Beschreibung
Vorrichtung und Modul zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen mit zwei Elektroden, die beide Stirnflächen eines Zylinders aus isolierendem Material gasdicht verschließen und im Innern der so gebildeten Kammer einen Entladungsraum definieren, sowie ein Modul mit diesen Vorrichtungen .
Derartige Vorrichtungen sind u. a. als Blitz- und/oder Überspannungsschutz im Hauptstromversorgungssystem baulicher Anlagen, bei dem die Aussenleiter über je einen Blitzstromableiter mit dem Neutralleiter verbunden sind, vorgesehen. Eine derartige Vorrichtung wird auch als Funkenstreckenanordnung oder Ableiteranordnung bezeichnet.
Ein Ableiter dient zur Vermeidung von Gefahren für Lebewesen, von Anlagen- und Geräteschäden sowie von Bränden. Aufgabe des Blitz- und Überspannungsschutzes ist die Herabsetzung von Überspannungen auf einen Schutzpegel von 1,5 kV und Ableitung starker Impulsströme bis zu 50 kA. Dabei sind Stichflammen und Druckwellen zu vermeiden, um einen Einbau in typische Einrichtungen ohne Beachtung besonderer Sicherheitsabstände und passiver Brandschutzmaßnahmen zu ermöglichen. Das Löschvermögen und die Begrenzung des netzfrequenten Folgestroms müssen so ausgelegt sein, dass
Hausanschlusssicherungen nicht auslösen. Schließlich ist eine Kompatibilität zu standardisierten Montagesystemen und eine Unempfindlichkeit gegenüber klimatischen Einflüssen und Verschmutzung gefordert.
Typische Kenndaten derartiger Blitz- und Überspannungsschutzvorrichtungen sind: eine
Ansprechgleichspannung Uag > 600 V, eine Ansprechstoßspannung uas ≤ 1,5 kV bei einem Spannungsanstieg von 5 kV/μs, ein Nenn-Stoßstrom iSN von 50 kA bei Norm-Stoßstromverläufen von 8/20 μs und 10/350 μs und jeweils 15-facher Beanspruchung sowie ein netzfrequenter Folgestrom ≤ 50 kA.
Beim Ansprechen eines Ableiters entsteht ein Lichtbogen, der Verbrennungsprodukte erzeugt, die sich als leitfähige Bedampfung auf dem Innenzylinder der Keramik bzw, des isolierenden Materials niederschlagen können und einen Isolationsfehler bewirken.
Zur Erfüllung der Schutzfunktion ist eine niedrige dynamische Ansprechspannung gefordert. Für das gesamte Bauelement liegt der geforderte Wert bei 1500 V, wenn eine rampenförmig mit 5 kV/μs ansteigende Spannung angelegt wird. Für einen einzelnen Ableiter bedeuten dieser Schutzpegel und die übrigen Kenndaten, dass Zündhilfen eingesetzt werden müssen. Ein Weg zur Verbesserung des Zündverhaltens ist die Einbringung eines Zündstriches, z.B. aus Graphit, der Primärladungsträger bereitstellt, das elektrische Feld verzerrt und über eine Gleitentladung entlang der Keramikoberfläche der Innenwand des Zylinders das dynamische Zündverhalten verbessert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art anzugeben, mit der die geforderten Kenndaten erreicht oder übertroffen werden können.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Vorrichtung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen sieht zwei Elektroden vor, die beide Stirnflächen des Zylinders aus isolierendem Material, insbesondere aus Aluminiumoxid-Keramik, gasdicht verschließen und im Innern der so gebildeten Kammer einen Entladungsraum definieren. Innerhalb der Kammer ist im Kontaktbereich zumindest einer der Elektroden und des Zylinders wenigstens eine Abstufung derart vorgesehen ist, dass sich die Kammer bis über die Innenwand des Zylinders hinaus erstreckt.
