EP1226638A2 - Überspannungsschutzeinrichtung - Google Patents

Überspannungsschutzeinrichtung

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Publication number
EP1226638A2
EP1226638A2 EP01978261A EP01978261A EP1226638A2 EP 1226638 A2 EP1226638 A2 EP 1226638A2 EP 01978261 A EP01978261 A EP 01978261A EP 01978261 A EP01978261 A EP 01978261A EP 1226638 A2 EP1226638 A2 EP 1226638A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
protection device
spark gap
overvoltage protection
air breakdown
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.)
Granted
Application number
EP01978261A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1226638B1 (de
Inventor
Rainer Durth
Martin Wetter
Joachim Wosgien
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.)
Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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
Priority claimed from DE10040603A external-priority patent/DE10040603B4/de
Application filed by Phoenix Contact GmbH and Co KG filed Critical Phoenix Contact GmbH and Co KG
Publication of EP1226638A2 publication Critical patent/EP1226638A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1226638B1 publication Critical patent/EP1226638B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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
    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an overvoltage protection device with a first electrode, with a second electrode, with an air breakdown spark gap existing or effective between the electrodes, and with a housing which receives the electrodes, wherein when the air breakdown spark gap is ignited, a Arc arises between the first electrode and the second electrode.
  • Electrical, but in particular electronic measuring, control, regulating and switching circuits are sensitive to transient overvoltages, as can occur in particular due to atmospheric discharges, but also due to switching operations or short circuits in energy supply networks.
  • This sensitivity has increased to the extent that electronic components, in particular transistors and thyristors, are used; Above all, increasingly used integrated circuits are endangered to a great extent by transient overvoltages.
  • Overvoltages are all voltages that are above the upper tolerance limit of the nominal voltage. Above all, this includes the transient overvoltages, which can occur due to atmospheric discharges, but also as a result of switching operations or short circuits in energy supply networks, and which can be coupled into electrical circuits galvanically, inductively or capacitively.
  • surge protection devices In order to protect electrical or electronic circuits, in particular electronic measuring, control, regulating and switching circuits, especially also telecommunication devices and systems, wherever they are used, against transient overvoltages, surge protection devices have been developed and have been in use for more than twenty years Years known.
  • An essential part of the surge protection device of the type in question here is at least one spark gap, which at a certain Overvoltage, the response voltage, and thus prevent overvoltages occurring in the circuit protected by an overvoltage protection device which are greater than the response voltage of the spark gap.
  • the overvoltage protection device according to the invention has two electrodes and an air breakdown spark gap which exists or is effective between the electrodes.
  • surge protection devices with an air breakdown spark gap there are surge protection devices with an air flashover spark gap in which a sliding discharge occurs when activated.
  • Overvoltage protection devices with an air breakdown spark gap have the advantage of a higher surge current carrying capacity compared to surge protection devices with an air flashover spark gap, but the disadvantage of a higher - and not particularly constant - response voltage.
  • various overvoltage protection devices with an air breakdown spark gap have already been proposed, which have been improved with regard to the response voltage.
  • Ignition aids have been implemented in the area of the electrodes or the air breakdown spark gap effective between the electrodes, for. B. in such a way that at least one ignition aid triggering sliding discharge has been provided, which at least partially protrudes into the air breakdown spark gap, is web-like and made of plastic.
  • An overvoltage protection device of the type described above is known from DE 44 02 615 C2.
  • the known surge protection device has two narrow electrodes, each of which is angular and each has a spark horn and an angled connecting leg.
  • the spark horns of the electrodes are provided with a hole in their areas adjacent to the connecting legs.
  • the holes provided in the spark horns of the electrodes ensure that at the moment the overvoltage protection element responds, that is to say the ignition, the resulting arc is "set in motion" by a thermal pressure effect, that is to say it migrates away from its point of origin. Since the spark horns of the electrodes are arranged in a V-shape with respect to one another, the distance to be bridged by the arc is thus reduced
  • BESTATIGUNGSKOPIE Moving out of the arc increases, which also increases the arc voltage.
  • Another way of extinguishing the arc is to cool the arc by the cooling effect of insulating material walls and the use of gas-emitting insulating materials. This requires a strong flow of the extinguishing gas, which requires a great deal of design.
  • the object of the present invention is now to provide an overvoltage protection device of the type in question which is distinguished by a high line follow current extinguishing capacity, but can nevertheless be implemented in a structurally simple manner.
  • the overvoltage protection device in which the previously derived and shown object is achieved, is first and essentially characterized in that a third electrode is assigned to the first electrode and the second electrode and a second air between the first electrode and the third electrode. Breakdown spark gap exists or is effective that the third electrode via at least one impedance, in particular a varistor, is connected directly or indirectly to the second electrode and that after the discharge of the surge current through the first electrode, the first air breakdown spark gap and the second electrode of the remaining arcs from the first air breakdown spark gap to the second air
  • the overvoltage protection device is generally parallel to the input of the circuit to be protected or the system or device to be protected.
