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Die Erfindung betrifft einen Überspannungsableiter zum Einsatz in der Stromversorgung von Niederspannungsnetzen, mit einem Gehäuse, mit zwei Elektroden und mit einer im Inneren des Gehäuses ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer, wobei die beiden Elektroden jeweils mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung stehen und zwischen den beiden Elektroden eine Funkenstrecke ausgebildet ist, so dass beim Zünden der Funkenstrecke zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen ansteht und über diese niederimpedante Verbindung ein abzuleitender Stoßstrom fließen kann.
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Wenn Überspannungen auftreten, die oberhalb der oberen Toleranzgrenze der jeweiligen Nennspannung liegen, müssen die betroffenen Geräte, Anlagen und Leitungen in möglichst kurzer Zeit mit dem Potentialausgleich kurzgeschlossen werden. Dafür werden je nach Einsatzort (Schutzzone) und Art der zu schützenden Geräte und Anlagen unterschiedliche Überspannungsableiter verwendet. Die einzelnen Überspannungsableiter unterscheiden sich dabei im Wesentlichen durch ihr Ansprechverhalten und ihr Ableitvermögen.
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In Niederspannungsnetzen werden zum Schutz vor Überspannungen häufig Überspannungsableiter auf Basis von Funkenstrecken eingesetzt, d. h. Überspannungsableiter deren wesentlicher Bestandteil eine Funkenstrecke ist, die bei einer bestimmten Überspannung anspricht. Beim Zünden der Funkenstrecke entsteht dabei zwischen den beiden Elektroden ein Lichtbogen, , d. h. ein Stromfluss zwischen den beiden Elektroden. Da Überspannungsableiter mit Funkenstrecken insbesondere zum Schutz bei energiereichen Ereignissen wie Blitzeinschlägen eingesetzt werden, können sehr hohe und steil ansteigende Ströme mit Werten bis in den dreistelligen kA-Bereich über die Funkenstrecke fließen. Um die Ansprechspannung von Überspannungsableitern auf Funkenstreckenbasis zu reduzieren, werden zur Zündung von Funkenstrecken seit langem unterschiedliche Arten von Zündhilfen verwendet, mit deren Hilfe die Ansprechspannung der Funkenstrecke bzw. des Überspannungsableiters verringert wird.
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Bei Überspannungsableitern der in Rede stehenden Art entsteht beim Zünden der Funkenstrecke über den Lichtbogen eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektroden, über die dann zunächst der abzuleitende hochenergetische transiente Stoßstrom fließt. Bei anliegender Netzspannung kann über diese niederimpedante Verbindung ein unerwünschter Netzfolgestrom fließen, was zur Zerstörung einer vorgeschalteten Sicherung führen kann. Dann ist das Gerät oder die Anlage zwar vor einer Zerstörung durch die Überspannung geschützt, die Verfügbarkeit des Geräts bzw. der Anlage ist jedoch so lange nicht gegeben, bis die zerstörte Sicherung ersetzt worden ist.
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Daher besteht eine wichtige Anforderung an moderne Überspannungsableiter darin, den Lichtbogen nach abgeschlossenem Ableitvorgang möglichst schnell zu löschen, damit es auch zu einem Erlöschen bzw. Unterdrücken des Netzfolgestroms kommt. Hierzu wird in der Regel versucht, die Lichtbogenspannung, d.h. die Spannung, die zwischen den beiden Elektroden anstehen muss, damit der Lichtbogen weiter brennt, so weit zu erhöhen, dass ein auftretender Netzfolgestrom unterdrückt oder reduziert wird. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Lichtbogenspannung besteht darin, die Lichtbogenlänge nach dem Ansprechen der Funkenstrecke zu vergrößern. Eine andere Möglichkeit der Erhöhung der Lichtbogenspannung besteht in der Kühlung des Lichtbogens durch die Kühlwirkung von Isolierstoffwänden, die Verwendung von Gas abgebenden Isolierstoffen sowie die Einengung des Lichtbogens in einen schmalen Spalt zwischen den Elektroden. Alternativ oder zusätzlich wird teilweise auch versucht, das bei Brennen eines Lichtbogens entstehende Plasma aus der Lichtbogenbrennkammer herauszuleiten, wozu entsprechende Löschkammer im Gehäuse ausgebildet sind, in die das Plasma strömen soll.
