß Figur 2 ringförmig oder Hohlzylinderförmig und koaxial zur Längsachse auf der Seitenwand aufgebracht. Die Triggerelektrode kann auch als den Querschnitt des Innenraum ausfüllende metallische Platte ausgeführt sein, in der lediglich ein Durchlass für mögliche Entladungsstrecken am bzw. bm freigelassen ist. Figur 5 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer ersten Leitung L+ und einer zweiten Leitung L-, zwischen denen eine Spannung anliegt, üblicherweise eine Netzspannung oder eine Versorgungsspannung. Zwischen den beiden Leitungen ist der Ableiter AL angeordnet. Erste und zweite Elektrode sind elektrisch mit je einer der beiden Leitungen L verbunden. Da erste und zweite Elektrode galvanisch getrennt sind, ist der Ableiter unterhalb seiner Zündspannung entlang einer seiner Entladungsstrecken nicht-leitend. Die Mittelelektrode des Ableiter Al ist mit Masse verbunden.
Eine Triggerschaltung TS verbindet einen der beiden Leiter L mit der Triggerelektrode. Die Triggerschaltung umfasst zumindest eine Serienschaltung aus einem spannungsbegrenzenden Element SE und einem Sperrkondensator SK. Das spannungsbegrenzende Element SE weist eine Auslösespannung auf, oberhalb der es elektrisch leitend wird. Die Auslösespannung kann auf einen gewünschten Wert eingestellt werden und liegt beim erfindungsgemäßen Ableiter zwischen dem Gleichspannungs-Zündwert und der Ansprechstoßspannung entlang der Entladungsstrecken am und bm.
Das spannungsbegrenzende Element SE kann z.B. aus TVS Diode, Metalloxid-Varistor MOV oder Mehrlagenvaristor MLV ausgewählt sein.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele begrenzt und umfasst auch
Ableiterausgestaltungen mit anders ausgebildeten Grundkörpern und gegebenenfalls weiteren Elektroden. Auch die Materialien können von den beispielhaft verwendeten abweichen. Die Zündspannungen die der Auslösespannung des spannungsbegrenzende Elements entspricht, kann nahezu beliebig eingestellt werden, sofern geeignete spannungsbegrenzende Elemente zur Verfügung stehen.
Bezugszeichenliste
A Erste Elektrode ab Abstand zwischen A und B AL Ableiter am Entladungsstrecke und Abstand zwischen A und M B Zweite Elektrode bm Entladungsstrecke und Abstand zwischen B und M
GK Grundkörper GS Graphitstrich Kl Erste Kappe K2 Zweite Kappe L- Zweite Leitung L+ Erste Leitung LA Längsachse des Grundkörpers M Mittelelektrode SE spannungsbegrenzendes Element SK Sperrkondensator T Triggerelektrode tm Entladungsstrecke und Abstand zwischen T und M TS TriggerSchaltung

Claims

Patentansprüche
1. Ableiter mit
- einem elektrisch isolierenden Grundkörper (GK), der einen Hohlraum einschließt
- einer ersten und einer zweiten Elektrode (A,B), die im Abstand ab zueinander im Hohlraum angeordnet sind
- eine Mittelelektrode (M), die zur ersten und zweiten Elektrode einen Abstand am bzw. bm aufweist, wobei am = bm < ab
- einer Triggerelektrode (T), die zur Mittelelektrode einen Abstand tm aufweist, wobei tm < am, bm
- einer Triggerschaltung (TS) zum Erzeugen einer Triggerspannung an der Triggerelektrode, die zum Zünden einer Gasentladung geeignet ist.
2. Ableiter nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem der Grundkörper eine Keramik umfasst und mit einem
Gas befüllt ist.
3. Ableiter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- bei dem die erste und die zweite Elektrode entlang einer Längsachse (LA) des Hohlraums angeordnet sind und einander diametral gegenüberstehen,
- bei dem die Mittelelektrode an einer Seitenwand im Inneren des Grundkörpers zwischen der ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist
- bei dem die Triggerelektrode an einer Seitenwand des Grundkörpers zwischen der Mittelelektrode und der ersten und/oder der zweiten Elektrode angeordnet ist.
4. Ableiter nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Mittelelektrode dem gesamten Umfang des Hohlraums folgend entlang der Seitenwand ausgebildet und dort ringförmig geschlossen ist.
5. Ableiter nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem auch die Triggerelektrode dem gesamten Umfang des Hohlraums folgend entlang der Seitenwand ausgebildet ist, benachbart zur Mittelelektrode verläuft und ringförmig geschlossen ist.
6. Ableiter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- bei dem der Grundkörper (GK) zylinderförmig ausgebildet ist
- bei dem der Grundkörper und alle Elektroden (A,B,M) rotationssymmetrisch zur Längsachse ausgebildet sind.
7. Ableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Triggerelektrode von der Seitenwand radial in Richtung der Längsachse weist.
8. Ableiter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Triggerelektrode eine rechteckige oder quadratische Fläche aufweist.
9. Schaltungsanordnung mit einem Ableiter nach einem der vorangehenden Ansprüche,
- mit einer ersten und einer zweiten Leitung L+,L-), die unterschiedliches Potential aufweisen,
- wobei die erste Leitung mit der ersten Elektrode und die zweite Leitung mit der zweiten Elektrode des Ableiters (AL) verbunden sind - wobei eine aus erster und zweiter Leitung über die Triggerschaltung (TS) mit der Triggerelektrode (T) elektrisch verbunden ist
- wobei die Triggerschaltung eine Reihenschaltung aus einem spannungsbegrenzenden Element (SE) und einem
Sperrkondensator (SK) umfasst
- wobei die Mittelelektrode (M) mit Masse verbunden ist.
10. Schaltungsanordnung nach dem vorangehenden Anspruch, bei dem das spannungsbegrenzende Element (SE) ausgewählt ist aus TVS Diode, Metalloxid-Varistor MOV oder Mehrlagenvaristor MLV.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das spannungsbegrenzende Element (SE) auf einen Spannungswert eingestellt ist, der dem Gleichspannungszündwert zwischen erster oder zweiter Elektrode und Mittelelektrode entspricht.
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