WO2005060059A1

WO2005060059A1 - Überspannungsschutzeinrichtung

Info

Publication number: WO2005060059A1
Application number: PCT/EP2004/013897
Authority: WO
Inventors: Rainer Durth; Martin Wetter
Original assignee: Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2003-12-09
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2005-06-30
Also published as: CN100539336C; DE10357945A1; RU2374729C2; RU2006124516A; BRPI0417467A; CN1890849A; ATE496413T1; US7532450B2; US20070086136A1; DE502004012135D1; EP1692751A1; EP1692751B1; ES2359828T3; DE202004019138U1

Abstract

Beschrieben und dargestellt ist eine Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode (1), mit einer zweiten Elektrode (2), mit einer zwischen beiden Elektroden (1, 2) ausgebildeten Durchschlag-Funkenstrecke und mit einem die Elektroden (1, 2) aufnehmenden Gehäuse (3), wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden (1, 2) ein Lichtbogen (4) innerhalb eines die beiden Elektroden (1, 2) verbindenden Entladungsraums (5) entsteht. Erfindungsgemäß weißt die Überspannungsschutzeinrichtung ein besonders hohes Netzfolgestromlöschvermögen auf, ist aber trotzdem konstruktiv einfach realisiert, und zwar dadurch, daß der Entladungsraum (5) derart ausgebildet ist, daß er zumindest teilweise quer und/oder entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft, so daß die vom Lichtbogen (4) zu überwindende Strecke zwischen den beiden Elektroden (1, 2) eine Querkomponente zum elektrischen Feld E aufweist.

Description

Überspannungsschutzeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode, mit einer zwischen den beiden Elek- troden ausgebildeten Durchschlag-Funkenstrecke und mit einem die Elektroden aufnehmenden Gehäuse, wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen innerhalb eines die beiden Elektroden verbindenden Entladungsraums entsteht.

Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfind- lichkeit hat in dem Maße zugenommen, in dem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thyristoren, verwendet werden; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.

Elektrische Stromkreise arbeiten mit der für sie spezifizierten Spannung, der Nennspannung (in der Regel ≡ Netzspannung), normalerweise störungsfrei. Das gilt dann nicht, wenn Überspannungen auftreten. Als Überspannungen gelten alle Spannungen, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der Nennspannung liegen. Hierzu zählen vor allem auch die transienten Überspannun- gen, die aufgrund von atmosphärischen Entladungen, aber auch durch Schalthandlungen oder Kurzschlüsse in Energieversorgungsnetzen auftreten können und galvanisch, induktiv oder kapazitiv in elektrische Stromkreise eingekoppelt werden können. Um nun elektrische oder elektronische Stromkreise, insbesondere elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schaltkreise, vor allem auch Telekommunikationseimichtungen und -anlagen, wo auch immer sie eingesetzt sind, gegen transiente Überspannungen zu schützen, sind Überspannungsschutzeinrichtungen entwickelt worden und seit mehr als zwanzig Jahren bekannt. Wesentlicher Bestandteil von Überspannungsschutzeinrichtung der hier in Rede stehenden Art ist mindestens eine Funkenstrecke, die bei einer bestimmten Überspannung, der Ansprechspannung, anspricht und damit verhindert, daß in dem durch eine Überspannungsschutzeimichtung geschützten Stromkreis Überspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind.

Eingangs ist ausgeführt worden, daß die erfindungsgemäße Überspannungs- schutzeimichrung zwei Elektroden und eine zwischen den beiden Elektroden ausgebildete Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. In der Praxis werden derartige Durchschlag-Funkenstrecken häufig auch als Luft-Durchschlag- Funkenstrecken bezeichnet, wobei in Rahmen der Erfindung mit Durchschlag- Funkenstrecke auch eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gemeint sein soll. Dabei kann jedoch zwischen den Elektroden außer Luft auch ein anderes Gas vorhanden sein. Der Bereich der Überspannungsschutzeimichtung, in dem sich beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke der Lichtbogen ausbildet, wird nachfolgend als Entladungsraum bezeichnet. Es ist dies in der Regel der Raum zwischen den beiden Elektroden.

Neben Überspannungsschutzeimichtungen mit einer Durchschlag-Funkenstrecke gibt es auch Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Überschlag- Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt.

Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Durchschlag-Funkenstrecke ha- ben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Überschlag- Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren - und auch nicht sonderlich konstanten - Ansprechspannung. Deshalb sind bereits verschiedene Übersparmungsschutzeinrichtun- gen mit einer Durchschlag-Funkenstrecke vorgeschlagen worden, die in bezug auf die Ansprechspannung verbessert worden sind. Dabei sind im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Durchschlag- Funkenstrecke in verschiedener Weise Zündhilfen realisiert worden, z. B. dergestalt, daß zwischen den Elektroden mindestens eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe vorgesehen worden ist, die zumindest teilweise in die Durch- schlag-Funkenstrecke hineinragt, stegartig ausgefühlt ist und aus Kunststoff besteht (vgl. z. B. die DE 41 41 681 AI oder die DE 4402 615 AI). Die bei den bekannten Überspannungsschutzeinrichtungen vorgesehenen, zuvor angesprochenen Zündhilfen können gleichsam als "passive Zündhilfen" bezeichnet werden, "passive Zündhilfen" deshalb, weil sie nicht selbst "aktiv" ansprechen, sondern nur durch eine Überspannung ansprechen, die an den Hauptelektroden auftritt.

Aus der DE 198 03 636 AI ist ebenfalls eine Überspannungsschutzeinrichtung mit zwei Elektroden, mit einer zwischen den beiden Elektroden wirksamen Durchschlag-Funkenstrecke und einer Zündhilfe bekannt. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung ist die Zündhilfe, im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen, eine Gleitentladung auslösenden Zündhilfen, als "aktive Zündhilfe" ausgebildet, nämlich dadurch, daß neben den beiden Elektroden - dort als Hauptelektroden bezeichnet - noch zwei Zündelektroden vorgesehen sind. Diese beiden Zündelektroden bilden eine zweite, als Zündfunkenstrecke dienende Durchschlag-Funkenstrecke. Bei dieser bekannten Überspannungsschutzeinrichtung gehört zu der Zündhilfe außer der Zündfunkenstrecke noch ein Zündkreis mit einem Zündschaltelement. Bei Anliegen einer Überspannung an der bekannten Überspannungsschutzeinrichtung sorgt der Zündkreis mit dem Zündschaltelement für ein Ansprechen der Zündfunkenstrecke. Die Zündfunkenstrecke bzw. die beiden Zündelektroden sind in bezug auf die beiden Hauptelektroden derart angeordnet, daß dadurch, daß die Zündfunkenstrecke angesprochen hat, die Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden, Hauptfunkenstrecke genannt, anspricht. Das Anspre- chen der Zündfunkenstrecke führt zu einer Ionisierung der in der Durchschlag-Funkenstrecke vorhandenen Luft, so daß - schlagartig - nach Ansprechen der Zündfunkenstrecke dann auch die Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Hauptelektroden, also die Hauptfunkenstrecke, anspricht.

Bei den bekannten, zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Überspan- nungsschutzeinrichtungen mit Zündhilfen führen die Zündhilfen zu einer verbesserten, nämlich niedrigeren und konstanteren Ansprechspannung.

Bei Überspannungsschutzeinrichtungen der in Rede stehenden Art - mit oder ohne Verwendung einer Zündhilfe - entsteht beim Zünden der Durchschlag- Funkenstrecke durch den entstehenden Lichtbogen eine niederimpedante Ver- bindung zwischen den beiden Elektroden. Über diese niederimpedante Verbindung fließt zunächst - gewollt - der abzuleitende Blitzstrom. Bei anliegender Netzspannung folgt dann jedoch über diese niederimpedante Verbindung der Überspannungsschutzeinrichtung ein unerwünschter Netzfolgestrom, so 5 daß man bestrebt ist, den Lichtbogen möglichst schnell nach abgeschlossenem Ableitvorgang zu löschen. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern.

