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Schutzvorrichtung für elektrische Anlagen Die Erfindung betrifft eine
Schutzvorrichtung für elektrische Anlagen, bestehend aus einem als Überspannungsableiter
wirkenden Gasentladungsgefäß und einer Schaltvorrichtung, die in Abhängigkeit von
der im Gasentladungs:gefäß frei werdenden Wärme betätigt wird.
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Die Schaltvorrichtung hat den Zweck, die durch die Schutzvorrichtung
zu schützenden Anlageteile in Abhängigkeit von der Erwärmung des Gasentladungsgefäßes
abzuschalten und das Gasentladungsgefäß . selbst kurzzuschließen, wenn längere Zeit
andauernde Störungen zu einer starken Erwärmung des Gasentladungsgefäßes führen.
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Es ist bekannt, Überspannungsableiter gegen unzulässige Erwärmung
und dadurch gegebenenfalls bedingte Beschädigung dadurch zu schützen, daß man den
Überspannungsableiter kurzschließt. Auch das Abschalten eines zu schützenden Anlageteiles
beim Vorhandensein von Überspannungen ist an sich nicht mehr neu.
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Man hat bereits zur Betätigung von Schaltvorrichtungen, die den Überspannungsableiter
kurzschließen und/oder den zu schützenden Anlagenteil abschalten, Bimetallschaltvorrichtungen
vorgeschlagen, deren wärmeempfindliches Bimetallorgan durch- den über den Ableiter
fließenden Strom oder durch die im Ableitergefäß frei werdende Wärme aufgeheizt
wird.
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Die Bimetallelemente werden entweder unmittelbar von dem Ableiterstrom
durchflossen, wobei sie
durch die in ihnen entstehende Widerstandswärme
beheizt werden, oder sie sind entweder innerhalb oder außerhalb des Gasentladungsgefäßes
angeordnet und mit den Elektroden oder der Hülle des Entladungsgefäßes wärmeleitend
verbunden.
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Innerhalb des Gasentladungsgefäßes angeordnete Bimetallschaltvorrichtungen
können nur zum Kurzschließen der Entladungsstrecke im Inneren des Gefäßes verwendet
werden; außerhalb des Entladungsgefäßes angeordnete Bimetallelemente arbeiten, wenn
sie durch die Erwärmung des Gefäßes gesteuert werden, meist sehr träge, da sie stets
nur einen kleinen Bruchteil der in dem Entladungsgefäß frei werdenden Wärme ausnutzen.
Wird der durch das Entladungsgefäß fließende Strom zum Aufheizen des Bimetallelementes
herangezogen, so muß in dem Stromkreis des Ableiters ein zusätzlicher Widerstand
liegen (der gegebenenfalls der Widerstand des Bimetallelementes selbst sein kann).
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Ein solcher zusätzlicher Widerstand erhöht aber den Spannungsabfall
im Stromkreis Ableiter -Erde, so daß trotz Ansprechens des Ableiters hohe Spannungen
auf den zu schützenden Leitungen bestehenbleiben können.
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Die Erfindung hat den Zweck, eine Schutzvorrichtung für elektrische
Anlagen, insbesondere eine überspannungsschutzvorrichtung für' Fernmeldeanlagen
zu schaffen, bei der die Schaltvorrichtung durch die beim Ansprechen des Überspannungsableiters
innerhalb des Ableiters auf-. tretende Wärme betätigt wird und die Nachteile der
bekannten Ausführungen vermeidet.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Betätigung der Schaltvorrichtung
durch die Formänderung eines abgeschlossenen Behälters ausgelöst oder bewirkt wird,
der eine mit dem Innenraum des Gasentladungsgefäßes, vorzugsweise mit wenigstens
-einer der Elektroden des Gefäßes, in wärmeleitender Verbindung stehende verdampfbare
Flüssigkeit enthält.
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Bei zu starker Erwärmung des Gasentladungsgefäßes bzw. seiner Elektroden
beginnt die in dem abgeschlossenen Raum enthaltene verdampfbare Flüssigkeit zu sieden,
wobei sich der Druck in dem Raum sehr rasch erhöht.
