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Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter mit thermischem Überlastschutz sowie dessen Verwendung und ein Verfahren zum Schutz eines Überspannungsableiters vor thermischer Überlastung.
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Aus den Druckschriften iDE 25 26 037 A1 und
DE 27 29 463 A1 st bekannt, bei gasdicht ausgeführten Überspannungsableitern die Elektroden mit Kanälen zur Befüllung zu versehen.
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Die zu lösende Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen thermischen Überlastschutz für einen Überspannungsableiter und ein Verfahren anzugeben, die den Überspannungsableiter sicher und einfach vor thermischer Überlast schützen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Überspannungsableiter, zwischen dessen Elektrode die Bildung einer Funkenstrecke erfolgen kann, gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Des Weiteren wird die Aufgabe gemäß einem Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.
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Der Überspannungsableiter weist wenigstens zwei Elektroden auf, zwischen denen die Bildung einer Funkenstrecke erfolgen kann, wobei wenigstens eine der Elektroden einen Belüftungskanal aufweist. Bei dem Überspannungsableiter 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 Überspannungsableiters sind mittels eines röhrenförmigen Isolators, vorzugsweise eines Keramikzylinders miteinander zu einem Überspannungsableiter verbunden. Der Innenraum des Überspannungsableiters ist gegenüber der Umgebung gasdicht verschlossen. Im Innenraum des Überspannungsableiters befindet sich ein Gas.
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Im Inneren des Überspannungsableiters kommt es bei Überschreiten einer bestimmten Grenzspannung zu einem Lichtbogenüberschlag. Der Lichtbogen wird durch den speisenden Strom aufrechterhalten, solange die elektrischen Bedingungen für den Lichtbogen gegeben sind. Der Lichtbogen erzeugt eine thermische Belastung des Überspannungsableiters, die für den Überspannungsableiter und seine Einbau-Umgebung spezifizierte Werte nicht überschreiten darf. Andererseits wird der Überspannungsableiter bei einer Beanspruchung mit Gleich- oder Wechselspannungen bzw. mit Gleich- oder Wechselströmen thermisch belastet. Insbesondere bei Blitz- bzw. Stoßströmen wird der Überspannungsableiter thermisch belastet.
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Das Schmelzelement ist derart eingerichtet, dass es bei Erwärmung schmilzt. Der Belüftungskanal dient dazu, den Innenraum des Überspannungsableiters mit einem Außenbereich des Überspannungsableiters zu verbinden. Beim Schmelzen des Schmelzelements gelangt die Atmosphäre des Außenbereichs, in der Regel Luft, über den Belüftungskanal in den Innenraum des Überspannungsableiters 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.
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Durch das Einströmen von Luft in den Innenraum des Überspannungsableiters wird verhindert, dass es durch eine thermische Überbelastung zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsableiters kommt. Durch unzulässig hohe Erwärmung besteht die Gefahr, dass der Überspannungsableiter in Brand gerät. Durch die Luftzufuhr wird gezielt eine Überhitzung des Überspannungsableiters verhindert, da bei einströmender Luft eine Trennung vom Stromkreis erfolgt.
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Der Belüftungskanal ist vorzugsweise in einer Ausführungsform an seinem dem Außenbereich des Überspannungsableiters zugewandten Endes der Elektrode mittels eines Schmelzelements verschlossen.
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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.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Schmelzelement so ausgebildet, dass bei Erwärmung des Überspannungsableiters das Schmelzelement Löcher aufweist, durch die die Luft in den Innenraum des Überspannungsableiters gelangt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Elektroden des Überspannungsableiters einen so großen Abstand auf, dass eine Überschlagspannung an Luft höher ist, als die vorgegebene Zündspannung des Überspannungsableiters. 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 Überspannungsableiters nahezu verhindern lässt. Die Zündspannung des belüfteten Überspannungsableiters weist somit im Vergleich zur anliegenden Spannung einen wesentlichen höheren Wert auf.