10 Eine Möglichkeit, den Lichtbogen nach dem Ableitvorgang zu löschen, nämlich die Lichtbogenlänge und damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern, ist bei der Überspannungsschutzeinrichtung, wie sie aus der DE 44 02 615 AI bekannt ist, realisiert. Die aus der DE 44 02 615 AI bekannte Überspannungsschutzeinrichtung weist zwei schmale Elektroden auf, die jeweils winkel- 15 förmig ausgebildet sind und jeweils ein Funkenhorn und einen davon abgewinkelten Anschlußschenkel aufweisen. Darüber hinaus sind die Funken- hörner der Elektroden in ihren an die Anschlußschenkel angrenzenden Bereichen mit einer Bohrung versehen: Die in den Funkenhörnern der Elektroden vorgesehenen Bohrungen sorgen dafür, daß im Augenblick des Ansprechens 20 des Überspannungsschutzelements, also des Zündens, der entstandene Lichtbogen durch eine thermische Druckwirkung "in Fahrt gesetzt wird", also von seiner Entstehungsstelle wegwandert. Da die Funkenhörner der Elektroden V- förmig zueinander angeordnet sind, wird somit die von dem Lichtbogen zu überbrückende Strecke beim Herauswandern des Lichtbogens vergrößert, wo-

-25— _ durch auch die Lichtbogenspannung ansteigt. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß zur Erreichung der gewünschten Vergrößerung der Lichtbogenlänge die geometrischen Abmessungen der Elektroden entsprechend groß sein müssen, so daß auch die Überspannungsschutzeinrichtung insgesamt an bestimmte Geometrievorgaben gebunden ist. 30 Eine weitere 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. Dabei ist eine starke Strömung des Löschgases notwendig, was einen hohen 35 konstruktiven Aufwand erfordert. Darüber hinaus besteht noch die Möglichkeit, eine Vergrößerung der Lichtbogenspannung durch Druckerhöhung zu erzielen. Hierzu wird in der DE 196 04 947 Cl vorgeschlagen, das Volumen im Innenraum des Gehäuses so zu wählen, daß durch den Lichtbogen eine Druckerhöhung auf ein Vielfaches des at- mosphärischen Druckes erreicht wird. Dabei wird die Steigerung des Folge- stromlöschvermögens durch eine druckabhängige Beeinflussung der Bogen- feldstärke erreicht. Damit diese Überspannungsschutzeimichtung zuverlässig funktioniert ist jedoch zum einen ein sehr druckbeständiges Gehäuse erforderlich, muß zum anderen die Höhe der Netzspannung sehr genau bekannt sein, um das Volumen im Innenraum des Gehäuses entsprechend auslegen zu können.

Ist bei Überspannungsschutzeimichtungen der in Rede stehenden Art der Lichtbogen gelöscht, so ist zwar zunächst die niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden unterbrochen, der Raum zwischen den beiden Elektroden, d. h. der Entladungsraum, ist jedoch noch fast vollständig mit einem leitfälligen Plasma gefüllt. Durch das vorhandene Plasma ist die Ansprechspannung zwischen den beiden Elektroden derart herabgesetzt, daß es bereits bei anliegender Netzspannung zu einem erneuten Zünden der Durch- schlag-Funkenstrecke kommen kann. Dieses Problem tritt besonders dann auf, wenn die Überspannungsschutzeimichtung ein gekapseltes oder halboffenes Gehäuse aufweist, da dann ein Abkühlen oder Verflüchtigen des Plasmas durch das im wesentlichen geschlossene Gehäuse verhindert wird.

Um ein erneutes Zünden der Überspannungsschutzeimichtung, d. h. der Durchschlag-Funkenstrecke, zu verhindern, sind bisher verschiedene Maßnahmen getroffen worden, um die ionisierte Gaswolke von den Zündelektroden wegzutreiben oder abzukühlen. Hierzu werden konstruktiv aufwendige Labyrinthe und Kühlkörper verwendet, wodurch sich die Herstellung der Überspannungsschutzeimichtung verteuert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Überspannungsschutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die sich durch ein hohes Netzfolgestromlöschvermögen auszeichnet, trotzdem jedoch konstruktiv ein- fach realisiert werden kann. Die erfϊndungsgemäße Überspannungsschutzeimichtung, bei der die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum derart ausgebildet ist, daß er zumindest teilweise quer und/oder entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft, so daß die vom Lichtbogen zu überwindende Strecke zwischen den beiden Elektroden eine Querkomponente zum elektrischen Feld E aufweist. Dies hat zur Folge, daß das elektrische Feld bzw. die elektrische Spannung, die an den beiden Elektroden anliegt, die in dem Plasma enthaltenen freien Ladungsträger nicht mehr durch- gängig von einer Elektrode zur anderen Elektrode beschleunigen kann, wodurch ein Netzfolgestrom verhindert wird.