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Die zur Unterdrückung eines Netzfolgestroms gewollte Erhöhung der Lichtbogenspannung weist unabhängig von dem realisierten Verfahren zur Erhöhung der Lichtbogenspannung den Nachteil auf, dass es aufgrund der erhöhten Lichtbogenspannung während des Ableitens des Stoßstroms zu einem erhöhten Energieumsatz innerhalb der Lichtbogenbrennkammer kommt. Dies führt insbesondere bei weitgehend geschlossenen Überspannungsableitern, d. h. bei gekapselten, nicht ausblasenden Überspannungsableitern, zu Problemen, da die in Wärme umgesetzte Energie die Lichtbogenbrennkammer nur relativ langsam verlassen kann. Dadurch sind die Materialen, die die Lichtbogenbrennkammer umgebenden, über eine relativ lange Zeit sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Besonders gefährdet sind dabei die zur Beblasung und Kühlung des Lichtbogens verwendeten Isolierstoffe. Darüber hinaus müssen die Überspannungsableiter auch in der Lage sein, den beim Ableiten eines Stoßstroms auftretenden hohen Drücken Stand zu halten, was aufwändige Konstruktionen erfordert.
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Aus der
DE 103 38 835 A1 ist ein Überspannungsableiter bekannt, bei dem das Auftreten eines Netzfolgestroms dadurch verhindert wird, dass der Abstand zwischen den beiden Elektroden so groß gewählt ist, dass die Lichtbogenspannung größer als die erwartete Netzspannung ist. Damit die Ansprechspannung dieses Überspannungsableiters durch den relativ großen Abstand der beiden Elektroden der Funkenstrecke nicht zu groß ist, ist eine Zündhilfe vorgesehen, durch die die gewünschte Ansprechspannung des Überspannungsableiters eingestellt werden kann. Bei diesem Überspannungsableiter weist die zylindrische Lichtbogenbrennkammer einen relativ geringen Durchmesser auf, der dem Durchmesser der freien Stirnseiten der einander gegenüberliegenden Elektroden entspricht. Darüber hinaus ist die Lichtbogenbrennkammer nahezu vollständig von einem isolierenden Material umgeben, was sowohl zu einer Kühlung als auch zu einer Einengung des Lichtbogens führt. Beides führt zu einer gewollten Erhöhung der Lichtbogenspannung, allerdings auch zu einem unerwünschten hohen Energieumsatz innerhalb der Lichtbogenbrennkammer.
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Um die nach dem Zünden des Lichtbogens innerhalb der Lichtbogenbrennkammer entstehende Wärme abzuführen, sind bei dem bekannten Überspannungsableiter Kühlkanäle im Gehäuse ausgebildet, die mit der Lichtbogenbrennkammer verbunden sind. Damit die aus dem Gehäuse ausströmenden Gase keine zu hohe Temperatur aufweisen, müssen die Kühlkanäle so ausgebildet sein, dass sie eine ausreichend lange Wegstrecke zur Verfügung stellen, die das Plasma zur Abkühlung im Gehäuse entlangströmt. Bei dem bekannten Überspannungsableiter wird dies dadurch erreicht, dass das metallische Gehäuse zweiteilig ausgebildet ist und die beiden Gehäusehälften koaxial zueinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Gehäuseteilen sind schraubenförmige Kühlkanäle angeordnet, die zur Verschraubung der beiden Gehäuseteile miteinander dienen und durch die gleichzeitig das Plasma strömen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen eingangs beschriebenen Überspannungsableiter derart weiterzuentwickeln, dass der Energieumsatz innerhalb des Überspannungsableiters beim Ableiten des Stoßstroms möglichst gering ist. Dabei soll ein Netzfolgestrom möglichst sicher und schnell gelöscht werden können.
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Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Überspannungsableiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass die erste Elektrode aus mindestens zwei Elektrodensegmenten besteht, die in Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer hintereinander angeordnet sind, wobei benachbarte Elektrodensegmente über ein leitfähiges Material oder über ein elektrisches Bauelement miteinander verbunden sind. Auch die zweite Elektrode besteht aus mindestens zwei Elektrodensegmenten, die in Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer hintereinander angeordnet sind, wobei auch bei der zweiten Elektrode benachbarte Elektrodensegmente über leitfähiges Material oder über elektrische Bauelemente miteinander verbunden sind. Beide Elektroden sind somit in mindestens zwei Elektrodensegmente unterteilt, die zwar räumlich voneinander beabstandet sind, nämlich jeweils in Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer hintereinander angeordnet sind, aber elektrisch miteinander verbunden sind und auf dem gleichen Potential liegen.
