DE4141682A1 - Ueberspannungsschutzelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Überspannungsschutzelement zur Ableitung von tran­ sienten Überspannungen, mit mindestens zwei - zumindest im wesentliche zy­ lindrischen, vorzugsweise vertikal angeordneten Elektroden, wobei eine Elek­ trode, die innere Elektrode, von der anderen Elektrode, der äußeren Elektrode, mantelförmig umgeben ist und zwischen den Elektroden eine Luft-Durchschlag- Funkenstrecke wirksam ist.

Elektrische, insbesondere aber elektronische Meß-, Steuer-, Regel- und Schalt­ kreise, vor allem auch Fernmeldeeinrichtungen und -anlagen, sind empfindlich gegen transiente Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphärische Entladungen, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Energiever­ sorgungsnetzen auftreten können. Diese Empfindlichkeit hat in dem Maße zuge­ nommen, indem elektronische Bauelemente, insbesondere Transistoren und Thy­ ristoren, verwendet werden; vor allem sind zunehmend eingesetzte integrierte Schaltkreise in starkem Maße durch transiente Überspannungen gefährdet.

Neben den Überspannungsschutzelementen, von denen die Erfindung ausgeht (vgl. die DE-PSen 37 16 997, 38 37 051 und 39 10 435), also solchen mit einer Luft- Durchschlag-Funkenstrecke, gibt es Überspannungsschutzelemente mit einer Luft- Überschlag-Funkenstrecke, bei denen also beim Ansprechen eine Gleitentladung auftritt (vgl. die DE-OSen 27 18 188, 29 34 236 und 31 01 354).

Überspannungsschutzelemente der Art, von der die Erfindung ausgeht, also mit einer Luft-Durchschlag-Funkenstrecke, haben gegenüber Überspannungsschutzele­ menten mit einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke den Vorteil einer höheren Stoß­ stromtragfähigkeit, - weil eine relativ geringe Lichtbogenspannung zu einer relativ geringen Leistung im Lichtbogen führt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, in bezug auf das Löschverhalten zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement, bei dem die zuvor aufgezeig­ te Aufgabe gelöst ist, ist nun zunächst und im wesentlichen dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Elektroden exzentrisch zueinander angeordnet sind. Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelement der Abstand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode von einem Kleinst­ wert zu einem Größtwert ansteigt, entsteht beim Ansprechen des erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelementes der Lichtbogen natürlich dort, wo der Ab­ stand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode am geringsten ist. Der Lichtbogen wandert dann jedoch - thermisch bedingt, also von "heiß" nach "kalt" - dahin, wo der Abstand zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode am größten ist. Die Verlängerung des Lichtbogens ist mit einer Erhöhung der Lichtbogenspannung und damit mit einem verbesserten Lösch­ verhalten verbunden.

Im einzelnen gibt es nun verschiedene Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Überspannungsschutzelement auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird ver­ wiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprü­ che, andererseits auf Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit einer Zeich­ nung erläutert werden. In der Zeichnung zeigen, jeweils nur schematisch,

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelements,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelements,

Fig. 4 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 3,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelements,

Fig. 6 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelements,

Fig. 8 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 7,

Fig. 9 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Überspannungsschutzelements und

Fig. 10 eine Draufsicht auf das Überspannungsschutzelement nach Fig. 9.

Die in den Figuren dargestellten Überspannungsschutzelemente dienen der Ab­ leitung von transienten Überspannungen, wie sie insbesondere durch atmosphä­ rische Entladungen, aber auch durch Kurzschlüsse und Schalthandlungen in Ener­ gieversorgungsnetzen auftreten können, und weisen zunächst zwei im wesentli­ chen zylindrische, vertikal angeordnete Elektroden 1, 2 auf, wobei eine Elek­ trode 1, die innere Elektrode, von der anderen Elektrode 2, der äußeren Elek­ trode mantelförmig umgeben ist und zwischen den Elektroden 1, 2 eine Luft- Durchschlag-Funkenstrecke 3 wirksam ist.