Bei bekannten Überspannungsschutzeimichtungen wird das nach dem eigentlichen Ableitvorgang vorhandene aber unerwünschte leitfähige Plasma bzw. die darin enthaltenen freien Ladungsträger dadurch "entfernt", daß das Plasma von den Elektroden weggetrieben wird. Derartige Überspannungsschutzeinrichtungen, die auch als "ausblasende" Funkenstreckenanordnungen bezeichnet werden, haben zunächst den Nachteil, daß zum "Ausblasen" des Plasmas eine relativ starke Strömung im Inneren der Überspannungsschutzeimichtung erzeugt werden muß, wozu in der Regel gasabgebende Isolierstoffe verwendet werden. Das heiße Plasma wird dann durch Ausblasöffnungen im Gehäuse der Überspannungsschutzeimichtung nach Außen in die Umgebung abgeführt. Dies hat den Nachteil, daß am Einbauort der Überspannungsschutzeimichtung bestimmte Mindestabstände zu anderen spannungsführenden oder brennbaren Teilen bzw. Geräten einzuhalten sind, was den Einsatz derartiger ausblasender Überspannungsschutzeimichtungen nur bei bestimmten Einbaubedingungen ermöglicht.

Im Unterschied dazu kann bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutz- ei ichtung auf das "Ausblasen" des heißen Plasmas verzichtet werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung und geometrische Ausgestaltung des Entladungsraums wird die unerwünschte Folge des Vorhandenseins des Plasmas - Ausbildung eines Netzfolgestroms nach dem eigentlichen Ableitvorgang - verhindert, ohne daß das Plasma von den Elektroden weggetrieben oder abge- kühlt werden muß. Konstruktiv kann der Entladungsraum derart ausgestaltet sein, daß er mindestens drei Bereiche aufweist, wobei der erste Bereich mit der ersten Elektrode, der zweite Bereich mit der zweiten Elektrode und der dritte Bereich einerseits mit dem ersten Bereich und andererseits mit dem zweiten Bereich verbunden ist. Der dritte Bereich stellt somit die Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich und damit auch zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode her. Der dritte Bereich ist nun konstruktiv so ausgestaltet, daß in ihm die in dem Plasma enthaltenen freien Ladungsträger durch das elektrische Feld der anliegenden Netzspannung nicht bzw. nur ge- ring vom ersten Bereich zum zweiten Bereich bzw. umgekehrt beschleunigt werden. Hierzu weist der dritte Bereich zumindest eine Querkomponente zu elektrischen Feld auf. Im einzelnen kann der dritte Bereich schräg, im wesentlichen senkrecht oder sogar teilweise entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung ausgerichtet sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Entladungsraum konstruktiv dadurch realisiert, daß die der zweiten Elektrode zugewandte Seite der ersten Elektrode und die der ersten Elektrode zugewandte Seite der zweiten Elektrode jeweils teilweise mit einem isolierenden oder hochohmigen Material bedeckt sind, wobei der nicht mit dem isolierenden oder hochohmigen Material bedeckte Bereich der ersten Elektrode bzw. der zweiten Elektrode versetzt zueinander angeordnet sind. Durch die Ausbildung und Anordnung des isolierenden oder hochohmigen Materials auf der ersten bzw. der zweiten Elektrode kann die Form des Entladungsraums auf einfache Art und Weise bestimmt werden. Wird auf den beiden Elektroden ein hoch- ohmiges aber dennoch leitfähiges Material aufgebracht, dessen Widerstand so groß ist, daß sich auf dessen Oberfläche aufgrund der Strombeschränkung kein Lichtbogen bilden kann, so führt dies nach dem eigentlichen Ableitvorgang dazu, daß die in dem Entladungsraum zwischen den beiden Elektroden vorhandenen freien Ladungsträger durch das elektrische Feld einer anliegenden Netzspannung getrennt und je nach Polarität von dem hochohmigen Material auf der ersten oder der zweiten Elektrode "abgesaugt" werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Entladungsraύms zwischen den beiden Elektroden, wobei der Entladungsraum zumindest eine Querkomponente zum elektrischen Feldes aufweist, wird - wie zuvor beschrieben - die Ausbildung eines unerwünschten Netzfolgestroms verhindert. Gleichzeitig wird jedoch auch die Ansprechspannung der Durchschlag-Funkenstrecke erhöht, was in der Regel ebenfalls unerwünscht ist. Daher ist bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrich- tung eine aktive Zündhilfe zur Verringerung der Ansprechspannung vorgesehen. Prinzipiell können hierzu verschiedene, aus dem Stand der Technik bekannte, aktive Zündhilfen verwendet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die aktive Zündhilfe jedoch dadurch realisiert, daß an die beiden Elektroden die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines Zündelements angeschlossen ist, wobei die Ansprechspannung des Spannungsschaltelements unterhalb der Ansprechspannung der Durchschlag- Funkenstrecke liegt und wobei beim Ansprechen des Spannungsschaltelements zunächst ein Ableitstrom über das Zündelement fließt;