  • the - two-pole - overvoltage protection device is thus electrically, and galvanically, connected to the lines or connections between which the operating voltage is present during operation.
  • the first line or the first connection is also described as being live, while the second line or the second connection is also referred to as ground.
  • the first electrode of the overvoltage device is to be or are to be connected to the live line or the live connection and the second electrode of the overvoltage device is to be connected to ground.
  • the overvoltage protection device according to the invention can also be connected in reverse, and of course the overvoltage protection device according to the invention can not only be used to protect circuits in which an AC voltage is present as the operating voltage, but rather the overvoltage protection device according to the invention can also be used without further ado if the operating voltage of the device to be protected Circuit is a DC voltage.
  • the third electrode is connected directly or indirectly to the second electrode via at least one impedance.
  • a direct connection means that the third electrode is connected to the second electrode within the overvoltage protection device according to the invention.
  • An indirect connection of the third electrode to the second electrode is to be understood to mean that this connection can be or is to be implemented outside the surge protection device according to the invention, for. B. in that the overvoltage protection device has three poles and both the second electrode and the third electrode are to be grounded or grounded.
  • the air breakdown spark gap ignites between the first and the second electrode when the response voltage is applied, as is customary in the prior art.
  • a known ignition aid can be implemented in the area of the electrodes or in the air breakdown spark gap effective between the electrodes.
  • the surge current is now diverted via the ignited spark gap, also as is known.
  • the remaining arc is now moved according to the invention from the first air breakdown spark gap to the second air breakdown spark gap.
  • the third electrode is not connected directly to the ground like the second electrode, but via at least one impedance, in particular a varistor, an abruptly increased impedance is now effective for the overvoltage protection device, so that a line follow current is prevented or an existing line follow current occurs Going out.
  • a voltage divider lies between the first electrode or the live line or the live connection and ground, which ensures that when the mains voltage is present, the partial voltage present between the first electrode and the third electrode is lower than the burning voltage of the arc, this partial voltage is therefore no longer sufficient to maintain the arc.
  • the manner in which the arc remaining after the discharge of the impulse current is carried from the first air breakdown spark gap to the second air breakdown spark gap or from the first electrode and the second electrode to the first electrode and the third electrode can be realized by different measures, in particular, as already stated, by pneumatic or magnetic blowing.
  • Pneumatic blowing can be achieved by specifically guiding the gas or plasma flow resulting from the thermal of the arc.
  • a preferred embodiment of the overvoltage protection device according to the invention that realizes this measure is characterized in that the housing and / or the third electrode has or has at least one opening, through the opening a pressure equalization is created and the pressure equalization is a targeted spreading of the gas or plasma flow from the second Electrode to the third electrode. As the gas or plasma flow propagates from the second electrode towards the third electrode, the base point of the arc is moved from the second electrode to the third electrode.
  • the magnetic blowing already mentioned can be achieved by arranging the electrical connections of the overvoltage protection device to one another in a known manner in such a way that the surge current generates such a magnetic field that the arc from the first air breakdown spark gap to the second air breakdown - Spunk distance or from the first electrode and the second electrode to the first electrode and the third electrode.
  • the teaching of the present invention is fundamentally independent of the specific design of the overvoltage protection device, in particular of the type and shape of the electrodes, the design of the air breakdown spark gap or the use of ignition aids. Nevertheless, two preferred exemplary embodiments of the surge protection device according to the invention are to be briefly stated below.
  • a first preferred embodiment of the overvoltage protection device is characterized in that the housing has an essentially cylindrical shape, the first electrode is designed as a rod-shaped central electrode, and the second electrode and the third electrode are designed as cylindrical outer electrodes and are arranged concentrically around the first electrode are and that the second electrode and the third electrode are arranged at an axial distance from one another, - so that part of the first electrode is surrounded by the second electrode and another part of the first electrode by the third electrode.
  • the arc is then blown parallel to the longitudinal extent of the first electrode from the second electrode to the third electrode, for. B. in that in the third electrode or on
  • BESTATIGUNGSKOPIE Transition of the third electrode to the housing at least one radial opening is provided.
  • a second preferred exemplary embodiment of the overvoltage protection device is characterized in that the first electrode is designed as a flat circular disk, in that the second electrode and the third electrode are arranged opposite the first electrode and in that the second electrode is centered on the first electrode and the third electrode is arranged concentrically around the second electrode.
  • the third electrode is preferably not in the form of a ring, but in the form of a ring segment, in particular semicircular, so that the third electrode only partially concentrically surrounds the second electrode.
