Beschreibung
Überspannungsabieiter mit thermischem Überlastschutz
Die Erfindung betrifft einen Überspannungsabieiter mit thermischem Überlastschutz sowie dessen Verwendung und ein Verfahren zum Schutz eines Überspannungsabieiters vor thermischer Überlastung.
Aus der Druckschrift DE 10059534 Cl ist ein Überspannungsabieiter bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen thermischen Überlastschutz für einen Überspannungsabieiter und ein Verfahren anzugeben, die den Überspannungsabieiter sicher und einfach vor thermischer Überlast schützen.
Diese Aufgabe wird durch einen Überspannungsabieiter gemäß Anspruch 1 gelöst.
Des weiteren wird die Aufgabe gemäß einem Verfahren nach Anspruch 11 gelöst.
Der Überspannungsabieiter weist wenigstens zwei Elektroden auf, wobei wenigstens eine der Elektroden einen
Belüftungskanal aufweist. Bei dem Überspannungsabieiter kann es sich sowohl um einen Zwei- als auch um einen Dreielektrodenüberspannungsableiter handeln, wobei wenigstens eine der äußeren Elektroden mit einem Belüftungskanal versehen ist. Die Elektroden können als sich gegenüberstehende Stiftelektroden ausgebildet sein. Alternativ kann eine Elektrode als Rohrelektrode ausgeführt sein, in die eine Stiftelektrode hineinragt. Die Elektroden
des Überspannungsabieiters sind mittels eines röhrenförmigen Isolators, vorzugsweise eines Keramikzylinders miteinander zu einem Überspannungsabieiter verbunden. Der Innenraum des Überspannungsabieiters ist gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen. Im Innenraum des Überspannungsabieiters befindet sich ein Gas.
Im Inneren des Überspannungsabieiter kommt es bei Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung zu einem Lichtbogenüberschlag. Der Lichtbogen wird durch den speisenden Strom aufrecht erhalten, solange die elektrischen Bedingungen für den Lichtbogen gegeben sind. Der Lichtbogen erzeugt eine thermische Belastung des Überspannungsabieiters, die für den Überspannungsabieiter und seine Einbau-Umgebung spezifizierte Werte nicht überschreiten darf. Andererseits wird der Überspannungsabieiter bei einer Beanspruchung mit Gleich- oder Wechselspannungen bzw. mit Gleich- oder Wechselströmen thermisch belastet. Insbesondere bei Blitzbzw. Stoßströmen wird der Überspannungsabieiter thermisch belastet.
Das Schmelzelement ist derart eingerichtet, dass es bei Erwärmung schmilzt. Der Belüftungskanal dient dazu, den Innenraum des Überspannungsabieiters mit einem Außenbereich des Überspannungsabieiters zu verbinden. Beim Schmelzen des Schmelzelements gelangt die Atmosphäre des Außenbereichs, in der Regel Luft, über den Belüftungskanal in den Innenraum des Überspannungsabieiters und löscht den Lichtbogen. Dadurch wird der Stromkreis unterbrochen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Belüftungskanal in einer Stiftelektrode angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform ist der Belüftungskanal in einer Außenelektrode oder einer Rohrelektrode angeordnet.
Durch das Einströmen von Luft in den Innenraum des Überspannungsabieiters wird verhindert, dass es durch eine thermische Überbelastung zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsabieiters kommt. Durch unzulässig hohe
Erwärmung besteht die Gefahr, dass der Überspannungsabieiter in Brand gerät. Durch die Luftzufuhr wird gezielt eine Überhitzung des Überspannungsabieiters verhindert, da bei einströmender Luft eine Trennung vom Stromkreis erfolgt.
Der Belüftungskanal ist vorzugsweise in einer Ausführungsform an seinem dem Außenbereich des Überspannungselements zugewandten Endes der Elektrode mittels eines Schmelzelements verschlossen .
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Schmelzelement die Eigenschaften eines niedrigschmelzenden Lotes auf. Es ist jedoch auch möglich, dass das Schmelzelement die Eigenschaften eines Hartlotes aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schmelzelement so ausgebildet, dass bei Erwärmung des Überspannungsabieiters das Schmelzelement Löcher aufweist, durch die die Luft in den Innenraum des Überspannungsabieiters gelangt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Elektroden des Überspannungsabieiters einen so großen Abstand auf, dass eine Überschlagspannung an Luft höher ist, als die vorgegebene Zündspannung des Überspannungsabieiters. Bei einströmender Luft kann es somit bei der anliegenden Spannung zu keiner weiteren Funkenbildung mehr kommen, wodurch sich die Gefahr einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsabieiters nahezu verhindern lässt. Die
Zündspannung des belüfteten Überspannungsabieiters weist somit im Vergleich zur anliegenden Spannung einen wesentlichen höheren Wert auf.