Die Elektroden sind bevorzugt aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Die Kammer ist der gesamte gasgefüllte Innenraum, der sich nach dem Verlöten bzw. Verschließen des Zylinders mit den Elektroden ergibt. Der Entladungsraum ist grundsätzlich der Kammerbereich, jedoch wird eine energiereiche Entladung zum Schutz vor Blitzen und Überspannungen in einer Entladungsstrecke erfolgen, die zwischen zueinander mit geringem Abstand zugewandten Elektrodenoberflächen, insbesondere im zentralen Bereich der Vorrichtung, gebildet wird. Als Kontaktbereich ist der Bereich der Stirnseite des Zylinders bezeichnet, an dem grundsätzlich der Zylinder mit der Elektrode verbunden bzw. verlötet werden kann. Der Kontaktbereich erstreckt sich demnach wenigstens über die Dicke der Innenwand des Zylinders .
Durch die Abstufung verlängert sich die Isolationsstrecke zur jeweiligen Elektrode hin zumindest um die Länge und Höhe der Abstufung. Dadurch wird auch bei wiederholten Stoß- und
Folgestrombelastungen ein hohes Isolationsniveau der Vorrichtung bzw. des Ableiters während der gesamten Lebensdauer erreicht.
Es ist vorgesehen, dass die Abstufung in der stirnseitigen Innenwand des Zylinders angeordnet ist. Alternativ oder ergänzend ist die Abstufung in zumindest einer der Elektroden angeordnet .
Zündhilfen, insbesondere wie Zündstriche aus Graphit, die auf der Innenwand des Zylinders aufgebracht sind und die sich in einer Ausführungsform bis auf die stirnseitige Innenwand des Zylinders erstrecken, verbessern das Zündverhalten und die Belastbarkeit der Vorrichtung bzw. des Ableiters. Die Zündhilfe verbessert das dynamische Zündverhalten des Ableiters, indem sie insbesondere Primärladungsträger bereit stellt, das elektrische Feld verzerrt und eine Gleitentladung entlang der Oberfläche des Keramikzylinders verbessern.
Alternativ oder ergänzend ist an Zündhilfen vorgesehen, dass die Elektroden mit einer Aktivierungsmasse bepastet sind, die das Zündverhalten ebenfalls verbessern.
Weiter verbessern lassen sich die Zündeigenschaften der Vorrichtung, wenn sich die Zündhilfen auf der Innenwand des Zylinders bis auf die Abstufung in der stirnseitigen Innenwand des Zylinders erstrecken. Dadurch lässt sich der Abstand des Endes der Zündstriche zu den metallischen Elektroden (Restisolation) einstellen und so gering halten, dass die Funktion des Zündstriches optimiert ist. Insbesondere ist in einer Ausführungsform vorgesehen, dass die Zündhilfen im Übergangsbereich von der Innenwand zu der stirnseitigen Innenwand des Zylinders verbreitert sind.
Weitere Variationen der Geometrie des Zündstrichs sind so vorgesehen, dass sie das dynamische Zündverhalten des Ableiters weiter verbessern.
In einer Ausführungsform sind die so gebildeten Zündstriche im Abstand von 45° über den Innenumfang des Zylinders verteilt .
Die Vorrichtung ist so konstruiert, dass sie zur Stapelung mehrerer gleichartiger Vorrichtungen stapelbar ausgebildet ist. Dadurch lassen sich in einfacher Weise Module mit mehreren Vorrichtungen aufbauen, die einzeln austauschbar sind und unterschiedliche Ansprechspannungen haben können.
In einer Ausführungsform weist zumindest eine der Elektroden sowohl einen napfförmigen Bereich als auch einen sickenförmigen Bereich auf, die sich in Längsachsenrichtung der Vorrichtung jeweils beiderseits der Ebene der Kontaktfläche des Zylinders und der Elektrode erstrecken. Das ermöglicht eine besonders effiziente Stapelung, weil die mittlere Elektrode zweier Ableiter nur einmal vorhanden sein muss, aber beiden Ableitern als Elektrode zur Verfügung steht.
In einer Ausführungsform ist der Ableiter so ausgebildet, dass die Elektroden an der Querachse der Vorrichtung gespiegelt sind. Das ermöglicht eine effiziente Stapelung mit geringen Abmessungen des so gebildeten Moduls.
