DE4318366A1 - Gasentladungs-Überspannungsableiter - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Bauele­ mente und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung von Gas­ entladungsüberspannungsableitern anzuwenden, die außer einer Mittelelektrode zwei Endelektroden aufweisen und die mittels einer Zusatzeinrichtung so ausgebildet sind, daß sie ein sogenanntes fail-safe-Verhalten und gegebenenfalls auch ein sogenanntes vent-safe-Verhalten aufweisen.

Bei einem bekannten Überspannungsableiter dieser Art mit einer ringförmigen Mittelelektrode, zwei seitlich davon angeordneten hohlzylindrischen Isolierkörpern und zwei an den Enden der Isolierkörper angeordneten Endelektroden ist an der Mittelelektrode ein zweiarmiger Federbügel fixiert, wobei die Enden der beiden Arme unter Zwischenschaltung eines isolierenden Abstandhalters am Umfang der beiden Elektroden anliegen. Als Abstandhalter dient ein Überzug aus einem Polyurethanharz. Bei einer Überhitzung des Ab­ leiters kann dieser Harzüberzug schmelzen, wodurch das Ende des Armes des Federbügels in Kontakt in der Endelek­ trode kommt und damit den Überspannungsableiter kurz­ schließt. Diese Eigenschaft des Überspannungsableiters wird als "fail-safe-Verhalten" bezeichnet. - Weiterhin sind die Enden der Arme des Federbügels scharfkantig aus­ gebildet, so daß sich an diesen scharfen Kanten gegebenen­ falls eine hohe elektrische Feldstärke ausbilden kann. Dies ist dann von Bedeutung, wenn der Überspannungsableiter durch eine Undichtigkeit im Gehäuse ausgefallen ist. In diesem Fall können auftretende Überspannungen über die zwischen dem scharfkantigen Ende des Armes des Federbügels und den Endelektroden gebildete Luftfunkenstrecke hilfswei­ se abgeleitet werden. Diese Eigenschaft des Überspannungs­ ableiters wird als "vent-safe-Verhalten" bezeichnet (US-PS 4 912 592).

Zur Erzeugung eines fail-safe-Verhaltens bei einem Drei­ elektroden-Überspannungsableiter ist auch eine Konstruk­ tion bekannt, bei dem die Enden der Arme des Federbügels nicht radial sondern axial an den Endelektroden unter Zwischenschaltung eines schmelzbaren Kunststoffkörpers an­ liegen. Bei Überhitzung des Ableiters schmilzt der im wesentlichen zylindrische Kunststoffkörper, wodurch der Federbügel zur Anlage an der Endelektrode kommt und damit den Überspannungsableiter kurzschließt (US-PS 4 984 125, Fig. 1a). Bei dieser bekannten Ausführungsform eines Über­ spannungsableiters sind sowohl die Mittelelektrode als auch die Endelektrode mit radial herausgeführten Anschlußdrähten versehen.

Für Überspannungsableiter mit lediglich zwei Elektroden ist es weiterhin bekannt, das fail-safe-Verhalten durch Verwen­ dung einer Scheibe aus niedrig schmelzendem Lotmaterial zu erzielen, wobei eine unter einer axialen Federkraft stehen­ de Kontakteinrichtung gegen die Scheibe aus Lotmaterial verspannt ist und bei schmelzender Lotscheibe axial verscho­ ben wird und dabei den Überspannungsableiter kurzschließt. Zur Sicherstellung des vent-safe-Verhaltens ist bei diesem bekannten Überspannungsableiter auf die eine Elektrode ein back-up in Form einer Luftfunkenstrecke aufgesetzt (US-PS 4 366 412).

Bei den vorerwähnten Drei-Elektroden-Überspannungsableitern mit an der Mittelelektrode fixiertem Federbügel ergibt sich im Falle einer thermischen Überlastung des Ableiters lediglich ein punktförmiger Kontakt zwischen dem Feder­ bügel und den Endelektroden. Für den Falls sehr hoher Kurz­ schlußströme besteht daher die Gefahr, daß die Enden der Arme des Federbügels thermisch zerstört werden.