  • the axial distance between the first electrode and the second electrode is less than the axial distance between the first electrode and the third electrode. This can be achieved by different heights or arrangements of the second electrode or the third electrode. The fact that the distance between the first electrode and the second electrode is less than the distance between the first electrode and the third electrode ensures that the air breakdown spark gap between the first electrode and the second electrode ignites and the surge current is derived via this air breakdown spark gap, that is to say via the first electrode and the second electrode.
  • BESTATIGUNGSKOPIE 2 shows a basic sketch of a first exemplary embodiment of an overvoltage protection device according to the invention
  • FIG. 3 shows an illustration of the electrode arrangement in the embodiment of the surge protection device according to the invention according to FIG. 2, partly in section,
  • FIG. 4 shows a basic sketch of a second exemplary embodiment of an overvoltage protection device according to the invention
  • Fig. 5 is an overvoltage protection device according to the second embodiment in section and
  • Fig. 6 is a plan view of an overvoltage protection device according to the second embodiment.
  • the overvoltage protection device which initially consists of a first electrode 1 and a second electrode 2 and an air breakdown spark gap 3 which is effective between the electrodes 1, 2.
  • Such an overvoltage protection device is used to protect electrical circuits or systems or devices. If a transient overvoltage occurs that is greater than the response voltage of the overvoltage protection device, this responds, i. that is, the air breakdown spark gap 3 is ignited, an arc 4 is formed between the first electrode 1 and the second electrode 2.
  • the arc 4 creates a relatively low-resistance connection between the first electrode 1 and the second electrode 2, so that when the operating voltage is applied, an undesired line follow current can flow through the overvoltage protection device.
  • a line follow current is prevented or an occurring line follow current is extinguished by assigning a third electrode 5 to the first electrode 1 and the second electrode 2 and a second air between the first electrode 1 and the third electrode 5 Breakdown spark gap 6 exists
  • the third electrode 5 is directly or indirectly connected to the second electrode 2 via at least one impedance, in the present case via a varistor 7, and that after the surge current has been discharged via the first electrode 1, the first air breakdown Spark gap 3 and the second electrode 2, the remaining arc 4 can be moved from the first air breakdown spark gap 3 to the second air breakdown spark gap 6 or from the first electrode 1 and the second electrode 2 to the first electrode 1 and the third electrode 5 is, in particular by pneumatic or magnetic blowing.
  • the first electrode 1 is designed as a rod-shaped central electrode and the second electrode 2 and the third electrode 5 are designed as cylindrical outer electrodes and are arranged concentrically around the first electrode 1.
  • the second electrode 2 and the third electrode 5 are arranged at an axial distance from one another.
  • the third electrode 5 has a radial opening 9 through which pressure equalization occurs, the pressure equalization causing the plasma current to spread from the area between the first electrode 1 and the second electrode 2 into the area between the first electrode 1 and of the third electrode 5.
  • the direction of this plasma flow is marked with P in FIG. 2.
  • This plasma flow caused by the pressure equalization, drives an arc 4 present between the first electrode 1 and the second electrode 2 or the base point 8 of the arc 4 from the second electrode 2 to the third electrode 5.
  • the second electrode 2 and the third electrode 5 are separated from one another by an annular spacer element 10.
  • the radial distance between the first electrode 1 and the second electrode 2 or the third electrode 5 is ensured by two ring-shaped carrier elements 11, 12, the carrier elements elements 11, 12 have a radial section 13 and an axial section 14.
  • the axial section 14 of the carrier elements 11, 12, together with the annular spacer element 10, serves as a support for the second electrode 2 and the third electrode 5.
  • Both the annular spacer element 10 and the carrier elements 11, 12 are preferably made of plastic , Not shown in FIGS. 2 and 3 is a housing which accommodates the electrodes 1, 2, 5 as a whole. Such a housing, like the arrangement of the electrodes 1, 2, 5, is then essentially cylindrical.
  • FIG. 4 to 6 show a second exemplary embodiment of the overvoltage protection device according to the invention, the shading of the third electrode 5 with a varistor 7 being indicated in FIG. 4 corresponding to FIG. 2 to clarify the function of the overvoltage protection device.
  • the first electrode 1 is designed as a flat circular disk, only part of the first electrode 1 being shown in FIG. 6.
  • the second electrode 2 and the third electrode 5 are arranged opposite the first electrode 1, the second electrode 2 being arranged centrally to the first electrode 1 and the third electrode 5 being arranged concentrically around the second electrode 2.
  • FIG. 5 also shows a housing of the overvoltage protection device consisting of an upper housing part 15 and a lower housing part 16. An insulating part 17 made of plastic connects to the lower housing part 16. In the interior of the housing there is a pot-shaped receiving element 18 for the second electrode 2 and the third electrode 5, which is also made of plastic. A spacer element 19 formed in one piece with the cup-shaped receiving element 18 ensures the separation of the second electrode 2 from the third electrode 5.
