DE2718188A1

DE2718188A1 - Ueberspannungsschutzgeraet

Info

Publication number: DE2718188A1
Application number: DE19772718188
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Hasse; Johannes Prof Dr Ing Wiesinger
Original assignee: Dehn and Soehne GmbH and Co KG
Current assignee: Dehn SE and Co KG
Priority date: 1977-04-23
Filing date: 1977-04-23
Publication date: 1978-10-26
Also published as: DE2718188C3; IT7822550A0; FR2388426A1; FR2388426B1; CH630204A5; DE2718188B2; JPS5416646A; IT1094509B

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzgerät mit einem Varistor und einem dazu elektrisch parallel geschalteten Überspannungsableiter.

Unter einem Varistor versteht man einen spannungsabhängigen Widerstand, dessen Widerstandswert mit zunehmender Spannung abnimmt. In der Regel haben Varistoren eine geknickte Spannungs-Widerstands-Kennlinie derart, daß zwischen dem Spannungswert Null und einem bestimmten Spannungswert der Widerstand sehr hoch und oberhalb des bestimmten Spannungswertes sehr klein ist.

Unter einem überspannungsableiter versteht man""eine mit Luft oder Gas gefüllte Funkenstrecke, die im nicht gezündeten Zustand einen Widerstand im Giga-Ohm-Bereich und nach der Zündung einen Wert im Ohm-Bereich aufweist.

Man kennt die elektrische Parallelschaltung eines Varistors mit einem als Gasentladungsableiter ausgebildeten überspannungsableiter. Damit sollen zwei Ziele erreicht werden. Der

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Varistor spricht im Nano-Sekundenbereich (Stromleitung durch Festkörper) und damit wesentlich schneller als der überspannungsableiter (Stromleitung durch Gas) an, so daß der einem Überspannungsableiter immanente Zündverzug vermieden wird. Sobald beim Auftreten einer Überspannung ein entsprechender Strom über den Varistor fließt, entsteht an ihm ein Spannungsabfall der bei entsprechender Auslegung der Bauteile des Überspannungsschutzgerätes im Normalfall die Zündspannung des Überspannungsableiter erreicht. Dies hat zur Folge, daß der größere Teil des durch die Überspannung hervorgerufenen Stromes über den überspannungsableiter geht, der elektrisch höher belastbar ist als ein Varistor. Damit soll eine elektrisch-thermische Überbeanspruchung des Varistors verhindert werden.

Nachteiliger Weise sind Gasentladungsableiter größeren Strömen, wie sie in Folge von Blitzschlägen auftreten, nicht gewachsen. Mit dem bekannten, vorstehend erläuterten Überspannungsschutzgerät wird daher oft schon beim Auftreten des ersten Teilblitzstromes eines üblicherweise multiplen Blitzes, mit Sicherheit aber bei den folgenden Teilblitzströmen kein Schutz mehr gegeben sein, da zunächst der Gasentladungsableiter und danach der Varistor zerstört werden. Hinzu kommt, daß bei dieser vorbekannten Anordnung Varistor und Gasentladungsableiter je eine Baueinheit für sich und nebeneinander angeordnet, sowie durch entsprechende Zuleitungen elektrisch miteinander verbunden sind. Abgesehen davon, daß eine solche Anordnung räumlich und auch von den Gestehungskosten her aufwendig ist, besteht der wesentliche Nachteil, daß auf die Verbindungs-

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leitungen relativ hohe elektromagnetische Kräfte beim Fließen höherer Ströme ausgeübt werden. Außerdem vermindert die Laufzeit zwischen Varistor und Überspannungsableiter, d. h. die Induktivitäten der Verbindungsleitungen, die Schutzwirkung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Überspannungsschutzgerät mit einem Varistor und einem überspannungsableiter dahingehend zu verbessern, daß der Überspannungsableiter auch größere Ströme (mit höherer Amplitude, größerer Ladung und großem Stromquadratimpuls Ji²dt), insbesonders erhebliche Teile des Blitzstromes aufgrund von nahen Blitzeinschlägen, aushalten kann. Darüberhinaus soll sich die Erfindung durch eine kompakte und damit raumsparende und induktivitätsarme, sowie in der Herstellung preisgünstige Bauweise auszeichnen .