Ausgehend von einem Gasentladungsüberspannungsableiter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Überspannungs­ ableiter und den an der Mittelelektrode fixierten Federbü­ gel so auszugestalten, daß im Überlastfall eine sichere Kon­ taktierung gegeben ist, die auch hohe Ströme führen kann. Diese Ausgestaltung soll es gleichzeitig ermöglichen, dem Überspannungsableiter "vent-safe-Eigenschaften" zu geben.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorge­ sehen, daß der Anschlußdraht jeder Endelektrode am ablei­ terseitigen Ende die Form eines Ringes hat, der stirnsei­ tig an der Endelektrode befestigt ist, daß weiterhin das Ende jedes Armes des Federbügels eine Kappe trägt, wobei diese Kappe mit einem flanschartigen Rand versehen ist, dessen Durchmesser dem Durchmesser des ringförmigen An­ schlusses entspricht, und daß im übrigen der Abstandhalter zwischen jeder Endelektrode und der Kappe aus einer schei­ benförmigen Schmelzpille und einem temperaturbeständigen, zylindrischen Bauteil mit isolierenden Eigenschaften be­ steht, wobei der Außendurchmesser der Schmelzpille der des zylindrischen Bauteiles kleiner sind als der Innendurch­ messer der Kappe.

Bei einem derart ausgebildeten Gasentladungs-Überspannungs­ ableiter steht im Kurzschlußfalls eine relativ große Kon­ taktfläche zur Verfügung, die einerseits von dem flansch­ artigen Rand der Kappe am Federbügel und andererseits von dem ringförmigen Teil des Anschlusses der Endelektrode ge­ bildet wird. Sofern der Überspannungsableiter lediglich ein fail-safe-Verhalten aufweisen soll, erscheint es zweckmäßig die scheibenförmige Schmelzpille zwischen der Endelektrode und dem zylindrischen Bauteil anzuordnen und für das tem­ peraturbeständige, zylindrische Bauteil ein temperaturbe­ ständiges Isoliermaterial wie beispielsweise Plexiglas oder Keramik zu verwenden. Die radiale Fixierung dieser beiden Teile erfolgt dabei einerseits durch die Wandung der Kappe und andererseits durch die Innenwand des ringförmigen Elek­ trodenanschlusses. - Sofern der Überspannungsableiter zu­ sätzlich ein vent-safe-Verhalten aufweisen soll, wird als zylindrisches Bauteil ein Metalloxid-Varistor verwendet, dessen Ansprechspannung größer als die Ansprechspannung des Überspannungsableiters ist, wobei die Stirnseiten des Metalloxid-Varistors metallisiert sind und die übrige Oberfläche mit einer feuchtigkeitsabweisenden Substanz versiegelt ist. Je nach Formgebung der Kappe kann auf die Mantelfläche des Metalloxid-Varistors zusätzlich eine iso­ lierende Zwischenschicht aufgebracht sein. Die Verwendung eines derartigen zylindrischen Bauteiles gewährleistet, daß das vent-safe-Verhalten unabhängig von der Luftfeuch­ tigkeit ist, ohne hierfür eine spezielle, fertigungstech­ nisch aufwendige Kapselung der vent-safe-Baugruppe vor­ nehmen zu müssen. - Metalloxid-Varistoren sind an sich handelsübliche Bauelemente (US-PS 3,905,006; US-PS 4,317,101).

Drei Ausführungsbeispiele des neuen Gasentladungs-Über­ spannungsableiters sind in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Gemäß der Seitenansicht in Fig. 1 und der Stirnansicht in Fig. 2 besteht der Überspannungsableiter aus der ringförmi­ gen Mittelelektrode 1, den beiden Endelektroden 2 und 3 so­ wie den dazwischen angeordneten isolierenden Hohlzylindern 4 und 5. Die Mittelelektrode 1 ist mit einem radial ver­ laufenden Anschlußdraht 8 versehen; ebenso sind die End­ elektroden 2 und 3 mit radial verlaufenden Anschlußdrähten 6 und 7 versehen. Diese sind jedoch am elektrodenseitigen Ende zu einem offenen Ring 61 bzw. 71 geformt, wobei dieser Ring auf die Stirnseite der jeweiligen Endelektrode durch Löten oder Schweißen stoffschlüssig aufgesetzt ist. - Anstelle eines Drahtes, der an einem Ende zu einem Ring geformt ist, kann auch ein entsprechendes Stanzteil ver­ wendet werden.