Bei einem Modul sind mehreren Vorrichtungen bzw. Ableiter in Reihe geschaltet. Besonders platzsparend ist es, wenn zwei in Reihe geschaltete Vorrichtungen eine mittlere gemeinsame
Elektrode aufweisen, die als eine der beiden Elektroden jeder der zwei Vorrichtungen ausgebildet ist.
Die Eigenschaften eines Moduls aus in Serie geschalteten Ableitern lassen sich optimieren, wenn parallel zu mindestens einem Teil der in Reihe geschalteten Vorrichtungen ein Varistor geschaltet ist. Bedarfsweise können auch mehrere Varistoren zu Kombinationen von Ableitern parallel geschaltet sein .
In einer Ausführungsform des Moduls sind mehrere Ableiter mit unterschiedlicher Ansprechspannung in Reihe geschaltet.
Die Verwendung eines oder mehrerer Ableiter mit einem hermetisch abgeschlossenen gasgefüllten Gehäuse ermöglicht die Vermeidung von Stichflammen oder Druckwellen.
Eine Reihenschaltung mehrerer Ableiter unterschiedlicher Charakteristik in einem Modul ermöglicht die Beherrschung der geforderten Ansprechgleichspannung, der Ansprechstoßspannung und des netzfrequenten Folgestroms. Eine zusätzliche Beschaltung mehrerer Elemente der Reihenschaltung mit einem parallel dazu angeordneten Varistor begünstigt das Verhalten bei Beanspruchung mit der geforderten Ansprechgleichspannung und der Ansprechstoßspannung. Die hohe Lichtbogenspannung der Einzelableiter begrenzt den netzfrequenten Folgestrom.
Durch die hohe Wärmekapazität der Anordnung, insbesondere bei Verwendung von Kupferelektroden, und die gute Wärmeleitfähigkeit des Füllgases wird der Lichtbogen effizient gekühlt und das Löschverhalten verbessert.
Ein Modul umfasst in einer praktischen Ausführungsform eine Haltevorrichtung mit zwei beidseits des Moduls angeordneten elektrisch leitfähigen Haltern, die durch Abstandsisolatoren verbunden sind und das Modul klemmen. Die mögliche niedrige Bauhöhe eines Ableiters und auch einer Reihenschaltung von Ableitern in einem Modul, die bedarfsweise zwischen Kontaktelemente geklemmt wird, vereinfacht die Montage der Vorrichtung.
Der Aufbau eines Ableiters und die Möglichkeit eines modularen Aufbaus mehrerer Ableiter ermöglicht eine Optimierung der Vorrichtung. Die Verwendung und die Gestaltung von Zündstrichen unterstützt das definierte Ansprechen der Vorrichtung.
Die Kombination von Ableitern mit Varistoren einen verbesserten Schutz der zu schützenden Anlage.
Die oben beschriebenen Gegenstände werden anhand der folgenden Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein. Elemente, die einander gleichen oder die die gleichen Funktionen übernehmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur Ia zeigt einen Ableiter mit einer Abstufung in dem Zylinder aus isolierendem Material,
Figur Ib zeigt einen Ableiter mit einer Abstufung in jeder der beiden Elektroden,
Figur Ic zeigt einen isolierenden Zylinder mit einer
Abstufung und Zündstrichen auf der Innenwand und der Abstufung,
Figur Id zeigt den Zylinder gemäß Figur Ic in perspektivischer Darstellung,
Figur 2 zeigt ein erstes Modul mit einer Reihenschaltung gestapelter Ableiter,
Figur 3 zeigt ein zweites Modul mit einer Reihenschaltung gestapelter Ableiter,
Figur 4a-c zeigt Ersatzschaltbilder von Modulen mit
Varistoren, die parallel zu Ableitern liegen und
Figur 5 zeigt ein drittes Modul mit einem Varistor in einer Klemmhalterung .