  • the second electrode 2 is circular and the third electrode 5 is semicircular.
  • openings 20 are provided in the vicinity of the upper housing part 15, these openings 20 being located on the side of the lower housing part 16 facing the third electrode 5.
  • the openings 20 are thus provided in the region of the lower housing part 16 which is adjacent to the air breakdown spark gap 6 between the first electrode 1 and the third electrode 5.
  • recesses 21 are provided in the upper housing part 15, through which the excess pressure generated by the plasma flow can be reduced.
  • a pressure equalization occurs through the openings 20 and the recesses 21, the pressure equalization causing the plasma flow to spread from the area between the first electrode 1 and the second electrode 2 into the area between the first electrode 1 and the third electrode 5.

Landscapes

  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

Überspannungsschutzemrichtung
Die Erfindung betrifft eine Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode, mit einer zwischen den Elektroden exi- stenten bzw. wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und mit einem die Elektroden aufnehmenden Gehäuse, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag- Funkenstrecke ein Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode 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 Empfindlichkeit 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, 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 Überspannungen, die aufgrund von atmosphärischen Entla- düngen, 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 Telekommunikationseinrichtungen 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 Ansprechspaimung, ansprechen und damit verhindert, daß in dem durch eine Überspannungsschutzeinrichtung geschützten Stromkreis Überspannungen auftreten, die größer als die Ansprechspannung der Funkenstrecke sind.
Eingangs ist ausgeführt worden, daß die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung zwei Elektroden und eine zwischen den Elektroden existente bzw. wirksame Luft-Durchschlag-Funkenstrecke aufweist. Neben Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke gibt es Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke, bei denen beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt. Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke haben gegenüber Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoßstromtragfähigkeit, jedoch den Nachteil einer höheren - und auch nicht sonderlich konstanten - Ansprechspannung. Deshalb sind bereits verschiedene Überspannungsschutzeinrichtungen mit einer Luft-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 Luft-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 Luft-Durchschlag-Funkenstrecke hineinragt, stegartig ausgeführt ist und aus Kunststoff besteht.
Eine Überspannu igsschutzeinrichtung der eingangs und zuvor beschriebenen Art ist aus der DE 44 02 615 C2 bekannt. Die bekannte Überspannungsschutzeinrichtung weist zwei schmale Elektroden auf, die jeweils winkelförmig ausgebildet sind und jeweils ein Funkenhorn und einen davon abgewinkelten Anschlußschenkel aufweisen. Darüber hinaus sind die Funkenhörner der Elektroden in ihren an die Anschlußschenkel angrenzenden Bereichen mit einer Bohrung versehen. Die in den Funkenhörnern der Elektroden vor-gesehenen Bohrungen sorgen dafür, daß im Augenblick des Ansprechens 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
BESTATIGUNGSKOPIE Herauswandern des Lichtbogens vergrößert, wodurch auch die Lichtbogenspannung ansteigt.
Beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke entsteht durch den sich bil- denden Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden. Hierdurch folgt bei anliegender Netzspannung ein unerwünschter Netzfolgestrom über die Überspannungsschutzeinrichtung, so daß man bestrebt ist, den Lichtbogen möglichst schnell nach abgeschlossenem Ableitvorgang zu löschen. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Licht- bogenlänge und damit die Lichtbogenspannung zu vergrößern. Diese Möglichkeit ist bei der Überspannungsschutzeinrichtung, wie sie aus der DE 44 02 615 C2 bekannt ist, realisiert. Nachteilig ist dabei, daß die geometrischen Abmessungen der Elektroden entsprechend groß werden und damit diese Beeinflussung an bestimmte Geometrievorgaben gebunden ist.
Eine weitere Möglichkeit, den Lichtbogen 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 konstruktiven Aufwand erfordert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Überspannungsschutzeinrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, die sich durch ein hohes Netzfol- gestromlöschvermögen auszeichnet, trotzdem jedoch konstruktiv einfach realisiert werden kann.
Die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung, bei der die zuvor hergeleitet und aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine dritte Elektrode zugeordnet ist und zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode eine zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke existent bzw. wirksam ist, daß die dritte Elektrode über mindestens eine Impedanz, insbesondere einen Varistor, direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode verbunden ist und daß nach dem Ableiten des Stoßstromes über die erste Elektrode, die erste Luft-Durchschlag-Funkenstrecke und die zweite Elektrode der verbliebenen Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zur zweiten Luft-
BESTATIGUNGSKOPIE Durchschlag-Funkenstrecke verbringbar ist, insbesondere durch pneumatische oder magnetische Beblasung.