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Dabei sind die Elektrodensegmente der ersten Elektrode den Elektrodensegmenten der zweiten Elektrode derart gegenüberliegend angeordnet, dass beim Zünden der Funkenstrecke zunächst zwischen dem ersten Elektrodensegmente der ersten Elektrode und dem ersten Elektrodensegment der zweiten Elektrode ein Lichtbogen ansteht und erst bei zunehmender Ionisierung der Lichtbogenbrennkammer durch Ausbreitung des beim Zünden entstehenden Plasmas zusätzlich auch zwischen mindestens einem weiteren Elektrodensegmente der ersten Elektrode und mindestens einem weiteren Elektrodensegmente der zweiten Elektrode ein Lichtbogen ansteht.
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Das beim Zünden entstehende Plasma breitet sich innerhalb der Lichtbogenbrennkammer aus, wobei die Ausbreitungsrichtung des Plasmas primär vom Entstehungsort, also den beiden ersten Elektrodensegmenten weggerichtet ist. Sobald das sich ausbreitende Plasma ein weiteres Elektrodensegment erreicht, entsteht ein weiterer Lichtbogen, d.h. ein weiterer Stromübergang zwischen zwei Elektrodensegmenten der beiden Elektroden, wodurch die Elektrodenfläche entsprechend der Größe des weiteren Elektrodensegments vergrößert wird. Durch die Aufteilung der beiden Elektroden der Funkenstrecke in jeweils mehrere Elektrodensegmente kommt es somit mit Ausbreitung des Plasmas in der Lichtbogenbrennkammer zu einer stufenweise Vergrößerung der Elektrodenflächen, über die der abzuleitende Strom fließen kann. Da der Leitwert proportional zur Elektrodenfläche ist, sinkt die Gesamtspannung, wodurch sich auch der Energieumsatz innerhalb der Lichtbogenbrennkammer reduziert. Dadurch kann der Verschleiß der die Lichtbogenbrennkammer umgebenden Materialien verringert werden.
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Bezüglich der Anordnung der Elektrodensegmente der beiden Elektroden zueinander gibt es verschiedene Möglichkeiten. Gemäß einer ersten Variante der Erfindung sind die einzelnen Elektrodensegmente der ersten Elektrode und die einzelnen Elektrodensegmente der zweiten Elektrode einander jeweils paarweise gegenüberliegend angeordnet. In Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer befindet sich somit jeweils ein Elektrodensegment der ersten Elektrode und ein Elektrodensegment der zweiten Elektrode auf der selben Höhe. Der Abstand der einzelnen Elektrodensegmente einer Elektrode zueinander kann dabei konstant sein. Ebenso ist es jedoch auch möglich, dass sich dieser Abstand in Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer verändert.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die einzelnen Elektrodensegmente der ersten Elektrode und die einzelnen Elektrodensegmente der zweiten Elektrode jeweils in Längsrichtung der Lichtbogenbrennkammer versetzt zueinander angeordnet. Durch eine solche versetzte Anordnung der einzelnen Elektrodensegmente wird erreicht, dass bei der Ausbreitung des Plasmas in der Lichtbogenbrennkammer abwechselnd ein Elektrodensegment der einen Elektrode und ein Elektrodensegment der anderen Elektrode „dazugeschaltet“ wird, d. h. der abzuleitende Strom auch über das jeweilige Elektrodensegment fließt, das vom Plasma neu kontaktiert wird.
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Darüber hinaus gibt es auch bezüglich der Ausgestaltung der einzelnen Elektrodensegmente mehrere unterschiedliche Ausführungsmöglichkeiten. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Flächen der Elektrodensegmente der ersten Elektrode und/oder die Flächen der Elektrodensegmente der zweiten Elektrode, die mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung stehen, zumindest teilweise unterschiedlich groß. Dabei kann die Fläche der Elektrodensegmente der einen Elektrode von der Fläche der Elektrodensegmente der anderen Elektrode abweichen. Darüber hinaus können auch die Flächen der einzelnen Elektrodensegmente einer Elektrode unterschiedlich groß ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Fläche der einzelnen Elektrodensegmente einer Elektrode in Ausbreitungsrichtung des Plasmas ansteigen, so dass der Leitwert der Elektrodenflächen insgesamt beim „Zuschalten“ jeder weiteren Elektrodenfläche auch entsprechend immer stärker abnimmt. Alternativ oder zusätzlich können für die einzelnen Elektrodensegmente auch unterschiedlichen Materialien verwendet werden, wodurch ebenfalls der Leitwert beeinflusst werden kann.