An dem Überspannungsableiter ist ein zweiarmiger Federbügel 10 befestigt. Hierzu sitzt eine mittig angeordnete Klammer 11 auf der Mittelelektrode 1 formschlüssig auf. Die Enden der beiden Arme 12 und 13 liegen in Achsrichtung des Über­ spannungsableiters stirnseitig an den Endelektroden 2 und 3 an, wobei hierzu folgende spezielle Ausgestaltung vorge­ sehen ist: An den Enden der Arme 12 und 13 ist jeweils eine hohlzylindrische oder auch eine leicht konisch geöff­ nete Kappe 14 bzw. 15 angeordnet, die mit einem flansch­ artigen Rand 16 bzw. 17 versehen ist. Der mittlere Durch­ messer dieses flanschartigen Randes entspricht dem mittle­ ren Durchmesser des Ringes 61 bzw. 71, zu dem das eine Ende des Anschlußdrahtes 6 bzw. 7 gebogen ist.

Zwischen dem flanschartigen Rand 16 bzw. 17 und dem Draht­ ring 61 bzw. 71 ist ein Abstand von etwa 0,2 bis 0,3 mm eingehalten, wobei dieser Abstand durch eine ringscheiben­ förmige Schmelzpille 20 bzw. 22 und ein zylindrisches Bau­ teil 21 bzw. 23 bestimmt ist. Bei dem Bauteil 21 handelt es sich um einen zylindrischen Körper aus temperaturbestän­ digem Isoliermaterial, beispielsweise aus einem Glas auf Kunststoffbasis oder aus Keramik. Das Bauteil 21 kann an sich auch hohlzylindrisch oder quaderförmig ausgebildet sein, wesentlich sind seine Wärmebeständigkeit bzw. Hitze­ beständigkeit und seine isolierende Eigenschaft, damit im Überlastfall des Ableiters lediglich die Schmelzpille 20 in definierter Weise schmilzt und dadurch der flanscharti­ ge Rand 16 gegen den Anschlußring 61 gedrückt wird.

Normalerweise wird der Überspannungsableiter an beiden End­ elektroden 2 und 3 mit einer Schmelzpille 20 und einem iso­ lierenden Abstandshalter 21 ausgerüstet. Sofern der Ablei­ ter jedoch auch ein "vent-safe-Verhalten" aufweisen soll, wird der Überspannungsableiter an beiden Endelektroden so ausgerüstet, wie es für die Endelektrode 3 dargestellt ist. In diesem Fall ist als Abstandhalter 23 ein zylin­ drischer Metalloxid-Varistor vorgesehen, dessen Ansprech­ spannung größer als die Ansprechspannung des Überspannungs­ ableiters ist. Als Ansprechspannung eines solchen Varistors gilt in aller Regel diejenige Spannung, bei der der Vari­ stor einen Strom von 1 mA führt. Die Dimensionierung des Varistors, d. h. insbesondere der Durchmesser, die Höhe sowie die Materialauswahl können in fachmännischer Weise so getroffen werden, daß die Ansprechspannung des Varistors beispielsweise um 5 bis 10% oder auch zwischen 100 und 40% über der Ansprechspannung des Überspannungsableiters liegt. Für eine einwandfreie Funktion des Metalloxid-Varistors ist es dabei erforderlich, seine Stirnseiten mit einer Me­ tallisierung 26 zu versehen und die übrige Oberfläche mit einer feuchtigkeitsabweisenden Substanz zu versiegeln, bei­ spielsweise durch Tränkung mit einem aushärtbaren Silikon­ öl oder durch Eintauchen in ein Silikonharz. Bei Verwen­ dung einer hohlzylindrischen Kappe ist es sinnvoll, auf die Mantelfläche eine isolierende Zwischenschicht aufzu­ bringen, um einen Kontakt zwischen der Mantelfläche und der Kappe 15 bzw. dem Anschlußring 71 zu verhindern. Eine solche isolierende Zwischenschicht kann aus einer Glas­ schicht, einer Kunststoffschicht in Form eines Schrumpf­ schlauches oder auch aus einem Gummiring bestehen. In Fig. 1 ist als isolierende Zwischenschicht ein Gummiring 24 dargestellt, der naturgemäß lediglich einen Teil der Mantelfläche des Metalloxid-Varistors 23 einschließt. - Bei Verwendung einer leicht konisch geöffneten Kappe kann auf die isolierende Zwischenschicht verzichtet werden, weil der Varistor dann nur mit seiner einen Stirnkante im Bereich des kleinsten Innendurchmessers der Kappe an der Wandung der Kappe anliegt.