Durch das Eindringen von Luft in den Innenraum des
Überspannungsabieiters wird der Überspannungsabieiter somit vom Stromkreis, der durch den Überspannungsabieiter im Normalfall verbunden ist, getrennt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Belüftungskanal mit einem niedrig schmelzenden Lot verschlossen. Das Lot bildet also einen Lotpfropfen. Der Überspannungsabieiter ist im funktionsfähigen Normalzustand gasdicht verschlossen. Bei unzulässig hoher Erwärmung ist das Schmelzelement vorzugsweise so eingerichtet, dass das Schmelzelement schmilzt und dem Belüftungskanal zumindest so weit frei gibt, dass der Überspannungsabieiter mittels Luftzufuhr von Außen belüftet wird. Durch die Schmelztemperatur des Schmelzelements lässt sich die Temperatur festlegen, bei der der Überspannungsabieiter belüftet wird, und somit vom Stromkreis getrennt ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist Außen an dem Schmelzelement eine Abdeckscheibe angeordnet. Das Schmelzelement befindet sich in dieser Ausführungsform vorzugsweise zwischen dem äußeren Ende des Belüftungskanals und der Abdeckscheibe.
Die Abdeckscheibe besteht vorzugsweise aus Kupfer. Die Abdeckscheibe kann jedoch auch aus einem anderen, vorzugsweise hitzebeständigen, Material bestehen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Abdeckscheibe in der Art angebracht, dass durch die Abdeckscheibe der Funktionszustand des Überspannungsabieiters angezeigt wird. Bei vorzugsweise liegender Anordnung des Überspannungsabieiters ist es somit möglich, dass durch die Abdeckscheibe angezeigt wird, ob der Überspannungsabieiter bereits belüftet ist oder nicht. Bei unbelüftetem, und somit funktionsfähigem Zustand des Überspannungsabieiters befindet sich die Abdeckscheibe auf dem Schmelzelement. Bei unzulässiger Erwärmung schmilzt das Schmelzelement, wodurch sich die Abdeckscheibe von dem Schmelzelement löst und insbesondere durch das Gewicht der Abdeckscheibe von ihrer ursprünglichen Position löst. Dabei fällt die Abdeckscheibe entweder komplett von der Elektrode ab oder entfernt sich zumindest von ihrer ursprünglichen Position. Dadurch ist es möglich, aus der Position der Abdeckscheibe mit Bezug auf den Überspannungsabieiter auf dessen Funktionszustand zu schließen. Der Betrachter kann somit durch einen Blick auf die Stirnseite des Überspannungsabieiters sofort feststellen, ob der Überspannungsabieiters noch in intaktem Zustand, also unbelüftet ist, oder ob er in Folge von unzulässig hoher Erwärmung belüftet ist, und somit für seine ursprüngliche Verwendung nicht mehr zur Verfügung steht und ausgetauscht werden muss.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an der Abdeckscheibe eine mechanische Feder angeordnet.
Bei geschmolzenem Schmelzelement ist die Feder derart angeordnet, dass die Abdeckscheibe durch die Kraft der Feder von dem Schmelzelement beziehungsweise von der ursprünglichen Position gelöst wird und auf ein in der Nähe befindliches Kontaktelement gedrückt wird. Durch den Kontakt der
Abdeckscheibe mit dem Kontaktelement wird ein elektrischer Kontakt geschlossen und ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses elektrische Signal kann zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise zur Anzeige des Funktionszustands des Überspannungsabieiters genutzt werden. Der
Überspannungsabieiter ist in dieser Ausführungsform somit auch für eine stehende Anordnung ausgelegt.
Bevorzugt wird der Überspannungsabieiter in einer Telekommunikationseinrichtung, beispielsweise einem Telekommunikationsnetzwerk verwendet. Der
Überspannungsabieiter ist in seiner Verwendung nicht auf Telekommunikationsnetzwerke eingeschränkt und kann auch in jeder anderen elektrischen Schaltung verwendet werden, in der hohe Spannungen mittels eines Überspannungsabieiters abgeführt werden müssen. Insbesondere ist der Überspannungsabieiter für Blitzschutzanwendungen geeignet, bei denen der Überspannungsabieiter zumindest zeitweise an Netzspannung liegt, bzw. liegen kann. Der Überspannungsabieiter ist insbesondere dazu geeignet, im Bereich des Netzschutzes, d.h. in der Stromversorgung von Gebäuden (230 V-Netz) , zum Schutz vor Blitzstoßströmen und Überspannungen eingesetzt zu werden.