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Durch das Eindringen von Luft in den Innenraum des Überspannungsableiters wird vom Überspannungsableiter somit der Stromkreis, der durch den Überspannungsableiter im Normalfall geschlossen ist, getrennt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Belüftungskanal mit einem niedrig schmelzenden Lot verschlossen. Das Lot bildet also einen Lotpfropfen. Der Überspannungsableiter ist im funktionsfähigen Normalzustand gasdicht verschlossen. Bei unzulässig hoher Erwärmung ist das Schmelzelement vorzugsweise so eingerichtet, dass das Schmelzelement schmilzt und den Belüftungskanal zumindest so weit frei gibt, dass der Überspannungsableiter mittels Luftzufuhr von außen belüftet wird. Durch die Schmelztemperatur des Schmelzelements lässt sich die Temperatur festlegen, bei der der Überspannungsableiter belüftet wird und somit der Stromkreis getrennt wird.
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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.
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Die Abdeckscheibe besteht vorzugsweise aus Kupfer. Die Abdeckscheibe kann jedoch auch aus einem anderen, vorzugsweise hitzebeständigen, Material bestehen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Abdeckscheibe in der Art angebracht, dass durch die Abdeckscheibe der Funktionszustand des Überspannungsableiters angezeigt wird. Bei vorzugsweise liegender Anordnung des Überspannungsableiters ist es somit möglich, dass durch die Abdeckscheibe angezeigt wird, ob der Überspannungsableiter bereits belüftet ist oder nicht. Bei unbelüftetem und somit funktionsfähigem Zustand des Überspannungsableiters 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 Überspannungsableiter auf dessen Funktionszustand zu schließen. Der Betrachter kann somit durch einen Blick auf die Stirnseite des Überspannungsableiters sofort feststellen, ob der Überspannungsableiters 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.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an der Abdeckscheibe eine mechanische Feder angeordnet.
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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 Überspannungsableiters, genutzt werden. Der Überspannungsableiter ist in dieser Ausführungsform somit auch für eine stehende Anordnung ausgelegt.
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Bevorzugt wird der Überspannungsableiter in einer Telekommunikationseinrichtung, beispielsweise einem Telekommunikationsnetzwerk verwendet. Der Überspannungsableiter ist in seiner Verwendung nicht auf Telekommunikationsnetzwerke eingeschränkt und kann auch in jeder anderen elektrischen Schaltung verwendet werden, in der hohe Spannungen mittels eines Überspannungsableiters abgeführt werden müssen. Insbesondere ist der Überspannungsableiter für Blitzschutzanwendungen geeignet, bei denen der Überspannungsableiter zumindest zeitweise an Netzspannung liegt bzw. liegen kann. Der Überspannungsableiter 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.
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Überspannungsableiter 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 Spannungsableiter kurzgeschlossen ist (Power Cross), kann es zu einer unzulässig hohen Erwärmung des Überspannungsableiters kommen, was möglicherweise zu einem Brand führen würde. Durch einen wie oben beschriebenen Überspannungsableiter wird diese übermäßige Erhitzung verhindert, da bei Belüftung des Überspannungsableiters eine Trennung vom Stromkreis erfolgt und der Überspannungsableiter abkühlt.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Schutz eines wie zuvor beschriebenen Überspannungsableiters vor thermischer Überlastung beschrieben, das die folgenden Schritte aufweist. Wenn sich der Überspannungsableiter unzulässig stark erwärmt, schmilzt durch die Erwärmung des Überspannungsableiters das Schmelzelement. Durch das Schmelzen des Schmelzelements wird in einem nächsten Schritt der Überspannungsableiter durch den Belüftungskanal belüftet und durch Löschen des Lichtbogens der Stromkreis getrennt.
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In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird eine Abdeckscheibe bei Schmelzen des Schmelzelements von ihrer ursprünglichen Position gelöst. Bei liegendem Einbau des Überspannungsableiters entfernt sich die Abdeckscheibe somit vorzugsweise von ihrer ursprünglichen Position auf der Außenseite der Elektrode.
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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.