Die Seitenansicht gemäß Fig. 2 läßt insbesondere die ring­ förmige Ausgestaltung des Anschlußdrahtes 6 zu einem offe­ nen Ring 61 sowie die Ausgestaltung der Klammer 11 erkennen.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 ist die Schmelzpille 22 zwischen dem Metalloxid-Varistor 23 und der zylindrischen Kappe 15 angeordnet. Sie kann alternativ auch zwischen dem Varistor 23 und der Endelektrode 3 angeordnet sein, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Weiterhin zeigt diese Figur eine Glasschicht 25 auf der Mantelfläche des Varistors 23, mit deren Hilfe einerseits die Mantelfläche des Varistors 23 gegen den zylindrischen Teil der Kappe 15 und gegen den Drahtring 71 isoliert ist und andererseits der Varistor feuchtigkeitsdicht versiegelt ist.

Claims (4)

1. Gasentladungs-Überspannungsableiter mit einer zwischen zwei hohlzylindrischen Isolierkörpern angeordneten ring­ förmigen Mittelelektrode und zwei an den Enden der Isolierkörper angeordneten Endelektroden und mit einem an der Mittelelektrode fixierten zweiarmigen Federbügel, bei dem die Enden der Arme unter Zwischenschaltung eines Abstandhalters stirnseitig an den Endelektroden anliegen, wobei die Mittelelektrode und die Endelektroden mit radial herausgeführten Anschlüssen versehen sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschluß jeder Endelektrode (2, 3) am ableiterseiti­ gen Ende die Form eines Ringes (61, 71) hat, der stirnseitig an der Endelektrode befestigt ist,
daß das Ende jedes Armes (12) des Federbügels (10) eine Kappe (14, 15) trägt, wobei die Kappe mit einem flanscharti­ gen Rand (16, 17) versehen ist, dessen Durchmesser dem Durch­ messer des ringförmigen Anschlusses entspricht,
und daß der Abstandhalter zwischen jeder Endelektrode und der Kappe aus einer scheibenförmigen Schmelzpille (20, 22) und einem zylindrischen Bauteil (21, 23) mit isolierenden Eigenschaften besteht,
wobei der Außendurchmesser der Schmelzpille (20, 22) und der des zylindrischen Bauteiles (21, 23) kleiner als der Innendurchmesser der Kappe (14, 15) sind.

2. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Bauteil (21) aus einem temperaturbe­ ständigen Isoliermaterial besteht und daß die Schmelzpille (20) zwischen der Endelektrode (20) und dem zylindrischen Bauteil (21) angeordnet ist.

3. Überspannungsableiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Bauteil (23) von einem Metalloxyd- Varistor gebildet wird, dessen Ansprechspannung größer als die Ansprechspannung des Überspannungsableiters ist, wobei die Stirnseiten des Metalloxid-Varistors metallisiert (26) und die übrige Oberfläche mit einer feuchtigkeitsab­ weisenden Substanz versiegelt ist.

4. Überspannungsableiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Mantelfläche des Varistors (23) eine isolie­ rende Zwischenschicht (24, 25) aufgebracht ist.