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Eingangs ist ausgeführt worden, dass eine Möglichkeit der Erhöhung der Lichtbogenspannung darin besteht, den Lichtbogen zu kühlen oder den Lichtbogen einzuengen. Somit kann die Spannung nicht nur durch eine Vergrößerung der Elektrodenfläche, sondern auch durch eine entsprechende Gestaltung der Lichtbogenbrennkammer beeinflusst werden. Dabei kann die Lichtbogenbrennkammer beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, der sich in Ausbreitungsrichtung des Plasmas vergrößert. Weist die Lichtbogenbrennkammer im Bereich der Zündung einen geringeren Querschnitt auf, so wird der Lichtbogen bzw. das Plasma in diesem Bereich eingeengt, wodurch die gewollte Strömung des Plasmas begünstigt wird.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist die Lichtbogenbrennkammer rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei zumindest eine Stirnseite der Lichtbogenbrennkammer durch eine Wand aus Isolierstoff geschlossen ist. Das beiden ersten Elektrodensegmente der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, zwischen denen zunächst die Zündung der Funkenstrecke erfolgt, sind dabei benachbart zu dieser Stirnseite angeordnet, so dass sich das Plasma nur in eine Richtung, nämlich von der Stirnseite weg, ausbreiten kann. Vorzugsweise besteht die Wand aus einem gasenden Isolierstoff, beispielsweise POM, wodurch die Strömung des Plasmas weiter begünstigt werden kann.
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Vorzugsweise wird bei einer rotationssymmetrisch ausgebildeten Lichtbogenbrennkammer diese von einem hohlen Isolierkörper begrenzt. Die einzelnen Elektrodensegmente der ersten Elektrode und die einzelnen Elektrodensegmente der zweiten Elektrode können dann gegensinnig um den hohlen Isolierkörper gewickelt sein, wobei in dem Isolierkörper zu den einzelnen Elektrodensegmenten korrespondierende Öffnungen ausgebildet sind, durch die die Elektrodensegmente mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung stehen. Die Lage der Öffnungen kann vorzugsweise auf dem Innendurchmesser des Isolierkörpers um jeweils 180° versetzt zueinander gewählt werden, so dass die Elektrodensegmente der beiden Elektroden einander gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei ist es jedoch nicht zwingend erforderlich, das stets zwei Öffnungen auf der selben Höhe des Isolierkörpers angeordnet sind. Auch können die Öffnungen für zwei Elektrodensegmente unter einem von 180° abweichenden Winkel auf einander gegenüberliegenden Seiten des Isolierkörpers angeordnet sein.
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Durch die Verwendung eines hohlen Isolierkörpers als zumindest radiale Begrenzung der Lichtbogenbrennkammer kann der konstruktive Aufbau des erfindungsgemäßen Überspannungsableiters sehr einfach realisiert werden. Dabei wird auch die Anordnung und Montage der beiden Elektroden, die aus den einzelnen, miteinander verbundenen Elektrodensegmenten bestehen, vereinfacht. Durch eine entsprechende Formgebung des Isolierkörpers kann auch auf einfache Art und Weise eine gewünschte Geometrie der Lichtbogenbrennkammer erreicht werden. So kann der Isolierkörper beispielsweise über seine Länge einen konstanten Durchmesser aufweisen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass der Durchmesser des Isolierkörpers über seine Länge variiert. Beispielsweise kann sich der Durchmesser des Isolierkörpers ausgehend von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite vergrößern. Ebenso ist jedoch auch möglich, dass der Isolierkörper so ausgebildet ist, dass sich dessen Durchmesser, ausgehend von der ersten Stirnseite zunächst vergrößert und dann zur gegenüberliegenden Stirnseite hin wieder verringert, so dass die Lichtbogenbrennkammer eine ballige Kontur aufweist.