Das Spannungsschaltelement ist dabei so gewählt, daß es bei der Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung leitend wird, also "schaltet". Als Spannungsschaltelement kann ein Varistor, eine Suppressordiode oder ein gasgefüllter Spannungsabieiter vorgesehen sein. Das Zündelement besteht vorzugsweise aus einem leitfälligen Kunststoff, einem metallischen Material oder einer leitfähigen Keramik und steht mit der zweiten Elektrode in mechanischem Kontakt.

Tritt bei der Überspannungsschutzeinrichtung mit der zuvor beschriebenen aktiven Zündhilfe eine Überspannung auf, die gleich oder größer als die durch das Spannungsschaltelement vorgegebene Ansprechspannung ist, so spricht das Spannungsschaltelement an, so daß über die Reihenschaltung erster Elektrode - Spannungsschaltelement - Zündelement - zweite Elektrode ein Ableitstrom zu fließen beginnt. Der Strom erzeugt dabei durch eine Initialzündung leitfähiges Plasma, das in den Entladungsraum eingebracht werden kann, wodurch es zu einer Zündung der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und damit zur Ausbildung eines Lichtbogens in dem Entladungsraum kommt. Bezüglich weiterer Einzelheiten einer derartigen aktiven Zündhilfe, die auch als "Stromzündung" bezeichnet werden kann, wird auf die DE 101 46728 AI verwiesen. Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeimichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Übersparmungsschuteeinrichtung,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeimichtung,

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer er- fmdungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines vierten Ausführungsbeispiels einer er- fmdungsgemäßen Überspannungsschutzeimichtung,

Fig. 5 eine Prinzipskizze eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeimichtung, und

Fig. 6 eine Prinzipskizze eines letzten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeimichtung,

In den Figuren sind verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäße Überspannungsschutzeimichtung dargestellt. Zu der Überspannungsschutzeinrichtung - die nur hinsichtlich ihres prinzipiellen Aufbaus dargestellt ist - ge- hören jeweils eine erste Elektrode 1, eine zweite Elektrode 2 und ein die Elektroden 1, 2 aufnehmendes Gehäuse 3. Zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 existiert eine Durchschlag-Funkenstrecke, wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein Lichtbogen 4 entsteht. Erfmdungsgemäß ist zwischen den beiden Elektroden 1 und 2 ein Entladungsraum 5 vorgesehen, wobei der Entladungsraum 5 zumindest teilweise schräg (Fig. 2), teilweise quer (Fig. 1, 5 und 6), teilweise entgegengesetzt (Fig. 3) oder teilweise quer und entgegengesetzt (Fig. 4) zur Richtung des durch Pfeile 6 dargestellten elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft. Bei allen Ausführungsbeispielen weist der Entladungsraum 5 somit zumindest eine Querkomponente zum elektrischen Feld auf. Im Unterschied zu den bekannten Überspannungsschutzeimichtung fungiert somit nicht der gesamte Raum zwischen den Elektroden 1, 2 als Entladungsraum 5.