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung zunächst vorgeschlagen, daß als Überspannungsableiter eine blitzstromtragfähige Luft-Scheiben-Funkenstrecke dient und daß in diese Luft-Scheiben-Funkenstrecke ein Varistor räumlich integriert ist. Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzgerät sichert bei Beibehaltung der außerordentlich kurzen Ansprechzeit des Varistors die Ableitung auch sehr hoher Ströme durch die Luft-Scheiben-Funkenstrecke ,wie sie bei Blitzeinschlägen auftreten. Im Gegensatz zum Gasentladungsableiter kann eine Luft-Scheiben-Funkenstrecke ohne weiteres den hohen Strom aufgrund eines nahen Blitzeinschlages, z. B. in ein Gebäude und gegebenenfalls auch weitere Teilblitzströme multipler Blitze ableiten, wobei der Varistor weitgehend von Strömen entlastet, d. h. nicht überbelastet wird. Ein Zer-

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reißen wie bei den bekannten Gasentladungsableitern oder auch ein Verschweißen der Funkenstrecke findet nicht statt. Beim Auftreten geringerer Überspannungen und entsprechend weniger hohen abzuleitenden Strömen spricht nur der Varistor als erste Schutzstufe an. In solchen Fällen ist der an ihm auftretende Spannungsabfall nicht hoch genug, um die Luft-Scheiben-Funkenstrecke zum Überschlag zu bringen. Erst bei größeren Belastungen wird die Luft-Scheiben-Funkenstrecke als zweite Schutzstufe (Überlastschutz für Varistor) wirksam. Das Überspannungsschutzgerät nach der Erfindung ist also allgemein einsetzbar, wobei sein bevorzugtes Anwendungsgebiet jedoch der Bereich ist, in dem mit direkten Blitzeinschlägen zu rechnen ist. Diese Überspannungsschutzgeräte werden z. B. in Gebäuden einzusetzen sein, die mit einer Blitzschutzanlage versehen sind und bei denen erhebliche Blitzstromanteile über die zu schützenden Anlagen fließen können.

Aufgrund der räumlichen Integrierung des Varistors in die Luft-Scheiben-Funkenstrecke ermöglicht die Erfindung ferner eine sehr kompakte und damit raumsparende, sowie kostengünstige Bauweise. Laufzeiteffekte zwischen Varistor und Überspannungsableiter werden minimalisiert, da Verdrahtungen zwischen den zwei nebeneinander angeordneten Bauelementen vermieden werden. Vielmehr können die durch die überspannung hervorgerufenen Ströme ohne Schleifenbildung und im wesentlichen in gerader Linie durch den Varistor und die Luft-Scheiben-Funkenstrecke hindurchgehen. Hierdurch und aufgrund der genannten kompakten Bauweise kann man auch hohe Stromkräfte wie sie

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insbesondere bei Blitzströmen infolge naher Blitzeinschläge auftreten, mechanisch auffangen, bzw. bewältigen. An dieser Stelle sei erwähnt, daß man ferner die Parallelschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes (Varistors) mit einem Ventilableiter kennt, wobei der Ventilableiter aus einem überspannungsableiter und einem damit elektrisch in Reihe geschalteten Begrenzungswiderstand besteht. Varistor, überspannungsableiter und Begrenzungswiderstand werden in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, in üblicher Weise miteinander verdrahtet und das gesamte Gehäuseinnere wird durch eine Kunstharzmasse vergossen. Die Kunstharzmasse trägt zwar dazu bei, die auftretenden Stromkräfte zu bewältigen. Nachteiligerweise ist aber auch diese Anordnung sehr raumaufwendig und teuer. Außerdem verhindert, zumindest verzögert die Kunstharz-Vergußmasse die Abfuhr der im Überspannungsfall entstehenden Stromwärme, insbesondere der Stromwärme am Varistor. Auch diese Nachteile sind mit dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzgerät vermieden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Elektroden der Luft-Scheiben-Funkenstrecke den Varistor umschließen und mit ihm in einer stromleitenden Verbindung stehen, wobei die Stromleitung zum einen in Richtung der Längsachse des Überspannungsschutzgerätes durch die Elektroden der Funkenstrecke und den Varistor hindurch und/oder zum anderen über beide Elektroden und deren Luft-Überschlagsstelle geht. Mit dieser Anordnung umgeben die beiden Elektroden den Varistor in Art eines Gehäuses. Dies verstärkt nicht nur den erläuterten Vorteil der Kompaktheit, sondern auch

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den Vorteil einer möglichst direkten, gradlinigen Stromführung ohne die Bildung von Schleifen und Induktivitäten. Auf Verdrahtungen zwischen Varistor und Überspannungsableiter kann vollständig verzichtet werden. Der Stromübergang von den Elektroden zum Varistor kann z.B. mittels Kontaktfedern oder -platten erfolgen.