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Es ist bekannt, daß bei Gasentladungsgefäßen sich zunächst die Elektroden
erwärmen, an denen die Entladungen ansetzen. Solange, wie es sich bei der Entladung
um eine reine Glimmentladung handelt, verteilt sich die Erwärmung der Elektroden
praktisch auf die gesamte aktive Fläche der Elektroden. Bei stärkeren Ableitströmen
geht die Glimmentladung jedoch bald in eine Bogenentladung über, die zu einer hohen
Erwärmung der örtlich begrenzten Stellen der Elektroden führt, an denen die Lichtbogenfußpunkte
ansetzen. Es kann durchaus sein, daß das Entladungsgefäß selbst noch verhältnismäßig
kalt bleibt, während an der den Fußpunkt einer Lichtbogenentladung bildenden Stelle
der Elektrode bereits sehr hohe, die Elektrode gefährdende Temperaturen auftreten.
Um auch in einem solchen Fall ein schnelles Ansprechen der den Überspannungsableiter
schützenden Schaltvorrichtung zu erzwingen, ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, wenn
sich die verdampfbare Flüssigkeit in einem Hohlraum befindet, dessen Wandungen wenigstens
zum Teil durch die Elektroden selbst gebildet sind.
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Am vorteilhaftesten ist eine Ausführung, bei der wenigstens eine der
Elektroden des Gasentladungsgefäßes als ein mit verdampfbarer Flüssigkeit ganz oder
teilweise gefüllter Hohlkörper ausgebildet ist.
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Die im Inneren der als Hohlkörper ausgebildeten Elektrode befindliche
Flüssigkeit sorgt zunächst für eine gute Ableitung der an den aktiven Flächen der
Elektrode entstehenden Wärmemenge; sie wirkt als Kühlmittel, das das Entstehen hoher,
örtlich begrenzter Temperaturen an der Elektrode verhindert, bis der Verdampfungspunkt
der Flüssigkeit erreicht ist. Die sich durch die Verdampfung der Flüssigkeit ergebende
Drucksteigerung führt dann zum Kurzschließen des Überspannungsableiters.
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Der im Inneren des geschlossenen Raumes durch das verdampfbare Medium
sich bildende Druck kann in einfachster Weise dadurch zur Betätigung der Schaltvorrichtung
ausgenutzt werden, daß dieser Raum durch ein sich unter der Wirkung einer Druckänderung
bewegendes oder verformendes Glied abgeschlossen ist, das seine Bewegung oder Verformung
auf eine Schaltvorrichtung überträgt. Dabei kann man die Schaltvorrichtung derart
mit dem Überspannungsableiter zusammenbauen, daß' das bewegliche oder verformbare
Abschlußglied des abgeschlossenen Raumes unmittelbar auf eine als Ein-, Aus- und/oder
Umschalter ausgebildete Schaltvorrichtung einwirkt. Als Schaltvorrichtung ist in
einem solchen Fall ein an sich bekannter Mikroschalter besonders geeignet.
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Wenn man die Elektroden des Gasentladungsgefäßes als einen Hohlkörper
ausbildet, der ein zylindrisches Rohr ist oder einen zylindrischen Rohrteil umfaßt,
so läßt sich das Abschlußglie.d z. B. als ein dichtend an der Innenwand des zylindrischen
Rohres anliegender Kolben ausbilden, der den mit Flüssigkeit gefüllten Elektrodenhohlkörper
dicht abschließt und beim Auftreten eines Innendruckes nach außen geschoben wird,
wobei er z. B. durch eine Kolbenstange eine Schaltvorrichtung betätigen kann.
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Die Dichtung eines solchen Kolbens ist jedoch nicht immer vollkommen
zufriedenstellend, insbesondere bei . Schutzvorrichtungen, die längere Zeit ohne
Wartung bleiben. Bei derartigen Schutzvorrichtungen empfiehlt es sich daher, den
Elektrodenhohlkörper durch eine elastische Membran ,zu verschließen.
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Größere Betätigungswege kann man erfindungsgemäß dadurch erreichen,
daß man die elastische Membran als Metallbalg ausführt, der sich unter der Wirkung
eines Innendruckes stark längt.
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Bestimmte Rücksichten auf die Anordnungsmöglichkeit der Schutzvorrichtung
in einem Gehäuse
lassen es zweckmäßig erscheinen, die Betätigung
der Schaltvorrichtung nicht durch das sich bewegende oder verformende, den Flüssigkeit
enthaltenden Raum abschließende Glied- unmittelbar vorzunehmen, sondern ein zusätzliches
Betätigungsglied dazwischenzuschalten.