Wie im Stand der Technik, so liegt auch die erfindungsgemäße Überspannungs- Schutzeinrichtung in der Regel parallel zum Eingang des zu schützenden Stromkreises bzw. der zu schützenden Anlage bzw. des zu schützenden Gerätes. Die - zweipolige - Überspannungsschutzeinrichtung ist also elektrisch, und zwar galvanisch, mit den Leitungen bzw. Anschlüssen verbunden, zwischen denen betriebsmäßig die Betriebsspannung ansteht. Nachfolgend werden, wie nicht unüb- lieh, die erste Leitung bzw. der erste Anschluß auch mit spannungsführend beschrieben, während die zweite Leitung bzw. der zweite Anschluß auch mit Masse bezeichnet wird. Unter Verwendung dieser Terminologie wird dann als Regelfall davon ausgegangen, daß die erste Elektrode der Überspannungseinrichtung mit der spannungsführenden Leitung bzw. dem spannungsführenden Anschluß und die zweite Elektrode der Überspannungseinrichtung mit Masse zu verbinden sind bzw. verbunden sind. Selbstverständlich kann auch der Anschluß der erfϊndungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung umgekehrt erfolgen und selbstverständlich kann die erfϊndungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung nicht nur zum Schutz von Stromkreisen verwendet werden, bei denen als Betriebsspannung eine Wechselspannung vorliegt, vielmehr ist die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung ohne weiteres auch dann einsetzbar, wenn die Betriebsspannung des zu schützenden Stromkreises eine Gleichspannung ist.
Im Bezug auf die Überspannungsschutzeinrichtung hat es zuvor geheißen, daß die dritte Elektrode über mindestens eine Impedanz direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Mit einer direkten Verbindung ist gemeint, daß die dritte Elektrode innerhalb der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung mit der zweiten Elektrode verbunden ist. Unter einer indirekten Verbin- düng der dritten Elektrode mit der zweiten Elektrode ist zu verstehen, daß diese Verbindung außerhalb der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung zu realisieren ist bzw. realisiert ist, z. B. dadurch, daß die Überspannungsschutzeinrichtung dreipolig ist und sowohl die zweite Elektrode als auch die dritte Elektrode auf Masse zu legen sind bzw. auf Masse liegen. Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung zündet die Luft- Durchschlag-Funkenstrecke bei Anliegen der Ansprechspannung, sowie im Stand der Technik üblich, zwischen der ersten und der zweiten Elektrode. Dabei kann zur Verbesserung der Ansprechcharakteristik der Überspannungsschutz- einrichtung - wie im Stand der Technik bekannt - im Bereich der Elektroden bzw. der zwischen den Elektroden wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke eine bekannte Zündhilfe realisiert sein. Über die gezündete Funkenstrecke wird nun - ebenfalls wie bekannt - der Stoßstrom abgeleitet. Zur Unterdrückung eines möglichen Netzfolgestroms bzw. zum Löschen eines aufgetretenen Netzfolge- Stroms wird nun erfindungsgemäß der verbliebene Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke verbracht. Dadurch, daß die dritte Elektrode nicht wie die zweite Elektrode direkt, sondern über mindestens eine Impedanz, insbesondere einen Varistor, mit Masse verbunden ist, wird jetzt für die Überspannungsschutzeinrichtung eine schlagartig erhöhte Impedanz wirksam, so daß ein Netzfolgestrom verhindert bzw. ein existenter Netzfolgestrom zum Erlöschen gebracht wird. Durch die der dritten Elektrode nachgeschaltete Impedanz liegt zwischen der ersten Elektrode bzw. der spannungsführenden Leitung bzw. dem spannungsführenden Anschluß und Masse ein Spannungsteiler, der dafür sorgt, daß bei anliegender Netzspan- nung die zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode anstehende Teilspannung geringer ist als die Brennspannung des Lichtbogens, diese Teilspannung somit nicht mehr ausreicht, um den Lichtbogen aufrechtzuerhalten.
Die Art und Weise, wie der nach dem Ableiten des Stoßstroms verbliebene Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zur zweiten Luft- Durchschlag-Funkenstrecke bzw. von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zur ersten Elektrode und der dritten Elektrode verbracht wird, kann durch unterschiedliche Maßnahmen realisiert werden, insbesondere, wie bereits ausgeführt, durch pneumatische oder magnetische Beblasung. Eine pneumatische Beblasung kann dadurch realisiert werden, daß der aus der Thermik des Lichtbogens resultierende Gas- bzw. Plasmastrom gezielt geführt wird. Eine diese Maßnahme realisierende bevorzugte Aus-führungsform der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und/oder die dritte Elektrode mindestens eine Öffnung aufweisen bzw. aufweist, durch die Öffnung ein Druckausgleich entsteht und der Druckausgleich eine gezielte Ausbreitung des Gas- bzw. Plasmastroms von der zweiten Elektrode zur dritten Elektrode bewirkt. Mit der Ausbreitung des Gas- bzw. Plasmastroms von der zweiten Elektrode in Richtung auf die dritte Elektrode wird der Fußpunkt des Lichtbogens von der zweiten Elektrode zur Dritten Elektrode verbracht.