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Eingangs ist ausgeführt worden, dass bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter benachbarte Elektrodensegmente einer Elektrode über ein leitfähiges Material oder ein elektrisches Bauelement miteinander verbunden sind. Sind die Elektrodensegmente über ein leitfähiges Material miteinander verbunden, so kann es sich bei dem leitfähigen Material um ein Metall, leitfähige Kunststoffe oder leitfähige Keramiken handeln. Die einzelnen Elektrodensegmente können beispielsweise einfach über Strombalken oder entsprechende Leiterbahnen miteinander verbunden sein. Natürlich sind auch Kombinationen der genannten Materialien möglich.
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Alternativ dazu können die einzelnen Elektrodensegmente einer Elektrode auch über elektrische Bauelemente, beispielsweise über entsprechende Impedanzen, miteinander verbunden sein. Die Impedanzen sind dann vorzugsweise so ausgewählt, dass der Widerstand der Impedanzen in Ausbreitungsrichtung des Plasmas abnimmt. Das der Zündung am nächsten gelegene Elektrodensegment der beiden Elektroden ist dann über den größten Widerstand und das am weitesten entfernte Elektrodensegment über den geringsten Widerstand kontaktiert. Durch die Wahl der Impedanzen bzw. deren Widerstände kann die Aufteilung des Stromes über die einzelnen Elektrodensegmente beeinflusst werden. Die zuvor beschriebene Anordnung der Impedanzen dient einer möglichst gleichmäßigen Aufteilung des Stromes über die einzelnen Elektrodensegmente.
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Neben linearen Widerständen als Impedanzen können auch nicht-lineare Widerstandselemente als Impedanzen bzw. elektrische Bauelemente verwendet werden, beispielsweise temperaturabhängige Widerstände, also Kaltleiter oder Heißleiter, oder spannungsabhängige Widerstände, insbesondere Varistoren. Die Verwendung von Impedanzen als elektrische Bauelemente, über die die einzelnen Elektrodensegmente miteinander verbunden sind, hat den Vorteil, dass dadurch ein möglicher Netzfolgestrom einfacher unterdrückt werden kann.
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Zur gezielten Beeinflussung der Strömung des Plasmas innerhalb der Lichtbogenbrennkammer ist die die Lichtbogenbrennkammer umgebende Wand zumindest teilweise aus einem gasenden Isolierstoff, beispielsweise POM ausgebildet. Hierdurch kann die Strömung des Plasmas in der Lichtbogenbrennkammer derart beeinflusst werden, dass zu Beginn des abzuleitenden Stoßstromes das Plasma von den beiden ersten beiden Elektrodensegmenten weg zu den nächsten Elektrodensegmenten strömt. Die Kühlung durch das gasende Wandmaterial führt dann zum Ende des abzuleitenden Stoßstromes dazu, dass die Leitfähigkeit des Plasmas reduziert wird, so dass der Stromfluss zwischen einzelnen Elektrodensegmenten unterbrochen wird. Dadurch verringert sich die Gesamtfläche der am Stromfluss beteiligten Elektrodensegmente, wodurch die Leitfähigkeit sinkt und damit die Spannung wieder ansteigt, was sich ebenfalls positiv auf die gewünschte Unterdrückung eines Netzfolgestroms auswirkt.
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Eine weitere Möglichkeit, die Strömung des Plasmas innerhalb der Lichtbogenbrennkammer zu beeinflussen, besteht darin, dass in der der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Lichtbogenbrennkammer eine Öffnung ausgebildet ist, die mit einem Ausblaskanal verbunden ist, durch den heißes ionisiertes Gas aus der Lichtbogenbrennkammer abströmen kann. Hierdurch kann auch der Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer gezielt verringert werden. Darüber hinaus kann durch die Öffnung ein zusätzlicher Kühleffekt und damit ein schnelleres Unterdrücken eines aufgetretenen Netzfolgestroms erreicht werden.