Wie aus den Figuren erkennbar ist, kann der Entladungsraum 5 in drei Bereiche 7, 8 und 9 unterteilt werden. Dabei ist der erste Bereich 7 mit der ersten Elektrode 1 , der zweite Bereich 8 mit der zweiten Elektrode 2 und der erste Bereich 7 über den dritten Bereich 9 mit dem zweiten Bereich 8 verbunden. Bei den in den Figuren dargestellten Ausfuhrungsbeispielen verlaufen der erste Bereich 7 und der zweite Bereich 8 im wesentlichen parallel zur Richtung des elektrischen Feldes. Dagegen verläuft der dritte Bereich 9 bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß den Fig. 1, 5 und 6 im wesentlichen senkrecht bzw. quer zur Richtung des elektrischen Feldes. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 verläuft der dritte Bereich 9 des Entladungsraums 5 schräg und im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 schräg entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes, d. h. die Längsrichtung des dritten Bereichs 9 des Entladungsraums 5 hat eine Querkomponente zur Richtung des elektrischen Feldes. Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung gemäß Fig. 4 weist der dritte Bereich 9 des Entladungsraums 5 sowohl Bereiche auf, die senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes verlaufen als auch einen Bereich, der entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes verläuft.

Durch die Ausrichtung des dritten Bereichs 9 des Entladungsraums 5 schräg, quer oder entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung wird erreicht, daß die in dem Plasma enthaltenen f eien Ladungsträger nicht mehr durchgängig von der ersten Elektrode 1 zur zweiten Elektrode 2 - oder umgekehrt - beschleunigt werden, wodurch die Ausbildung eines Netzfolgestroms verhindert wird. Zur Realisierung des Entladungsraums 5 ist auf der der zweiten Elektrode 2 zugewandten Seite 10 der ersten Elektrode 1 ein isolierendes oder hochohmi- ges Material 12 und auf der der ersten Elektrode 1 zugewandten Seite 11 der zweiten Elektrode 2 ein isolierendes oder hochohmiges Material 13 aufge- bracht. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist dabei das isolierende oder hoch- ohmige Material 12 und 13 nicht vollflächig auf der ersten Elektrode 1 bzw. der zweiten Elektrode 2 aufgebracht sondern es ist jeweils ein Bereich 14 bzw. 15 auf der ersten Elektrode 1 bzw. der zweiten Elektrode 2 ausgespart, der nicht mit dem isolierenden oder hochohmigen Material 12 bzw. 13 be- deckt ist. Dabei sind, wie aus den Figuren unmittelbar erkennbar ist, die beiden nicht mit dem isolierenden oder hochohmigen Material 12 bzw. 13 bedeckten Bereiche 14 bzw. 15 der ersten Elektrode 1 bzw. der zweiten Elektrode 2 versetzt zueinander angeordnet.

Aus einem Vergleich der in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ist dabei erkennbar, daß durch eine entsprechende Wahl der Abmessungen des Materials 12, 13 der Verlauf des Entladungsraums 5 auf einfache Art und Weise festgelegt werden kann. Weißt das Material 12, 13 über seine Länge eine konstante Dicke auf, wie dies bei dem Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 der Fall ist, so führt dies zu einem Bereich 9 des Entladungsraums 5, der quer bzw. senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes verläuft. Verändert sich die Dicke des Materials 12, 13 über seine Länge (Fig. 2 und 3), so führt dies zu einem schräg (Fig. 2) oder teilweise entgegengesetzt (Fig. 3) zur Richtung des elek- frischen Feldes verlaufenden Entladungsraum 5.