Die bereits angesprochene magnetische Beblasung kann dadurch realisiert sein, daß in bekannter Weise die elektrischen Anschlüsse der Überspannungsschutzeinrichtung derart zueinander angeordnet sind, daß der Stoßstrom ein solches Magnetfeld erzeugt, daß den Lichtbogen von der ersten Luft-Durchschlag-Fun- kenstrecke zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke bzw. von der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zur ersten Elektrode und der dritten Elektrode verbringt.
Es ist selbstverständlich, daß bei erfindungsgemäßen Überspannungsschutzein- richtungen auch sowohl eine pneumatische als auch eine magnetische Beblasung des verbliebenen Lichtbogens realisiert sein können.
Die Lehre der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der Überspannungsschutzeinrichtung, insbesondere von der Art und der Form der Elektroden, der Ausgestaltung der Luft-Durchschlag- Funkenstrecke oder der Verwendung von Zündhilfen. Dennoch sollen nachfolgend zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung kurz angegeben werden.
Ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist, daß die erste Elektrode als stabfδrmige Mittelelektrode ausgeführt ist, daß die zweite Elektrode und die dritte Elektrode als zylindrische Außenelektroden ausgebildet und konzentrisch um die erste Elektrode angeordnet sind und das die zweite Elektrode und die dritte Elektrode mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind, - so daß ein Teil der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode und ein anderer Teil der ersten Elektrode von der dritten Elektrode umgeben ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung wird der Lichtbogen dann parallel zur Längserstreckung der ersten Elektrode von der zweiten Elektrode zur dritten Elektrode geblasen, z. B. dadurch, daß in der dritten Elektrode oder am
BESTATIGUNGSKOPIE Übergang der dritten Elektrode zum Gehäuse mindestens eine radiale Öffnungen vorgesehen ist.
Ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Über- spannungsschutzeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode als flache Kreisscheibe ausgebildet ist, daß die zweite Elektrode und die dritte Elektrode der ersten Elektrode gegenüberliegend angeordnet sind und daß die zweite Elektrode mittig zur ersten Elektrode und die dritte Elektrode konzentrisch um die zweite Elektrode angeordnet ist. Durch eine derartige Ausgestal- tung und Anordnung der Elektroden ist eine Überspannungsschutzeinrichtung mit einer sehr geringen Bauhöhe realisierbar. Vorzugsweise ist im übrigen die dritte Elektrode nicht kreisringfδrmig, sondern kreisringsegmentförmig, insbesondere halbkreisförmig, ausgebildet, so daß die dritte Elektrode die zweite Elektrode nur teilweise konzentrisch umschließt. Weiter vorteilhaft ist es bei ei- ner derartigen Ausführung einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, wenn der axiale Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode geringer ist als der axiale Abstand zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode. Dies kann durch unterschiedliche Bauhöhen oder Anordnungen der zweiten Elektrode bzw. der dritten Elektrode realisiert werden. Dadurch, daß der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode geringer ist als der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode, wird sichergestellt, daß zunächst die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zündet und der Stoßstrom über diese Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, also über die erste Elek- trode und die zweite Elektrode, ableitet wird.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Überspannungsschutzeinrichtung auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patent- ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 eine Darstellung des Funktionsprinzips der Anordnung der Elektroden bei einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
BESTATIGUNGSKOPIE Fig. 2 eine Prinzipsskizze eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
Fig. 3 eine Darstellung der Elektrodenanordnung bei der Ausführung der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung gemäß Fig. 2, teilweise im Schnitt,
Fig. 4 eine Prinzipsskizze eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung,
Fig. 5 eine Überspannungsschutzeinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel im Schnitt und
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Überspannungsschutzeinrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, welche zunächst aus einer ersten Elektrode 1 und einer zweiten Elektrode 2 und einer zwischen den Elektroden 1, 2 wirksamen Luft- Durchschlag-Funkenstrecke 3 besteht. Eine derartige Überspannungsschutzeinrichtung wird zum Schutz elektrischer Stromkreise bzw. von Anlagen oder Geräten verwendet. Tritt eine transiente Überspannung auf, die größer als die Ansprechspannung der Überspannungsschutzeinrichtung ist, spricht diese an, d. h., die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 wird gezündet es entsteht zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 ein Lichtbogen 4.