Erfindungsgemäß sind die beiden Elektroden 1, 2 exzentrisch zueinander ange­ ordnet. Dadurch steigt der Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 von einem Kleinstwert zu einem Größtwert an. Beim Anspre­ chen des erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes entsteht der Lichtbo­ gen natürlich dort, wo der Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 am geringsten ist. Der Lichtbogen wandert dann - thermisch bedingt, also von "heiß" nach "kalt" - dahin, wo der Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 am größten ist. Die Verlänge­ rung des Lichtbogens ist mit einer Erhöhung der Lichtbogenspannung und folg­ lich mit einem verbesserten Löschverhalten verbunden.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 hat die innere Elektrode 1 ei­ nen kreisförmigen Querschnitt und ist die äußere Elektrode 2 kreisringförmig ausgeführt. Demgegenüber gilt für das in den Fig. 3 und 4 dargestellte Aus­ führungsbeispiel, daß die innere Elektrode 1 einen elliptischen Querschnitt hat und die äußere Elektrode 2 elliptisch ausgeführt ist.

Im übrigen gilt sowohl für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 als auch für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4, daß zwischen den bei­ den Elektroden 1 und 2, und zwar an der Stelle des geringsten Abstandes zwi­ schen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2, eine eine Gleitent­ ladung auslösende Zündhilfe 4 vorgesehen ist. Durch diese Maßnahme, der be­ sondere Bedeutung zukommt, ist in das Überspannungsschutzelement, von dem die Erfindung ausgeht, das also eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 aufweist, gleichsam eine Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke integriert. Die integrier­ te Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke hat eine relativ konstante und vor al­ lem geringere Ansprechspannung als die dem eigentlichen Überspannungsschutz dienende Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3. Einmal angesprochen, und zwar bei einer relativ konstanten niedrigen Ansprechspannung, führt die gezündete Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecke zu einem "schlagartigen" Zünden der Luft- Durchschlag-Funkenstrecke 3 mit relativ hoher Stoßstromtragfähigkeit. Damit sind bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Überspannungsschutzelementes die Vorteile einer Luft-Durchschlag-Funkenstrec­ ke und einer Luft-Überschlag-Funkenstrecke verwirklicht und deren Nachteile eliminiert.

In den in den Fig. 1 und 2 sowie 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ragt die Zündhilfe 4 nur teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke 3 hinein. Im übrigen ist die Zündhilfe 4 stegartig ausgeführt. Sie besteht aus Kunststoff, und zwar aus einem Kunststoff mit geringer Kriechstromfestigkeit, der bei Lichtbogeneinwirkung gast, nämlich elektronegative Gase freisetzt.

Die in den Fig. 5 und 6, 7 und 8 sowie 9 und 10 dargestellten Ausführungsbei­ spiele erfindungsgemäßer Überspannungsschutzelemente unterscheiden sich von den in den Fig. 1 und 2 sowie 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen nun dadurch, daß eine dritte Elektrode 5 vorgesehen ist und die dritte Elektrode 5 die zweite Elektrode 2 mantelförmig umgibt. Es handelt sich hier also jeweils um Drei-Elektroden-Funkenstrecken. In den in den Fig. 5 und 6 sowie 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die dritte Elektrode 5 jeweils exzen­ trisch zur zweiten Elektrode 2 angeordnet, - wie die zweite Elektrode 2 zur ersten Elektrode 1 exzentrisch angeordnet ist, wobei jedoch der geringste Ab­ stand zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 nicht dort verwirklicht ist, wo der geringste Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2 verwirklicht ist, vielmehr ist der geringste Ab­ stand zwischen der Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 um 180° versetzt gegenüber dem geringsten Abstand zwischen der inneren Elektrode 1 und der äußeren Elektrode 2.

Wie im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 die innere Elektrode 1 einen kreisförmigen Querschnitt hat und die äußere Elektrode 2 kreisringförmig aus­ geführt ist, so gilt auch für das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 und 6, daß die innere Elektrode 1 einen kreisförmigen Querschnitt hat und die Elek­ troden 2 und 5 kreisringförmig ausgeführt sind. Demgegenüber korrespondiert das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 und 8 zum Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4. Hier hat die innere Elektrode 1 einen elliptischen Quer­ schnitt und sind die Elektroden 2 und 5 elliptisch ausgeführt.

Im übrigen gilt für die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 5 und 6 einerseits sowie 7 und 8 andererseits, daß zwischen der zweiten Elektrode 2 und der drit­ ten Elektrode 5 eine Zündhilfe vorgesehen ist.

In dem in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwar die beiden Elektroden 1 und 2 exzentrisch zueinander angeordnet, die dritte Elek­ trode 5 liegt jedoch zur zweiten Elektrode 2 konzentrisch. Für dieses Ausfüh­ rungsbeispiel gilt im übrigen, daß zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 drei Zündhilfen 6 - gleichmäßig über den Umfang verteilt - vorgesehen sind. Dabei sind die Zündhilfen 6 zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 gegenüber der Zündhilfe 4 zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2 umfangsmäßig versetzt vorgesehen.