Die Erfindung erlaubt ferner gemäß einer weiteren Ausführungsform, daß mehrere, jeweils aus einer Luft-Scheiben-Funkenstrecke und integriertem Varistor bestehende Anordnungen in elektrischer Reihenschaltung und räumlich übereinander vorgesehen , z. B. in einem gemeinsamen Gehäuse übereinander gestapelt sind. Damit kann man aus für eine bestimmte Spannung ausgelegten Überspannungsschutzgeräten nach dem Baukastensystem ein Überspannungsschutzgerät für einen Spannungsbetrag von einem entsprechenden Vielfachen schaffen. Dabei bleibt der angestrebte Vorteil einer möglichst gradlinigen Führung des Stromes ohne Schleifenbildung und ohne das Entstehen von größeren Induktivitäten voll erhalten.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie den in der nachstehenden Beschreibung und der dazugehörigen Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung zu entnehmen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Das prinzipielle elektrische Schaltbild,

Fig. 2: im wesentlichen schematisch einen

Schnitt durch ein Überspannungsschutzgerät nach der Erfindung,

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Jo

Fig. 3: in gegenüber Fig. 2 verkleinerten Maßstab und ebenfalls im wesentlichen schematisch mehrere Überspannungsschutzgeräte übereinandergestapelt,

Fig. 4 verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Funkenstrecke.

Fig. 1 zeigt die elektrische Parallelschaltung eines Varistors 1 mit einer Luft-Scheiben-Funkenstrecke 2. Die Anschlüsse 3 und 4 liegen zwischen den zu schützenden Leitungen, z. B. dem Phasen-und dem Schutzleiter. Wie eingangs erläutert, spricht der Varistor 1 sofort an und verhindert das Auftreten einer unzulässigen überspannung . Die Funkenstrecke 2 spricht nur bei extrem hohen Strömen, wie sie bei nahen Blitzeinschlägen zu erwarten sind, mit einem gewissen Zündverzug an und übernimmt dann zum Schutz des Varistors nahezu die gesamte Stromableitung. Derartige Überspannungsschutzgeräte werden z. B. an die Klemmen von Transformatoren, Generatoren, Motoren und Schaltern angesetzt, da hier in Folge von Schalthandlungen Spannungsspitzen auftreten. Sie können ferner zum Schutz elektrischer Schaltkreise oder Einrichtungen gegen Überspannungen dienen. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist jedoch die sichere Ableitung von Überspannungen und -strömen aufgrund von Blitzeinschlägen .

GemäB Fig. 2 umgeben die beiden Elektroden 5, B, die in diesem Ausführungsbeispiel hohlzylindrisch sind, den in diesem

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Ausführungsbeispiel zylindrischen Varistor 1. Mit 7 ist die Isolierung (z. B. Glimmer) zwischen den Elektroden 5, 6 bezeichnet, so daß deren Oberschlagsstelle bei B gebildet wird. An dieser Stelle sei erwähnt, daß die Verwendung einer Luft-Scheiben-Funkenstrecke gegenüber den eingangs erläuterten, mit einem Schutzgas wie Argon arbeitenden Gasentladungsableitern im Sinn des Zieles der Erfindung von Vorteil ist. Bei Gasentladungsableitern besteht außer den geschilderten Nachteilen noch das Problem, daß das Schutzgas altern und langsam entweichen kann. Auch dies ist mit der Erfindung vermieden.

Um Leitungen bzw. Verdrahtungen zu vermeiden,erfolgt der Stromübergang von den Elektroden 5, 6 auf den Varistor 1 durch Kontaktplatten oder -federn 9, die sich zwischen den Innenstirnflächen der hohlzylindrischen Innenräume der Elektroden und den AuBenstirnflachen des Varistors befinden und unter einem entsprechenden Anpressdruck stehen. Es ist ersichtlich, daß man hiermit kürzeste Stromwege erreicht, die in Fig. 2 schematisch strichpunktiert angedeutet sind. Der Stromweg 10 geht über die erste Elektrode 5, durch den Varistor 1 und die zweite Elektrode 6 und verteilt sich etwa über den gesamten Flächenquerschnitt dieser Teile. Sofern die Funkenstrecke anspricht, verteilen sich die weiteren Stromwege 11 Ober die Elektroden 5, 6 und die Luftüberschlagsstellen 8. Damit ergibt sich das erläuterte günstige dynamische Verhalten bei hohen Strömen.