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Damit bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter die Ansprechspannung auf einen ausreichend niedrigen und konstanten Wert eingestellt werden kann, ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Zündhilfe vorgesehen. Grundsätzlich kann dabei die Zündung der Funkenstrecke auf unterschiedliche Arten erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist eine Zündhilfe vorgesehen, die zumindest ein resistieves Zündelement und eine Zündelektrode umfasst. Das Zündelement und die Zündelektrode stehen mit der Lichtbogenbrennkammer in Berührung, wobei das Zündelement auf der einen Seite mit dem ersten Elektrodensegment der ersten Elektrode oder dem ersten Elektrodensegment der zweiten Elektrode und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode elektrisch leitend verbunden ist. Zusätzlich weist die Zündhilfe vorzugsweise noch ein Spannungsschaltelement auf, so dass die Zündhilfe von ihrem grundsätzlichen Aufbau so aufgebaut ist, wie dies auch bei der in der
DE 103 38 835 A1 beschriebenen Zündhilfe der Fall ist.
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Im Einzelnen gibt es mehrere Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Überspannungsableiter auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen sowohl auf die abhängigen Patentansprüche, als auch auf die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
- 1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Schnitt,
- 2 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Überspannungsableiters, im Schnitt,
- 3 eine vereinfachte, schematische Darstellung eines Überspannungsableiters, und
- 4 zwei vereinfachte, schematische Darstellungen zweier weiterer Ausführungsbeispiele eines Überspannungsableiters.
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1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Überspannungsableiters 1 im Längsschnitt. Der Überspannungsableiter 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem zwei Elektroden 3, 4 angeordnet sowie eine Lichtbogenbrennkammer 5 ausgebildet sind. Neben dem in 1 nur schematisch dargestellten Gehäuse 2 kann der Überspannungsableiter 1 zusätzlich noch ein Außengehäuse aufweisen, das beispielsweise aus Stahl besteht, wodurch eine hohe Druckfestigkeit gewährleistet ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsableiter besteht die erste Elektrode 3 aus mehreren Elektrodensegmenten 31, 32, 33, 34, die in Längsrichtung L der Lichtbogenbrennkammer 5 hintereinander angeordnet sind. Ebenso besteht die zweite Elektrode 4 aus mehreren Elektrodensegmenten 41, 42, 43, 44, die ebenfalls in Längsrichtung L der Lichtbogenbrennkammer 5 hintereinander angeordnet sind. Auch wenn bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen sowohl die erste Elektrode 3 als auch die zweite Elektrode 4 aus jeweils vier Elektrodensegmenten besteht, so ist die Anzahl der Elektrodensegmente keineswegs auf diese Zahl beschränkt. Vielmehr kann eine Elektrode 3, 4 auch aus einer geringeren oder einer größeren Anzahl an Elektrodensegmenten bestehen, solange zumindest zwei Elektrodensegmente pro Elektrode ausgebildet sind.
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Bei den beiden in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen des Überspannungsableiters 1 sind sowohl die einzelnen Elektrodensegmente 31, 32, 33, 34 der ersten Elektrode 3 als auch die einzelnen Elektrodensegmente 41, 42, 43, 44 der zweiten Elektrode 4 jeweils über ein leitfähiges Material 7, beispielsweise eine Stromschiene oder eine Leiterbahn, mit dem benachbarten Elektrodensegment leitend verbunden. Alternativ dazu können die einzelnen Elektrodensegmente einer Elektrode 3, 4 auch über elektrische Bauelemente 8 miteinander verbunden sein, wie dies in den 3 und 4 dargestellt ist.
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Aus der schematischen Darstellung gemäß 3 ist ersichtlich, dass es sich bei dem Bauelement 8 beispielsweise um eine Impedanz in Form eines Widerstands 8a, um ein nicht-lineares Widerstandselement 8b in Form eines (PTC-Elements oder NTC-Elements), um eine spannungsabhängige Impedanz in Form eines Varistors 8c oder beispielsweise auch um ein Sicherungselement 8d handeln kann.
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Zwischen den beiden Elektroden 3, 4 bzw. den einzelnen Elektrodensegmenten, die jeweils mit der Lichtbogenbrennkammer 5 in Berührung stehen, ist eine Funkenstrecke ausgebildet. Beim Zünden der Funkenstrecke steht dabei zunächst zwischen dem ersten Elektrodensegment 31 der ersten Elektrode 3 und dem ersten Elektrodensegment 41 der zweiten Elektrode 4 ein Lichtbogen 6 an. Beim Zünden der Funkenstrecke entsteht so über den Lichtbogen 6 eine niederimpedante Verbindung zwischen den beiden Elektrodensegmenten 31, 41, über die der abzuleitende transiente Stoßstrom fließen kann. Aufgrund der Ausbreitung des beim Zünden des Lichtbogens 6 entstehenden Plasmas in die mit einem Pfeil gekennzeichnete Ausbreitungsrichtung P kommt es zu einer zunehmenden Ionisierung der Lichtbogenbrennkammer 5, so dass als nächstes ein Lichtbogen 6 zwischen dem ersten Elektrodensegment 31 der ersten Elektrode 3 und dem zweiten Elektrodensegment 42 der zweiten Elektrode 4 entsteht. Sobald das Plasma weitere Elektrodensegmente 32, 43 erreicht, kommt es zu weiteren Lichtbögen zwischen den Elektrodensegmenten der beiden, unterschiedliche Potenziale aufweisenden Elektroden 3, 4.