Überspannungsabieiter dienen dazu, hohe pulsförmige
Spannungen von einigen kV und Ströme von einigen kA in sehr kurzer Zeit kurzzuschließen beziehungsweise zur Erde abzuleiten. Eine im Fehlerfall länger andauernde Belastung, zum Beispiel wenn ein Netzstrom über ein Telekommunikationsnetzwerk beziehungsweise einen
Spannungsabieiter kurzgeschlossen ist (Power Cross) , kann es zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsabieiters kommen, was möglicherweise zu einem
Brand führen würde. Durch einen wie oben beschriebenen Überspannungsabieiter wird diese übermäßige Erhitzung verhindert, da bei Belüftung des Überspannungsabieiters eine Trennung vom Stromkreis erfolgt und der Überspannungsabieiter abkühlt.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Schutz eines wie zuvor beschriebenen Überspannungsabieiters vor thermischer Überlastung beschrieben, das die folgenden Schritte aufweist. Wenn sich der Überspannungsabieiter unzulässig stark erwärmt, schmilzt durch die Erwärmung des Überspannungsabieiter das Schmelzelement. Durch das Schmelzen des Schmelzelements wird in einem nächsten Schritt der Überspannungsabieiter durch den Belüftungskanal belüftet und durch Löschen des Lichtbogens der Stromkreis getrennt.
In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird eine Abdeckscheibe bei Schmelzen des Schmelzelements von ihrer ursprünglichen Position gelöst. Bei liegendem Einbau des Überspannungsabieiters entfernt sich die Abdeckscheibe somit vorzugsweise von ihrer ursprünglichen Position auf der Außenseite der Elektrode.
In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird die Abdeckscheibe bei Schmelzen des Schmelzelements durch die
Kraft einer Feder auf ein Kontaktelement gedrückt. Durch den Kontakt zwischen der Abdeckscheibe und dem Kontaktelement wird ein elektrisches Signal von dem Kontaktelement erzeugt und weitergeleitet.
Die Anordnung und das Verfahren werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert .
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Gleiche Elemente oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Figur 1 zeigt eine Elektrode eines Überspannungsabieiters mit Belüftungskanal, der mit einem Schmelzelement verschlossen ist,
Figur 2 zeigt eine Elektrode eines Überspannungsabieiters mit einer Abdeckscheibe, die sich auf dem
Schmelzelement über dem Belüftungskanal befindet,
Figur 3 zeigt eine schematische Skizze eines
Zweipunktüberspannungsableiters,
Figur 4 zeigt eine schematische Skizze einer Elektrode eines Überspannungsabieiters, bei der die
Abdeckscheibe mit einer mechanischen Feder versehen ist.
In der Figur 1 ist eine erste Ausführungsform einer Elektrode 1 eines Überspannungsabieiters in Querschnitt dargestellt. Die Elektrode 1 weist vorzugsweise einen Belüftungskanal 2 auf, der das Innere eines Überspannungsabieiters mit der äußeren Umgebung verbindet. Der Belüftungskanal 2 ist vorzugsweise an seinem äußeren Ende mit einem Schmelzelement 3 versehen, das den Überspannungsabieiter gasdicht verschließt. Das Schmelzelement kann als Lotpfropfen
ausgebildet sein. Der Belüftungskanal 2 ist vorzugsweise derart angeordnet, so dass die Stirnfläche der Elektrode 1 im Innenbereich des Überspannungsabieiters eine homogene Elektrodenstirnfläche aufweist. Zwischen den inneren Stirnflächen der Elektroden 1 eines Überspannungsabieiters erfolgt die Bildung der Funkenstrecke. Der Belüftungskanal 2 in der Figur 1 weist eine erste Bohrung auf, die quer durch die Elektrode 1 führt und an beiden Enden zu dem Innenraum der Elektrode 1 hin geöffnet ist. Eine senkrecht zur ersten Bohrung angeordnete zweite Bohrung bildet zusammen mit der ersten Bohrung den Belüftungskanal 2. An dem äußeren Ende der zweiten Bohrung ist der Belüftungskanal 2 mit einem Schmelzelement 3 gasdicht verschlossen.
Der Belüftungskanal 2 kann jede beliebige Form aufweisen, die dazu geeignet ist, die Umgebung des Überspannungsabieiters mit dem Innenraum zu verbinden, so dass Luft in den Innenraum des Überspannungsabieiters gelangen kann. Der Belüftungskanal endet vorzugsweise nicht im Bereich der inneren Stirnfläche der Elektrode 1.