Wie aus dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Fig. 4 erkennbar ist, sind durch eine entsprechende Ausgestaltung und Anordnung der Materialien 12, 13 auf den Elektroden 1 , 2 nahezu beliebige Verläufe des Entladungsraums 9 realisierbar. Der für den jeweiligen Anwendungsfall optimale Verlauf des Entladungsraums 5 richtet sich dabei einerseits nach dem erforderlichen Netzfolge- stromlöschvermögen andererseits nach der Höhe der gewünschten Ansprechspannung der Überspannungsschutzeimichtung. Letztere kann jedoch auch dadurch bestimmt werden, daß eine geeignete Zündhilfe, insbesondere eine akti- ve Zündhilfe, vorgesehen ist. Die Überspannungsschutzeimichtungen gemäß den Fig. 1 und 5 unterscheiden sich dadurch voneinander, daß bei der Überspannungsschutzeimichtung gemäß Fig. 1 ein isolierendes Material 12, 13 auf den Elektroden 1, 2 aufgebracht ist, während bei der Überspannungsschutzeimichtung gemäß Fig. 5 ein hochohmiges aber dennoch leitfähiges Material 12, 13 verwendet wird. Die Anordnung eines hochohmigen, aber dennoch leitfähigen Materials 12, 13 direkt auf der einen Seite 10 der ersten Elektrode 1 bzw. der einen Seite 11 der zweiten Elektrode 2 führt dazu, daß nach dem eigentlichen Ableitvorgang die in dem Entladungsraum 5 vorhandenen freien Ladungsträger durch die anlie- gende Netzspannung getrennt und -je nach Polarität - von dem Material 12 oder dem Material 13 "abgesaugt" werden. Durch die Verringerung der Anzahl der freien Ladungsträger in dem Entladungsraum 5 erhöht sich die Impedanz des Entladungsraums 5, wodurch auch bei anliegender Netzspannung das Auftreten eines Netzfolgestroms verhindert wird. Anstelle eines - im Stand der Technik bekannten - mechanischen "Ausblasens" des Plasmas bzw. der freien Ladungsträger erfolgt hier ein elektrisches "Absaugen" der freien Ladungsträger, wodurch jedoch ebenfalls der unerwünschte Netzfolgestrom verhindert und gleichzeitig die Nachteile des bekannten "Ausblasens" vermieden werden.

In Fig. 6 ist eine weitere Variante einer Überspannungsschutzeimichtungen dargestellt. Bei dieser Ausfuhrungsform ist zunächst - vergleichbar mit der Ausführung gemäß Fig. 1 - ein isolierendes Material 12, 13 auf den Elektroden 1, 2 aufgebracht. Der Entladungsraum 5 wird jedoch nicht nur durch die Form des isolierenden Materials 12, 13, sondern in erster Linie durch zusätzlich auf dem isolierenden Material 12, 13 aufgebrachtes hochohmiges Material 17, 18 - vergleichbar mit der Ausfuhrung gemäß Fig. 5 - bestimmt. Das hocholπnige Material 17 ist dabei beabstandet vom Bereich 14 mit der ersten Elektrode 1 und das hochohmige Material 18 beabstandet vom Bereich 15 mit der zweite Elektrode 2 elektrisch leitend verbunden. Die beiden Bereiche 19, 20, in denen die erste Elektrode 1 mit dem hochohmigen Material 17 und die zweite Elektrode 2 mit dem hochohmigen Material 18 verbunden ist, sind ebenfalls versetzt zueinander angeordnet. Durch das hochohmige Material 17, 18 wird zunächst erreicht, daß nach dem Durchschlag im Entladungsraum 5 sich befindende freie Ladungsträger "abgesaugt" werden. Dabei fließt durch das hochohmige Material 17, 18 ein Strom, was zu einem Spannungsabfall entlang des hochohmigen Materials 17, 18 fuhrt. Durch diesen Spannungsabfall entlang des hochohmigen Materials 17, 18 entsteht ein elektrisches Feld, dessen Feldlinien 6' eine Komponente entgegengesetzt zur Richtung des Lichtbogens 4 aufweisen. Es entsteht somit eine Verzerrung des elektrischen Feldes im Entladungsraum 5, wodurch der "Quercharakter" des Entladungsraums 5 verstärkt wird. Diese Verstärkung des "Quercharakters" erfolgt hier jedoch - im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 - nicht geometrisch sondern elektrisch.