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Dadurch kommt es mit zunehmender Ausbreitung des Plasmas zu einer zunehmenden Anzahl an Lichtbögen bzw. Stromübergängen zwischen den einander gegenüberliegenden Elektrodensegmenten der beiden Elektroden 3, 4. Mit jedem Elektrodensegment, über das zusätzlich der Strom fließt, vergrößert sich die Gesamtfläche, was zu einer Verringerung der anstehenden Spannung zwischen den beiden Elektroden 3, 4 und damit auch zu einer Verringerung des Energieumsatzes innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 führt.
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Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen des Überspannungsableiters 1 sind die einzelnen Elektrodensegmente 31, 32, 33, 34 der ersten Elektrode 3 in Längsrichtung L der Lichtbogenbrennkammer 5 gesehen versetzt zu den einzelnen Elektrodensegmenten 41, 42, 43, 44 der zweiten Elektrode 4 angeordnet. Entsprechend dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel können die einzelnen Elektrodensegmente 31, 32 der ersten Elektrode 3 und die einzelnen Elektrodensegmente 41, 42 der zweiten Elektrode 4 auch jeweils einander paarweise gegenüberliegend angeordnet sein. Daneben sind auch Kombinationen dieser beiden Anordnungen möglich, d. h. ein Teil der Elektrodensegmente sind einander paarweise gegenüberliegend angeordnet und ein anderer Teil der Elektrodensegmente sind versetzt zueinander angeordnet.
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4 zeigt zwei schematische Darstellungen des Überspannungsableiters 1, bei dem die Flächen der Elektrodensegmente 31, 32, 33, 34 und 41, 42, 43, 44, die mit der Lichtbogenbrennkammer 5 in Berührung stehen, unterschiedlich groß sind. Bei der Ausführung gemäß 4a weisen die Elektrodensegmente 31, 32, 33, 34 alle die selbe Größe auf. Ebenso weisen auch die Elektrodensegmente 41, 42, 43, 44 der zweiten Elektrode 4 untereinander alle die selbe Größe auf. Die Elektrodensegmente 41, 42, 43, 44 der zweiten Elektrode 4 sind jedoch alle größer als die Elektrodensegmente 31, 32, 33, 34 der ersten Elektrode 3.
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Im Unterschied dazu weisen bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4b sowohl die Elektrodensegmente 31, 32, 33, 34 der ersten Elektrode 3 als auch die Elektrodensegmente 41, 42, 43, 44 der zweiten Elektrode 4 jeweils untereinander unterschiedliche Größen auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind dabei die Flächen der ersten Elektrodensegmente 31, 41 kleiner als die Flächen der zweiten Elektrodensegmente 32, 42, wobei diese wiederum eine geringere Fläche aufweisen als die dritten Elektrodensegmente 33, 43 und die vierten Elektrodensegmente 34, 44 die größten Flächen haben. Durch eine entsprechende Wahl der Größe der Fläche der einzelnen Elektrodensegmente kann die Impedanz des jeweiligen Strompfades verändert werden. Darüber hinaus ist eine Veränderung der Impedanz des Strompfades auch dadurch möglich, dass die einzelnen Elektrodensegmente aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
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Der Überspannungsableiter 1 und insbesondere die Lichtbogenbrennkammer 5 ist bei den dargestellten Ausführungsbeispielen vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei zumindest die eine Stirnseite 5a der Lichtbogenbrennkammer 5 durch eine Wand 9 aus Isolierstoff geschlossen ist. Bei dem Isolierstoff handelt es sich dabei vorzugsweise um einen gasenden Isolierstoff, beispielsweise POM, so dass durch das beim Anstehen eines Lichtbogens 6 aus der Wand 9 austretende Gas die Strömung des Plasmas in die Ausbreitungsrichtung P unterstützt wird.