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Schließlich ist es selbstverständlich auch möglich, nicht die Elektroden
selbst die Wandung des die verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Raumes bilden zu
lassen; es kann auch ein vollkommen abgeschlossenes, eine Flüssigkeit enthaltendes
Gefäß derart in die Elektrode eingesetzt werden, daß seine Wandung wärmeleitend
mit dem Material der Elektrode verbunden ist, während ein unter Federdruck stehendes
Bauelement sich auf diesen Hohlkörper abstützt, bei dessen Zerstörung durch inneren
Überdruck das Bauelement unter der Wirkung der Feder in den vorher von dem Hohlkörper
eingenommenen Raum eindringt und dabei die Schaltvorrichtung betätigt.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise dargestellt; es
zeigt Big. i ein.bei seiner Erwärmung eine Schaltvorrichtung betätigendes Entladungsgefäß,
bei dem eine verdampfbare Flüssigkeit im Inneren einer Hohlelektrode des Entladungsgefäßes
angeordnet ist, Fig. 2 eine abweichende Ausführungsform eines Gasentladungsgefäßes
ähnlich Fig. i, Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Gasentladungsgefäßes gemäß
der Erfindung und Fig. 4 ein nach dem gleichen Prinzip wie die Entladungsgefäße
nach den Fig. i, 2 und 3 arbeitendes Entladungsgefäß, Fig.5 ein Entladungsgefäß
mit einem besonderen Flüssigkeitsbehälter, der beim Auftreten eines Überdruckes
zerstört wird, Fig. 6 den Zusammenbau eines Entladungsgefäßes gemäß Fig. 5 mit der
Schaltvorrichtung in einem geschlossenen Stecksockel.
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Bei dem Gasentladungsgefäß gemäß Fig. i sind die in die Glashülle
io eingeschmolzenen Elektroden i i und 12 als Hohlelektroden ausgebildet. Die obere
Elektrode i i enthält eine verdampfbare Flüssigkeit 13 und ist an ihrem aus der
Glashülle io herausragenden Ende zu einem Balg 14 verformt, der durch eine Abschlußkappe
15 gas- und flüssigkeitsdicht abgeschlossen ist. Auf der Kappe 15 sitzt ein Druckstück
16, das einen Umschaltkontakt 17 betätigt, wenn infolge Verdampfens eines Teiles
der Flüssigkeit 13 sich der Balg 14 so weit ausdehnt, daß das Druckstück 16 die
Kontaktfeder 18 nach oben drückt. Das Druckstück 16 kann - was in der Fig. i. nicht
dargestellt ist - gegebenenfalls auch unmittelbar einen Mikroschälter betätigen.
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Bei dem Überspannungsableiter gemäß Fig. 2 ist die Hohlelektrode ig
an ihrem äußeren Ende in Form eines Trichters 2o aufgeweitet und durcfi eine gewellte
Membran 21 abgeschlossen. Diese Membran drückt bei Entstehen eines inneren Überdruckes
im Inneren der ,Hohlelektrode ig auf den Betätigungszapfen 22 eines Mikroschalters
23. Der überspannungsableiter gemäß Fig. 3 ist in einer das Glasgefäß io schützenden,
aus zwei Teilen 24 und 25 bestehenden Schutzhülle 26 untergebracht. Die Hohlelektrode
27 trägt an ihrem aus dem Glasgefäß io herausragenden Ende eine zylindrische Kammer
28, die durch die glatte Membran 29 abgeschlossen ist. Die beiden Teile 24 und 25
der äußeren Hülle 26 des Entladungsgefäßes sind vorzugsweise aus Metall gefertigt
und mit je einer der beiden Elektroden 27 und 12 leitend verbunden. Die Lücke zwischen
den Rändern der beiden Teile 24 und 25 ist durch ein ringförmiges Isolierzwischenstück
30 abgeschlossen. Dieses ringförmige Isolierstück wird vorzugsweise aus einem
flüssig aufgebrachten und dann erstarrenden Epoxydharz gebildet. Bei Belastung des
Entladungsgefäßes erwärmen sich die Elektroden 27 und 12, es verdampft ein Teil
der in der Hohlelektrode 27 befindlichen Flüssigkeit. Der im Inneren dieser Elektrode
entstehende hohe Dampfdruck drückt die Mitte der Membran 29 nach außen und bewirkt
über den Zapfen 31 eine Betätigung des Mikroschalters 32.