Die Figur 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Elektrode 1 eines Überspannungsabieiters im Querschnitt. Der Belüftungskanal 2 ist am äußeren Ende mit einem Schmelzelement 3 und einer Abdeckscheibe 4 gasdicht verschlossen. Die Abdeckscheibe 4 wird durch das Schmelzelement 3 in ihrer Position fixiert. Im Falle einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsabieiters schmilzt das Schmelzelement 3, wodurch sich die Abdeckscheibe 4 von dem Schmelzelement 3 löst. Bei waagrechtem Einbau des Überspannungsabieiters würde sich die Abdeckscheibe 4 in Falle des Schmelzens des Schmelzelements 3 vom Schmelzelement 3 ablösen und verrutschen bzw. sogar ganz abfallen.
Die Position der Abdeckscheibe 4 dient somit als Indikator, ob der Überspannungsabieiter belüftet ist oder noch in intaktem Zustand ist. Bei intaktem Zustand des Überspannungsabieiters befindet sich die Abdeckscheibe 4 an ihrer ursprünglichen Position auf dem Schmelzelement 3. Ist der Überspannungsabieiter belüftet und damit unbrauchbar, ist die Abdeckscheibe 4 wenigstens von ihrer ursprünglichen Position entfernt, oder die Abdeckscheibe 4 hat sich vollständig davon entfernt.
In der Figur 3 ist eine schematische Skizze eines 2- Elektrodenüberspannungsableiters dargestellt. Der Überspannungsabieiter weist in dieser Ausführungsform zwei Elektroden 1 auf, von denen wenigstens eine der beiden Elektroden 1 einen Belüftungskanal 2 aufweist. Der Belüftungskanal ist mit einem Schmelzelement 3 gasdicht verschlossen. Zwischen den beiden Elektroden 1 des Überspannungsabieiters ist als Isolator ein röhrenförmiger Zylinder 5 angeordnet, der zusammen mit den beiden Elektroden 1 den eigentlichen Überspannungsabieiter bildet. Der Zylinder 5 ist vorzugsweise aus einem keramischen Material gebildet. Zusammen mit den beiden Elektroden 1 bildet der Zylinder 5 einen gasdicht abgeschlossenen Innenraum des Überspannungsabieiters. Der Abstand der beiden Elektroden 1 des Überspannungsabieiters ist so groß, dass eine Überschlagsspannung zwischen den beiden Elektroden 1 an Luft höher ist, als die vorgegebene Zündspannung des Überspannungsabieiters .
Die Figur 4 zeigt eine Elektrode 1 einer weiteren Ausführungsform des Überspannungsabieiters im Querschnitt. Der Belüftungskanal 2 der Elektrode 1 ist mit einem
Schmelzelement 3 gasdicht verschlossen. Eine Abdeckscheibe 4 ist derart auf dem Schmelzelement 3 angeordnet, dass zwischen der Elektrode 1 und der Abdeckscheibe 4 eine Feder 6 angeordnet ist. Die Abdeckscheibe 4 wird durch das Schmelzelement 3 fixiert. Im Falle einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsabieiters schmilzt das Schmelzelement 3. Durch die Kraft der Feder 6 wird die Abdeckscheibe 4 vom Schmelzelement 3 gelöst und wird durch die Feder 6 auf ein Kontaktelement 7 gedrückt, das an der Stirnseite des Überspannungsabieiters angeordnet ist. Durch den Kontakt der Abdeckscheibe 4 mit dem Kontaktelement 7 wird durch das Kontaktelement ein Signal ausgelöst, das über eine Signalleitung 8 an eine Auswerteeinrichtung, die in dieser Figur nicht dargestellt ist, weitergeleitet wird. Das Signal des Kontaktelements 7 ist somit geeignet, den
Funktionszustand des Überspannungsabieiters direkt oder indirekt in optischer, akustischer oder anderweitiger Form darzustellen .
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte
Anzahl möglicher Weiterbildungen des Überspannungsabieiters beschrieben wird, ist dieser nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, auch einen Dreielektrodenableiter bei der Mittelelektrode mit einem Belüftungskanal zu versehen, der mittels eines
Schmelzelements verschlossen ist, wobei die Mittelelektrode direkten Kontakt nach außen hat. Des Weiteren ist es auch möglich, die Form und die Gestalt des Belüftungskanals anderweitig als dargestellt zu wählen. Der Überspannungsabieiter ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände und Verfahren ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen, soweit technisch sinnvoll, beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugs zeichenliste
1 Elektrode
2 Belüftungskanal
3 Schmelzelement
4 Abdeckscheibe
5 Zylinder
6 Feder
7 Kontaktelernent
8 SignalIeitung