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Die Anordnung und das Verfahren werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
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Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
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Gleiche Elemente oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
- 1 zeigt eine Elektrode eines Überspannungsableiters mit Belüftungskanal, der mit einem Schmelzelement verschlossen ist,
- 2 zeigt eine Elektrode eines Überspannungsableiters mit einer Abdeckscheibe, die sich auf dem Schmelzelement über dem Belüftungskanal befindet,
- 3 zeigt eine schematische Skizze eines Zweipunktüberspannungsableiters,
- 4 zeigt eine schematische Skizze einer Elektrode eines Überspannungsableiters, bei der die Abdeckscheibe mit einer mechanischen Feder versehen ist.
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In der 1 ist eine erste Ausführungsform einer Elektrode 1 eines Überspannungsableiters in Querschnitt dargestellt. Die Elektrode 1 weist vorzugsweise einen Belüftungskanal 2 auf, der das Innere eines Überspannungsableiters mit der äußeren Umgebung verbindet. Der Belüftungskanal 2 ist, vorzugsweise an seinem äußeren Ende, mit einem Schmelzelement 3 versehen, das den Überspannungsableiter gasdicht verschließt. Das Schmelzelement kann als Lotpfropfen ausgebildet sein. Der Belüftungskanal 2 ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die Stirnfläche der Elektrode 1 im Innenbereich des Überspannungsableiters eine homogene Elektrodenstirnfläche aufweist. Zwischen den inneren Stirnflächen der Elektroden 1 eines Überspannungsableiters erfolgt die Bildung der Funkenstrecke. Der Belüftungskanal 2 in der 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.
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Der Belüftungskanal 2 kann jede beliebige Form aufweisen, die dazu geeignet ist, die Umgebung des Überspannungsableiters mit dem Innenraum zu verbinden, so dass Luft in den Innenraum des Überspannungsableiters gelangen kann. Der Belüftungskanal endet vorzugsweise nicht im Bereich der inneren Stirnfläche der Elektrode 1.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Elektrode 1 eines Überspannungsableiters 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 Überspannungsableiters schmilzt das Schmelzelement 3, wodurch sich die Abdeckscheibe 4 von dem Schmelzelement 3 löst. Bei waagrechtem Einbau des Überspannungsableiters würde sich die Abdeckscheibe 4 in Falle des Schmelzens des Schmelzelements 3 vom Schmelzelement 3 ablösen und verrutschen bzw. sogar ganz abfallen.
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Die Position der Abdeckscheibe 4 dient somit als Indikator, ob der Überspannungsableiter belüftet ist oder noch in intaktem Zustand ist. Bei intaktem Zustand des Überspannungsableiters befindet sich die Abdeckscheibe 4 an ihrer ursprünglichen Position auf dem Schmelzelement 3. Ist der Überspannungsableiter belüftet und damit unbrauchbar, ist die Abdeckscheibe 4 wenigstens von ihrer ursprünglichen Position entfernt oder die Abdeckscheibe 4 hat sich vollständig davon entfernt.
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In der 3 ist eine schematische Skizze eines 2-Elektrodenüberspannungsableiters dargestellt. Der Überspannungsableiter 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 Überspannungsableiters ist als Isolator ein röhrenförmiger Zylinder 5 angeordnet, der zusammen mit den beiden Elektroden 1 den eigentlichen Überspannungsableiter 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 Überspannungsableiters. Der Abstand der beiden Elektroden 1 des Überspannungsableiters ist so groß, dass eine Überschlagsspannung zwischen den beiden Elektroden 1 an Luft höher ist als die vorgegebene Zündspannung des Überspannungsableiters.
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Die 4 zeigt eine Elektrode 1 einer weiteren Ausführungsform des Überspannungsableiters 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 Überspannungsableiters 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 Überspannungsableiters 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 Überspannungsableiters direkt oder indirekt in optischer, akustischer oder anderweitiger Form darzustellen.
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Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen des Überspannungsableiters 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 Überspannungsableiter ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrode
- 2
- Belüftungskanal
- 3
- Schmelzelement
- 4
- Abdeckscheibe
- 5
- Zylinder
- 6
- Feder
- 7
- Kontaktelement
- 8
- Signalleitung