Durch den Lichtbogen 4 entsteht eine relativ niederohmige Verbindung zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2, so daß bei anliegender Betriebsspannung ein unerwünschter Netzfolgestrom über die Überspan- nungsschutzeinrichtung fließen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung wird nun ein Netzfolgestrom dadurch verhindert bzw. ein aufgetretener Netzfolgestrom dadurch zum Erlöschen gebracht, daß der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 eine dritte Elektrode 5 zugeordnet ist und zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 eine zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 6 existent
BESTATIGUNGSKOPIE bzw. wirksam ist, daß die dritte Elektrode 5 über mindestens eine Impedanz, vorliegend über einen Varistor 7, direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode 2 verbunden ist und daß nach dem Ableiten des Stoßstroms über die erste Elektrode 1, die erste Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 und die zweite Elektrode 2 der verbliebene Lichtbogen 4 von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 zur zweiten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 6 bzw. von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 zur ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 verbringbar ist, insbesondere durch pneumatische oder magnetische Beblasung. Ist der Lichtbogen von der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 zur ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 verbracht, so fällt ein Teil der anliegenden Betriebsspannung über dem Varistor 7 ab und durch eine geeignete Dimensionierung des Varistors 7 kann dafür gesorgt werden, daß die Spannung zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 nicht mehr ausreicht, den Lichtbogen 4 aufrechtzuerhalten.
Die Fig. 2 und 3 zeigen Teile einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Überspannungsschutzeinrichtung, bei der die erste Elektrode 1 als stabformige Mittelelektrode ausgeführt ist und die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5 als zylindrische Außenelektroden ausgebildet und konzentrisch um die erste Elektrode 1 angeordnet sind. Die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5 sind dabei mit axialem Abstand zueinander angeordnet. Die dritte Elektrode 5 weist eine radiale Öffnung 9 auf, durch die ein Druck-ausgleich entsteht, wobei der Druckausgleich eine Ausbreitung des Plasmastroms aus dem Bereich zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 in den Bereich zwi- sehen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 bewirkt. Die Richtung dieses Plasmastromes ist in Fig. 2 mit P gekennzeichnet. Durch diesen durch den Druckausgleich hervorgerufenen Plasmastrom wird ein zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 anstehender Lichtbogen 4 bzw. der Fußpunkt 8 des Lichtbogens 4 von der zweiten Elektrode 2 zur dritten Elektrode 5 getrieben.
Der Fig. 2 und insbesondere der Fig. 3 ist darüber hinaus zu entnehmen, daß die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5 durch ein ringförmiges Abstandselement 10 voneinander getrennt sind. Der radiale Abstand zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 bzw. der dritten Elektrode 5 wird durch zwei ringförmige Trägerelemente 11, 12 sichergestellt, wobei die Trägerele- mente 11, 12 einen radialen Abschnitt 13 und einen axialen Abschnitt 14 aufweisen. Der axiale Abschnitt 14 der Trägerelemente 11, 12 dient dabei zusammen mit dem ringförmigen Abstandselement 10 als Auflager für die zweite Elektrode 2 bzw. die dritte Elektrode 5. Sowohl das ringförmige Abstandsele- ment 10 als auch die Trägerelemente 11, 12 sind bevorzugt aus Kunststoff hergestellt. Nicht dargestellt ist in den Fig. 2 und 3 ein die Elektroden 1, 2, 5 insgesamt aufnehmendes Gehäuse. Ein solches Gehäuse ist dann ebenso wie die Anordnung der Elektroden 1, 2, 5 im wesentlichen zylindrisch ausgebildet.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Überspannungsschutzeinrichtung, wobei in der Fig. 4 entsprechend zu der Fig. 2 zur Verdeutlichung der Funktion der Überspannungsschutzeinrichtung die Beschattung der dritten Elektrode 5 mit einem Varistor 7 angedeutet ist. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die erste Elektrode 1 als flache Kreisscheibe ausgebildet, wobei in Fig. 6 nur ein Teil der ersten Elektrode 1 dargestellt ist. Die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5 sind der ersten Elektrode 1 gegenüberliegend angeordnet, wobei die zweite Elektrode 2 mittig zur ersten Elektrode 1 und die dritte Elektrode 5 konzentrisch um die zweite Elektrode 2 angeordnet ist.