Aus den Figmen ist schließlich noch erkennbar, daß das Gehäuse 3, welches vorzugsweise als metallisches Druckgehäuse ausgebildet ist, ein inneres Isoliergehäuse 16 aufweist, wobei bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis 4 das isolierende Material 12, 13 mit dem Isoliergehäuse 16 oder mit Teilen des Isoliergehäuses 16 verbunden ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Überspamiungsschutzeimichtung, mit einer ersten Elektrode (1), mit einer zweiten Elektrode (2), mit einer zwischen beiden Elektroden (1, 2) ausgebil- deten Durchschlag-Funkenstrecke und mit einem die Elektroden (1, 2) aufnehmenden Gehäuse (3), wobei beim Zünden der Durchschlag-Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden (1, 2) ein Lichtbogen (4) innerhalb eines die beiden Elektroden (1, 2) verbindenden Entladungsraums (5) entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum (5) derart ausgebildet ist, daß er zumindest teilweise quer und/oder entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft, so daß die vom Lichtbogen (4) zu überwin- dende Strecke zwischen den beiden Elektroden (1, 2) eine Querkomponente zum elektrischen Feld E aufweist.

2. Überspannungsschutzeimichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsraum (5) mindestens drei Bereiche (7, 8, 9) aufweist, wobei der erste Bereich (7) mit der ersten Elektrode (1), der zweite Bereich (8) mit der zweiten Elektrode (2) und der dritte Bereich (9) einerseits mit dem ersten Bereich (7) und andererseits mit dem zweiten Bereich (8) verbunden ist.

3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich (9) im wesentlichen senkrecht zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft.

4. Überspannungsschutzeimichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich- net, daß der dritte Bereich (9) schräg zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft.

5. Überspannungsschutzeimichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Bereich (9) teilweise entgegengesetzt zur Richtung des elektrischen Feldes einer anliegenden Netzspannung verläuft.

6. Überspannungsschutzeimichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten Elektrode (2) zugewandte Seite (10) der ersten Elektrode (1) und die der ersten Elektrode (1) zugewandte Seite (11) der zweiten Elektrode (2) teilweise mit einem isolierenden oder hochohmigen Material (12, 13) bedeckt sind, wobei der nicht mit dem isolierenden oder hochohmigen Material (12) bedeckte Bereich (14) der ersten Elektrode (1) bzw. der nicht mit dem isolierenden oder hochohmigen Material (13) bedeckte Bereich (15) der zweiten Elektrode (2) versetzt zueinander angeordnet sind.

7. Überspannungsschutzeimichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten Elektrode (2) zugewandte Seite (10) der ersten Elektrode (1) und die der ersten Elektrode (1) zugewandte Seite (11) der zweiten Elektrode (2) teilweise mit einem isolierenden Material (12, 13) bedeckt sind, wobei der nicht mit dem isolierenden Material (12) bedeckte Bereich (14) der ersten Elektrode (1) bzw. der nicht mit dem isolierenden Material (13) bedeckte Bereich (15) der zweiten Elektrode (2) versetzt zueinander angeordnet sind, daß die der zweiten Elektrode (2) zugewandte Seite des isolierenden Materials (12) und die der ersten Elektrode (1) zugewandte Seite des isolierenden Materials (12) zumindest teilweise mit einem hochohmigen Material (17, 18) bedeckt sind, wobei die erste Elektrode (1) beabstandet vom Bereich (14) elektrisch leitend mit dem hochohmigen Material (17) und die zweite Elektrode (2) beabstandet von dem Bereich (15) elektrisch leitend mit dem hochohmigen Material (18) verbunden ist.

8. Überspannungsschutzeimichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine aktive Zündhilfe vorgesehen ist.

9. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich- net, daß an die beiden Elektroden (1, 2) die Reihenschaltung eines Spannungsschaltelements und eines Zündelements angeschlossen ist, wobei die Ansprechspannung des Spannungsschaltelements unterhalb der Ansprechspannung der Durchschlag-Funkenstrecke liegt und wobei beim Ansprechen des Spannungsschaltelements zunächst ein Ableitstrom über das Zündelement fließt.

10. Überspannungsschutzeimichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannungsschaltelement ein Varistor, eine Suppressordiode oder ein gasgefüllter Überspannungsabieiter vorgesehen ist.

11. Überspannungsschutzeimichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Zündelement aus leitfähigen Kunststoff, aus einem metallischen Material oder einer leitfähigen Keramik besteht und mit der zweiten Elektrode (2) in mechanischem Kontakt steht

12. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (3) als metallisches Druckgehäuses ausgebildet ist und ein inneres Isoliergehäuse (16) aufweist.