Ein Ableiter gemäß Figur Ia enthält ein Gehäuse, das aus einem Zylinder 1 aus isolierendem Material, z.B. einer Keramik aus AI2O3, und zwei Elektroden 2, 3, insbesondere mit vorteilhaften Fließeigenschaften und hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Kupfer, gebildet ist. Die Elektroden sind insbesondere symmetrisch. Im Innern der durch das Gehäuse gebildeten Kammer 7 befindet sich der Entladungsraum. Durch eine Abstufung 4 in der Keramik wird auch bei wiederholten Stoß- und Folgestrombelastungen ein ausreichend hohes Isolationsniveau des Ableiters über seine gesamte Lebensdauer gewährleistet. Die Abstufung verlängert die wandseitige Isolationsstrecke zwischen den Elektroden.
Gemäß Figur Ib enthält als anderes Ausführungsbeispiel eines Ableiters ein Gehäuse, das aus einem Zylinder 11 aus isolierendem Material, z.B. einer Keramik aus AI2O3, und zwei Elektroden 21, 31, insbesondere mit vorteilhaften Fließeigenschaften und hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. aus Kupfer, gebildet ist. Die Elektroden sind insbesondere symmetrisch. Im Innern der durch das Gehäuse gebildeten Kammer 71 ist der Entladungsraum. Durch jeweils eine Abstufung 41 in den Elektroden wird auch bei wiederholten Stoß- und Folgestrombelastungen ein ausreichend hohes Isolationsniveau des Ableiters über seine gesamte Lebensdauer gewährleistet. Die Abstufung verlängert die wandseitige Isolationsstrecke zwischen den Elektroden.
Gemäß Figuren Ia und Ib hat ein Ableiter einen Außendurchmesser D von z.B. 30 mm und eine Höhe H von z.B. 3 mm oder 4 mm.
Die Stufe 4 in der Keramik oder 41 in den Elektroden verhindert eine durchgängige Bedampfungsschicht bei einer Lichtbogenentladung im Ableiter und damit Isolationsprobleme des Ableiters, die zu einer reduzierten oder unbrauchbaren Funktion führen können.
Durch die Verwendung von Zündstrichen 5 bzw. 51 auf der Innenfläche des Gehäuses und einer Bepastung der Elektroden mit einer Aktivierungsmasse können das Zündverhalten und die Belastbarkeit des Ableiters weiter optimiert werden.
Für die Funktion der Vorrichtung bzw. des Zündstriches jedes Ableiters ist dabei der Abstand des Zündstrichs zu den metallischen Elektroden des Ableiters wichtig. Bei einer Ausführungsform gemäß Figur Ia ist bevorzugt eine Formgebung
des Zündstrichs bis in die Stufe in der Keramik vorteilhaft, da sie die Anbindung der Zündstriche verbessert. Der Weg vom Zündstrichende zu den Elektroden lässt sich dadurch optimieren .
Figur Ic zeigt die Zündstriche 52 auf der Innenwand des Zylinders und der Abstufung 4 im Detail und perspektivisch, Figur Id. Im Kantenbereich zwischen der Innenwand des Zylinders und der Abstufung 4 sind die Zündstriche verbreitert. Andere Zündstrichgeometrien sind selbstverständlich vorgesehen. Eine Metallisierung 6 ist für die Verschlusslötung mit einer der Elektroden auf einen Teil der Stirnseite des Zylinders aufgebracht.
Nach der Verschlusslötung, bei der vorteilhaft ein Gasgemisch hoher Wärmeleitfähigkeit und druckabhängig leicht einstellbarer Durchschlagsfestigkeit, z.B. Ar-/H2~/Ne- Gemische) verwendet wird, liegt ein hermetisch dicht gasgefüllter Ableiter mit definiert eingestellten statischen und dynamischen Zündeigenschaften und einer hohen Lichtbogenspannung vor.