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Aus den vereinfachten Darstellungen gemäß den 3 und 4 ist erkennbar, dass die Lichtbogenbrennkammer 5 radial von einem hohlen Isolierkörper 10 begrenzt wird, der nur sehr schematisch dargestellt ist. Die einzelnen Elektrodensegmente 31, 32, 33, 34 der ersten Elektrode 3 und die einzelnen Elektrodensegmente 41, 42, 43, 44 der zweiten Elektrode 4 sind dabei gegensinnig um den hohlen Isolierkörper 10 gewickelt, wobei im Isolierkörper 10 entsprechende Öffnungen 11 ausgebildet sind, durch die die einzelnen Elektrodensegmente 31, 32, 33, 34 und 41, 42, 43, 44 mit der Lichtbogenbrennkammer 5 in Berührung stehen.
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Aus den 1 und 2 ist darüber hinaus ersichtlich, dass die Breite bzw. der Durchmesser der Lichtbogenbrennkammer 5 in Längsrichtung L der Lichtbogenbrennkammer 5 variieren kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 vergrößert sich die Breite der Lichtbogenbrennkammer 5 ausgehend von der ersten Stirnseite 5a, so dass die Breite der Lichtbogenbrennkammer 5 an der ersten Stirnseite 5a am geringsten und an der gegenüberliegenden Stirnseite 5b am Größten ist. Im Unterschied dazu ist die Breite der Lichtbogenbrennkammer 5 bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in der Mitte der Lichtbogenbrennkammer 5 am Größten, während sie im Bereich der ersten Stirnseite 5a und im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseite 5b geringer ist.
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Um eine gezielte Beeinflussung der Strömung des heißen ionisierten Gases innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 und insbesondere ein gezieltes Abströmen des heißen Gases aus der Lichtbogenbrennkammer 5 zu ermöglichen, ist auf der der ersten Seite 5a gegenüberliegenden zweiten Seite 5b der Lichtbogenbrennkammer 5 eine Öffnung 12 in der die Lichtbogenbrennkammer 5 begrenzenden Wand ausgebildet, die mit einem Ausblaskanal 13 verbunden ist. Durch die Öffnung 12 und den Ausblaskanal 13 kann somit heißes ionisiertes Gas gezielt aus der Lichtbogenbrennkammer 5 ausströmen, wodurch auch der Druck innerhalb der Lichtbogenbrennkammer 5 gezielt verringert werden kann. Um eine ausreichende Abkühlung des heißen Gases vor dem Austritt aus dem Überspannungsableiter 1 zu erreichen, verläuft der Ausblaskanal 13 vorzugsweise entlang eines aus Metall bestehenden Außengehäuses.
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Damit die Ansprechspannung des Überspannungsableiters 1 nicht zu groß ist, ist eine Zündhilfe 14 vorgesehen, die ein Zündelement 15, eine Zündelektrode 16 und einen Varistor 17 aufweist. Das Zündelement 15 und die Zündelektrode 16 stehen dabei mit der Lichtbogenbrennkammer 5 in Berührung, wobei das Zündelement 15 auf der einen Seite mit dem ersten Elektrodensegment 31 der ersten Elektrode 3 und auf der anderen Seite mit der Zündelektrode 16 elektrisch leitend verbunden ist.
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Steht an dem Überspannungsableiter 1 eine Überspannung an, die größer ist als die Schwellspannung des Varistors 17, so fließt zunächst ein Strom über den Varistors 17, die Zündelektrode 16 und das Zündelement 15 zum ersten Elektrodensegment 31 der ersten Elektrode 3. Dabei kommt es aufgrund der geringen Stromtragfähigkeit des Zündelements 15 zu einer Ionisierung in der Lichtbogenbrennkammer 5, die zu einem Zünden des ersten Lichtbogens 6 zwischen dem ersten Elektrodensegment 31 der ersten Elektrode 3 und dem ersten Elektrodensegment 41 der zweiten Elektrode 4 führt. Daneben können jedoch auch andere Arten von - für sich aus dem Stand der Technik - bekannten Zündhilfen eingesetzt werden, die zu einer Zündung des Überspannungsableiters 1 bei der gewünschten Ansprechspannung führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10338835 A1 [0007, 0025]