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Bei der abgewandelten Ausführung gemäß Fig. 4 besteht das Entladungsgefäß
aus einem mittleren zylindrischen Isolierstoffteil 33, der z. B. aus hochtemperaturfestem
Glas oder Porzellan hergestellt ist und den beiden Metallkappen 34 und 35, die mit
den Elektroden 36 und 37 in zylindrischen Ansätzen 38 und 39 verschweißt sind und
mit ihren äußeren Kappenrändern 40 und 41 über die Enden des Glaszylinders 33 übergeschoben
sind. Die Abdichtung der Metallkappen und des Glaszylinders erfolgt durch aufgeschmolzene
Dichtungsraupen 42.
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Das äußere offene Ende der Elektrode 37 ragt in den Hohlraum einer
besonderen Membrankappe 43 hinein, die an ihrer Stirnfläche durch die dünne Membratt
44 verschlossen ist. Im Inneren der Membrankappe 43 befindet sich der Ausgleichsraum
45.
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Der besonderen Zwecken dienende Überspannungsableiter gemäß Fig.5
besteht aus dem Haltekörper 46, der aus Metall hergestellt ist und an seinem unteren,
eingezogenen Teil 47 als Stecksockel ausgebildet ist. Dieser Stecksockel gleicht
in seinen Abmessungen den Sockeln der bei der Bundespost gebräuchlichen Feinsicherungen
F 49 bzw. der rücklötbaren Feinsicherung nach DIN 4, 579. In dem oberen Teil dieses
Haltekörpers ist ein Gewinde 48 vorgesehen, in das die mit einem passenden Außengewinde
versehene Kappe 49 eingeschraubt werden kann. Die Kappe 49 ist eine aus Metall hergestellte,
becherartig ausgebildete Hiilse, die mit Längsschlitzen 5o versehen ist und in ihrem
Inneren den eigentlichen Überspannungsableiter 51 enthält, der seinerseits aus einer
Glashülle 52 mit den in diese Hülle eingeschmolzenen Hohlelektroden 53 und 54 besteht.
Die Elektrode 53 des überspannungsableiters 51 ist mit ihrem äußeren Rand in eine
Bohrung an der Stirnseite der becherartigen Kappe 49 eingebördelt. Zur besseren
Bettung des Glasgefäßes 52 dient eine
Kitteinlage 55, die auch aus
einem flüssig eingefüllten und nachträglich erstarrten Kunstharz bestehen kann.
Die Hohlelektrode 54 ist an ihrem Ende trichterförmig erweitert, so daß sie einen
mit leicht verdampfbarer Flüssigkeit gefüllten tropfenartigen Glasbehälter 56 aufnehmen
kann. Dieser Glasbehälter 56 stützt sich auf den inneren Rand der trichterförmigen
Erweiterung der Elektrode 54 und drückt auf den federnden Auslöse-Stift 57 des nur
schematisch angedeuteten Kontaktfederumschalters 58. Eine Druckfeder 59 preßt den
Stift 57 ständig fest an den Behälter 56 an. Eine Spiralkegelfeder 6o verspannt
ein im Boden der Halterung 46 liegendes Isolier- und Führungsstück 61 für den Zapfen
57 gegen den erweiterten Rand der trichterförmigen Erweiterung der Hohlelektrode
54 und gibt gleichzeitig die leitende Verbindung zwischen dem Steckerstift 57 und
der Elektrode 54.
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Sämtliche dargestellten Vorrichtungen arbeiten grundsätzlich nach
dem gleichen Prinzip, indem bei einer starken Erwärmung des Gasentladungsgefäßes
ein Teil der Wärme zum Verdampfen einer Flüssigkeit benutzt wird, die ihrerseits
durch die sich ausbildende Drucksteigerung in dem geschlossenen, die Flüssigkeit
aufnehmenden Raum entweder einen beweglichen Abschluß dieses Raumes verformt oder
verschiebt bzw. einen vollkommen flüssigkeitsdicht ausgebildeten, besonderen Flüssigkeitsbehälter
infolge inneren Überdruckes zum Platzen bringt.
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In allen Fällen wird durch die Formänderung des beweglichen Gliedes
oder durch das Platzen des geschlossenen zusätzlichen Flüssigkeitsbehälters eine
Betätigung des Umschalters ausgelöst, der einerseits in an sich bekannter Weise
das Gasentladungsgefäß überbrückt und andererseits das zu schützende Objekt von
der Leitung abtrennt.