Um Schutz vor höheren Spannungen und Blitzen zu erhalten, werden bevorzugt mehrere der gemäß Figur Ia oder Figur Ib ausgebildeten Ableiter in Reihe geschaltet und bilden ein Modul. Zur Optimierung des Bauvolumens und des Fertigungsprozesses sind weitere Ausführungsbeispiele gemäß Figur 2 oder Figur 3 vorgesehen, in denen die Isolierkeramiken 12, 14, 16 und 18 gegenüber den Elektroden 22, 32 bzw. die Elektroden 23a, 23b gegenüber den Isolierkeramiken 13, 15 und 17 abgestuft sind.
Gemäß Figur 2 und Figur 3 weist zumindest eine der Elektroden sowohl einen napfförmigen Bereich 25, 35 bzw. 27, 28 als auch einen sickenförmigen Bereich 24, 34 bzw. 26 auf, die sich in Längsachsenrichtung der Vorrichtung jeweils beiderseits der Ebene der Kontaktfläche des Zylinders und der Elektrode erstrecken. Das ermöglicht eine besonders effiziente Stapelung, weil die mittlere Elektrode 25 bzw. 28 zweier Ableiter nur einmal vorhanden sein muss, aber beiden zugeordneten Ableitern als Elektrode zur Verfügung steht.
Die Ableiter sind so ausgebildet, dass die Elektroden an der Querachse der Vorrichtung gespiegelt sind. Das ermöglicht eine effiziente Stapelung mit geringen Abmessungen des so gebildeten Moduls.
Bei den Modulen gemäß Figur 2 bzw. Figur 3 sind mehrere Vorrichtungen bzw. Ableiter in Reihe geschaltet. Besonders platzsparend ist es, wenn zwei in Reihe geschaltete Vorrichtungen eine mittlere gemeinsame Elektrode aufweisen, die als eine der beiden Elektroden jeder der zwei Vorrichtungen ausgebildet ist.
Die Gesamtanordnung besteht gemäß Figur 4 aus einer Reihenschaltung einzelner Ableiter FS200 und FS600 mit gleichen (FS200) oder unterschiedlichen Eigenschaften, z.B. mit Ansprechgleichspannungen von 200V oder 600V. Eine äußere Beschaltung verschiedener Teilstrecken ist vorteilhaft. Diese Beschaltung erfolgt bevorzugt mit Varistoren Vl, V2, V3. Sie kann aber auch in anderer Weise mit dem Ziel realisiert werden, bei dynamischer Belastung einen schnellen Potentialanstieg an einem oder mehreren Einzelableiter zu erreichen .
Eine bevorzugte Ausführungsform aus 6 Elementen FS200 mit Uag=200 V und einem Element FS600 mit Uag=600 V in Kombination mit zwei Varistoren Vl mit 250V und V2 mit 420V zeigt Figur 4a. Figur 4b zeigt die gleiche Ableiteranordnung wie Figur 4a, jedoch mit zwei Varistoren V3 zu je 200V, die jeweils parallel zu drei seriell geschalteten Ableitern FS200 und zueinander in Serie geschaltet sind. Figur 4c zeigt die gleiche Ableiteranordnung wie Figur 4a, jedoch mit einem Varistor V2 mit 420V, der parallel zu den sechs Ableitern FS200 geschaltet ist.
Die Reihenschaltung von Einzelableitern FS200 und FS600, die vorzugsweise durch eine Klemmung in einem elektrisch leitfähigen, zangenförmigen Halter 61, 62, 63 unter Beachtung der Montierbarkeit in standardisierten Schienensystemen realisiert wird, zeigt Figur 5. Die Halter 61 und 63 sind durch Abstandshalter voneinander isoliert. Parallel zu den Ableitern FS 200 ist ein Varistor V geschaltet.
Die Klemmung ermöglicht die einfache Anpassung der elektrischen Eigenschaften an den Anwendungsfall, indem einzelne Ableiter variiert oder ausgetauscht werden können und eine äußere Beschaltung verschiedener Teilstrecken vorgenommen werden kann. Diese Beschaltung erfolgt bevorzugt mit Varistoren, kann aber auch in anderer Weise mit dem Ziel realisiert werden, bei dynamischer Belastung einen schnellen Potentialanstieg an einem oder mehreren Einzelableiter zu erreichen .