In Fig. 5 erkennt man, daß der Abstand zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 kleiner als der Abstand zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 ist. Dadurch wird sichergestellt, daß zunächst die Luft- Durchschlag-Funkenstrecke 3 zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 zündet und der Stoßstrom über die zweite Elektrode 2 abgeleitet wird. In die Fig. 5 ist darüber hinaus ein aus einem Gehäuseoberteil 15 und einem Gehäuseunterteil 16 bestehendes Gehäuse der Überspannungsschutzeinrichtung dargestellt. An das Gehäuseunterteil 16 schließt sich ein Isolierteil 17 aus Kunststoff an. Im Inneren des Gehäuses befindet sich ein topfförmiges Auf- nahmeelement 18 für die zweite Elektrode 2 und die dritte Elektrode 5, welches ebenfalls aus Kunststoff besteht. Ein mit den topfförmigen Aufhahmeelement 18 einstückig ausgebildetes Abstandselement 19 sorgt für die Trennung der zweiten Elektrode 2 von der dritten Elektrode 5.
Wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, ist die zweite Elektrode 2 kreisförmig und die dritte Elektrode 5 halbkreisringfδrmig ausgebildet. In dem Gehäuseunterteil 16
BESTATIGUNGSKOPIE sind in der Nähe des Gehäuseoberteils 15 mehrere Öffnungen 20 vorgesehen, wobei sich diese Öffnungen 20 auf der der dritten Elektrode 5 zugewandten Seite des Gehäuseunterteils 16 befinden. Die Öffnungen 20 sind somit in dem Bereich des Gehäuseunterteils 16 vorgesehen, der benachbart zur Luft-Durchschlag- Funkenstrecke 6 zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 ist. Korrespondierend zu den Öffnungen 20 in dem Gehäuseunterteil 16 sind im Gehäuseoberteil 15 Ausnehmungen 21 vorgesehen, durch welche der durch den Plasmastrom erzeugte Überdruck abgebaut werden kann. Durch die Öffnungen 20 und die Ausnehmungen 21 entsteht ein Druckausgleich, wobei der Druck- ausgleich eine Ausbreitung des Plasmastromes aus dem Bereich zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 in den Bereich zwischen der ersten Elektrode 1 und der dritten Elektrode 5 bewirkt.
BESTATIGUNGSKOPIE

Claims

Patentansprüche:
1. Überspannungsschutzeinrichtung, mit einer ersten Elektrode (1), mit einer zweiten Elektrode (2), mit einer zwischen den Elektroden (1, 2) existenten bzw. wirksamen Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) und mit einem die Elektroden (1, 2) aufnehmenden Gehäuse, wobei beim Zünden der Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) ein Lichtbogen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) eine dritte Elektrode (5) zugeordnet ist und zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (5) eine zweite Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (6) existent bzw. wirksam ist, daß die dritte Elektrode (5) über mindestens eine Impedanz, insbesondere einen Varistor (7), direkt oder indirekt mit der zweiten Elektrode (2) verbunden ist und daß nach dem Ableiten des Stoßstroms über die erste Elektrode (1), die erste Luft-Durch- schlag-Funkenstrecke (3) und die zweite Elektrode (2) der verbliebene Lichtbogen (4) von der ersten Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) zur zweiten Luft- Durchschlag-Funkenstrecke (6) verbringbar ist, insbesondere durch pneumatische oder magnetische Beblasung.
2. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse und/oder die dritte Elektrode (5) mindestens eine Öffnung (9) aufweisen bzw. aufweist, durch die Öffnung (9) ein Druckausgleich entsteht, und der Druckausgleich eine gezielte Ausbreitung des Gas- bzw. Plasmastroms von der zweiten Elektrode (2) zur dritten Elektrode (5) bewirkt.
3. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist, daß die erste Elektrode (1) als stabformige Mittelelektrode ausgebildet ist, daß die zweite Elektrode (2) und die dritte Elektrode (5) als zylindrische Außen- elektroden ausgebildet und konzentrisch um die erste Elektrode (1) angeordnet sind und daß die zweite Elektrode (2) und die dritte Elektrode (5) mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind.
4. Überspannungsschutzeinrichtung nach Ansprach 1 bis 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die erste Elektrode (1) als flache Kreisscheibe ausgebildet ist, daß
BESTATIGUNGSKOPIE die zweite Elektrode (2) und die dritte Elektrode (5) der ersten Elektrode (1) gegenüberliegend angeordnet sind und daß die zweite Elektrode (2) mittig zur ersten Elektrode (1) und die dritte Elektrode (5) konzentrisch um die zweite Elektrode (2) angeordnet ist.
5. Überspannungsschutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (5) kreisringsegmentfδrmig ausgebildet ist.
6. Überspannungsschutzeimichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Öffnungen (18) im Gehäuse nur auf der der dritten Elektrode
(5) zugeordneten Seite des Gehäuses, vorzugsweise im Bereich zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (5), angeordnet sind.
7. Überspannungsschutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) kleiner ist als der axiale Abstand zwischen der ersten Elektrode (1) und der dritten Elektrode (5).
BESTATIGUNGSKOPIE
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