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Durch entsprechende Wahl der Menge der verwendeten Flüssigkeit, ihres
Siedepunktes und der Größe des fest geschlossenen Behälters hat man es in der Hand,
die Ansprechgeschwindigkeit zu beeinflussen. Man wird dabei meist nur einen Teil
des geschlossenen Behälters mit Flüssigkeit füllen (mit Ausnahme der Ausführung
in den Fig. 5 und 6, bei denen im allgemeinen der Glasbehälter 56 vollständig mit
Flüssigkeit gefüllt wird). Auch durch die Art. des Einbaues des Gasentladungsgefäßes
kann die Ansprechgeschwindigkeit geändert werden; denn es dürfte leicht einzusehen
sein, daß bei senkrechtem Einbau des Gasentladungsgefäßes (Fig. i, 2 und 3) die
unmittelbar an der heißesten Stelle der Elektrode anliegende Flüssigkeit schnell
verdathpft, während bei einer liegenden Ausführung gemäß Fig.4 sich erst die gesazrite
rohrförmige Wandung der Elektrode auf die Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit
erwärmt haben müß, ehe ein stärkeres Verdampfen der Flüssigkeit beginnt.
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Die Fig.6 zeigt die technische Durchbildung eines Umschalters, der
zum Kurzschließen des Überspannungsableiters und zur Erdung der äußeren Leitung
dient. In dem Steckersockel 62 ist eine Fassungsöffnung 63 vorgesehen, in die der
Sockel 47 des vollständigen Überspannungsableiters 64 eingesetzt wird, wobei der
Sockelteil 47 durch die schmale Blattfeder 65 nach seinem Einführen in der Fassung
63 festgehalten wird. Der Sockel 62 nimmt den Umschalterkontaktsatz 66 auf, der
aus den beiden Kontaktfedern 67 und 68 besteht. Die beiden Kontaktfedern 67 und
68 tragen auf ihren einander zugekehrten Seiten je einen Edelmetallkontakt 69 und
70. Die Feder 68 trägt außerdem einen an ihrem Ende angeordneten Einschaltkontakt
71, demgegenüber an dem Sockel 62 ein fester Gegenkontakt 72 angebracht ist. Die
Anschlüsse der Kontaktfedern und des festen Kontaktes 72 sind zu drei flach ausgeführten
Steckerstiften 73, 74 und 75 geführt, die an der Unterseite des vorzugsweise aus
zwei Teilen zusammengesetzten Sockels 62 herausragen und zum Einstecken des Überspannungsableitersatzes
in eine entsprechende Steckdose dienen.
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Dieser zuletzt beschriebene Überspannungsableitersatz arbeitet folgendermaßen:
Erwärmt sich der Überspannungsableiter 51 sehr stark, so wird der mit einer Hohlelektrode
54 wärmeleitend verbundene tropfenartige Glasbehälter 56 ebenfalls erwärmt; die
in ihm enthaltende Flüssigkeit verdampft und zersprengt den Behälter. Der Stift
57 findet nun keinen Gegendruck mehr und wird durch die Feder 59 nach oben geschoben.
Das untere Ende des Stiftes 57 entlastet die obere Kontaktfeder 68, die sich ihrerseits
nach oben durchkrümmt und zunächst die Kontakte 69 und 7o trennt; wodurch sie das
zu schützende Objekt von der mit Überspannungen behafteten Leitung abschaltet. Anschließend
wird der Kontakt 71, 72 geschlossen, der den Überspannungsableiter kurzschließt
und gleichzeitig die Leitung mit Erde verbindet. Bei dieser Bewegung der oberen
Kontaktfeder 68 tritt der Kennzeichnungsstift 76 aus dem für ihn in dem Sockel 62
vorgesehenen Durchbruch 77 nach außen heraus, so daß man an dem Heraustreten dieses
Zapfens klar erkennen kann, welcher Überspannungsableiter mit unzulässiger Erwärmung
angesprochen hat und mit einem neuen Flüssigkeitsbehälter 56 versehen werden muß.
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Der Vorteil der neuen Ausführungsform einer Schutzvorrichtung ist
vor allem darin zu sehen, daß verhältnismäßig große Schaltkräfte zur Verfügung stehen,
die ein einwandfreies Schalten selbst bei größerer Schalter ermöglichen.