Die kompakte und in sich geschlossene Ausgestaltung des Überspannungsgerätes nach der Erfindung erlaubt in ein-

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fächer Weise ein übereinanderstapeln mehrerer solcher Überspannungsschutzgeräte und damit ein entsprechendes Vervielfachen der Ansprech- oder Schutzspannung. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zeigt hierzu ein Gehäuse 12 mit Deckel 13 und den Zu- und Ableitungen 3, 4, in dem vier einzelne Überspannungsschutzgeräte übereinander gestapelt sind. An ihren Stoßflächen 14 sind sie entweder durch ihr direktes Anliegen aneinander oder durch gesonderte, in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel elektrisch verbunden und damit in Reihe geschaltet. Die im wesentlichen gradlinige Führung des Stromes ist auch hier beibehalten. Um genügend Platz für die Überschlagsstellen 8 zu schaffen, ist zwischen den zylindrischen Elektroden und der Innenfläche des ebenfalls zylindrischen Gehäuses 12 ein entsprechender zylindrischer Ringspalt 15 gelassen. Zentrierarme oder -flansche 16 der Elektroden sichern deren zentrische Lage im Gehäuse 1 2.

Die Ausgestaltung der Sheibenelektroden und insbesondere die Anordnung, bzw. Lage der Überschlagsstelle können verschieden sein. Es wäre z. B. in Abwandlung des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 2 denkbar, die Isolierschicht 7 wegzulassen und zwischen den aneinander zugekehrten Stirnflächen der Elektrodenhälften die Luftüberschlagsstelle 8 vorzusehen. In diesem Fall müßte für eine Distanzierung der Elektroden 5, 6 im erforderlichen Abstand gesorgt werden. Ferner wären Ausgestaltungen der Elektroden und ihrer Luft-Überschlagsstellen gemäß den Ausführungsbeispiel der Fig. 4 bis 6 möglich, wobei in diesen Beispielen alle übrigen Bauteile nicht gezeichnet sind.

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Mit der Funkenstrecke kann eine Abschaltvorrichtung
in Reihe liegen, die eine oder zwei Schmelzstellen
aufweist. Beispielsweise kann eine Schmelzstelle eine auf kleinere Fehlerströme langsam ansprechende Weichlotstelle und die andere eine bei höheren Fehlerströmen sofort ansprechende Sollschmelzstelle sein (nicht dargestellt) .

Ansprüche

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Claims

/ 1. Überspannungsschutzgerät mit einem Varistor und einem v- dazu elektrisch parallel geschalteten Überspannungsableiter, dadurch gekennzeichnet, daß als überspannungsableiter eine blitzstromtragfähige Luft-Scheiben-Funkenstrecke dient und daß in diese Luft-Scheiben-Funkenstrecke (2) ein Varistor (1) räumlich integriert ist.

2. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (5, 6) der Luft-Scheiben-Funkenstrecke den Varistor (1) umschließen und mit ihm in einer stromleitenden Verbindung stehen, wobei die Stromleitung zum einen (10 ) etwa in Richtung der Längsachse des Überspannungsschutzgerätes durch die Elektroden (5, 6) und den Varistor (1) hindurch und/oder zum anderen (11) über beide Elektroden (5, 6] und deren Luft-Überschlagsstellen (8) geht.

3. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Varistor (1) zentrisch innerhalb der Elektroden angeordnet ist, wobei als stromleitende Verbindung Kontaktplatten oder -federn (9) zwischen den Elektroden und dem Varistor vorgesehen sind.

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ORIGINAL INSPECTED

4. Überspannungsschutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Elektroden (5, 6) mit einem hohlzylindrischen Innenraum, in dem sich der zylindrisch ausgebildete Varistor (1) befindet und daß die Kontaktplatten oder -federn (9) zwischen den Stirnflächen des Varistors und den Stirnflächen der hohlzylindrischen Innenräume der Elektroden vorgesehen sind und unter einem Anpressdruck stehen.

5. Überspannungsschutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils aus einer Luft-Scheiben-Funkenstrecke und einem darin integrierten Varistor bestehende Anordnungen in elektrischer Reihenschaltung und räumlich übereinander vorgesehen sind.

B. Überspannungsschutzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen in einem gemeinsamen Gehäuse (12, 13) übereinandergestapelt sind.

7. Überspannungsschutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Luft-Überschlagsstelle (Θ) der Funkenstrecke ausserhalb deren Elektroden (5, 6) befindet.

B. Überspannungsschutzgerät nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Anordnungen in einem Abstand von der Innenwand des Gehäuses befinden und demgegenüber zentriert sind (16).

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9. Überspannungsschutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Luft-Überschlagsstelle zwischen einander zugekehrten Stirnflächen der Elektroden der Funkenstrecke befindet.

10. Überspannungsschutzgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Funkenstrecke eine Abschaltvorrichtung elektrisch in Reihe liegt, die eine oder zwei Schmelzstellen aufweist, von denen eine als auf kleinere Fehlerströme langsam ansprechende Weichlotstelle und die andere als auch bei höheren Fehlerströmen ansprechende Sollschmelzstelle ausgebildet ist.

fi ι: 9 H /,3 / 0 A 8 1