Es ist bereits darauf hingewiesen worden, daß die Zündhilfen 4 bzw. 6 als Hilfs-Luft-Überschlag-Funkenstrecken zwischen den Elektroden 1 und 2 bzw. 2 und 5 wirken, mit den Zündhilfen 4 bzw. 6 also die Luft-Durchschlag-Funken­ strecke 3 zwischen den Elektroden 1 und 2 und die Luft-Durchschlag-Funken­ strecke 7 zwischen den Elektroden 2 und 5 "schlagartig" zum Zünden gebracht werden können. Folglich können die Zündhilfen 4 und 6 insgesamt so ausgelegt werden, daß mit Hilfe der Zündhilfen 4 und 6 das Ansprechverhalten der erfin­ dungsgemäßen Überspannungsschutzelemente gesteuert werden kann. Dazu kann ei­ ne Ausgestaltung hilfreich sein, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zünd­ hilfe 6 bzw. die Zündhilfen 6 zwischen der zweiten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 5 eine andere Größe und/oder Form hat bzw. haben und/oder aus ande­ rem Material besteht bzw. bestehen als die Zündhilfe 4 zwischen der ersten Elektrode 1 und der zweiten Elektrode 2.

Schließlich kann das Ansprechverhalten der erfindungsgemäßen Überspannungs­ schutzelemente auch dadurch beeinflußt werden, daß die Elektroden 1, 2 und/ oder die Elektrode 5, soweit vorhanden, unterschiedlich lang ausgeführt wer­ den. Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die Zündhilfe 6 bzw. die Zünd­ hilfen 6 in gleicher Weise ausgeführt sein kann bzw. können, wie dies in bezug auf die Zündhilfe 4 im einzelnen beschrieben worden ist.

Claims (16)

1. Überspannungsschutzelement zur Ableitung von transienten Überspannungen, mit mindestens zwei - zumindest im wesentlichen - zylindrischen, vorzugswei­ se vertikal angeordneten Elektroden, wobei eine Elektrode, die innere Elektro­ de, von der anderen Elektrode, der äußeren Elektrode, mantelförmig umgeben ist und zwischen den Elektroden eine Luft-Durchschlag-Funkenstrecke wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (1, 2) exzentrisch zu­ einander angeordnet sind.

2. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode (1) einen elliptischen Querschnitt hat und/oder die äußere Elektrode (2) elliptisch ausgeführt ist.

3. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Elektroden (1, 2), vorzugsweise an der Stelle des ge­ ringsten Abstandes zwischen der inneren Elektrode (1) und der äußeren Elektro­ de (2), eine eine Gleitentladung auslösende Zündhilfe (4) vorgesehen ist.

4. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) nur teilweise in die Luft-Durchschlag-Funkenstrecke (3) hineinragt.

5. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) stegartig ausgeführt ist.

6. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus Kunststoff besteht.

7. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus einem Kunststoff mit geringer Kriechstromfestigkeit besteht.

8. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfe (4) aus einem bei Lichtbogeneinwirkung gasenden, nämlich elektronegative Gase frei setzenden Kunststoff besteht.

9. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine dritte Elektrode (5) vorgesehen ist und die dritte Elektrode (5) die zweite Elektrode (2) mantelförmig umgibt.

10. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode (5) exzentrisch zur zweiten Elektrode (2) angeordnet ist.

11. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die dritte Elektrode (5) elliptisch ausgeführt ist.

12. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektro­ de (5) eine Zündhilfe (6) vorgesehen ist.

13. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) mehrere, vor­ zugsweise drei Zündhilfen (6) - vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang ver­ teilt - vorgesehen sind.

14. Überspannungsschutzelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündhilfen (6) zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektro­ de (5) gegenüber den Zündhilfen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektrode (2) umfangsmäßig versetzt vorgesehen sind.

15. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zündhilfe bzw. die Zündhilfen (6) zwischen der zweiten Elektrode (2) und der dritten Elektrode (5) eine andere Größe und/oder Form haben und/oder aus anderem Material besteht bzw. bestehen als die Zündhilfe bzw. Zündhilfen (4) zwischen der ersten Elektrode (1) und der zweiten Elektro­ de (2).

16. Überspannungsschutzelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Elektroden (1, 2, 5) unterschiedlich lang ausgeführt sind.